1、1 第三章 有机反应机理的研究方法 (Research method of organic reaction mechanisms ) 1.认识反应机理研究的重要性 2.掌握机理研究的一般步骤和常用方法 3.了解判断反应机理合理性的一般原则 教学要求： 2 从反应物到产物所经历的全部具体过程称为反应历程或反应机理。在有机化学发展初期，人们很少注意反应的机理更重视结果。 发现: 酸碱均加速; V丙酮与溴无关 到了20世纪30年代以后，随着价键理论的建立与发展，人们越来越迫切地希望了解反应到底是怎样进行的，这成为反应机理研究的原动力，反应机理的研究工作得到大力开展。 第一节第一节 概概 述述 HC
2、N CH3CCH3OCH3CCH3OHCN 1903年 Lapworth 发现:碱加速 酸减速 CH3CCH3OBr2CH3CCH2BrO第二年 提出了对反应的一些看法和假设，开创了反应机理的研究工作。 3 研究反应机理一般采用以下几个基本步骤： 提出一个与已有实验事实及理论知识相符的假设； 设计并进行能够检验所提出的假设的实验； 根据实验结果对原假设进行修正或推断。 上述步骤常要重复多次，要全面而客观地收集并解释所有与反应有关的事实结果，尤其要注意那些与假设机理不符的实验事实，很有可能就在其中隐藏着正确的反应机理线索提示我们去探索。还要注意的是对同一实验事实的解释可能有多种选择，与实验事实相
3、符的反应机理也可能不只一种，为此要仔细反复推敲、去伪存真，以得到合理的令人信服的反应机理。 机理研究的实际意义:真正控制反应; 设计新化合物的合成方法和合成路线。 4 一个有机反应机理的得来并不是一件容易的事。分子的振动或碰撞引起的一次变化(即反应)往往在极短的时间内（10121014s）完成。用一种方法通过一个实验通常很难得到满意的反应机理，往往要使用多种实验技术、采用多种方法、从不同的角度进行全面的研究才能得到。概括起来，用于有机反应机理研究的方法主要有产物研究、中间体研究、同位素标记研究、立体化学研究、反应条件研究和动力学研究等。 5 第二节第二节 产物研究产物研究 产物研究是反应机理研
4、究的第一步。确定结构、对比结构、判断变化。 CH3CCH3CH3CH2BrCH3CH2ONaCH3CH2OHCH3CCH3CH3CH2OCH2CH3H2OCH3CH2OHCH3CCH3CH3CH2BrCH3CCH3OHCH2CH3 CH3CCH3OCH2CH3CH2CH3 (CH3)2C=C(CH3)2CH3Cl2hvCH2ClCl2CH3FeCl3CH3ClCH3ClCH2ClNaOH/H2O二氧六环CH2OH二氧六环NaOH/H2OCH2ClNO2CHNO2CHNO2同一种（类）反应物得到不同产物，机理不同 6 产物研究也应包括副产物的研究，一个不能说明所有产物的机理肯定是不正确的。 CH
5、3CCH3CH3CHCH2HClCH3CCH3ClCHCH3CH3CH3CCH3CH3CHCH3Cl除了正常的加成产物以外，还有重排产物，说明不是一步完成的反应 CH3CH2CH2OHO CH3CH2CHOCH3CH2OHO CH3CHO同一类反应物得到同一类产物，机理可能相同。 CH4hvCl2CH3ClCH3CH3不能说明乙烷生成的机理肯定不正确。 7 产物研究还应包括反应物、产物间的数量关系 产物研究的具体过程一般是分离提纯、理化常数测定、结构表征。 分离提纯 过虑 分液 萃取 洗涤 蒸馏 重结晶 层析 理化常数测定 熔点 沸点 分子量 折射率 旋光度 密度 结构表征 元素分析 红外光谱
6、 核磁共振谱 紫外光谱 质谱 专一反应;竞争反应;平行反应。 反应物或中间体的对称结构。 8 第三节 中间体研究 一个反应机理是否正确，中间体是最有力的证据；对一个未知反应，中间体的存在及其结构则可为机理的拟定提供有用的信息。根据中间体稳定性的不同主要有离析、检测和捕获等几种具体研究方法。 一、中间体的离析 若中间体比较稳定或在一定条件下是稳定的，可以创造条件使反应突然终止，分离出中间体并测定其结构。 所得中间体及其结构与假设的机理相符，原机理是否正确？ CBA存在A直接生成C 和经历B生成C二个反应 B未必一定是中间体 将中间体恢复原环境，观察是否以相同速度生成相同产物。 不一定，可能是在改
7、变条件的情况下产生的。 若以相同速度生成相同产物原机理一定正确吗？ 9 Claisen酯缩合反应机理研究过程中就出现过这种情况。 C2H5O-CH3COCH2COOC2H5CH3COOC2H5CH3COC2H5O-OC2H5C2H5O-CH3COCH2COOC2H5CH3COOC2H5CH3COC2H5O-OC2H5CH3COCH2COOC2H5CH3COOC2H5CH3COC2H5O-OC2H5C2H5O-C2H5O-ABC存在与主反应无关的可逆平衡反应 B未必一定是中间体 10 通过中间体离析研究得到反应机理的实例很多。 RCONH2OHRNH2RCONHBr2RCONHBrOHRCONB
8、rRCONRNCORNHCOOHH2OH2O重排H2OBrBrCO2RCONH2OHRNH2Br2RCONHBrC2H5BF4C2H5H11 二、中间体的检测二、中间体的检测 对于不太稳定的中间体甚至是活性中间体，可以采用现代物理方法检测其存在。 NO2HNO3/H2SO4用Raman 光谱检测到NO2+ N2COOIR在238.5241.5出现吸收带 反应体系多为复杂的混合物，因此能够给出特征信号的中间体才能被检测到，而且要有一定的浓度。 最常用的是IR和ESR，前者检测具有特征吸收的基团，后者检测自由基。 NH2COOHHNO212 三、中间体的捕获 对一些太活泼或浓度太低既不能离析又难以
9、检测的中间体，可以向反应体系中加入能与中间体反应的捕获剂，通过考察是否生成反映中间体特性的新产物以证明中间体的存在。比如用自由基捕获剂捕获烃基自由基、烯烃捕获卡宾、用共轭二烯烃捕获苯炔等。 NNO2NO2NNO2RNNO2NO2NNO2R（与一般有机物不反应）（与一般有机物不反应）RCHCHROO13 第四节第四节 同位素标记研究同位素标记研究 以同位素标记化合物为原料或试剂，反应结束后测定同位素的分布，可以确定反应时化学键断裂的位置以及标记原子或基团的迁移途径，为机理研究提供有用的其它方法难以得到的信息。 最常用的标记原子有D、C14、O18等。常用的检测方法有质谱和放射性探测仪（O18无放
10、射性）。 利用O18标记的最典型例子是羧酸酯的水解机理研究。 RCOOR,H2ORCOOHR,OHRCOOR,H2O18RCOO18HR,OHR,O18HRCOOH14 R,OHRCOOR,HORCOO羧酸酯的碱性水解是不是SN2机理？ RCOOR,HO18RCOOR,OHR,OHRCO18OR,HORCOO回收酯含O18 回收酯O18减少 同位素标记研究表明，并非简单的SN2机理 , 而是经历四面体中间体的加成消除机理。 RCOHO15 RCOHOOR,RCOOHOR,R,ORCO18OR,HORCO18OH1818RCOOR,RCO18OR,OH利用D标记的最典型例子是苯甲醛的Canniz
11、zaro 反应机理研究。 COHCOHOHCOOCH2OHCOHCOHODCOOCH2OD16 利用氚（T）标记的典型离子是苯丙氨酸氢移位反应机理研究。 HCH2CHCOOHNH2苯丙氨酸羟化酶HOCH2CHCOOHNH2TCH2CHCOOHNH2苯丙氨酸羟化酶产物有放射性TCH2CHCOOHNH2苯丙氨酸羟化酶HOCH2CHCOOHNH2T1-溴-2,2-二苯乙烯在碱的作用下生成二苯乙炔的反应机理研究这是C14标记的典型离子。 CCHPhPhBrRLiPhCCPh可能有碳负离子中间体和卡宾中间体两种机理。 17 利用C14标记研究得到以下结果： PhCCPhClRLiBrCCHPhPhCl1
12、414CCHPhPhClBrRLiPhCCPhCl1414与Br处于反式的芳基迁移的立体专一反应。排除了卡宾中间体机理 羧酸盐与溴化氰反应生成腈的反应机理研究也是C14标记的一个例子。 RCOOBrCNRCNCO2RCOOBrCNRCNCO2141418 比如研究苯基烯丙基醚的Claisen重排机理。 OCH2CH=CH2OHCH2CH=CH2OHCH2CH=CH2 -C还是 -C与苯环相连 ？ 重排至邻位和对位有无差别？ 同位素标记研究的结果简单明确，但引入标记原子（同位素标记化合物的合成）以及确定产物中标记原子的位置并非易事，费用极高。波谱技术的应用使其得以简化，但仍然受到一定限制。 通过
13、以下繁杂的过程合成标记化合物。 19 OKHOCH2CH2Cl2)1)KCNClCH2CH2COOHLiAlH4ClCH2CH2CH2OHClCH2CH2CH2OHOCH2CH2CH2OH1)SO2Cl2)NaIOCH2CH2CH2I H2O/HClOCH2CH2CH2I1)Me3N2)Ag2O/OCH2CH=CH21414141414141414同位素标记不仅可以提供化学键断裂的位置及基团迁移情况，还将出现同位素原子影响反应速率的动力学同位素效应，为机理研究提供帮助。 H、D、T之间的动力学同位素效应最大，最易测量。 C HBC H BCkHH BD BkDCC D BBC DkH/kD一般
14、17 20 其它同位素原子的动力学同位素效应较小。如： kC12/kC131.04；kC12/kC141.07； kN14/kN151.03； kO16/kO181.02。 精度较高，对仪器设备要求较高。 若认为控制步骤涉及CH键断裂，则用D标记化合物和无标记化合物发生同一反应，测定相对反应速率。 碱催化下丙酮与溴的反应机理研究是一个典型例子。 CH3COCH3Br2HOCH3COCH2BrHBrvk CH3COCH3HOkH/kD7 测定结果：kH/kD1，控制步骤，涉及CH键断裂 kH/kD 1，没有CH键断裂或有CH键断裂但不 是控制步骤 21 直接涉及同位素所在化学键断裂的动力学同位素
15、效应称为一级同位素效应，不直接涉及同位素所在化学键断裂的动力学同位素效应称为次级同位素效应，一般较小。 (CH3)2CHBrH2O(CH3)2CHOH(CD3)2CHBrH2O(CD3)2CHOHkHkDkHkD1.34kH/kD7.0 kH/kD1.07 卤代烃在碱性介质中的消除机理研究： CH3CH2XCH2CH2CH3CCH3CH3XCH3CCH3CH2事实上前者可能是E2机理，后者可能是E1机理。 22 第五节第五节 立体化学研究立体化学研究 反应过程中构型、构像或光学活性等的变化情况研究称为立体化学研究。反应物到产物的立体化学变化情况将为机理研究提供重要信息，对机理的拟定或验证判断具
16、有非常重要的作用。 可能有SN1或SN2两种机理 CXRRRH2OCOHRRR卤代烃水解机理研究: CXRRRCRRRRRRCOHCHORRRSN12SNCHORRRRRRCXH2OH2O23 设计特殊结构的卤代烃，使其水解，研究反应物到产物光学活性的变化情况。 CR3R2R1R3R2R1COHCHOR1R3R2CXR1R2R3CXR1R2R3CHOR1R3R2产物无旋光性说明是SN1机理。 CIMeEtPhH2OPhCMeEtOH无旋光性，SN1机理 24 2-羟基-丁二酸不同条件下的卤代机理研究： HOOCCHCH2COOHOHPCl5HOOCCHCH2COOHClHOOCCHCH2COO
17、HOHSOCl2HOOCCHCH2COOHCl产物有旋光性一定是SN2机理吗？ CIMeHEtH2OHOCMeEtOHH产物旋光度与S-2-丁醇相等 CBrHEtH2OHOBuBuCEtHOH产物旋光度与S构型及R构型均不等 SN2机理 SN2 SN1机理 25 HOOCCHCH2COOHOHPCl5HOOCCHCH2COOHClHOOCCHCH2COOHOHSOCl2HOOCCHCH2COOHCl（）（）（）（）、与R、S以及构型的翻转和保持无对应关系！ 通过构型研究也可为反应机理的研究提供重要信息。 H2OHOCOOCH3HC2H5HOCCOOCC2H5HCH3苯甲酸（）R2丁酯丁醇2R）
18、（如苯甲酸酯的水解机理研究： 26 是一步机理还是两步机理？顺式加成还是反式加成？ Br2BrBr分步完成的反式加成机理 烯烃与卤素加成机理的研究： 卤代烃的消除反应机理研究： CH3CH2ClCH2=CH2CH2=CH2CH2XCH2XX2利用特殊结构的烯烃为原料，通过对加成产物的构型研究即可得到结论。 27 ClCCHCCHClR1R2R3R4R1R2R3R4CCR1R2R3R4CCR1R2R3R4CCHClClCCHCC利用特殊结构的卤代烃为原料，通过对消除产物的构型研究即可得到结论。 该产物说明是顺式消除 该产物说明是反式消除 28 (CH3)2CH(CH3)2CHH(CH3)2CHH
19、ClHCl(CH3)2CHH(CH3)2CH反式消除 醋酸酯的热解消除则与此相反。 CCHPhO2NPhPhOOCCH3HCCPhPhO2NPhH顺式消除 29 第六节第六节 反应条件研究反应条件研究 催化剂、溶剂、光照、自由基引发剂、自由基抑制剂等反应条件的改变能够加速或延缓反应的进行，通过不同条件下反应结果的对比，可以为反应机理研究提供有用的信息。 改变催化剂的性质，观察反应的变化情况，如果能被酸催化，可能是通过质子或试剂中带正电荷的部分进攻反应物形成碳正离子中间体的离子型机理；如果能被碱催化，可能是通过碱（如HO-）夺取质子或进攻带正电荷的碳形成负离子中间体的离子型机理。 RXH2ORO
20、H碱加速，SN2碱不能加速，SN11溴环戊烷在含水乙醇溶液中与氰化钠反应的机理研究： BrH2O/C2H5OHNaCNCN30 Br2高纯CCl4CC溴极慢速度退色CCBr2CCl4/C2H5OH/H2O溴快速退色分步完成的离子型机理 溶剂的极性增加有利于试剂的离解并使中间体稳定化，可使分步完成的离子型反应加速。改变溶剂的极性，观察反应的变化情况，如果在极性溶剂中的反应速度更快，说明可能是分步离子型机理，否则可能是一步完成的协同机理。 BrCNCNBrCNCN加入少量碘化钠时，反应速率加快。否定了SN1机理。 31 H2OCRRRXTHFCRRRXH2OEtOH反应速度慢反应速度快RCH2XR
21、CH2XEtOHH2OTHFH2O反应速度相同自由基引发剂以及光照将促使自由基的形成，使自由基反应加速，而自由基抑制剂则具有相反作用。若自由基引发剂的加入或光照使反应加速，而自由基抑制剂的加入使反应减速，则可能是自由基机理。 CH4Cl2CH3Cl光照使反应大大加速光照或过氧化物使反应大大加速CH3CHCH2HClCH3CHCH3ClCH3CHCH3BrHBrCH3CHCH2光照或过氧化物不改变反应速度32 第七节第七节 动力学研究动力学研究 动力学研究反应的速率，包括反应速率常数、反应级数、反应速率表达式等，动力学研究也将为机理的拟定、判断等机理研究提供信息。 通过反应级数的测定，可判断速率
22、控制步骤有多少分子参与；通过反应速率表达式的确定，可判断哪些分子参与了速率控制步骤的反应以及过渡态包含了哪些分子；通过反应速率常数的测定，可判断过渡态的活化能。 控制步骤为RX参与的单分子反应 控制步骤为RX与HO参与的双分子反应 kV=RXRXHOV= k33 NHNHHH2NNH2动力学研究主要建立数量关系，不能提供具体过程或结构方面的信息。因此，动力学研究结果可作否定性结论，而不能作肯定性结论。 HNHNHNH2HNHNHNHNHNNH2HNNH2HNNH2HH2NNH234 拟定或判断反应机理时，除了要能够解释所有实验事实以外，通常还要遵循一些基本原则。 1. 步骤简化原则 反应步骤应尽可能少而简单，而不是多而复杂。 2. 基元反应低分子数原则 基元反应一般是单或双分子反应，尽可能少。 3. 能量有利原则 能量降低的反应机理可能性更大。 4. 类似反应机理一致原则 相似的反应其机理可能也相似。 5. 常识原则 各反应步骤均合理不违背常识及基本理论。 动力学研究结果否定了多年来一直被公认的反应机理。 VH2
