自由基机理教材课件.ppt

1、第二部分第二部分 有机化学反应有机化学反应全面了解有机化合物的化学性质全面了解有机化合物的化学性质l掌握基本反应类型掌握基本反应类型 l掌握基本反应历程掌握基本反应历程 l全面认识反应活性、选择性、立体化学规律全面认识反应活性、选择性、立体化学规律l设计简单的合成路线设计简单的合成路线 l掌握重要化合物的鉴别反应掌握重要化合物的鉴别反应 第七章第七章 有机化学反应的基本问题有机化学反应的基本问题Understanding Organic Reaction本章的主要内容本章的主要内容一一热力学热力学 Thermodynamics与反应方向与反应方向二二动力学动力学 Kinetics与反应活性、选

2、择性与反应活性、选择性三三反应机制反应机制 Reaction Mechanism四四反应活泼中间体反应活泼中间体 Active Intermediates五五有机反应机制的研究方法有机反应机制的研究方法Reaction Coordinate Diagrams反应坐标图或反应势能变化图 describs the energy changes in total reaction progressA B + C A + B CThermodynamicslQuestion:In what direction does the reaction proceed? Does the reaction r

3、elease or absorb heat?How are the amounts of reactant and product at equilibrium?lThe field of chemistry that describes the properties of a system at equilibrium is called thermodynamics (热力学热力学)l热力学第一定律：能量守衡与转化定律热力学第一定律：能量守衡与转化定律能量可以从一种形式转化成另一种形式，在转能量可以从一种形式转化成另一种形式，在转化过程中，能量总值不变化过程中，能量总值不变l热力学第二定律

4、：自发过程的不可逆性热力学第二定律：自发过程的不可逆性不可能从单一热源吸热，使之全部转化为功，不可能从单一热源吸热，使之全部转化为功，而不引起其他变化而不引起其他变化l热力学第三定律：熵变的计算热力学第三定律：熵变的计算Thermodynamicsl热力学状态函数热力学状态函数l内能内能 U，体系各种能量的总和，绝对值不可知，体系各种能量的总和，绝对值不可知l熵熵 S，体系无序程度，有规定熵，体系无序程度，有规定熵l吉布斯自由能吉布斯自由能 Gl亥姆霍兹自由能亥姆霍兹自由能 Al焓焓 Hl分析研究这些状态函数的变化值分析研究这些状态函数的变化值Thermodynamics不具有明确的物理意义，

5、不具有明确的物理意义，但是对于处理体系的热但是对于处理体系的热力学问题很有帮助力学问题很有帮助Thermodynamics几个基本概念和重要的关系式几个基本概念和重要的关系式lFor the generalized reaction:lwe have lKeq equilibrium constantaA + bBc C + d DKeq = ProductsReactants= C c D d A a B bThermodynamicslFree Energy 自由能自由能lG0 Gibbs standard free energy change, thermodynamic paramet

6、ers，是等温是等温等压条件下判断反应变化方向的热力学状态函数等压条件下判断反应变化方向的热力学状态函数lG0 = (free energy of the products) (free energy of the reactants)G0 = - RTlnKeqlWhen G0 is negative, the reaction is exergonic（放能的）（放能的）, has a favorable equilibrium constant, and can occur spontaneously. When G0 is positive, the reaction is ender

7、gonic（吸能的）（吸能的）, has an unfavorable equilibrium constant, and cannot occur spontaneously.Thermodynamicsl放能不等于放热，同样，吸能也不等于吸热放能不等于放热，同样，吸能也不等于吸热 因为体系与环境间还可以有功的交换因为体系与环境间还可以有功的交换（等压过程的膨胀与收缩）（等压过程的膨胀与收缩）ThermodynamicsreactantsproductsreactantsproductsG Gprogress of the reactionprogress of the reactionFr

8、ee energyan exergonic reaction 放能反应an endergonic reaction 吸能反应Keq 1Keq 1Keq 1G is negativeG is possitive热力学能告诉我们反应是否能进行，却不能预计反应热力学能告诉我们反应是否能进行，却不能预计反应的速度如何？也不能告诉我们反应具体进程是怎样的？的速度如何？也不能告诉我们反应具体进程是怎样的？Questions:lHow fast the reaction occurs?lHow about the energy barrier of the reaction?lHow about the p

9、rogress of the reaction? KineticslKinetics（动力学）（动力学）is the field of chemistry that describes the rates of chemical reactions and the factors that affect those rates.l reaction rate and affecting facters, reaction progress (反应速率及影响因素，反应进程等反应速率及影响因素，反应进程等)KineticsKinetics1.Rate and order of the reacti

10、on usually, the rate of a reaction depends on the concentration of reactants对于反应式：对于反应式： A + B + C + D + E + F + 可以测定各反应物浓度对反应速率的影响，从而得出：可以测定各反应物浓度对反应速率的影响，从而得出： v = kAaBbCcDd k is the rate constant. The smaller the rate constant, the slower the reaction. order of the reaction： n=a+b+c+d+Kinetics1.R

11、ate and order of the reaction 零级反应零级反应：n=0 n=0 催化剂表面进行的反应催化剂表面进行的反应 一级反应一级反应：n=1 n=1 常常为多步反应，而单分子反应可能是常常为多步反应，而单分子反应可能是关键步骤，如关键步骤，如S SN N1 1反应，首先是卤代烃先裂解为碳正离子反应，首先是卤代烃先裂解为碳正离子 二级反应二级反应：n=2 n=2 双分子反应可能是关键步骤双分子反应可能是关键步骤 如如S SN N2 2反应，需要在亲核试剂的进攻下卤代烃经过一步反应生反应，需要在亲核试剂的进攻下卤代烃经过一步反应生成产物成产物CH3CH2CHCH3HO-BrCB

12、rHOHCH3CH2CH3CH3CH2CHOHCH3CCH3CH3H3CBr慢BrCH3CCH3CH3快OH2CCH3H3CCH3OHHH3OH2OCCH3H3CCH3OHv = kRBrv = kRBr -OHKinetics2、反应历程与基元反应、反应历程与基元反应 总的反应方程式反映的是反应总的结果，事实上，总的反应方程式反映的是反应总的结果，事实上，一个反应可能经过若干个步骤一个反应可能经过若干个步骤 如：如：C=C双键与氯化氢的加成经过了两步反应双键与氯化氢的加成经过了两步反应C CHHHH+ HClC CHHHHH ClC CHHHHHC CHHHHHCl -ClCl -C CHH

13、HHH Cl总反应总反应基元反应基元反应1基元反应基元反应2基元反应一定是协同反应基元反应一定是协同反应总反应速率主要由速率最慢的一步决总反应速率主要由速率最慢的一步决定定Kinetics3、碰撞理论：、碰撞理论：Arrhenius 速率公式：速率公式：v = P Z e - Ea /RT Z - 碰撞频率，碰撞频率，P - 取向概率取向概率R - 气体常数，气体常数，T - 热力学温度热力学温度Ea 反应的活化能反应的活化能（v = kAaBbCcDd）lEa (activation energy) 活化能活化能 indicate the energy barrier, the greate

14、r the energy barrier (Ea), the slower the reaction rateKineticsreactantsproductsprogress of the reactionFree energyH0transition stateEa4、Transition state (过渡态）过渡态）theory represents the highest-energy state involved in the reaction. bonds in the transition state are partially broken and formed. is un

15、stable and cannot be isolated, but we can imagine it.Kinetics4、Transition state (过渡态）过渡态）theoryKineticsH2OCHBrHH+CHBrHHCHHHH2OH2O反应物活化络合物生成物reactantsproductsprogress of the reactionFree energyH0transition stateEaKinetics5、Hammond G S 假说假说 “在简单的一步反应（在简单的一步反应（基元反应基元反应）中，）中，该步过渡态的结构、能量与更接近的那该步过渡态的结构、能量

16、与更接近的那边的类似边的类似” 即：即：放热的基元反应，过渡态的结放热的基元反应，过渡态的结构和能量与反应物接近，而在吸热反应构和能量与反应物接近，而在吸热反应中，过渡态的结构和能量与产物接近。中，过渡态的结构和能量与产物接近。 Kinetics5、Hammond G S 假说假说 （基元反应）（基元反应） 过渡态的结构和能量过渡态的结构和能量与反应物接近与反应物接近过渡态的结构和能量过渡态的结构和能量与产物接近与产物接近热力学控制与动力学控制热力学控制与动力学控制lG0 relates to the equilibrium constants of the reactionlEa relat

17、es to the rate of the reaction势能反应进程反应物产物1产物2Ea1 G20 ，产物2是热力学控制产物 高温有利Ea1Ea2 G10 G20反应物产物1产物2orReaction MechanismslA mechanism （机理，或历程）（机理，或历程）describes in detail exactly what takes place at each stage of a chemical transformation. lIt describes which bonds are broken and in what order, which bonds

18、are formed and in what order, and what the relative rates of the steps are. Reaction MechanismslA complete mechanism must also account for all reactant used, all products formed, and the amount of each.Reaction MechanismslIn the description of a reaction mechanism, the movement of one electron is in

19、dicated using a half-headed or “fishhook” curved arrow, and the movement of one pair of electrons is indicated using a full-headed curved arrow Reaction Mechanisms反应的具体步骤：键的断裂顺序和连接顺序反应的具体步骤：键的断裂顺序和连接顺序每步反应中的能量变化以及反应速率每步反应中的能量变化以及反应速率反应立体化学反应立体化学Kinetics反应速率与浓度的关系、反应级数反应速率与浓度的关系、反应级数碰撞理论、过渡态理论和碰撞理论、过

20、渡态理论和 Hammond G S 假说假说Thermodynamics反应始态和终态的能量变化反应始态和终态的能量变化反应平衡常数与吉布斯自由能变化反应平衡常数与吉布斯自由能变化反应中的焓变与键的离解能反应中的焓变与键的离解能热力学控制与动力学控制热力学控制与动力学控制Reaction Mechanisms烷烃自由基卤代反应烷烃自由基卤代反应l有关烷烃氯代反应的实验事实有关烷烃氯代反应的实验事实1.黑暗中混合烷烃与氯气不发生反应，光照或高黑暗中混合烷烃与氯气不发生反应，光照或高温下反应剧烈进行，难以控制温下反应剧烈进行，难以控制2.每吸收一个光子，可以产生几千个氯甲烷分子每吸收一个光子，可以

21、产生几千个氯甲烷分子3.氧气或某些自由基捕获剂存在下反应出现一段氧气或某些自由基捕获剂存在下反应出现一段诱导期，诱导期长短取决于杂质的多少诱导期，诱导期长短取决于杂质的多少4.多种产物：一氯代，二氯代多种产物：一氯代，二氯代 .+ Cl - ClLight+ CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4CH3CH3 + CH2ClCH2Cl + .H - ClCH4Reaction Mechanisms烷烃自由基卤代反应烷烃自由基卤代反应1. 链引发:ClCl或高温2Cl2. 链增长:(1)Cl + H CH3CH3+HClCH3+ ClClClCH3Cl+(2)Cl +ClCH

22、3CH2Cl+ HClCH2Cl+Cl2ClCH2Cl + Cl3. 链终止:Cl+CH3ClCH3+Cl2+CH3CH3ClClCH3CH3H=+242kJ.mol-1H=+7kJ.mol-1H= -108kJ.mol-1h. . .Reaction Mechanisms烷烃自由基卤代反应烷烃自由基卤代反应lReaction Diagram ( propagation steps )l两个过渡态两个过渡态都与反应的活都与反应的活泼中间体结构泼中间体结构相近，能量相相近，能量相近，因此，分近，因此，分析析活泼中间体活泼中间体的结构与能量的结构与能量就十分必要了就十分必要了Active Inte

23、rmediates活泼中间体活泼中间体l有机反应从反应机制可分为：有机反应从反应机制可分为：一步反应，即协同反应。一步反应，即协同反应。如：如：D-A反应，反应，SN2 反应反应 两（或多）步反应，反应存在活泼中间体两（或多）步反应，反应存在活泼中间体l Types of Bonding Breaking Homolytic bond breaking ( radical ) Heterolytic bond breaking ( polar )A : BA+BA : BA+B l活泼中间体活泼中间体 Radicals（碳自由基，（碳自由基，C）：）：如烷烃的卤代如烷烃的卤代 Carbocat

24、ions（碳正离子，（碳正离子，C+） ：如烯烃的加成如烯烃的加成 Carbanions（碳负离子，（碳负离子，C-）：）：如羰基的加成如羰基的加成 Carbenes(卡宾，卡宾，C:)：如某些消去反应如某些消去反应Active Intermediates活泼中间体活泼中间体Active Intermediates1. Carbocations and Radicals (碳正离子和自由基）碳正离子和自由基） sp2-hybridized three sigma-bond radical: one electron in p orbital carbocation: a vacant p or

25、bital Radical CCarbocation C+empty p-orbitalone electronStructures and Stability（结构与稳定性）（结构与稳定性）1. Carbocations and Radicals For both carbocations and radicals, the observed order of stability is： 30 20 10 +CH3 ( or .CH3 ) Hyperconjugation（超共轭作用）（超共轭作用）Active Intermediates Structures and Stability（结

26、构与稳定性）（结构与稳定性）Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）（结构与稳定性）1. Carbocations and Radicals 烯丙型自由基和碳正离子的结构烯丙型自由基和碳正离子的结构 共轭效应共轭效应 (Conjugation ) , 稳定稳定CC+1. Carbocations and Radicalsl碳正离子的稳定性碳正离子的稳定性 30苄基型苄基型30烯丙型烯丙型 20苄基型苄基型20烯丙型烯丙型 30 20 10苄基型苄基型10烯丙型烯丙型 10+CH3l碳自由基的稳定性碳自由基的稳定性 30苄基型苄基

27、型30烯丙型烯丙型 20苄基型苄基型20烯丙型烯丙型10苄基型苄基型10烯丙型烯丙型 30 20 10 .CH3Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）（结构与稳定性）2. Carbanions（碳负离子）（碳负离子） Like a carbocation or a radical, a carbanion has three sigma-bond, but it also bears unshared electron pair. a simple carbanion is pyramidal. ( sp3-hybridize

28、d )Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）（结构与稳定性）2. Carbanions When the carbanionic carbon is adjacent to a pi-system, sp2-hybridization is preferred so that the negative charge can be distributed by resonance throughout the p orital array.Active Intermediates Structures and Stability

29、（结构与稳定性）（结构与稳定性）2. Carbanions With three sigma-bond and a lone p a i r e l e c t r o n s , a c a r b a n i o n i s electronically similar to an amine, the carbanion and the amine are therefore said to be isoelectronic (等电子体等电子体) Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）（结构与稳定性）作业：什么是药物设计

30、中的电子等排原理？作业：什么是药物设计中的电子等排原理？3. Carbenes (卡宾卡宾, 碳烯碳烯) another class of neutral reactive intermediates highly electron-deficient (未充满）未充满）Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）（结构与稳定性）singlet carbene (单线态卡宾单线态卡宾)triplet carbene (三线态卡宾三线态卡宾)Carbene3.1 Singlet carbene (单线态卡宾单线态卡宾) sp2-hyb

31、ridized two sigma-bond, a vacant p-orbital the electron pair in sp2-hybrid orbital 具有亲电和亲核双重反应性具有亲电和亲核双重反应性Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）（结构与稳定性）容易与缺电子基团反应容易与富电子基团反应3.2 Triplet carbene (三线态卡宾三线态卡宾) sp2- or sp-hybridized two sigma-bond one electron in each p orbital or one in t

32、he sp2-hybrid orbital and another in the p orbital have radical-like reactivityActive Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）（结构与稳定性）Active IntermediatesRadical CCarbocation C+Carbanion C-Singlet CarbeneTriplet2Cl2CH3CH2CH2ClCH3CH(Cl)CH32Cl2(CH3)2CHCH2Cl(CH3)3CCl2Br2CH3CH2CH2BrCH3CH(Br)CH32Br

33、2(CH3)2CHCH2Br(CH3)3CBrChlorination（氯代）:2CH3CH2CH3+light, 250C+ 2HCl45%55%2(CH3)3CH+light, 250C+ 2HCl64%36% 10H : 20H : 30H = 1 : 3.5 : 5Bromination（溴代）：2CH3CH2CH3+light, 1270C+ 2HBr3%97%2(CH3)3CH+light, 1270C+ 2HBrlittle99% 10H : 20H : 30H = 1 : 82 : 1600有机反应的活性与选择性有机反应的活性与选择性有关烷烃氯代反应的实验事实有关烷烃氯代反应的

34、实验事实有机反应的活性与选择性有机反应的活性与选择性1. 反应活性反应活性 直接与反应的活化能有关直接与反应的活化能有关 the greater the Ea , the lower the reactivity 自由基反应的关键步骤在于链增长自由基反应的关键步骤在于链增长 有机反应的活性与选择性有机反应的活性与选择性2. 反应选择性反应选择性 由反应活性的不同引起由反应活性的不同引起 化学选择性化学选择性 同一分子内的不同官能团在不同一分子内的不同官能团在不同的条件下发生反应的不同同的条件下发生反应的不同 区域选择性区域选择性 同一分子内的不同部位的同类同一分子内的不同部位的同类官能团的选择

35、官能团的选择 （eg. 10H，20H，30H） 立体选择性立体选择性 反应后产生不同立体构型反应后产生不同立体构型有机反应的活性与选择性有机反应的活性与选择性l不同试剂活性与选择性的比较不同试剂活性与选择性的比较 烷烃卤代反应中的卤素反应活性：烷烃卤代反应中的卤素反应活性：Cl Br Chlorination（氯代）: 10H : 20H : 30H = 1 : 3.5 : 5Bromination（溴代）： 10H : 20H : 30H = 1 : 82 : 1600为什么反应活性高的反应，选择性较低？为什么反应活性高的反应，选择性较低？但是选择性：但是选择性：Br Cl有机反应的活性与

36、选择性有机反应的活性与选择性lExplanationCH3CH2CH3ClCH3CH2CH2+ HCl+CH3CH2CH3+ClCH3CHCH3+ HClCH3CH2CH3+BrCH3CH3CH2+ HBrCH3CH2CH3+BrCH3CHCH3+HBrH1=432(423)=9kJmol-1 H2=432(414)=18kJmol-1 H3=366(423)=+57kjmol-1 H4=366(414)=+48kJmol-1 有机反应的活性与选择性有机反应的活性与选择性lExplanationl反应活性反应活性高高的较的较早早到达过渡态，两个反应到达过渡态，两个反应过渡态活化能相差较过渡态活

37、化能相差较小小，因此选择性较，因此选择性较小小；l反应活性反应活性低低的较的较晚晚到达过渡态，两个反应到达过渡态，两个反应过渡态活化能相差较过渡态活化能相差较大大，因此选择性较，因此选择性较大大。有机反应的立体化学有机反应的立体化学l以自由基反应为例：以自由基反应为例：l 如果是反应中新形成一个手性中心，则生如果是反应中新形成一个手性中心，则生成外消旋体成外消旋体l 如果是反应发生在手性碳上，也是生成外消如果是反应发生在手性碳上，也是生成外消旋体，这时的反应立体化学特征称为旋体，这时的反应立体化学特征称为外消旋化外消旋化CH3CH2CH2CH2CH3+Br2CH3CH2CH2CHCH3BrBr

38、CH3CH2CH2CHCH3BrHBr(? ) -2-溴戊烷+hH3CH2CHCH(CH3)2CH3Br2H3CH2CCH3CH(CH3)2Br+BrCH3CH(CH3)2CH2CH3h有机反应的立体化学有机反应的立体化学l以自由基反应为例：以自由基反应为例：l 如果是反应中心邻近碳是一个手性碳，则如果是反应中心邻近碳是一个手性碳，则表现出一定的立体选择性特征表现出一定的立体选择性特征HClCH2CH3CH3(S)-2-氯丁烷+Br2HBr原有手性中心新形成手性中心ShCH3HClCH3HBrSR+ClCH3HCH2CH3BrBrBr-BrClCH3HCH3HClCH3HBrBrHCH3ACl

39、CH3HHH3CSSRClHCH3CH3HClCH3HBrCH3HBBrBr-BrCH3HClCH3BrHSS有机反应的合成价值有机反应的合成价值l一般来说，只有高选择性的反应才有实际的应一般来说，只有高选择性的反应才有实际的应用价值用价值l以自由基反应为例：环烷烃、烯丙型和苄基型以自由基反应为例：环烷烃、烯丙型和苄基型氢的卤代具有实际应用价值，且常用溴代氢的卤代具有实际应用价值，且常用溴代Br2BrCH2CH3Br2CHCH3BrNBSBr思考题：什么是思考题：什么是NBS？其作用特点如何？其作用特点如何？全面掌握有机反应全面掌握有机反应l 反应历程及其热力学、动力学特征反应历程及其热力学、

40、动力学特征l 活性与选择性活性与选择性l 立体化学立体化学l 合成应用合成应用有机反应机制的研究方法有机反应机制的研究方法l在某些反应历程的研究中，困难并不在在某些反应历程的研究中，困难并不在于反应的速度和其复杂性，而是在研究于反应的速度和其复杂性，而是在研究方法和观点的不同，往往结论不一样。方法和观点的不同，往往结论不一样。l以下简要介绍几种常用方法，各有其优以下简要介绍几种常用方法，各有其优点，但并不是彼此排斥的，而是可以互点，但并不是彼此排斥的，而是可以互相取长补短的。相取长补短的。有机反应机制的研究方法有机反应机制的研究方法1. 动力学研究方动力学研究方法法 测定反应物的浓度对速率的影

41、响测定反应物的浓度对速率的影响 测定抑制剂的浓度对速率的影响测定抑制剂的浓度对速率的影响 确定反应级数确定反应级数 不足不足 多步骤反应，较复杂，难测。多步骤反应，较复杂，难测。有机反应机制的研究方法有机反应机制的研究方法2. 分离出中间体法分离出中间体法 用化学方法用化学方法“抽出抽出”或或“捕获捕获”中中间体，或用物理、化学方法对中间体作间体，或用物理、化学方法对中间体作定性、定量分析定性、定量分析 不足不足 对体系干扰较大，对瞬间完成对体系干扰较大，对瞬间完成的反应不易操作的反应不易操作有机反应机制的研究方法有机反应机制的研究方法3. 分析反应体系中成分的变化分析反应体系中成分的变化 如

42、：如： 紫外光谱检测一些有紫外吸收的紫外光谱检测一些有紫外吸收的中间体的生成和消失中间体的生成和消失 困难困难 分析对象不纯，谱图较复杂，分析对象不纯，谱图较复杂，中间体寿命短的也较难判明中间体寿命短的也较难判明有机反应机制的研究方法有机反应机制的研究方法4. 示踪原子法示踪原子法 利用放射性的利用放射性的14C，重同位素，重同位素18O，引入化，引入化合物分子中，进行化学变化时，始终可以对合物分子中，进行化学变化时，始终可以对标记原子作跟踪，从而知道其去向。也可测标记原子作跟踪，从而知道其去向。也可测速度。速度。 如：如：14C 的丙酮酸分解的丙酮酸分解 条件条件 需要计数器和质谱仪需要计数器和质谱仪H3CCCOOHO14CH 3COOH+ 14CO有机反应机制的研究方法有机反应机制的研究方法5. 立体化学立体化学 根据化合物的构型变化来判断反应物变根据化合物的构型变化来判断反应物变化的方式，不仅对光学异构体，顺反异构体化的方式，不仅对光学异构体，顺反异构体或构象异构体特别方便，并且适用范围也是或构象异构体特别方便，并且适用范围也是很广的。通过分子形象的确立，可以推测键很广的。通过分子形象的确立，可以推测键的形成和断裂的方向，分子的空间稳定性以的形成和断裂的方向，分子的空间稳定性以及动态变化的可能性。及动态变化的可能性。 如：如：C+ 的反应的反应 外消旋化外消旋化