第3章 有机化学反应机理的研究

第3章有机化学反应机理的研究第3章有机化学反应机理的研究3.1反应机理的类型3.2确定有机反应机理的方法3.3动力学控制与热力学控制3.4取代基效应和线性自由能关系3.5有机酸碱3.6有机反应中的溶剂效应有机反应根据反应时化学键断裂或形成的方式，可分为三种基本类型：异裂----离子型反应均裂----自由基反应协同反应----周环(或分子)反应，§3.1反应机理的类型三类有机反应主要区别类　　型中间体与溶剂关系离子型反应正、负离子极性溶剂有利自由基反应自由基关系小，气相允许周环反应无关系小，气相允许离子型和自由基反应:反应物中间体产物反应物产物周环反应:§3.1反应机理的类型按照键的断裂方式分类离子型反应（异裂反应）：SN1，SN2，E1，E2自由基反应（均裂反应）：协同反应（concertedreaction）：通过环状过渡态§3.1反应机理的类型自由基反应和离子型反应的特点芳环上的取代反应服从定位规律芳环上的取代反应不服从定位规律（5）无诱导期、服从一级或二级动力学反应开始时往往有一个诱导期（4）不受自由基引发剂或抑制剂影响反应可被某些能与自由基作用的物质(如氢醌、二苯胺)所阻止（3）光和自由基对反应都无影响。但被酸或碱所催化反应能被光、高温或容易分解成自由基的物质所促进（2）很少在气相进行，溶剂对反应有显著影响在气相或非极性溶剂中进行，溶剂对反应无显著影响（1）离子型反应 自由基反应 　§3.1反应机理的类型根据原料和产物之间的关系大致分为以下几类：取代反应（Substitution）消除反应（Elimination）加成反应（Addition)重排反应（Rearrangement）氧化还原反应(OxidationandReduction)上述几种反应类型的结合(CombinationsoftheAbove)§3.1反应机理的类型1.产物的鉴别2.中间体的确定3.催化作用4.同位素标记5.立体化学6.化学热力学方法7.化学动力学方法8.同位素效应§3.2确定有机反应机理的方法研究所有产物的结构和性质是研究反应历程的起点，可对反应历程的推测提供某些线索和旁证：例如，1-溴-2,2-二甲基丙烷在乙醇溶液中与乙醇钠起反应，产物为1-乙氧基-2,2-二甲基丙烷：1．产物的鉴别§3.2确定有机反应机理的方法依产物可见，前一个反应是正常的SN2反应，后一个反应是通过碳正离子进行的重排反应。同一溴代烷与含50%水的乙醇起反应，得到的产物为2-甲基-2-丁醇、2-乙氧基-2-甲基丁烷和烯烃：§3.2确定有机反应机理的方法再例如，甲烷氯化时往往生成少量乙烷，可作为自由基历程的一个旁证。CH3·+CH3·→CH3CH3§3.2确定有机反应机理的方法较活泼的中间产物较易分离得到和测定；活泼的活性中间体寿命短、浓度低，一般不能在常温下分离或检验，直接证明其存在。2.中间产物的确定多步反应中所产生的中间产物较活泼的中间产物活泼的活性中间体§3.2确定有机反应机理的方法确定中间体是否存在和中间体结构的方法：中间体的确定中间体的检测中间体的捕获可疑中间体的合成§3.2确定有机反应机理的方法例如霍夫曼降解反应中，可直接分离和测定两个中间产物N-溴代酰胺和异氰酸酯：N-溴代酰胺      异氰酸酯中间体的确定使反应经过一段短时间后停止，将中间产物分离出来。§3.2确定有机反应机理的方法酰基乃春并可间接推测有一个活性中间体酰基乃春(Nitrenes)的存在。因此历程可为：异氰酸酯N-溴代酰胺  §3.2确定有机反应机理的方法中间体的检测反应中间体可用分离中间体、“截留”中间体、光谱法、紫外-可见光谱法、红外光谱法、NMR共振、电子顺磁共振法等加以鉴定。三苯甲基正离子利用核磁共振谱证明为螺旋浆结构§3.2确定有机反应机理的方法中间体的捕获在反应中加入另一试剂（捕获剂）使中间体与加入的试剂反应。当用氨基钠或氨基钾等强碱处理芳香卤代物时，不仅生成正常的亲核取代产物，同时得到异构体。卤苯中的邻位如果没有氢时，因不能消除卤化氢生成苯炔，氨解反应不能发生。§3.2确定有机反应机理的方法中间体的捕获苯炔历程：§3.2确定有机反应机理的方法中间体的捕获由于芳炔的高度活泼性，到现在一直没有离析成功，但用光谱证明了苯炔的存在，也可以通过活性中间体捕获的方法证实用二烯的Diels-Alder反应捕获苯炔中间体。§3.2确定有机反应机理的方法可疑中间体的合成如果某个中间体可疑，而它又能用别的方法得到，那么在同样的条件下反应应该得到同样的产物。§3.2确定有机反应机理的方法机理应与催化剂的作用相符。3.催化作用如：在酸催化下烯烃加水，反应过程与质子的作用相符，即有正碳离子产生而不会产生负碳离子。§3.2确定有机反应机理的方法4．同位素标记例1：利用标记的水（H2O18）水解丁二酸甲酯，得到普通的甲醇和含有O18的丁二酸，证明水解反应是通过酰氧键断裂进行的。利用放射性同位素C14、O18等可以确定反应过程中原子的去向。§3.2确定有机反应机理的方法4．同位素标记反应结果不是产生和CO，说明CO是通过脱羰基产生的。用14C标记的氯苯和KNH2在液氨下反应得两种苯胺：表明反应中生成苯炔中间体。例2：§3.2确定有机反应机理的方法5．立体化学方法根据化合物构型的变化可以推断反应物变化的方式，键的形成和断裂的方向。得到的产物是反式，表明溴的加成是分步进行的，而且两个溴原子是从双键两侧加上去的。例1：§3.2确定有机反应机理的方法在饱和碳原子上的亲核取代反应中，旋光性化合物有时在反应中发生了构型的转化，有时却发生了外消旋化。这种产物在立体化学上的差异，是由反应历程不同而引起的。5．立体化学方法§3.2确定有机反应机理的方法5．立体化学方法例2：HO-取代（R）-2-碘丁烷中碘的反应，仅生成（S）-2-丁醇，发生了构型转化，说明HO-是从碘原子背面进攻，发生的是一步协同反应。§3.2确定有机反应机理的方法（R）-2-碘丁烷（S）-2-丁醇5．立体化学方法苯甲酸（R）-2-丁酯水解生成（R）-2-丁醇，构型不变。说明水解是在酰氧键间发生断裂的。例3：§3.2确定有机反应机理的方法6．化学热力学方法通过研究化学反应中的热效应是放热还是吸热，ΔH、ΔS的增减以及自由能ΔG的变化来求得相关机理方面的许多信息。-ΔH=Σ键能（生成）-Σ键能（断裂）如：2-丁烯加氢：生成键断裂键2C-H47.0kJ.mol-1C-C19.3kJ.mol-1H-H24.7kJ.mol-1C=C34.7kJ.mol-166.3kJ.mol-159.4kJ.mol-1-ΔH=59.4-66.3=-6.9（与实测值接近）§3.2确定有机反应机理的方法6．化学热力学方法利用反应中焓变和自由能变化或热变化，可以计算反应达到平衡时的温度。知道了自由能变化，可以计算平衡常数K的大小。ΔG=-ΔH-TΔSΔG为正值，得出K值很小，说明对反应不利；ΔG为负值，得出K值较大，说明对反应有利；ΔG=-RTlnK§3.2确定有机反应机理的方法6．化学热力学方法ΔG=-ΔH-TΔS对熵值ΔS的研究，可以提供反应类型的信息：分解反应：ΔS8-17kJ.mol-1消除反应：ΔS-3-4kJ.mol-1重排反应：ΔS-20-0kJ.mol-1结合反应：ΔS-20-15kJ.mol-1§3.2确定有机反应机理的方法多数有机反应是经过多步完成的。整个反应速度由速率最慢的一步决定，称为决定速率的 步骤 新产品开发流程的步骤课题研究的五个步骤成本核算步骤微型课题研究步骤数控铣床操作步骤 。通过对反应动力学的研究可以获得有关哪些分子和有多少个分子参与了决定速率步骤的信息。动力学数据是推测反应历程的主要线索。反应的分子数是推测反应历程的重要依据。7．动力学方法在一步反应中反应的动力学级数与其分子数是一致的；在多步反应中，每一步的动力学级数与其分子数也是一致的。§3.2确定有机反应机理的方法7．动力学方法例：动力学研究证明丙酮溴代的速率取决于酸、碱的浓度，与溴的浓度无关。反应物是丙酮的烯醇化物，决定反应速率的是烯醇化而不是溴化。§3.2确定有机反应机理的方法8.同位素效应当反应物分子中的氢被重氢置换后，反应速率往往会发生变化，这种变化称为重氢同位素效应。由于C-H键断裂所需活化能＜C-D键断裂所需活化能，所以C-H键断裂速率>C-D键断裂速率。当C-H、O-H、N-H键的断裂发生在决定速率步骤时，就会出现同位素效应，常以kH/kD之比来表示。通常kH/kD=1-9，也有kH/kD=＜1的情况。§3.2确定有机反应机理的方法8.同位素效应例1：碱催化的2-苯基-1-溴乙烷的消除反应的同位素效应很强（kH/kD=7.1），说明在过渡态中C-H键几乎完全断裂。kH/kD=7.1§3.2确定有机反应机理的方法8.同位素效应例2：丙酮的溴化反应速率与溴的浓度无关的事实，可以假定反应的速率控制步骤是丙酮的互变异构反应。这个速率控制步骤涉及C-H键的断裂，若真如此，则用D代的丙酮进行溴化时应有较大的同位素效应，实际发现kH/kD约为7kH/kD≈7§3.2确定有机反应机理的方法8.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，称为次级同位素效应，或二级同位素效应，第二同位素效应。次级同位素效应通常很小，KH/KD=0.7-1.5范围内。除重氢以外，其他元素如14C、18O也存在同位素效应，但数值较小。通过同位素效应可以确定机理中的速率决定步骤。§3.2确定有机反应机理的方法一种反应物向多种产物方向进行时，在反应未达到平衡前，利用反应速度快的特点来控制产物叫做速度控制或动力学控制。利用达到平衡时出现的反应来进行控制的叫做平衡控制或热力学控制。降低温度或缩短反应时间往往有利于动力学控制的反应，而提高温度或延长反应时间则通常有利于热力学控制的反应。§3.3动力学控制与热力学控制α-萘磺酸84%β-萘磺酸85%§3.3动力学控制与热力学控制在0～60℃的较低温度下，生成α-萘磺酸的反应速度较快，这时生成α-萘磺酸的逆反应—脱磺酸基反应的速度也很慢，因此反应的主要产物是α-萘磺酸。当温度＞160℃,加速了β-萘磺酸的生成，α-萘磺酸的脱磺酸基反应的速度也加快，使多数的α-萘磺酸转变为β-萘磺酸，β-萘磺酸脱磺酸基反应活化能（E4）很大，即β-萘磺酸很稳定，它一旦生成，就不容易脱磺酸基而发生逆反应。所以在高温达到平衡时，β-萘磺酸是主要产物。因此，在低温时反应由速度控制，高温则由平衡来控制。§3.3动力学控制与热力学控制1923年，路易斯：酸碱电子理论。人们对酸碱的认识历程最初：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。18世纪后期：氧元素是酸的必要成分。19世纪初叶，戴维：氢元素是酸的必要成分。1884年，阿累尼乌斯：酸碱电离理论。1923年，布朗斯特和劳莱：酸碱质子理论。§3.5有机酸碱一、阿累尼乌斯(Arrhenius)电离理论1887年Arrhenius提出，凡是在水溶液中能够电离产生H+ 的物质叫酸(acid)，能电离产生OH－的物质叫碱(base)，酸和碱的反应称为中和反应，酸碱反应的产物主要是作为溶剂的水和盐类。§3.5有机酸碱酸：  HAc       H+ + Ac－碱：NaOH    Na+ + OH－酸碱发生中和反应生成盐和水：NaOH + HAc= NaAc + H2O反应的实质是：   H+ + OH－ = H2O●酸碱仅限于含H+和OH-的物质：有些物质如NH4C1水溶液呈酸性，Na2CO3、Na3PO4等物质的水溶液呈碱性，但前者自身并不含H+,后者也不含有OH-。●酸碱局限于水溶液中，不能研究非水体系。理论缺陷§3.5有机酸碱二、Brosnsted-Lowry质子理论酸：凡能给出质子（H+）的物质。碱：凡能接受质子的物质。§3.5有机酸碱酸和碱既可以是分子，也可以是阴离子或阳离子。某酸失去一个质子而形成的碱，称为该酸的共轭碱(conjugatebase)；而后者获得一个质子后，就成为该碱的共轭酸(conjugateacid)。由得失一个质子而发生共轭关系的一对酸碱，称为共轭酸碱对。当酸碱反应达到平衡时，共轭酸碱必同时存在。HAA-+H+共轭酸共轭碱酸越强，给出质子的能力越强，它的共轭碱接受质子的能力越弱，共轭碱就越弱；酸越弱，它的共轭碱就越强。两性物质：既可以给出质子，也能够接受质子的物质。如H2O、HCO3-和HPO42-等都是两性物质。由碳原子失去质子的有机酸称为碳原子酸，其酸性强度与其共轭碱碳负离子的稳定性成正比。碳负离子越稳定，则碳原子酸的酸性越强。Brosnsted-Lowry质子理论的优缺点优点：扩大了酸碱的范围，可适用于非水溶液。缺点：对于无质子参加的反应不适用。§3.5有机酸碱HAA-+H+共轭酸共轭碱三、Lewis电子酸碱理论酸：凡能接受电子对的物质，即电子对接受体。碱：凡能给出电子对的物质，即电子对给予体。酸碱反应实质：形成配位键，生成配位化合物。接受电子能力越强的物质酸性越强，给出电子能力越强的物质碱性越强。§3.5有机酸碱结构对酸碱强度的影响1、取代基的电子效应：吸加供减2、氢键：酸性增加3、空间效应：酸性增加§3.5有机酸碱邻叔丁基苯甲酸酸性＞间叔丁基苯甲酸1、根据酸碱强度可以判断反应的方向及预测反应的产物2、根据两对共轭酸碱的pKa，就可以计算反应的平衡常数（Kc）§3.5有机酸碱有机酸碱规律的应用§3.6有机反应中的溶剂效应溶剂效应溶剂对反应速率、化学平衡以及反应机理所产生的影响就称为溶剂效应。溶剂效应主要通过溶剂的极性、氢键、酸碱性等产生作用。§3.6有机反应中的溶剂效应常用溶剂极性的经验参数来定量、半定量地度量溶剂效应。介电常数大的溶剂具有较强的溶剂化能力介电常数指物质相对于真空来说增加电容器电容能力的度量。§3.6有机反应中的溶剂效应表3-2一些常用溶剂的介电常数§3.6有机反应中的溶剂效应溶剂的分类1按溶剂的极性分类极性溶剂ε＞15非极性溶剂ε＜15