3有机化学反应机理的研究.ppt

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1、第三章第三章 有机化学反应机理的研究有机化学反应机理的研究1.1.有机反应分类有机反应分类2.2.2.2.反应机理及其研究方法反应机理及其研究方法3.3.3.3.酸碱理论酸碱理论4.4.4.4.分子结构和化学活性间的关分子结构和化学活性间的关系系5.5.5.5.溶剂效应溶剂效应3-1 3-1 有机反应分类有机反应分类l反应中间体：离子反应、自由基反应、反应中间体：离子反应、自由基反应、氧化还原反应、协同反应氧化还原反应、协同反应l化学键变化：取代反应、加成反应化学键变化：取代反应、加成反应（包括周环反应）、消除反应、氧化（包括周环反应）、消除反应、氧化还原反应、分子重排反应还原反应、分子重排反

2、应l能量变化：动力学、热力学能量变化：动力学、热力学3-2 3-2 反应机理及其研究方法反应机理及其研究方法一、什么是反应机理？一、什么是反应机理？反应机理，又称反应历程，反应反应机理，又称反应历程，反应物通过化学反应形成产物所经历物通过化学反应形成产物所经历的全部途径和过程。的全部途径和过程。3-2 3-2 反应机理及其研究方法反应机理及其研究方法二、反应机理的一般研究步骤二、反应机理的一般研究步骤l对一个反应对一个反应提出理论假设提出理论假设：在已有实验事实：在已有实验事实基础上并与现有理论相符；基础上并与现有理论相符；l设计并进行实验，设计并进行实验，检验假设检验假设；l如果新的实验结果

3、与假设相符，在假设中所如果新的实验结果与假设相符，在假设中所有可供检验因素均已被实验证实后，对假设有可供检验因素均已被实验证实后，对假设作出推断，可作为该反应的机理；显然该机作出推断，可作为该反应的机理；显然该机理要能解释得到的所有产物及其有关性质，理要能解释得到的所有产物及其有关性质，包括由副反应形成的产物在内。包括由副反应形成的产物在内。l如果如果新的实验结果与假设不符新的实验结果与假设不符，可重新提出，可重新提出假设假设。三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法1.1.反应产物和副产物的鉴定反应产物和副产物的鉴定 对反应提出的任何一个机理，显然对反应提出的任何一个机理，显然要能解释得

4、到的所有产物及其有关性质，要能解释得到的所有产物及其有关性质，包括由副反应形成的产物在内。包括由副反应形成的产物在内。三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法1.1.反应产物和副产物的鉴定反应产物和副产物的鉴定例例1 1：GombergGomberg 1900 1900年认为年认为PhPh3 3C C.自由基所自由基所形成的无色二聚体为形成的无色二聚体为PhPh3 3C-C PhC-C Ph3 3，直到直到19681968年年LanhampLanhamp采用采用NMRNMR和和UV-VisUV-Vis技术确定了该二技术确定了该二聚体的结构。聚体的结构。三、反应机理的研究方法三、反应机理的研

5、究方法1.1.反应产物和副产物的鉴定反应产物和副产物的鉴定例例2 2：三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法1.1.反应产物和副产物的鉴定反应产物和副产物的鉴定例例3 3：von Richtervon Richter反应反应The von Richter Reaction:A Case Historyvon Richter Reaction:Bunnett Mechanism(1954)von Richter Reaction:von Richter Reaction:BunnettBunnett Observations(1956 Observations(1956)von richt

6、er reaction:revised Bunnett mechanismRosenblum Observations(1960)Accepted Mechanism for the von Richter ReactionAccepted Mechanism for the von Richter ReactionSupporting Evidence for the Rosenblum Mechanism三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法2.2.反应活性中间体的研究反应活性中间体的研究 在许多反应过程中会出现在许多反应过程中会出现一个一个或多个反应活性中间体或多个反应活性中间体，

7、它们稳定，它们稳定性是不同的，有的可以分离，大多性是不同的，有的可以分离，大多数中间体非常活泼，无法分离。中数中间体非常活泼，无法分离。中间体的确认，可为反应机理提供最间体的确认，可为反应机理提供最有力的证据。有力的证据。三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法2.2.反应活性中间体的研究反应活性中间体的研究（1 1）反应活性中间体的分离）反应活性中间体的分离 在反应活性中间体具有一定的稳定在反应活性中间体具有一定的稳定性，可在低温下或其它可控制的条件下性，可在低温下或其它可控制的条件下使反应停留在中间体阶段一定时间而不使反应停留在中间体阶段一定时间而不立即变为产物，以适当的手段将中间体立

8、即变为产物，以适当的手段将中间体分离出来。分离出来。三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法2.2.反应活性中间体的研究反应活性中间体的研究（2 2）反应活性中间体的检测）反应活性中间体的检测有许多反应活性中间体因寿命较短，不能有许多反应活性中间体因寿命较短，不能分离，但是可以用一些物理方法如分离，但是可以用一些物理方法如IRIR，NMRNMR，UV-VisUV-Vis等检测其存在。等检测其存在。能够用光谱检测也必须满足能够用光谱检测也必须满足2 2个条件个条件：（1 1）活性中间体的浓度能满足检测需要；）活性中间体的浓度能满足检测需要；（2 2）有足够长的寿命，并能吸收适当的放）有足够长

9、的寿命，并能吸收适当的放射。射。三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法2.2.反应活性中间体的研究反应活性中间体的研究（3 3）反应活性中间体的捕获）反应活性中间体的捕获 有些非常活泼、浓度很低的活性中间体，有些非常活泼、浓度很低的活性中间体，既不能分离，又不能被波谱方法检测，可以既不能分离，又不能被波谱方法检测，可以向反应体系中加入一种可与中间体反应的化向反应体系中加入一种可与中间体反应的化合物（捕获试剂），于是正常的反应路线被合物（捕获试剂），于是正常的反应路线被阻断或与捕获试剂进行平行反应，同时生成阻断或与捕获试剂进行平行反应，同时生成新产物，后者往往能够被分离或检测。新产物，后者

10、往往能够被分离或检测。三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法2.2.反应活性中间体的研究反应活性中间体的研究（4 4）可疑反应活性中间体的否定）可疑反应活性中间体的否定 对于可疑的活性中间体，若能用其他方法对于可疑的活性中间体，若能用其他方法得到，那么在同样条件下应该得到同样的产物，得到，那么在同样条件下应该得到同样的产物，这种方法可以提供这种方法可以提供结论性的否定证据结论性的否定证据：如果得：如果得不到同一产物，既可以断定可疑中间体并非反不到同一产物，既可以断定可疑中间体并非反应活性中间体；但是若得到了同一产物，还或应活性中间体；但是若得到了同一产物，还或许是巧合产生的，故不能作为结

11、论性证明。许是巧合产生的，故不能作为结论性证明。3.3.同位素标记同位素标记 在机理研究中常常用在机理研究中常常用同位素效应同位素效应和和同位数标同位数标记记来确定反应历程。来确定反应历程。三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法3.3.同位素标记同位素标记（1 1）同位素效应）同位素效应 最常用的是用氘来代替氢，当反应底物中的一个原最常用的是用氘来代替氢，当反应底物中的一个原子被它的同位素取代后，对它的化学反应性没有影响，但反子被它的同位素取代后，对它的化学反应性没有影响，但反应速率有显著的影响。同位素效应分应速率有显著的影响。同位素效应分一级同位素效应一级同位素效应和和二级二级同位素效

12、应同位素效应。一级同位素效应：在决速步骤中与同位素直接相一级同位素效应：在决速步骤中与同位素直接相连的键发生断裂的反应中所观察到的效应连的键发生断裂的反应中所观察到的效应,其值通常在其值通常在K KH H/K/KD D 为为2 2或更高。或更高。二级同位素效应：在反应中与同位素直接相连的二级同位素效应：在反应中与同位素直接相连的键不发生变化，而是分子中其它化学键变化所观察到的效应，键不发生变化，而是分子中其它化学键变化所观察到的效应，其值通常在其值通常在K KH H/K/KD D=0.7-1.5=0.7-1.5范围内。范围内。三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法3.3.同位素标记同位素

13、标记（1 1）同位素效应）同位素效应3.3.同位素标记同位素标记（1 1）同位素效应）同位素效应 产生同位素效应的原因：由于同位素具有不产生同位素效应的原因：由于同位素具有不同的质量，因此具有不同的同的质量，因此具有不同的零点振动能零点振动能（零点振（零点振动能与质量的平方根成反比），质量越大，零点动能与质量的平方根成反比），质量越大，零点振动能越低，对于一个涉及到与同位素相连的键振动能越低，对于一个涉及到与同位素相连的键断裂的反应来说，而在过渡态中振动不再造成能断裂的反应来说，而在过渡态中振动不再造成能量上的差别，所以与质量大的同位素相连的键由量上的差别，所以与质量大的同位素相连的键由于零点

14、能低而就需要于零点能低而就需要较高的活化能较高的活化能，从而表现为，从而表现为较低的反应速率较低的反应速率。3.3.同位素标记同位素标记（1 1）同位素效应）同位素效应 显著的同位素效应表明：在过渡态中与同位素显著的同位素效应表明：在过渡态中与同位素相连的键正在断裂，同时它的大小定性的指出过渡相连的键正在断裂，同时它的大小定性的指出过渡态相对于产物和反应物的位置，一级同位素效应比态相对于产物和反应物的位置，一级同位素效应比较低，表明过渡态相当接近于产物或反应物；而较较低，表明过渡态相当接近于产物或反应物；而较大，证明过渡态中氢与它原来成键的原子和它新成大，证明过渡态中氢与它原来成键的原子和它新

15、成键的原子都有强的成键作用。键的原子都有强的成键作用。3.3.同位素标记同位素标记（1 1）同位素效应）同位素效应3.3.同位素标记同位素标记（2 2）同位素标记）同位素标记 酯的水解反应，证明发生了酰氧裂解。酯的水解反应，证明发生了酰氧裂解。4.4.立体化学证据立体化学证据l烯烃的加成：溴、稀冷高锰酸钾烯烃的加成：溴、稀冷高锰酸钾l自由基反应：外消旋化自由基反应：外消旋化lS SN N1 1lS SN N2 2三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法5.5.反应热力学和动力学证据反应热力学和动力学证据三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法5.1 5.1 反应的热力学反应的热力学 n

16、当当我我们们研研究究一一个个有有机机反反应应时时，最最希希望望了了解解的的是是这这一一反反应应将将向向产产物物方方向向进进行行到到什什么么样样程程度度？一一般般来来说说，任任何何体体系系都都有有转转变变成成它它们们最最稳稳定定状状态态的的趋趋势势，因因此此，可可以以预预料料当当产产物物的的稳稳定定性性愈愈大大于于反反应应物物的的稳稳定定性性时时，则则平平衡愈移向产物一侧。衡愈移向产物一侧。G G=H H-T TS S 而而G G=-=-RTRTlnlnK Kn要要使使反反应应发发生生，产产物物的的自自由由能能必必须须低低于于反反应应物物的的自自由由能，即能，即G G必须是负值。必须是负值。5.

17、2 5.2 反应的动力学反应的动力学 n动动力力学学研研究究是是解解决决反反应应历历程程问问题题的的有有力力工工具具，其其目目的的是是为为了了在在反反应应物物和和催催化化剂剂的的浓浓度度以以及及反反应速率应速率之间建立定量关系。之间建立定量关系。n反反应应速速率率是是反反应应物物消消失失的的速速度度或或产产物物生生成成的的速速度度，反反应应速速度度随随时时间间而而改改变变，所所以以在在讨讨论论反反应应的真正速度时，通常用瞬间反应速度来表示。的真正速度时，通常用瞬间反应速度来表示。5.5.反应热力学和动力学证据反应热力学和动力学证据三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法1 1）如果反应速度

18、仅与一种反应物的浓度成比例，）如果反应速度仅与一种反应物的浓度成比例，则反应物则反应物A A的浓度随时间的浓度随时间t t的变化速度为：的变化速度为：反应速度反应速度=-=-d dA/A/dtdt=k kAA 服从这个速度定律的反应称为一级反应。服从这个速度定律的反应称为一级反应。2 2）二级反应速度和两个反应物的浓度或一个反）二级反应速度和两个反应物的浓度或一个反 应应 物浓度的平方成比例：物浓度的平方成比例：-d dA/A/dtdt=k kAB AB 若若A=BA=B，则则 -d dA/A/dtdt=k kAA2 23 3）三级反应速度和三个反应物的浓度成比例）三级反应速度和三个反应物的浓

19、度成比例 -d dA/A/dtdt=k kABCABC 如果如果A=B=CA=B=C，则则 -d dA/A/dtdt=k kAA3 3 n动力学数据只提供关于动力学数据只提供关于决速步骤决速步骤和在它以前各和在它以前各步的情况，当有机反应由两步或两步以上的基步的情况，当有机反应由两步或两步以上的基元反应组成时，则反应速度定律的确定一般比元反应组成时，则反应速度定律的确定一般比较复杂，通过平衡近似和定态近似法等简化方较复杂，通过平衡近似和定态近似法等简化方法可求得反应的表观速度常数。法可求得反应的表观速度常数。n动力学研究反应机理的常规顺序是：提出可能动力学研究反应机理的常规顺序是：提出可能的机

20、理，并把实验得出的速度律与根据不同可的机理，并把实验得出的速度律与根据不同可能性推导得到的速度律作比较。从而排除与观能性推导得到的速度律作比较。从而排除与观测到的动力学不相符的机理。测到的动力学不相符的机理。动力学研究反应机理的局限性动力学研究反应机理的局限性n反反应应机机理理的的动动力力学学上上相相当当和和不不能能提提供供过过渡态的结构方面的信息。渡态的结构方面的信息。n对对于于某某一一反反应应，有有关关的的几几个个机机理理可可以以推推论论出出同同一一种种速速率率方方程程，这这些些机机理理是是“动动力力学学上上相相当当的的”，所所以以只只根根据据动动力力学学是是不可能作出选择不可能作出选择的

21、。6.6.溶剂效应溶剂效应7.7.催化作用催化作用三、反应机理的研究方法三、反应机理的研究方法3-3-3 3 酸碱理论酸碱理论人们对酸碱的认识历程人们对酸碱的认识历程l最初：酸是具有酸味的物质，使蓝色石蕊变红最初：酸是具有酸味的物质，使蓝色石蕊变红碱是抵消酸性的物质，使红色石蕊变蓝。碱是抵消酸性的物质，使红色石蕊变蓝。l1818世纪后期：氧元素是酸的必要成分。世纪后期：氧元素是酸的必要成分。l1919世纪初叶，戴维：氢元素是酸的必要成分。世纪初叶，戴维：氢元素是酸的必要成分。酸碱概念的近期发展酸碱概念的近期发展nArrhenius水水-离子论离子论(1889)nFranklin溶剂论溶剂论(1

22、905)nBrnsted质子论质子论(1923)nLewis电子论电子论(1923)3-3-3 3 酸碱理论酸碱理论Arrhenius 水水-离子论离子论n凡在水中能电离产生质子凡在水中能电离产生质子(H+)的物质为酸；的物质为酸；产生氢氧根负离子的为碱；酸与碱发生产生氢氧根负离子的为碱；酸与碱发生中和反应生成盐和水。中和反应生成盐和水。n离子论的缺陷是把酸碱的概念范围限制离子论的缺陷是把酸碱的概念范围限制在水溶液，且不包括那些不产生在水溶液，且不包括那些不产生H+和和HO-的物质，如的物质，如EtO-,R3N等。等。Franklin 溶剂论溶剂论n凡能电离产生与溶剂相同的正离子凡能电离产生与

23、溶剂相同的正离子(SH2+)的物质为酸；能电离产生与溶剂相同的的物质为酸；能电离产生与溶剂相同的负离子负离子(S-)的物质为碱；酸与碱发生中和的物质为碱；酸与碱发生中和反应生成中性溶剂分子反应生成中性溶剂分子(SH)。n溶剂论扩大了酸碱概念范围，但缺陷是溶剂论扩大了酸碱概念范围，但缺陷是仍把酸碱的概念范围限制在溶剂内，未仍把酸碱的概念范围限制在溶剂内，未能从物质的内在酸碱性质进行说明。该能从物质的内在酸碱性质进行说明。该理论影响不如离子论。理论影响不如离子论。Brnsted 质子质子论论n凡能电离产生质子凡能电离产生质子(H+)的物质为酸；凡能与质的物质为酸；凡能与质子子(H+)结合的物质即为

24、碱。结合的物质即为碱。An acid is a proton donor.A base is a proton acceptor.n一种酸释放出质子后产生的物质因其能够与质一种酸释放出质子后产生的物质因其能够与质子结合，故为碱；同理，一种碱结合质子后产子结合，故为碱；同理，一种碱结合质子后产生的物质因其能够释放质子，故为酸。因此，生的物质因其能够释放质子，故为酸。因此，质子论又被称为共轭酸碱理论质子论又被称为共轭酸碱理论(Conjugate Acid-Base Theory)Lewis 电子论电子论n凡能接受电子对的物质为酸；凡能提供电子对凡能接受电子对的物质为酸；凡能提供电子对的物质为碱。的

25、物质为碱。An acid is an electron-pair acceptor.A base is a an electron-pair donor.n极大地扩大了酸碱概念，许多有机反应都可以极大地扩大了酸碱概念，许多有机反应都可以视为酸碱反应。视为酸碱反应。n缺陷是没有一个统一的标准来评价个酸的强弱，缺陷是没有一个统一的标准来评价个酸的强弱，缺乏定量标准。缺乏定量标准。Brnsted酸酸的酸度测定的酸度测定式中式中a为活度，为活度，g g为为Activity Coefficient按照按照Brnsted酸碱酸碱理论，碱的强度可以由其理论，碱的强度可以由其共轭酸的共轭酸的Ka值来评价。这样

26、可以测得一个值来评价。这样可以测得一个连续的酸碱强度标准。在水溶液中测定时，连续的酸碱强度标准。在水溶液中测定时，碱的碱的Kb与其共轭酸的与其共轭酸的Ka间存在下述关系：间存在下述关系：KaKb=aH+aHO-=Kw=10-14(25oC)目前已知的有机化合物的目前已知的有机化合物的pKa值范围可以值范围可以跨越跨越60个个pH单位。最强酸如单位。最强酸如CF3SO3H;最弱最弱酸如甲烷等。因此，不可能在水中或其他单酸如甲烷等。因此，不可能在水中或其他单一溶剂中测出所有酸的一溶剂中测出所有酸的pKa值。值。对对pKa分别为分别为-2和和-3的二种酸，它们的的二种酸，它们的0.1M水溶液中水溶液

27、中H+的浓度为的浓度为0.09990M 和和0.09999M，二者只差二者只差0.0004pH单位。这点差单位。这点差别小的很难区别。对别小的很难区别。对pKa分别为分别为+4和和+5的二的二种酸，它们在水溶液中的种酸，它们在水溶液中的pH差为差为0.5单位，这单位，这时很容易区别。时很容易区别。事实上，在水中只能测得酸性比水强但事实上，在水中只能测得酸性比水强但比比H3O+弱的酸的强度。这种现象被称为拉平弱的酸的强度。这种现象被称为拉平效应效应(Leveling Effect)。影响酸碱强度的主要因素影响酸碱强度的主要因素n取代基电子效应取代基电子效应n立体效应立体效应n周期表中的位置周期表

28、中的位置n杂化轨道杂化轨道n氢氢 键键n溶剂化效应溶剂化效应1.诱导效应可分为静态和动态二种，前者指分诱导效应可分为静态和动态二种，前者指分子内本身存在的诱导；后者指某个外来分子子内本身存在的诱导；后者指某个外来分子接近该分子时引起分子电子云的改变。接近该分子时引起分子电子云的改变。表现为表现为-I(拉拉)效应的取代基主要有效应的取代基主要有X、-N+R3、NO2、CN、CO2R、COR、OH、Ph、NO、CH=CH2和炔基。和炔基。同一族自上向下同一族自上向下-I 减弱：减弱：FCl Br I;同类基团中带正电荷、偶极或不饱和度大的同类基团中带正电荷、偶极或不饱和度大的基团，基团，-I 较大

29、：较大：-N+R3 NO2 NO NR2;炔基炔基烯基烯基烷基；羰基烷基；羰基烯基；等等烯基；等等 表现为表现为+I(给给)效应的取代基主要有：烷基、效应的取代基主要有：烷基、硅基、硅基、MRn(M为电氟性小于碳原子的元素为电氟性小于碳原子的元素)和和带负电荷的基团，如带负电荷的基团，如O-S-Se-Te-;-N-R O-。2.共轭效应共轭效应 一般而言，能使共轭碱负电荷离域的基团一般而言，能使共轭碱负电荷离域的基团将增强化合物的酸性。将增强化合物的酸性。3.周期表中的位置周期表中的位置同一周期的元素从左到右依次酸性增强，同一周期的元素从左到右依次酸性增强，这是由于负电荷可以离域到电负性大的杂

30、这是由于负电荷可以离域到电负性大的杂原子上。原子上。CH4NH3 H2O HF RCOCH3 RCONH2 RCO2H同族元素从上到下依次酸性增强。这是由同族元素从上到下依次酸性增强。这是由于元素体积逐渐增大，极化度增加，从而于元素体积逐渐增大，极化度增加，从而降低了负电荷的集中度。降低了负电荷的集中度。HF HCl HBr HI;NH3 PH3 K0，0 X=推电子取代基时，K K0，1时，表示所研究的反应对取代基效应的敏感程度大于 的离解。0 1时，表示所研究的反应中对取代基的敏感程度不如在PhCO2H离解反应中，但仍然表示吸电子取代基增加反应速度或平衡常数。0时则表示给电子取代基增加反应

31、速度或平衡常数。例如：还有=1.957,(EtOH,25)=-5.090,(EtOH,25)Hammett常数还可以应用于IR、NMR等物理常数的预测。注意：a.p和m数值有所不同但趋势一致，而邻位取代基的电子效应无法在Hammett方程中反应，因为它有时所起的作用不仅仅是电子效应。b.虽然Hammett常数得到广泛地应用，但有很多的例外，即使在没有邻位效应的情况下，它有时也无法将诱导效应和共轭效应综合考虑。为解决这问题，已经有许多的方法建立，如H.C.Brown就定义了（给电子）和（吸电子），但都只适用于很小的范围，没有一个能像Hammett常数应用得那么广。3.5 3.5 溶剂效应溶剂效应

32、 n是是指指由由于于溶溶剂剂的的影影响响使使化化学学平平衡衡、化化学学反反应应速速度以及其它化学性发生改变的一种效应度以及其它化学性发生改变的一种效应。n溶溶剂剂的的介介电电常常数数对对它它的的适适应应电电荷荷分分离离的的能能力力有有重重大大的的影影响响，介介电电常常数数是是随随分分子子永永久久偶偶极极矩矩和和它它的的可可极极化化性性而而改改变变的的，随随偶偶极极矩矩和和可可极极化化性性的增加而变大。的增加而变大。n如如果果一一个个反反应应的的过过渡渡态态由由于于电电离离作作用用而而出出现现一一定定程程度度的的电电荷荷分分离离，而而溶溶剂剂分分子子必必须须通通过过对对活活化化络络合合物物的的外外围围起起作作用用来来稳稳定定电电荷荷，不不允允许许溶溶剂分子真正地介入相反电荷中心之间剂分子真正地介入相反电荷中心之间。n溶剂极性对不同电荷类型反应的影响溶剂极性对不同电荷类型反应的影响n总之，如果一个反应的过渡态出现一定程总之，如果一个反应的过渡态出现一定程度的电荷分离或电荷消失，溶剂效应对反度的电荷分离或电荷消失，溶剂效应对反应速度就有较大的影响，它不但改变反应应速度就有较大的影响，它不但改变反应的能量，同时改变过渡态的能量。的能量，同时改变过渡态的能量。