物理有机化学-(浙江大学-)-第5章-有机反应机理的研究方法

第5章有机反应机理的研究方法对有机反应机理的了解,使有机化学成为一门系统性,理论化的科学.所谓机理,就是反应物通过化学反应变成产物所经历的全过程，实质上，就是分子中所有原子作为时间函数的正确位置,就是分子结构随时间变化的描述.但这是一种理想状态,目前无法实现.目前还没有什么办法来直接观察分子间起反应的实际过程．因为有机化学中所研究的分子的线性大小约为10－8cm,分子间起反应实际所需时间约为10－12到10－14sec.，因此，目前还没有什么办法来直接观察分子间起反应的实际过程．关于有机反应机理的了解都是由间接的证明推理而来的.一个正确的机理必须与所有与此反应有关的已知事实相符合.研究有机反应机理的方法可分为动力学方法和非动力学方法．§1、非动力学方法1.产物鉴定机理本身就是为说明产物是如何从起始物变来的,所以一个机理提出后,必须要能说明得到的全部产物以及它们之间的相互比例,包括付产物.例如上述两反应的产物不同,因此可以推断其机理不同.CH3+Cl2CH3+AlCl3ClCH3Cl+HClCH3+Cl2CH2Clhv+HClSommelet反应是又一个例子.Sommelet反应是指苄卤与六亚甲基四胺作用得醛.Sommelet提出的机理是PhCH2NCH2PhCHNCH3H2OPhCHO+CH3NH2PhCH2X+C6H12N4[PhCH2.C6H12N4]XH2OPhCHOpH3.0-6.5但仔细检验反应体系,没发现有CH3NH2,所以上述机理就站不住.我们在做碳氢活化偶联反应时，也有一个从产物推断反应机理的例子，R3XH+1.2equiv.DDQ12CHCl3R1R2R1R2XR33X=O,S当在一个苯环上有取代基时，可以得到α-和γ-醚，但两者的比例与取代基的性质有关：CH3CH2OH+1.2equiv.DDQCHCl3ClClOCH2CH3ClOCH2CH3majorminor+CH3CH2OH+1.2equiv.DDQCHCl3CH3CH3OCH2CH3CH3OCH2CH3majorminor+因此提出了下列机理：AdvancedSynthesis&Catalysis.2009,351(6),865-868.PhPhOOClClCNCN+PhPhCNCNOClClHO+1aOPhPh3bOHClCNCNOHClOHO2bPhPhCNCNOClClOHH+PhPhPhPhPhPhCNCNOHClClO+(分离得到）2.中间产物的测定反应机理本来就是要说明反应物经过什么途径变成产物,如果能测定出中间体当然对机理的说明很有帮助.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RCONHBr,证明了反应确实经过这个中间体.RCONH2OBrRCONHBrOHRCNBrOBrRNCOH2ORNH2+CO2RCONH2OBrRCONHBrOHRCNBrOBrRNCOOHX1+X2HNOR1R2R3HNOOR1R2R3Cs2CO3X1-HX21INOOR1R2R3stepastepb3OHX1+X2HNONOOR1R2R2R1Copper(I)/L,BaseSolvent,90oC,24h123下列偶联-关环反应有两步，哪一步先发生？我们分离到了中间体，Organic&BiomolecularChemistry,2009,7,4067–4073.b)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+H2Od)猜测中间体的验证如果猜测的中间体能用其他方法得到,则用这中间体化合物在相同的反应条件下应得到同样的产物.如果没有得到同样的产物,则所猜测的中间体是不正确的.但得到同样产物并不意味着反应机理就确信无疑,因为可能会是一种巧合.例如,BrIn/H2OPhCHOPhCHHO中间体会不会是In3可以制备这个化合物,再在水中与PhCHO反应来验验.加拿大的华人化学家陈德恒教授的研究小组后来用NMR和制备等方法证明中间体是一价铟化合物参见1999JACS3228,2000JACS402.In又如Von-Richter反应如果邻位被占据,就不可能羧基化了.多年来一直认为芳基腈是该反应的中间体,腈再水解成羧酸.有人将对氯苯腈在正常的Richter反应条件下水解确实得对氯苯甲酸.但后来有许多事实证明这种推测不对.例如在相同条件下用1-氰基萘进行水解得不到1-萘甲酸,虽然在相同条件下2-硝基萘能得13%的1-萘甲酸.又发现有很多氮气放出.BrNO2CH2NH2ROH,150CBrCOOHBrCOOH+3.催化剂催化剂能加速或阻止一个反应的进行,可暗示其反应机理.例如能被过氧化物加速的应为自由基机理,被酸催化就可能是正离子中间体,被碱催化则可能有负离子中间体.4.同位素标记同位素标记常能提供非常有用的线索,利用同位素标记可以发现许多通常条件下很难观察到的现象.例如在下列反应中,+BrCN250-300CRCN+CO2°RCOO产物中的CN是否来自BrCN?可以用同位素标记来解决这个问题.例如可以用Br14CN,也可以用R14COO-和BrCN反应,在后一种情况下,标记原子14C是在R14CN中而不是在CO2中,同时,如果R为光学活性的基团时,在反应后构型保持;并且在反应混合物中离析出酰基异腈酸酯RCON=C=O,因此提出如下机理:5.立体化学证据是常用的考验和判别反应机理的方法.6.交叉实验在重排机理的验证上经常用到.NCBrCOORNCOCBrRONCOCRONCOCORRCNCOO+§2、动力学证据从动力学来研究反应机理可以提供有关反应过程的丰富资料.动力学研究中很重要的一点是要选好一种测定浓度或者说测定速度的方法.1.反应级数和反应分子数对一步反应来说,反应级数的研究比较简单.一级反应的反应速率与浓度的关系为：积分得:若反应开始时（t=0）的浓度为C0，代入上式求得积分常数B=lnC0，故01lnlnCtkC01log303.2logCtkCCCtk/log303.201(2)(2)式指出一级反应中反应物的浓度随时间的增加而线性地降低，若将各时间的反应物浓度的对数对相应时间t作图，得一直线（见图5－1），直线的斜率乘以2.303即为反应速率常数k1(k1的单位为S－1）．典型的一级反应是氯代叔丁烷在含有少量水的甲酸中的水解，其反应速度仅与氯代叔丁烷的浓度成正比，而与水的浓度无关．一级反应的另一例子是蔗糖的酸催化转化．这个反应的进程可以用旋光仪跟踪.凡反应物浓度降低一半所需时间称为半衰期．一级反应的半衰期为半衰期与反应速率常数成反比，但与浓度无关．(对一确定的反应,半衰期是个常数).在大多数情况下，一步反应中的动力学级数与其分子数一致，在多步反应中，动力学级数与决速步的分子数一致．但需注意，实测的反应级数有时并不一定和实质上进行反应的分子数相符合，如乙酸乙酯的水解为双分子反应．Me3CCl+H2OMe3COH+HCl-d[Me3CCl]dt=k[Me3CCl]t12=2.303k1lgC0C012=0.693k1但如在稀水溶液中进行，则表现为一级反应，因为稀溶液中水的浓度很大，可看成常数．很多有机反应是二级反应.二级反应的反应速率与反应中两种反应物浓度的乘积成正比．积分上式得如果开始反应时（t=0）其浓度为C0，代入上式得到CH3COOEt+H2OCH3COOH+EtOHV=k2[CH3COOEt][H2O]=k2k[CH3COOEt]dC1dt=k2C1C21B=C0dCdt=k2C2若C1=C2=C,则-1C=k2t+B则得如果两种反应物的起始浓度不相同（即C1≠C2），而是各为a和b，则积分后得1C0=k2t1Cdxdt=k2(a-x)(b-x)k2t=1a-blnb(a-x)a(b-x)典型的二级反应是伯卤代烷在稀的醇水溶液中的碱性水解(SN2)在溶液中进行的有机反应多半属于二级反应，如丙酮的溴化反应．从实验知道，反应速率与溴的浓度无关，而与丙酮的浓度成正比，加碱能使反应速率加快，且反应速率与碱的浓度成正比，从而估计该反应的机理如下．其实这个反应理解成烯醇式机理更合理.又如二级反应的半衰期不是常数溶液中也有三级反应,例如著名的安息香缩合NBrO+CH3CH325CoBrNOCH3CH32C6H5CHOCNOCCHC6H5C6H5OH速率=k3[C6H5CHO]2[CN-]t12=C0/2k2C0(C0-C0/2)=k2C012.串连反应所谓连串反应，前一步生成的产物是下一步反应的反应物如果速率常数k和k’值很接近，则这样的反应序列在数学处理上很困难，幸亏这种情况很少．如果k比k’大得多，而且A转移到B基本上是不可逆的，则在短时间内形成了大量的B，后者再缓慢地变到C．因此，B一般是可以分离得到的，这个反应实际上可以分为两个独立的反应来研究．然而，在这样的反应序列中，第一步经常是快的而且是可逆的，从A迅速形成了B的平衡浓度．而当B慢慢消耗掉生成C时，A—B平衡移动，产生更多的B.上述的安息香缩合就可以认为是以这样的方式进行的．C6H5COHCN[C6H5CHO][CN-]Keq=C6H5COCN+C6H5CHO慢C6H5COHCNCOHHC6H5C6H5CHO+CN快可逆C6H5COHCNC6H5COHCN速率=k2[C6H5CHO]消去氰醇的浓度，得到三级反应的动力学关系式为速率=k2Keq[C6H5CHO]2[CN-]=k3[C6H5CHO][CN-]氯乙醇与碱反应生成环氧乙烷也按下列步骤进行．快,可逆ClCH2CH2OH+OH-KeqClCH2CH2O-+H2O慢ClCH2CH2O-CH2CH2O+Clk1另一方面，如果反应的第一步是慢的，而后续步骤是快的，则反应的总速率一般取决于慢的一步．例如，叔卤代烷取代反应的第一步是缓慢的电离，然后，碳正离子与溶液中的亲核试剂迅速结合．速率=k1[R3Cl]R3CClR3C++ClR3COHR3C++OHR3COAcR3C++OAcR3COC6H5R3C++OC6H5如果慢的电离步骤基本上是不可逆的，则取代反应对氯代烷为一级，而与亲核试剂的种类和浓度无关，上述三个不同的取代反应将以很接近的速率进行．同样，在硝基甲烷中，用过量的硝酸，苯、甲苯、对二甲苯和对氯苯甲醚的硝化速率是相同的，因为硝化反应机理包括下列步骤反应的总速率应该等于硝酸的共轭酸电离生成硝基正离子这一步的速率．反应速率仅仅与［HNO3]成正比．当硝酸大大过量时，硝化速率很接近于常数（零级反应）．但是对于较不活泼的芳香族化合物如氯苯和苯甲酸乙酯，则动力学的关系改变了，即（iii）步变得慢了，成为决速步．因为该步包含ArH，所以这些化合物的硝化反应，对芳香族化合物而言为一级．另一种动力学情况为：第一步是慢的、可逆的，而第二步是快的，如二苯甲基氯在丙酮水溶液中的水解．二苯甲基氯缓慢电离（速率常数k2）为二苯甲基正离子，后者可以再返回为原料（速率常数为kr）或与水作用生成二苯甲醇（速率常数k1）．因此，反应是Cl－和H2O之间对于二苯甲基正离子的竞争，总的反应不仅取决于慢的一步的速率，也取决于H2O对Cl－的竞争效率．对于这样的反应体系，用动力学方法来严格处理虽是可能的，但又是困难的，一般常用近似方法即稳态近似法．在考虑二苯甲基氯水解时，首先可假定在反应过程中二苯甲基正离子的浓度无明显改变，那么二苯甲基正离子的生成速