高等有机化学-第3章-有机化学反应机理研究讲解课件.ppt

1、第三章第三章 有机反应机理的研究有机反应机理的研究 3-1 有机反应机理类型有机反应机理类型 3-2 确定有机反应机理的方法确定有机反应机理的方法 3-3 动力学和热力学控制动力学和热力学控制 3-4 取代基效应和线性自由能关系取代基效应和线性自由能关系 3-5 有机酸碱有机酸碱概述概述 反应机理是研究反应发生的实际过程。它包括哪些键断裂和生反应机理是研究反应发生的实际过程。它包括哪些键断裂和生成，以什么样的顺序进行。有几步反应，它的立体化学要求如成，以什么样的顺序进行。有几步反应，它的立体化学要求如何？反应结合点在在哪里？哪些因素会影响反应的速度？何？反应结合点在在哪里？哪些因素会影响反应的

2、速度？研究反应机理能帮助我们把许多表面看起来毫不相关的反应联研究反应机理能帮助我们把许多表面看起来毫不相关的反应联系在一起，找出共同的规律，用以指导反应条件的选择，达到系在一起，找出共同的规律，用以指导反应条件的选择，达到提高产率的目的，并为合成新化合物提供理论依据。提高产率的目的，并为合成新化合物提供理论依据。3-1有机反应机理分类有机反应机理分类根据键断裂的方式：根据键断裂的方式：或进攻试剂的性质或进攻试剂的性质离子型反应离子型反应自由基历程自由基历程周环反应周环反应根据反应物和生成物的关系根据反应物和生成物的关系取代反应取代反应消去反应消去反应加成反应加成反应重排反应重排反应一、机理一、

3、机理 分类分类亲核试剂亲核试剂:带负电荷、带有孤对电子的、富电子的、路易斯碱带负电荷、带有孤对电子的、富电子的、路易斯碱亲电试剂：带正电荷亲电试剂：带正电荷、缺电子的、路易斯酸、缺电子的、路易斯酸HO-.RO-CN-ROH R3N H-C=CRH+.Br+.+NO2 .SO3 BF3 B2H6 Hg(OAc)2三、三、反应活性中心反应活性中心 若碳上出现正电荷若碳上出现正电荷 或正电性，它易受到亲核试剂进攻，或正电性，它易受到亲核试剂进攻，发生亲核反应。（它自身是亲电试剂）；发生亲核反应。（它自身是亲电试剂）；若碳上出现负电荷或电子云密度较大时，它易受到亲电试若碳上出现负电荷或电子云密度较大时

4、，它易受到亲电试剂进攻，发生亲电反应。（它自身是亲核试剂）剂进攻，发生亲电反应。（它自身是亲核试剂）二、试剂分类二、试剂分类3-2 确定有机反应机理方法确定有机反应机理方法一、产物的鉴定一、产物的鉴定 合理的机理：能解释反应中所能得到的所有产物包括合理的机理：能解释反应中所能得到的所有产物包括由副反应形成的产物在内。由副反应形成的产物在内。例如：对于下列反应，实际上还有少量乙烷生成：例如：对于下列反应，实际上还有少量乙烷生成：若提出的机理不能解释少量乙烷在这个反应中形成的若提出的机理不能解释少量乙烷在这个反应中形成的原因，那么这个机理不可能是正确的。原因，那么这个机理不可能是正确的。CH4+C

5、l2CH3Cl +CH3CH3hv(CH3.+CH3.CH3-CH3)1 1、将中间体分离出来、将中间体分离出来 2 2、用四大谱检测中间体的存在和相应结构、用四大谱检测中间体的存在和相应结构 3 3、中间体的捕获（加入捕获剂，使其与中间体、中间体的捕获（加入捕获剂，使其与中间体 反应）反应）4 4、可能中间体的合成、可能中间体的合成二、中间体的确定二、中间体的确定：确定中间体是否存在，确定中间体结构的方法有以下确定中间体是否存在，确定中间体结构的方法有以下几种几种a)分离出中间体 例如，霍夫曼重排反应中至少有三种中间体是很容易分离得到的，即N-溴代酰胺及其负离子和异氰酸酯分离得到了RCONH

6、Br,证明了反应确实经过这个中间体.RCONH2NaOBrRCONHBrRCONBr-BrRCONR-N=C=OH2ORNHCOOHRNH2-CO2b)捕获中间体 所猜测的中间体如能用某种试剂捕获,对证明机理也起到作用了.1975年有人用2,2,6,6-四甲基氢化吡啶锂使氯苯变为苯炔,用2,5-二甲基呋喃将形成的苯炔捕获,证明了苯炔的形成.Cl+OH3CH3CLiTMPTHF,OCH3CH3c)中间体的检出 如不能分离,也不能捕获,也可以用检测的办法.现在可以用NMR,IR,Raman,顺磁共振等光谱做反应的实时检测.甚至要求很高的无水无氧的金属有机反应也可以在核磁管中做.以前例如用Raman

7、光谱检出NO2+的存在,是苯硝化反应中有此中间体的强有力的证明.HNO3+2H2SO4NO2+H3O+2HSO42HNO3NO2+NO3+H2O三、催化作用：催化三、催化作用：催化机理与催化剂的作用相符机理与催化剂的作用相符结论：加碱催化使反应加速：说明反应机理是亲核加成结论：加碱催化使反应加速：说明反应机理是亲核加成R-CHO+HCNR-CH-CNOHR-C-CNO-CN-H+H+CN-R CHOH四、同位素标记四、同位素标记：14C、18O 确定反应原子的去向和键断裂位置确定反应原子的去向和键断裂位置说明：机理是先形成苯炔，然后再发生与氨加成说明：机理是先形成苯炔，然后再发生与氨加成ClH

8、NH2NaNH2*NH3NH2NH2*+*50%50%五、立体化学五、立体化学根据化合物的构型变化可以推断反应物变化的方式，键断裂和根据化合物的构型变化可以推断反应物变化的方式，键断裂和形成的方向。形成的方向。2-2-碘丁烷的碱性水解反应：现象构型转化。碘丁烷的碱性水解反应：现象构型转化。CH3CIHC2H5HOHOCCH3HC2H5+I(R)-2-碘丁醇(S)-2-+说明：氢氧根离子从说明：氢氧根离子从背后进攻、协同反应背后进攻、协同反应六、化学热力学六、化学热力学 通过反应中通过反应中 自由能值自由能值越大，越大，K值就越小，说明对反应不利。值就越小，说明对反应不利。熵值熵值大小：提供反应

9、类型的信息：大小：提供反应类型的信息：、的变化来求得反应机理的变化来求得反应机理的信息。的信息。负值：放热反应，负值：放热反应，正值：吸热反应正值：吸热反应放热反应比吸热反应易进行放热反应比吸热反应易进行G=HST-SSSS817-34-200-20-5分解反应消除反应重排反应结合反应HSGH=键 能 断 裂键 能 生 成-七、化学动力学七、化学动力学 可以获得在控制速率步骤中，哪些分子和有多少分子参与可以获得在控制速率步骤中，哪些分子和有多少分子参与了反应的信息。了反应的信息。例：实验发现例：实验发现1 1o o、2 2o o卤代烃碱性水解时，二级反应，由此可卤代烃碱性水解时，二级反应，由此

10、可推出它是两分子亲核取代反应；而推出它是两分子亲核取代反应；而3 3o o卤代烃水解时，反应速度与卤代烃水解时，反应速度与碱浓度无关，是一级反应，由此可推出是单分子亲核取代历程。碱浓度无关，是一级反应，由此可推出是单分子亲核取代历程。例例2 2：联苯胺重排机理，以前认为是直接重排过去的，：联苯胺重排机理，以前认为是直接重排过去的，后来发现该反应对氢离子来说是二级反应，正确的机理如下所后来发现该反应对氢离子来说是二级反应，正确的机理如下所示。示。NH-NH+H+NH2-NH2+H2NNH2O-H、C-H、N-H键断键断裂的反应时裂的反应时在控制速率步骤中在控制速率步骤中当分子中氢被重氢置换当分子

11、中氢被重氢置换时，反应速率往往发生时，反应速率往往发生较大改变。较大改变。kH /kD=1-81、重氢同位素效应、重氢同位素效应非非O-H、C-H、N-H键断裂的反键断裂的反应时应时当分子中氢被重氢置换时，反当分子中氢被重氢置换时，反应速率应速率 kH/kD=0-1.52、次级同位素效应、次级同位素效应八、同位素效应（重氢、次级、溶剂同位素效应）八、同位素效应（重氢、次级、溶剂同位素效应）重氢同位素值越大重氢同位素值越大,说明关键步骤中有说明关键步骤中有X-H键的断裂键的断裂例例1 1：丙酮：丙酮-H的溴代反应历程的溴代反应历程 可能的历程是：可能的历程是：1）控制速率步骤中是溴直接进攻）控制

12、速率步骤中是溴直接进攻-H 2）控制速率步骤中是丙酮先变成烯醇式，再与溴反应）控制速率步骤中是丙酮先变成烯醇式，再与溴反应 证明方法证明方法 （1）动力学测定，溴代反应速率与酸或碱浓度有关）动力学测定，溴代反应速率与酸或碱浓度有关，而与溴浓度无关。，而与溴浓度无关。（2）重氢同位素效应较大（约为）重氢同位素效应较大（约为7），说明速度控制步骤中），说明速度控制步骤中有有C-H的断裂行为。的断裂行为。推测结果：推测结果：是下面的反应历程是下面的反应历程丙酮丙酮-H-H的溴代反应历程的溴代反应历程结论：结论：形成烯醇化物是控制速率步骤。形成烯醇化物是控制速率步骤。酸催化先形成正氧离子，再断开一个酸

13、催化先形成正氧离子，再断开一个C-H氢，氢，得烯醇中间体，再与溴发生取代得烯醇中间体，再与溴发生取代碱催化下，碱直接进攻碱催化下，碱直接进攻-H，断开断开C-HC-H键，再互变成烯醇负离子，再与溴发生键，再互变成烯醇负离子，再与溴发生取代取代OHC CH3CH3OC CH3CH3OC CH2BrCH3H+CCH2OHCH3-H+Br2OC CH3CH3OC CH2BrCH3OC CH2CH3CCH2OCH3Br2OH3、溶剂同位素效应、溶剂同位素效应定义定义:溶剂由溶剂由H2O 变为变为 D2O ；ROH变为变为 ROD时，时，反应速率发生变化的作用反应速率发生变化的作用kH /kD =6.5

14、2H2O2D2OH3O+HO-D3O+HO-说明说明:两者的电离程度不同，水大于重水。两者的电离程度不同，水大于重水。水碱性大于重水，络合正离子能力大于重水。水碱性大于重水，络合正离子能力大于重水。3-2热力学控制与动力学控制热力学控制与动力学控制三、反应能量曲线：（见下页）三、反应能量曲线：（见下页）四、常见四、常见：萘的磺化反应、苯的烷基化反应。萘的磺化反应、苯的烷基化反应。一、动力学控制反应：一、动力学控制反应：以活化能低取胜以活化能低取胜二、热力学控制反应：二、热力学控制反应：以产物稳定性取胜以产物稳定性取胜CH2CHCHCH2HClCH3CH CH CH2ClCH3CHClCHCH2

15、+1,4-1,2-(-80oC)20%80%(20oC)80%20%CH2=CHCH=CH2+HClCH3CHCH=CH2CH3CH=CHCH2ClClCH3CHCH=CH2ClCH3CH=CHCH2Cl(I)(II)(III)(IV)3-4 取代基效应和线性自由能关系取代基效应和线性自由能关系s：取代基常数，反映了取代基对苯甲酸电离常数的影响：取代基常数，反映了取代基对苯甲酸电离常数的影响 ：反映了反应对取代基效应的敏感程度。同类反应为定值。：反映了反应对取代基效应的敏感程度。同类反应为定值。一一取代基效应取代基效应：指取代基诱导效应的方向和强度：指取代基诱导效应的方向和强度二、取代基常数的

16、测定方法二、取代基常数的测定方法：利用线性自由能关系，：利用线性自由能关系，即哈密特（即哈密特（Hammett）方程。（以下以苯甲酸水解为例）方程。（以下以苯甲酸水解为例）三、哈密特方程：三、哈密特方程：取代基强弱和苯甲酸电离常数成正比。取代基强弱和苯甲酸电离常数成正比。s0lgkkss00lg,1,lgKKsobecauseKK四、通过线性自由能关系式测定四、通过线性自由能关系式测定值值若若值为正，说明取代苯甲酸的电离常数大于苯甲酸，该取代基值为正，说明取代苯甲酸的电离常数大于苯甲酸，该取代基为吸电基；为吸电基；值越大，吸电能力越强。值越大，吸电能力越强。若若值为负，说明取代苯甲酸的电离常数

17、小于苯甲酸，该取代基值为负，说明取代苯甲酸的电离常数小于苯甲酸，该取代基为推电基；为推电基；的负的负值越大，推电能力越强。值越大，推电能力越强。练习练习3-5 有机酸碱有机酸碱Bronsted-Lowry酸碱质子论酸碱质子论 Lewis酸碱电子论酸碱电子论1923年年Brnsted J N 和和Lowry T M各自独立提出了酸和碱的定义：各自独立提出了酸和碱的定义：酸是质子的给体，碱是质子的受体，酸放出一个质子酸是质子的给体，碱是质子的受体，酸放出一个质子,本身本身变成碱变成碱一、一、Bronsted酸碱定义酸碱定义1、酸、碱、酸、碱：凡是能给出质子的叫酸；凡是能接受质子叫碱。：凡是能给出质

18、子的叫酸；凡是能接受质子叫碱。2、强弱概念、强弱概念：看给出质子和接受质子能力的强弱。：看给出质子和接受质子能力的强弱。3、共轭酸碱概念、共轭酸碱概念：强酸的共轭碱必是弱碱，强碱的共轭酸必：强酸的共轭碱必是弱碱，强碱的共轭酸必是是 弱酸，弱酸，4、酸碱的概念是相对的、酸碱的概念是相对的，在不同的反应中角色可不同，在不同的反应中角色可不同二、路易斯酸碱定义二、路易斯酸碱定义1、概念：、概念：凡是能接受外来电子对的叫路易斯酸；能给予电子对的叫路易凡是能接受外来电子对的叫路易斯酸；能给予电子对的叫路易斯碱。斯碱。2、与有机反应试剂性质的关系、与有机反应试剂性质的关系：路易斯碱一般是亲核试剂；路易斯酸

19、一般是亲电试剂路易斯碱一般是亲核试剂；路易斯酸一般是亲电试剂3、与布伦斯特酸碱概念的区别、与布伦斯特酸碱概念的区别：路易斯定义碱一般就是布伦斯特定义碱；但酸的概念不同。路易斯定义碱一般就是布伦斯特定义碱；但酸的概念不同。NH3 、OH-、既是路易斯碱也是布伦斯特碱、既是路易斯碱也是布伦斯特碱HCl、H2SO4是属于布伦斯特定义的酸，是属于布伦斯特定义的酸，但只有它的但只有它的H+才是路才是路易斯定义的酸。易斯定义的酸。三、酸碱强弱与酸碱反应三、酸碱强弱与酸碱反应1、酸强度的表示法、酸强度的表示法：*Ka：值大，酸性强，否则相反。值大，酸性强，否则相反。*pka=lgKa：值越小酸性强；否则相反

20、。值越小酸性强；否则相反。2、碱强度表示法、碱强度表示法*pKb：值越小，碱性强。它的共轭酸酸性就弱；：值越小，碱性强。它的共轭酸酸性就弱；RNH2+H2O RNH3+OH-*pka：RN+H3：值越大，是强碱。值越大，是强碱。KbHA +H2OH3O+A3HAAOHKa 3、酸碱反应进行方向的预测、酸碱反应进行方向的预测 强碱强碱 A+强酸强酸 B 弱酸弱酸 A+弱碱弱碱 B 质子总是从强酸转移到强碱上。质子总是从强酸转移到强碱上。4、亲核试剂与亲电试剂、亲核试剂与亲电试剂 亲核试剂：能进攻带正电性的原子（如亲核试剂：能进攻带正电性的原子（如C）并给予）并给予它电子对的试剂。它电子对的试剂。

21、亲电试剂：能进攻带负电性的原子并能从对方接受亲电试剂：能进攻带负电性的原子并能从对方接受电子对的试剂。电子对的试剂。5、有机反应的本质、有机反应的本质：广义的广义的 酸碱反应酸碱反应或或亲核性与亲电性亲核性与亲电性的反应的反应一、溶剂分类一、溶剂分类 非极性溶剂非极性溶剂：CS2、CCl4、苯苯 极性溶剂：质子极性溶剂极性溶剂：质子极性溶剂:水、乙醇等水、乙醇等 非质子极性溶剂：非质子极性溶剂：DMF、DMSO 3-6有机反应中的溶剂效应有机反应中的溶剂效应冠醚：特殊的溶剂冠醚：特殊的溶剂1、介电常数大小的物理意义：、介电常数大小的物理意义：v表示溶剂极性大小，介电常数越大，极性也越大。表示溶

22、剂极性大小，介电常数越大，极性也越大。15为极性溶剂为极性溶剂;15为非极性溶剂为非极性溶剂.环已烷环已烷 2.01 ；水；水78.55 ；乙酐；乙酐20.7 ；DMF 36.7v 是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即：溶剂稳定离子的能力。是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即：溶剂稳定离子的能力。二、介电常数与溶剂效应二、介电常数与溶剂效应v正、负离子在介电常数大的溶剂中静电引力小，有利于电离正、负离子在介电常数大的溶剂中静电引力小，有利于电离和分开。和分开。三、质子极性溶剂和非质子极性溶剂三、质子极性溶剂和非质子极性溶剂1、质子极性溶剂、质子极性溶剂1）分子结构：含有）分子结构：含有O-H、N-H等

23、、既是氢键的给予体，又是等、既是氢键的给予体，又是氢键的受体氢键的受体2）作用原理：）作用原理：通过通过氢键缔合，氢键缔合，它主要促进键的破裂。可以稳定正离子，它主要促进键的破裂。可以稳定正离子，也可稳定负离子。也可稳定负离子。有利于有利于SN1反应；但不利于负离子作为亲反应；但不利于负离子作为亲核试剂核试剂 的的SN2。2、非质子极性溶剂、非质子极性溶剂1）分子结构：不含质子，但存在孤对电子。只是氢键受）分子结构：不含质子，但存在孤对电子。只是氢键受体，不是氢键的给予体。体，不是氢键的给予体。2）溶剂化原理：能结合正离子，但不能溶剂化负离子，）溶剂化原理：能结合正离子，但不能溶剂化负离子，负

24、离子是裸露的，有利于负离子是裸露的，有利于SN2反应。反应。例：在例：在0oC下、下、CH3I和和N3-离子的反应速度常数离子的反应速度常数 在甲醇溶剂中：在甲醇溶剂中：1 在二甲基亚砜中：在二甲基亚砜中：45X104 （因它们只能与正性部份或正离子进行溶剂化；由于（因它们只能与正性部份或正离子进行溶剂化；由于空阻作用，不能与负离子进行溶剂化作用。因此负离空阻作用，不能与负离子进行溶剂化作用。因此负离子是裸露的，进攻性特强子是裸露的，进攻性特强.）+-COHNCCHHHHHH+-SOCCHHHHHH练习：练习：1、比较下列碱性基团的碱性大小Cl-、CH3COO-、OH-2、机理分析：同位素示踪在反应机理的研究中起到十分重要的作用，请给出以下反应的机理H3CCH3OH3O18H3CCH3O183、根据酸碱反应的规律，判断下列反应能否进行？、根据酸碱反应的规律，判断下列反应能否进行？CH3CH2COO-H +OH-CH3CH2O-H +OH-CH3CH2-Cl +OH-CH3CH2-OH +Cl-CH3CH2-OH2+Cl-