有機(jī)化學(xué)中用來研究反應(yīng)機(jī)理的方法

1、有機(jī)反應(yīng)機(jī)制的研究方法有機(jī)化學(xué)中用來解釋反應(yīng)機(jī)理的傳統(tǒng)方法主要集中在Kinetics和Dynamics兩方面，即理解勢能面、深入研究分子運(yùn)動和碰撞、測定活化參數(shù)、測定速率常數(shù)、確定某個反應(yīng)機(jī)理中一系列化學(xué)步驟的順序、確定反應(yīng)限速步驟和決速步驟。研究機(jī)理的關(guān)鍵目的是反應(yīng)機(jī)理知識可以對如何在原子或分子水平上操縱物質(zhì)給出最快速的洞察，而不是依靠運(yùn)氣來獲得偶然性的變化從而獲得想要的結(jié)果。由于動力學(xué)在辨別機(jī)理方面起著關(guān)鍵作用，所以動力學(xué)是整個有機(jī)反應(yīng)機(jī)理研究領(lǐng)域中最重要的分支之一。傳統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)理研究方法除了動力學(xué)分析之外，還有同位素效應(yīng)、結(jié)構(gòu)-功能分析等。這些都是研究有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的標(biāo)準(zhǔn)實驗工具，然后實驗

2、化學(xué)家可以根據(jù)其想象力和化學(xué)創(chuàng)造性，設(shè)計出一些完全不同于之前出現(xiàn)過的研究方法。因此，本文總結(jié)了一些最為常見的方法。首先分析最簡單的實驗，例如產(chǎn)物和中間體的鑒定。但也會分析一些更為微妙、精細(xì)的實驗，如交叉和同位素置亂（cross-over and isotope scrambling）實驗。1. 改變反應(yīng)物結(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)變或捕獲預(yù)想的中間體有時可以通過合成一種類似于所研究的反應(yīng)物的新反應(yīng)物來破譯中間體的性質(zhì)，但是這需要所預(yù)測的中間體能以一種可預(yù)想的方式進(jìn)行反應(yīng)。沒有標(biāo)準(zhǔn)的方式來處理這一類實驗，所以實驗者必須根據(jù)具體實驗情況來設(shè)計實驗。下面以酶反應(yīng)作為此方法的應(yīng)用實例。Lin1 等人設(shè)計了一種轉(zhuǎn)變中間體

3、的方法。扁桃酸消旋化酶可使扁桃酸根離子的對映體（2-羥基苯甲酸）互換。位于羧酸跟位的碳負(fù)離子被認(rèn)為是中間體。為了測試此中間體是否存在，作者合成設(shè)計了扁桃酸跟離子的類似物i，并用酶對其進(jìn)行了外消旋化。其過程是首先形成碳負(fù)離子，然后經(jīng)過溴化物的1,6-消除，最后經(jīng)過互變異構(gòu)化，分離得到產(chǎn)物ii。此結(jié)果支持了在扁桃酸根離子路徑中碳負(fù)離子中間體iii的存在。2.捕獲實驗和競爭實驗鑒定中間體的一種常見方法是通過加入額外的試劑來捕獲中間體。目前存在著幾種自由基不伙計，許多好的親核試劑是半衰期很短的親電試劑（如碳正離子）的可行的捕獲劑。必須以自己的化學(xué)知識來設(shè)計捕獲中間體（如碳正離子、卡賓等）的捕獲劑。但是

4、活潑中間體的半衰期很短，所以捕獲劑必須是具有很高的活性，并能與活潑中間體的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)路徑進(jìn)行競爭。同樣，因為捕獲反應(yīng)是典型的雙分子反應(yīng)，所以要求捕獲劑具有高的濃度。另外，還可以將捕獲劑與反應(yīng)物共價結(jié)合，以便更容易地捕獲活潑中間體。與捕獲反應(yīng)所不同的另一種反應(yīng)是競爭反應(yīng)。在一般的動力學(xué)實驗的分析中，除了決速步意外的其他步驟對動力學(xué)沒有顯著影響，因此關(guān)于這些其他步驟的數(shù)據(jù)都不能得到。這種缺乏動力學(xué)依賴性常常使得在動力學(xué)分析中，很大一部分的機(jī)理沒能弄清楚。一種解決這個問題的有效辦法是運(yùn)用競爭性實驗，競爭性實驗包含了兩種或者多種試劑來競爭與一個或多個中間體反應(yīng)。這是捕獲反應(yīng)的一種派生辦法，它所用的捕獲劑

5、不止一種。不同的捕獲劑所得到的產(chǎn)物的比率代表了不同的捕獲劑與中間體反應(yīng)速率常數(shù)的比率。根據(jù)這一比率，可以得到有關(guān)中間體的性質(zhì)。只有在捕獲反應(yīng)遵循動力學(xué)控制時，實驗才是可行的。Sarma2等人報道的實驗中捕獲了正膦以證明它的存在。五配位物種（正膦）被認(rèn)為是RNA和DNA水解過程的中間體。這一物種在被廣泛接受前，化學(xué)家研究了磷酸酯作為模型體系的化學(xué)性質(zhì)，磷酸能夠環(huán)化生成正膦，但是室溫下根本觀察不到中間體的存在。但是往反應(yīng)溶液中加入乙酰氯后，就可能分別將兩種中間體捕獲。3.核對共同中間體通常，相類似的1.Lin,D.T.,J.Am.Chem.Soc.,110,323(1988).2.Sarma，R.

6、J.Am.Chem.Soc.,100,5391(1978).反應(yīng)歷程（機(jī)理）：Reaction Mechanism 有機(jī)反應(yīng)按化學(xué)反應(yīng)所經(jīng)歷的全部過程：即為反應(yīng)機(jī)理。反應(yīng)機(jī)理是由反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的途徑，若為基元反應(yīng)，則為一步反應(yīng)得到產(chǎn)物；若不為基元反應(yīng)，則可以分解為多步基元反應(yīng)過程。 反應(yīng)機(jī)理（或反應(yīng)歷程）就是對反應(yīng)物到產(chǎn)物所經(jīng)歷過程的詳細(xì)描述和理論解釋，特別是對中間體雜化狀態(tài)、能量變化等的描述。 目前關(guān)于反應(yīng)機(jī)理的描述主要是根據(jù)一些實驗結(jié)果及觀察到的實驗現(xiàn)象和模型而做出的合理的理論假設(shè)和判斷。限于檢測手段及理論研究的局限，迄今為止，尚未有一個反應(yīng)機(jī)理被真正證明過。依據(jù)的實驗事實越多，則由此作

7、出的理論解釋越可靠。一個反應(yīng)的歷程應(yīng)經(jīng)得起實驗事實的考驗，并應(yīng)有一定的預(yù)見性。b) 反應(yīng)類型：按反應(yīng)機(jī)理分為自由基反應(yīng)（自由基加成、自由基取代）、離子型反應(yīng)（親電加成、親電取代、消除反應(yīng)、親核加成、親核取代）、協(xié)同反應(yīng)；按反應(yīng)底物和產(chǎn)物的因果關(guān)系分類：取代反應(yīng)（親核取代、親電取代、自由基取代）、加成反應(yīng)（親核加成、親電加成、自由基加成）、消除反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)北京大學(xué)的徐光憲院士總結(jié)了20世紀(jì)化學(xué)的三大理論成就：1. 化學(xué)熱力學(xué)。 它可以判斷化學(xué)反應(yīng)的方向，提出化學(xué)平衡和相平衡理論，可以預(yù)見化學(xué)反應(yīng)的可能性，為合成化學(xué)指明方向。2. 量子化學(xué)和化學(xué)鍵理論，以及結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的初步規(guī)律。這對設(shè)計

8、合成具有優(yōu)良性能的化合物是至關(guān)重要的。3. 化學(xué)動力學(xué)和分子反應(yīng)動態(tài)學(xué)的研究，特別是催化理論的發(fā)展和計算機(jī)設(shè)計合成方法的推廣，大大推動了合成化學(xué)。熱力學(xué)：解決反應(yīng)進(jìn)行的方向和程度，即反應(yīng)可進(jìn)行 到哪里的問題。動力學(xué)：解決反應(yīng)進(jìn)行快慢的問題，對反應(yīng)速率的處理。研究主要有碰撞理論和過渡態(tài)理論兩種學(xué)說。3.3 有機(jī)反應(yīng)的熱力學(xué)控制和動力學(xué)控制在一定反應(yīng)條件下，一個從同一反應(yīng)物出發(fā)的反應(yīng)可能由于競爭反應(yīng)而產(chǎn)生不同產(chǎn)物，此時應(yīng)分析出生成目的產(chǎn)物途徑的諸因素，以便控制反應(yīng)條件，使反應(yīng)趨向目的產(chǎn)物而獲得最佳收率。如果兩個反應(yīng)都不可逆，則速率快的反應(yīng)生成的產(chǎn)物多，即C的產(chǎn)量較多。這種反應(yīng)產(chǎn)物的比率決定于反應(yīng)速

9、率的過程稱之為動力學(xué)控制。反應(yīng)可逆時，當(dāng)反應(yīng)平衡完全建立后產(chǎn)物的比例取決于它們的相對熱力學(xué)穩(wěn)定性的大小，稱為熱力學(xué)控制或平衡控制的反應(yīng)。1903年，Lapworth在研究丙酮與氰化氫的反應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速率因加堿而加快，因加酸而變慢，提出了第一個有機(jī)反應(yīng)機(jī)理。 -羥基氰反應(yīng)機(jī)理的給出需從實驗結(jié)果出發(fā)，通過合理的電子轉(zhuǎn)移圖示將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，提出機(jī)理時需考慮以下幾個方面：p 產(chǎn)物中的每個原子在反應(yīng)物中都要有來源，即產(chǎn)物和包括底物、試劑甚至溶劑在內(nèi)的反應(yīng)物上的原子有對應(yīng)關(guān)系。p 找出導(dǎo)致產(chǎn)物形成的反應(yīng)途徑，確定哪些基團(tuán)或鍵發(fā)生了變化。p 底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)有無原子重排。p 運(yùn)用眾所周知的基元反應(yīng)機(jī)理，避

10、免不合理的電子轉(zhuǎn)移或出現(xiàn)高能量的過渡態(tài)和中間體。例：魯賓遜（Robinson）增環(huán)反應(yīng)含活潑亞甲基的環(huán)酮與a,b-不飽和羰基化合物在堿存在下反應(yīng)，形成一個二并六員環(huán)的環(huán)系。 p 觀察產(chǎn)物與反應(yīng)物的原子數(shù)，確定反應(yīng)是否增加碳原子。p 將產(chǎn)物中相關(guān)的碳原子進(jìn)行編號并與反應(yīng)物相對應(yīng)，以便跟蹤反應(yīng)物中碳原子的去向和產(chǎn)物中碳原子的來源。p 觀察舊鍵的斷裂和新鍵的形成，推測可能的反應(yīng)機(jī)理。其反應(yīng)機(jī)理為：本反應(yīng)分為兩步，第一步是邁克爾（Micheal）加成反應(yīng)，第二步是羥醛縮合反應(yīng)。 a) Micheal加成反應(yīng)b) 羥醛縮合反應(yīng)反應(yīng)機(jī)理合理性原則l 提出的機(jī)理應(yīng)明確解釋所有已知的事實，同時又盡可能簡單，易

11、于重復(fù)和證明。l 基元反應(yīng)應(yīng)是單分子或雙分子的，通常情況不必考慮三個分子以上的其他反應(yīng)。l 機(jī)理中每一反應(yīng)步驟在能量上是允許的，化學(xué)上則是合理的，合乎通用性的一般規(guī)則，如正性部分總是和負(fù)性部分結(jié)合。l 機(jī)理要有一定的預(yù)見性，當(dāng)反應(yīng)條件或反應(yīng)物結(jié)構(gòu)變化時，應(yīng)能對新反應(yīng)的速率和產(chǎn)物變化作出正確的預(yù)測。反應(yīng)機(jī)理的研究步驟 提出一個與已有實驗事實及理論知識相符的假設(shè)。 設(shè)計并進(jìn)行實驗以檢驗所提出的歷程假設(shè)。 根據(jù)實驗結(jié)果對假設(shè)進(jìn)行修正或推斷。 通常上述步驟要重復(fù)多次。對同一實驗的解釋可能有多種選擇，與試驗事實相符的反應(yīng)機(jī)理也可能不止一條，為此要認(rèn)真細(xì)心、去偽存真、反復(fù)推敲，以得到較為滿意又令人信服的機(jī)

12、理歷程。例如：a-羥基丙腈推測機(jī)理1羰基碳易受親核試劑的進(jìn)攻，半縮醛上的碳不宜接受親核試劑的進(jìn)攻，另外，EtO-親核性極強(qiáng)，不易離去。推測機(jī)理1不合理。推測機(jī)理2：醛羰基易于接受親核試劑的進(jìn)攻上述四步反應(yīng)過程化學(xué)上合理，能量上有利，因此認(rèn)為其機(jī)理推測合理。還有同位素、動力學(xué)等研究機(jī)理的方法。（第三章_有機(jī)反應(yīng)機(jī)理和測定方法-1）3.3確定有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的方法1、產(chǎn)物的鑒定2、中間體的確定-v 中間體的分離N-溴代酰胺異氰酸酯 R-N=C=Ov 中間體的檢測：IR、NMR、ESR（EPR）v 中間體的捕獲：3、立體化學(xué)方法4、同位素標(biāo)記用標(biāo)記的水（H2O18）水解丁二酸甲酯，得到普通的甲醇和含有O

13、18的丁二酸，令人信服的證明水解反應(yīng)是通過酰氧鍵斷裂進(jìn)行的 。5、同位素效應(yīng)（Isotope Effect）v 同位素效應(yīng)：當(dāng)反應(yīng)物分子中的氫被重氫置換后，再發(fā)生取代、消除等CH鍵斷裂反應(yīng)時，所表現(xiàn)出的H與D的反應(yīng)速度不同的現(xiàn)象。常以KH/KD之比來表示。v CH鍵斷裂所需活化能比C-D斷裂活化能小，當(dāng)鍵斷裂發(fā)生在決速步時就會出現(xiàn)同位數(shù)效應(yīng)， KH/KD=1-9v 同位素效應(yīng)有第一同位素效應(yīng)和第二同位素效應(yīng)兩種。所謂第二同位素效應(yīng)是指盡管連接同位素的鍵不參與反應(yīng)，但卻表現(xiàn)有同位素效應(yīng)現(xiàn)象。一般說，第二同位素效應(yīng)比第一同位素效應(yīng)值小，最高只有1.5 。v 14C，18O也存在同位素效應(yīng)，但數(shù)值很

14、小。v 通過同位素效應(yīng)，可以確定反應(yīng)機(jī)理中的決速步驟。KH/KD12是第一同位素效應(yīng)，KH/KD111是第二同位素效應(yīng)。 v 在大多數(shù)芳香族親電取代反應(yīng)中，不存在同位素效應(yīng)，KH/KD=10，這就提供了一個明確的指示，在定速步驟中不涉及CH鍵的斷裂，氫沒有失去。因此，反應(yīng)至少包括兩個步驟和一個中間體： 6、化學(xué)熱力學(xué)方法v 熱力學(xué)方法通過研究一個反應(yīng)的熱效應(yīng)是放熱還是吸熱，焓、熵以及自由能的變化來求得相關(guān)機(jī)理方面的許多信息。7、動力學(xué)方法v 通過動力學(xué)的研究可以獲得有哪些分子和有多少個分子參與了決定速率步驟的信息。v 自催化反應(yīng)（第三章_有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究）反應(yīng)機(jī)理包括反應(yīng)中： 試劑的進(jìn)攻

15、 化學(xué)鍵的斷裂與形成、斷鍵順序、 活性中間體的生成、 反應(yīng)的相對速率 分子振動和碰撞的速率10-1210-14，觀測分子和原子的手段尚不完善，主要根據(jù)反應(yīng)中觀測的現(xiàn)象來推斷反應(yīng)歷程。 飛秒化學(xué)：快速閃光照相機(jī)：fs(10-15s)，Zewail 1999Nobelist慢動作觀察化學(xué)鍵的斷裂與形成。一. 有機(jī)合成反應(yīng)的基本類型絕大多數(shù)有機(jī)化合物是以共價鍵結(jié)合的。有機(jī)化合物反應(yīng)的本質(zhì)是： 即為舊的共價鍵的斷裂和新的共價鍵生成的過程。因此化學(xué)反應(yīng)可以按新鍵形成分類：（一）按新鍵形成分類 可分為： C-H鍵形成反應(yīng) C-O鍵形成反應(yīng) C-C鍵形成反應(yīng) C-N鍵形成反應(yīng) C-X鍵形成反應(yīng) C-Si鍵形

16、成反應(yīng)此分類方法對于剖析有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)，研究新鍵的形成，創(chuàng)造性提出新的合成路線，具有一定的指導(dǎo)意義。但此種分類法還僅限于宏觀過程的理解與歸納，缺乏深入的微觀分析與理解。（二）按引入原子和基團(tuán)或采用的試劑分類n 經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后，n 產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)中僅引入了鹵素原子稱鹵化反應(yīng)n 如引入NO2硝化反應(yīng)；n 采用氧化劑氧化反應(yīng) 還原劑 還原反應(yīng)n 采用水、醇、胺做溶劑進(jìn)行的分解反應(yīng)分別稱 為水解反應(yīng)、醇解反應(yīng)、胺解反應(yīng)n 采用催化劑Catalyst存在下，氫化還原NO2、N2+基、 不飽和鍵、羰基等官能團(tuán)的反應(yīng)催化氫化反應(yīng)（三）按合成反應(yīng)的機(jī)理分類按機(jī)理分類：親電取代反應(yīng)、親核取代反應(yīng)、親電加成反應(yīng)、親

17、核加成反應(yīng)、電性消除反應(yīng)、自由基反應(yīng)、重排反應(yīng)、 周環(huán)反應(yīng)。按機(jī)理分類法，可將眾多化學(xué)反應(yīng)，從其本質(zhì)上歸納起來。對于現(xiàn)實中某一反應(yīng)，則能從理論上給予判斷和預(yù)計，對于控制化學(xué)反應(yīng)，研究新的合成方法起到指導(dǎo)作用。二、有機(jī)合成反應(yīng)機(jī)理與分類一）有機(jī)反應(yīng)機(jī)理-根據(jù)鍵斷裂方式分類（有三種基本類型） 1. 離子反應(yīng)歷程 化學(xué)鍵斷裂后，形成正離子或負(fù)離子中間體，經(jīng)過正負(fù)離子中間體所進(jìn)行的反應(yīng)。此種反應(yīng)過程稱為離子反應(yīng)歷程（Ionic Mechanism） or 異裂歷程（Heterolytic mechanism） or 極性反應(yīng)歷程（Polar mechanism）n X:YX:- + Y+n 2. 自由

18、基反應(yīng)歷程 化學(xué)鍵斷裂后，兩個斷片各帶一個電子形成自由基，通過自由基中間體而進(jìn)行的反應(yīng)歷程稱自由基歷程（Free radical mechanism） or 均裂歷程（Homolytic mechanism） X:Y X + Y3. 協(xié)同反應(yīng)歷程（一步反應(yīng)歷程） 斷鍵與成鍵同時進(jìn)行，有離子或自由基中間體生成（離子或自由基）。即電子在封閉的環(huán)中運(yùn)動，通常為6個電子，有時為4個電子，通過環(huán)狀過渡態(tài)進(jìn)行的反應(yīng)歷程協(xié)同反應(yīng)歷程（Concerted mechanism）(二)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)結(jié)果分類有機(jī)反應(yīng)數(shù)目和范圍廣，按反應(yīng)的結(jié)果可分為5類，每一類都可在不同條件下，按上述歷程進(jìn)行反應(yīng)。1. 取代反應(yīng)(

19、1) 親電取代反應(yīng)（Electrophilic substitution reaction）n 通式：n 如芳烴的硝化、磺化、鹵代、Friedel-Crafts反應(yīng)（烴化、酰化）n (2)親核取代反應(yīng)（Nucleolhilic substitution reaction）n 如鹵烴的水解，醇的鹵代n 通式：n (3)自由基取代反應(yīng)（Free radical substitution reaction）n 如烷烴的鹵代，NBS的溴化丙烯型和溴化芐型化合物的制備n 通式：n 2. 加成反應(yīng)（addition reaction）(1) 親電加成反應(yīng)（electrophilic addition re

20、action）基本類型n 如C=C雙鍵的加成(2) 親核加成（nucleophilic addition reaction）如羰基加成、Michael加成:(3)自由基加成反應(yīng)(free radical addition reaction)如過氧化物存在下烯烴與溴化氫的加成(4) 一步加成反應(yīng)（環(huán)化加成反應(yīng)）Cycloaddition reactionn 主要指2分子烯烴加成形成穩(wěn)定的環(huán)狀化合物的反應(yīng)，如Diels-alder反應(yīng)n 有時也將電環(huán)化反應(yīng)共軛多烯轉(zhuǎn)變成環(huán)烯烴反應(yīng)視為分子內(nèi)部環(huán)加成3. -消除反應(yīng)（-elimination Reaction ）（1）異裂消除反應(yīng)（Heterolgt

21、ic elimination Reaction）如醇脫水 鹵烴脫鹵化氫 Hofmann消除反應(yīng)等（2）一步消除反應(yīng)（concerted elimination reaction協(xié)同消除反應(yīng)）如脂的熱裂：4. 重排反應(yīng)（Rearrangement reaction）n 重排反應(yīng)通常是指一個原子或基團(tuán)從同一分子中的一個原子轉(zhuǎn)移到另一個原子的反應(yīng)。（分子內(nèi)遷移反應(yīng)）n 根據(jù)遷移原子或基團(tuán)在遷移時所帶電子的多少分為4種類： (1) 帶一對電子的轉(zhuǎn)移：（缺電子重排或親核重排反應(yīng)） Nucleophilic rearrangement reaction（3）不帶電子轉(zhuǎn)移（親電重排）（4）一步重排反應(yīng)（重排

22、） Claisen重排n 烯丙基苯基醚類化合物的熱重排反應(yīng)5. 氧化還原反應(yīng) 許多氧化還原反應(yīng)按上述反應(yīng)歷程進(jìn)行， 有些則不是（三）按參加反應(yīng)的分子或質(zhì)子數(shù)分類n 1.單分子反應(yīng)歷程 Unimolecular reaction mechanismn 化學(xué)反應(yīng)常常不是一步反應(yīng)，而是分既不完成。每一步反應(yīng)速率不同，其中最慢一步?jīng)Q定反應(yīng)速率，稱之為決速步驟。n 當(dāng)此步速率只與一種分子或質(zhì)子的濃度有關(guān)時，（形成活化中間體時只涉及一個分子）即為單分子反應(yīng)歷程（Unimolecular reaction mechanism）（選自第二章_有機(jī)反應(yīng)機(jī)理與研究方法）研究反應(yīng)機(jī)理即是認(rèn)識在反應(yīng)過程中，發(fā)生反應(yīng)體系中的原子或原子團(tuán)在結(jié)合位置、次序和結(jié)合方式上所發(fā)生的變化，以及這種改變的方式和過程。動力學(xué)研究是解決反應(yīng)歷程問題的有力工具，其目的是為了在反應(yīng)物和催化劑的濃度以及反應(yīng)速度之間建立定量關(guān)系。n 動力學(xué)數(shù)據(jù)只提供關(guān)于決定速度步驟