有机反应机理的研究方法课件.ppt

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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。,

2、第一节,概,述,HCN,CH,3,CCH,3,O,CH,3,CCH,3,OH,CN,1903,年,Lapworth,发现,:,碱加速,酸减速,CH,3,CCH,3,O,Br,2,CH,3,CCH,2,Br,O,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

3、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（,10,12,10,14,s,）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

4、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,产物研究,产物研究是反应机理研究的第一步。确定结构、对比结构、判,断变化。,CH,3,C,CH,3,CH,3,CH,2,Br,CH,3,CH,2,ONa,CH,3,CH,2,OH,CH,3,C,CH,3,CH,3,CH,2,OCH,2,CH,3,H,2,O,CH,3,CH,2,OH,CH,3,C,CH,3,CH,3,CH,2,Br,CH,3,C,CH,3,OH,CH,2,CH,3,CH,3,C,CH,3,OCH,2,CH,3,CH,2,CH,3,(CH,3,),2,C=C(CH,3,),2,CH,3,Cl,2,h

5、v,CH,2,Cl,Cl,2,CH,3,FeCl,3,CH,3,Cl,CH,3,Cl,CH,2,Cl,NaOH/H,2,O,二氧六环,CH,2,OH,二氧六环,NaOH/H,2,O,CH,2,Cl,NO,2,CH,NO,2,CH,NO,2,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,3,C,CH,3,CH,3,CH,CH,2,HCl,CH,3,C,CH,3,Cl,CH,CH,3,CH,3,CH,3,C,CH,3,CH,3,CH,CH,3,Cl,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,C

6、H,3,CH,2,CH,2,OH,O,CH,3,CH,2,CHO,CH,3,CH,2,OH,O,CH,3,CHO,同一类反应物得到同一类产物，机理可能相同。,CH,4,hv,Cl,2,CH,3,Cl,CH,3,CH,3,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,核磁共振谱,紫外光谱,质谱,专一反应,;,竞争反应,;,平行反应,。,

7、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？,C,B,A,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，可能是在改变条件的情况下产生的。,若以相

8、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。,C,2,H,5,O,-,CH,3,C,O,CH,2,C,O,OC,2,H,5,CH,3,C,O,OC,2,H,5,CH,3,C,OC,2,H,5,O,-,OC,2,H,5,C,2,H,5,O,-,CH,3,C,O,CH,2,C,O,OC,2,H,5,CH,3,C,O,OC,2,H,5,CH,3,C,OC,2,H,5,O,-,OC,2,H,5,CH,3,C,O,CH,2,C,O,OC,2,H,5,CH,3,C,O,OC,2,H,5,CH,3,C,OC,2,H,5,O,-,OC,2,H,5,C,2

9、,H,5,O,-,C,2,H,5,O,-,A,B,C,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。,R,C,O,NH,2,OH,RNH,2,R,C,O,NH,Br,2,R,C,O,NHBr,OH,R,C,O,NBr,R,C,O,N,R,N,C,O,R,NH,C,O,OH,H,2,O,H,2,O,重排,H,2,O,Br,Br,CO,2,R,C,O,NH,2,OH,RNH,2,Br,2,R,C,O,NHBr,C,2,H,5,BF,4,C,2,H,5,H,11,二、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

10、其存在。,NO,2,HNO,3,/H,2,SO,4,用,Raman,光谱检测,到,NO,2,+,N,2,COO,IR,在,238.5,241.5,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。,NH,2,COOH,HNO,2,12,三、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

11、轭二烯烃捕获苯炔等。,N,N,O,2,N,O,2,N,NO,2,R,N,N,O,2,N,O,2,N,NO,2,R,（与一般有机物不反应）,R,C,H,CHR,O,O,13,第四节,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,、,C,14,、,O,18,等。常用的检测方法有,质谱和放射性探测仪（,O,18,无放射性）。,利用,O,18,标记的最典型例子是羧酸酯的水解机理研究。,R,C,O,O,R,H,2,O,R,C,O,OH,R,

12、OH,R,C,O,O,R,H,2,O,18,R,C,O,O,18,H,R,OH,R,O,18,H,R,C,O,OH,14,R,OH,R,C,O,O,R,HO,R,C,O,O,羧酸酯的碱性水解是不是,S,N,2,机理？,R,C,O,O,R,HO,18,R,C,O,O,R,OH,R,OH,R,C,O,18,O,R,HO,R,C,O,O,回收酯含,O,18,回收酯,O,18,减少,同位素标记研究表明，并非简单的,S,N,2,机理,而是经历四面,体中间体的加成消除机理。,R,C,OH,O,15,R,C,OH,O,OR,R,C,O,OH,OR,R,O,R,C,O,18,O,R,HO,R,C,O,18,O

13、H,18,18,R,C,O,O,R,R,C,O,18,O,R,OH,利用,D,标记的最典型例子是苯甲醛的,Cannizzaro,反应机理研究。,C,O,H,C,O,H,OH,C,O,O,CH,2,OH,C,O,H,C,O,H,OD,C,O,O,CH,2,OD,16,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。,H,CH,2,CHCOOH,NH,2,苯丙氨酸羟化酶,HO,CH,2,CHCOOH,NH,2,T,CH,2,CHCOOH,NH,2,苯丙氨酸羟化酶,产物有放射性,T,CH,2,CHCOOH,NH,2,苯丙氨酸羟化酶,HO,CH,2,CHCOOH,NH,2,T,1-,溴,-

14、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,C,14,标记的典型离子。,C,C,H,Ph,Ph,Br,RLi,Ph,C,C,Ph,可能有碳负离子中间体和卡宾中间体两种机理。,17,利用,C,14,标记研究得到以下结果：,Ph,C,C,Ph,Cl,RLi,Br,C,C,H,Ph,Ph,Cl,14,14,C,C,H,Ph,Ph,Cl,Br,RLi,Ph,C,C,Ph,Cl,14,14,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,C,14,标记,的一个例子。,R,C,O,O,Br,CN,R,CN,CO,2,R,C

15、,O,O,Br,CN,R,CN,CO,2,14,14,18,比如研究苯基烯丙基醚的,Claisen,重排机理。,OCH,2,CH=CH,2,OH,CH,2,CH=CH,2,OH,CH,2,CH=CH,2,-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。,通过以下繁杂的过程合成标记化合物。,19,OK,HOCH,2,CH,2,Cl,2),1),KCN,ClCH,2,CH,2,COOH,LiAlH,4,ClCH,2

16、,CH,2,CH,2,OH,ClCH,2,CH,2,CH,2,OH,OCH,2,CH,2,CH,2,OH,1,)SO,2,Cl,2,)NaI,OCH,2,CH,2,CH,2,I,H,2,O/HCl,OCH,2,CH,2,CH,2,I,1,),Me,3,N,2,),Ag,2,O/,OCH,2,CH=CH,2,14,14,14,14,14,14,14,14,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,H,B,C,H,B,C,k,H,H,B,D,B,k

17、,D,C,C,D,B,B,C,D,k,H,/k,D,一般,1,7,20,其它同位素原子的动力学同位素效应较小。如：,k,C12,/k,C13,1.04,；,k,C12,/k,C14,1.07,；,k,N14,/k,N15,1.03,；,k,O16,/k,O18,1.02,。,精度较高，对仪器设备要求较高。,若认为控制步骤涉及,C,H,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。,CH,3,C,O,CH,3,Br,2,HO,CH,3,C,O,CH,2,Br,HBr,v,k,CH,3,COCH,3,HO,k,H,/k,

18、D,7,测定结果：,kH/kD1,，控制步骤，涉及,C,H,键断裂,kH/kD,1,，没有,C,H,键断裂或有,C,H,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。,(CH,3,),2,CHBr,H,2,O,(CH,3,),2,CHOH,(CD,3,),2,CHBr,H,2,O,(CD,3,),2,CHOH,k,H,k,D,k,H,k,D,1.34,k,H,/k,D,7.0,k,H,/k,D,1.07,卤代烃在碱性介质中的消除机理研究：,CH,3,CH,2,X,

19、CH,2,CH,2,CH,3,C,CH,3,CH,3,X,CH,3,C,CH,3,CH,2,事实上前者可能是,E2,机理，后者可能是,E1,机理。,22,第五节,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有非常重要的作用。,可能有,S,N,1,或,S,N,2,两种机理,C,X,R,R,R,H,2,O,C,OH,R,R,R,卤代烃水解机理研究,:,C,X,R,R,R,C,R,R,R,R,R,R,C,OH,C,HO,R,R,R,S,N,1,2,S,N,C,HO,R,R,R,R,R

20、,R,C,X,H,2,O,H,2,O,23,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。,C,R,3,R,2,R,1,R,3,R,2,R,1,C,OH,C,HO,R,1,R,3,R,2,C,X,R,1,R,2,R,3,C,X,R,1,R,2,R,3,C,HO,R,1,R,3,R,2,产物无旋光性说明是,S,N,1,机理。,C,I,Me,Et,Ph,H,2,O,Ph,C,Me,Et,OH,无旋光性，,S,N,1,机理,24,2-,羟基,-,丁二酸不同条件下的卤代机理研究：,HOOCCHCH,2,COOH,OH,PCl,5,HOOCCHCH,2,COOH,Cl,HOOCC

21、HCH,2,COOH,OH,SOCl,2,HOOCCHCH,2,COOH,Cl,产物有旋光性一定是,S,N,2,机理吗？,C,I,Me,H,Et,H,2,O,HO,C,Me,Et,OH,H,产物旋光度与,S-2-,丁醇相等,C,Br,H,Et,H,2,O,HO,Bu,Bu,C,Et,H,OH,产物旋光度与,S,构型及,R,构型,均不等,S,N,2,机理,S,N,2,S,N,1,机理,25,HOOCCHCH,2,COOH,OH,PCl,5,HOOCCHCH,2,COOH,Cl,HOOCCHCH,2,COOH,OH,SOCl,2,HOOCCHCH,2,COOH,Cl,（）,（）,（）,（）,、与,

22、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。,H,2,O,HO,C,O,O,CH,3,H,C,2,H,5,HO,C,C,O,O,C,C,2,H,5,H,CH,3,苯甲酸,（,）,R,2,丁酯,丁醇,2,R,）,（,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？,Br,2,Br,Br,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：,CH,3,CH,2,Cl,CH,2,=CH,2,CH,2,=CH,2,CH,2,X,CH,2,X,X,2,利用特殊结构的烯烃为原料，通过对加成产物的构型研

23、,究即可得到结论。,27,Cl,C,C,H,C,C,H,Cl,R,1,R,2,R,3,R,4,R,1,R,2,R,3,R,4,C,C,R,1,R,2,R,3,R,4,C,C,R,1,R,2,R,3,R,4,C,C,H,Cl,Cl,C,C,H,C,C,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,(CH,3,),2,CH,(CH,3,),2,CH,H,(CH,3,),2,CH,H,Cl,H,Cl,(CH,3,),2,CH,H,(CH,3,),2,CH,反式消除,醋酸酯的热解消除则与此相反。,C,C,H,Ph,O,2,N

24、,Ph,Ph,OOCCH,3,H,C,C,Ph,Ph,O,2,N,Ph,H,顺式消除,29,第六节,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。,R,X,H,2,O,R,OH,碱加速，,S,N,2,碱不能加速，,S,N,1,1,溴

25、环戊烷在含水乙醇溶液中与氰化钠反应的机理研究：,Br,H,2,O/C,2,H,5,OH,NaCN,CN,30,Br,2,高纯,CCl,4,C,C,溴极慢速度退色,C,C,Br,2,CCl,4,/C,2,H,5,OH/H,2,O,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。,Br,CN,CN,Br,CN,CN,加入少量碘化钠时，反应速率加快。否定了,S,N,1,机理。,31,H,2,O,C,R,R,

26、R,X,THF,C,R,R,R,X,H,2,O,EtOH,反应速度慢,反应速度快,RCH,2,X,RCH,2,X,EtOH,H,2,O,THF,H,2,O,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。,CH,4,Cl,2,CH,3,Cl,光照使反应大大加速,光照或过氧化物使反应大大加速,CH,3,CH,CH,2,HCl,CH,3,CHCH,3,Cl,CH,3,CHCH,3,Br,HBr,CH,3,CH,CH,2,光照或过氧化物不改变反应速度,

27、32,第七节,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,k,V=,RX,RXHO,V=,k,33,NHNH,H,H,2,N,NH,2,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

28、定性结论，而不能,作肯定性结论。,H,N,H,N,H,NH,2,HN,HN,HN,HN,HN,NH,2,HN,NH,2,HN,NH,2,H,H,2,N,NH,2,34,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。,V,H,2,