第4章机理描述和活性中间体

第三章酸碱理论（自学）说明1、有机物的酸性相对强弱(p46-48)概念扩展：被碱夺去质子的难易2、复习酸碱电子理论：Lewis酸碱3、能分析各种因素对酸碱相对强弱的影响4、了解硬软酸碱理论：离子半径与基团变形性5、了解酸碱催化(p61)：一般酸(碱)催化，起催化作用的是所有酸(碱)，包括分子状态的和离子状态的；特殊酸(碱)催化，催化作用的是H+或溶剂化H+（溶剂共轭碱），主要指强酸(碱)学生问题答疑•第一，关于不饱和羰基化合物中说的，烷基重叠构象比氢重叠构象更稳定。氢重叠构象不是也可以得到氢键来稳定物质吗？而且说R基与羰基有作用，是不是指R基上C-H与O的超共轭作用呢？如果这个R基是叔丁基的话，又会是什么作用呢？(H3C)3COHHHH重叠比较稳定HOHHC(CH3)3R太大例外：体积太大，斥力升为主要因素ORHR'HORR'HHAB重叠式O与H间不存在氢键作用！O与R间为范德华力(斥力↔吸力)•第二，开链不饱和羰基化合物构象RS及顺式，反式的判断。•专门用于标识1,3-二烯型结构的2种特定构象。2双键在单键同侧为顺(cis),s-表示单键，参见《基础有机化学》（第二版，邢其毅等编）p231：s-transs-cis双键的顺反(cis/trans)是“俗”命名，一般对双键2碳上有相同取代基才用此命名。系统命名用E/Z。GGGGcistrans•第三，吡啶与吡珞相比，碱性要强，是不是吡啶的共轭效应比吡珞的弱，电荷分散程度也弱？(没有讨论数值，只是讨论了方向)(分子的电荷与局部的电子云密度)•碱性：吡咯(pKb13.6)PhNH2(9.4)吡啶(pKb8.8)R3N(4-5)piperidine(六氢吡啶),四氢吡咯•Py中N比C电负性大，表现出-I和-C效应，使其有较大电子云密度，；吡咯中的N为表现出-I和+C效应，其电子云密度比Py中的N低。由于N的C效应差别，Py为缺电子芳环，吡咯为富电子芳环。NNH2s22p3sp2sp2•第四，桥环化合物难以形成碳正离子，这个原因是什么呢？比如说，对于二环[2，2，2]辛烷，如果有一个氯原子取代在桥头碳上，这样发生消去反应时不是会生成叔碳正离子吗，为什么会不稳定呢？桥头碳可以成正，张力，不稳定，难！第四章有机反应机理的研究和描述•内容：讨论如何确定反应机理的一般过程•问题：反应式只揭示原料和产物，对过程（旧键断裂、新键形成的细节）只能推测•思路：实验结果结合假设提出机理-验证-解释现有现象:能圆满解释现有实验现象并为人们广泛接受•前提：虽为推测，但必须是以客观为依据，不能武断、随意推测，能尽可能包含现有实验结果。第四章有机反应机理的研究和描述•研究反应机理的目的:认识理解在反应过程中，旧键断裂和新键形成的位置、过程、次序、方式等一般性变化，通过概括归纳出一般性理论。•反应进行的途径取决于：(1)反应分子自身的反应性能、进攻试剂的性能(内因)和(2)反应条件(外因)4.1有机反应分类•自由基(freeradical,亦称游离基)反应：键均裂•离子型反应：键异裂（反应种类最多）•分子反应：协同反应•以上分类很宽泛，不是常见的分类方法，只是便于理解而分4.2有机反应中的试剂分类•除自由基外，多数试剂属于离子型试剂：在反应中总是一对电子参与成键–提供电子的离子型试剂为亲核试剂（富电子）–接受电子的离子型试剂为亲电试剂（缺电子）–有些试剂既能提供电子，又可接受电子，但一般它们的某一方面的能力更突出，所以它们习惯上被列为某一类试剂：HCl突出的亲电性，虽然Cl-也可亲核，如果需要Cl-亲核时，就改用NaCl等不能亲电的试剂。•亲电试剂和亲核试剂分类见教材p694.3反应速率理论4.3.1反应的能学原理——热力学•△G=△H-T△S=-RTlnK：△H为总能量差，△S为总熵差，T为反应温度•△G0,则K1,平衡时产物浓度大于反应物浓度，△G负得越多，反应进行得越彻底，要使反应正向发生，产物的自由能必须低于反应物的自由能，即必须是△G负值。•T△S△H时，反应条件对反应方向和程度不起决定作用，反应正向进行趋势强烈•△H~T△S时，T对△G符号有决定性作用，可以控制反应条件使反应向需要方向进行！4.3.2反应的动力学•研究参与反应的分子浓度与反应速度之间定量关系，由此推测反应经历的路径•反应速度v=-d[反应物]/dt=k[反应物]•反应速度是反应物消失的速度或产物生成的速度，反应速度随时间而改变，所以在讨论反应的真正速度时，通常用瞬间反应速度来表示。•假定反应一步进行或者第一步为决速步骤：–如果反应速度仅与一种反应物的浓度成比例，则反应物A的浓度随时间t的变化速度为：–反应速度=-d[A]/dt=k[A]–服从这个速度定律的反应称为一级反应。–二级反应速度与两个反应物的浓度或一个反应物浓度的平方成比例：–-d[A]/dt=k[A][B],若[A]=[B]，则-d[A]/dt=k[A]2–三级反应速度和三个反应物的浓度成比例–-d[A]/dt=k[A][B][C]–若[A]=[B]=[C]，则-d[A]/dt=k[A]3•当反应经历多步，且决速步骤不在第一步时情况就复杂得多(例见p71的推导“假一级”)•动力学数据只提供关于决定速度步骤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法可求得反应的表观速度常数。•动力学研究反应机理的常规顺序是：提出可能的机理，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•对于某一反应，有关的几个机理可以推论出同一种速率方程，这些机理是“动力学上相当的”，所以只根据动力学是不可能作出选择的（只能排除与动力学结果不相符合的假设，还需其他手段进一步验证、排除）。•不能提供过渡态的结构信息。4.3.3过渡态理论•假设一个反应先达到一个过渡态，然后从过渡态以极快的速度变成产物:[T.S.][A][B]CC[A][B]=kr[A][B]A+BA+BT.S.K≠=[T.S.]ΔG≠=-RTlnK≠速度=κkTh[T.S.]=K≠[A][B]K≠=e-ΔG/RT速度=κkThe-ΔG/RT≠≠T.S.:过渡态K≠:过渡态平衡常数κ：传递系数，常取１k:波兹曼常数Ｔ：反应温度h:普朗克常数R:阿佛加德罗常数kr:反应速度常数在获得反应速度后可以通过此方程求ΔG≠，Ｔ为室温即是活化能Ea•一步反应：能量最高点是活化络合物（过渡态），在它的左边，所有络合物都被认为同反应物处于平衡中；在它右边，所有络合物则被认为是同产物处于平衡中。A+B反应物C产物过渡态△G单步反应GΔG1≠aA+B反应物D产物△G双步反应GΔG1≠ΔG2≠I中间体b过渡态与中间体的区别：中间体位于两个过渡态之间的能量最低点，故有一定的存活期，实际的寿命依赖于凹陷的深度。下凹浅暗示下一步的活化能低，生存期短，下凹深中间体的生存期越长；过渡态只有一个转瞬即逝的生存期，并代表反应途径中的能量极大值。两步反应：包含有两个过渡态，有两个活化能ΔG1≠和ΔG2≠，活化能高的步骤为决速步骤，反应物和产物之间包括具有一定寿命的中间体I用三维位能表面图表示反应过程：对反应XY+Z→YZ+X，体系的位能总是原子相互间距离的函数，即体系的位能决定与它们间的相对位置及距离。XYZPTXYR马鞍点X+YY+Z=YZXY+ZX+YZ的三维位能表面图XY+ZX+YZΔE≠ΔH位能反应坐标X-Y+Z→[X∙∙∙Y∙∙∙Z]→X+Y-Z•三个原子在各种距离时的位能都可由立体模型来表示，模型中凹处表示位能低的地方，凸处表示位能较高的地方，这个凹凸面称为能面。•由反应物到产物有多种可能途径，其中反应将沿能量最低的曲线进行，反应跨越最低能障生成产物。•过渡态理论中的“微观可逆原理”：一个反应正向进行所经历的途径，也是逆向进行所要经历的途径，因为这个途径为这两个过程都提供了最低的能障。•简单了解Hammond假说：过渡态瞬间存在，其结构只能靠推论来得到，过渡态与它内能更接近的结构（反应物或者产物）相似，在某些情况下，可以用反应物或产物的结构来讨论过渡态。4.3.5同位素技术:机理研究的重要方法1、同位素效应•当反应物中的一个原子被它的同位素取代后，对它的化学反应性能没有影响，但反应速度一般有显著的改变。•最常用的是用氘来代替氕：R-HkHP-HR-DkDP-DkH≠kD?R：反应物P：产物ΔGH≠ΔGD≠RHRD过渡态同位素效应氕取代和氘取代的零点振动能原因：同位素具有不同的质量，因此具有不同的零点振动能（零点振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断裂的反应来说，与质量大的同位素相连的键由于零点能低而就需要较高的活化能，从而表现为较低的反应速度（kH≠kD）。反应位置越接近同位素，效应越显著！效应越不显著，则同位素对过渡态的贡献越小，越远离反应位点。•同位素效应分一级同位素效应和二级同位素效应。•kH/kD≥2:一级同位素效应,在过渡态中涉及R-H键的断裂•kH/kD=0.7-1.5：二级同位素效应，在过渡态中不涉及R-H键的断裂，而是分子中其它化学键变化所观察到的效应•通过同位素效应可以间接反应过渡态的变化！OH+Br2OBrkv=k[acetone]OHOHBrBrOHBr-H+kH/kD~7T.S.slowfastfast2、同位素标记：示踪（直接“跟踪”变化）常用于标记的元素有H、O、N、C、I等，可用测试手段包括NMR、MS、IR、放射计数例：酯的水解反应，证明发生了酰氧键断裂，非R’-O键RCOOR’+H2O18OH-RCOO18H+ROHRCOO18R’+H2OOH-RCOOH+RO18H4.3.6溶剂效应•由于溶剂的影响使化学平衡、化学反应速度以及其它化学性发生改变的一种效应。（溶剂影响反应）•溶剂的介电常数影响它对试剂电荷分离的能力，介电常数由分子偶极矩和可极化性决定，随偶极矩和可极化性的增加而变大。溶剂质子性溶剂:有活泼H，H2O、R-OH、RCO2H等非质子性溶剂极性非质子溶剂:卤代烃、醚、DMF、DMSO等非极性非质子溶剂:烃，如己烷、环己烷、苯、甲苯、二甲苯等•如果过渡态比其母体分子的电荷分散程度大，则极性溶剂有利于反应的进行（溶剂极性有助于稳定更分散的电荷）•溶剂极性对不同电荷类型反应的影响：A+BBδδABA+BBδδABAA+BBABAA+BBABAA+BBABA在非极性溶剂中有利极性溶剂中有利在极性溶剂中略为有利在非极性溶剂中略为有利对溶剂的极性相对不敏感A•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，溶剂效应对反应速度就有较大的影响，它不但改变反应的能量，同时也改变过渡态的能量。例A+BBδδAB在非极性溶剂中有利AΔG≠1ΔG≠2A++B+BδδABδδAA++B+在极性溶剂中，基态能量降低更多在非极性溶剂中有利其他情况可进行类似分析4.4有机反应中的活性中间体4.4.1碳正离子(carbocationorcarbeniumion)：•具有正电荷的三价碳原子(三个单键+正电荷)•sp2杂化轨道，一般为平面构型(通过拉曼光谱证实)•三苯甲基正离子利用核磁共振谱证明为螺旋浆结构•C7H7+为碳鎓离子sp2C+CH2非经典碳正离子（了解）H2C12345671234567OSOOBrH2C12345671234567在研究原菠基正离子重排的研究中提出，只有经历所谓“非经典正离子”机理才能合理解释重排产物，“非经典正离子”要求C有五配位！影响碳正离子稳定性的因素有助于分散正电荷的一切因素皆增加稳定性•溶剂效应：溶剂极性增加可促进碳正离子形成•电子效应：有+C、+I效应的取代基与C+相连，增加其稳定性•空间效应：拥挤程度高的分子更易生成正离子（后张力）•芳香性：满足休克尔规则的碳正离子比较稳定碳正离子的形成•中性分子解离：R-X→R++X-(Ag+、Lewis酸等可