第3章有機反應機理和測定方法主要內(nèi)容有機反應機理和反應類型有機反應的熱力學和動力學要求有機反應的熱力學控制和動力學控制電子移動的箭頭符號和描述規(guī)則有機反應機理的提出（★）研究有機反應機理的方法（★

★）幾個有機反應機理的研究實例（★

★）Hammett線性自由能方程（★）12/23/20221華東理工大學-王朝霞課件第3章有機反應機理和測定方法主要內(nèi)容12/19/2022反應機理是由反應物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的途徑，若為基元反應，則為一步反應得到產(chǎn)物；若不為基元反應，則可以分解為多步基元反應過程。

反應機理（或反應歷程）就是對反應物到產(chǎn)物所經(jīng)歷過程的詳細描述和理論解釋，特別是對中間體雜化狀態(tài)、能量變化等的描述。

反應機理及其所解決的問題12/23/20222華東理工大學-王朝霞課件反應機理是由反應物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的途徑，若為基元反應條件起什么作用？決速步驟是哪一步？副產(chǎn)物是如何生成的？

反應是如何開始的？產(chǎn)物生成的合理途徑？經(jīng)過了什么中間體？反應機理所要解決的問題目前關(guān)于反應機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，尚未有一個反應機理被真正證明過。12/23/20223華東理工大學-王朝霞課件反應條件起什么作用？反應是如何開始的？反應機理所要解決研究反應機理的意義了解影響反應的各種因素，最大限度地提高反應的產(chǎn)率。發(fā)現(xiàn)反應的一些規(guī)律，指導研究的深入。依據(jù)的實驗事實越多，則由此作出的理論解釋越可靠。一個反應的歷程應經(jīng)得起實驗事實的考驗，并應有一定的預見性。12/23/20224華東理工大學-王朝霞課件研究反應機理的意義依據(jù)的實驗事實越多，則由此3.1有機反應機理和反應類型基本概念底物底物和試劑是相對而言的，一般把無機物看作試劑，把能轉(zhuǎn)化為所需產(chǎn)物的有機物或能提供碳去成鍵的物質(zhì)稱為底物，有機反應機理包括從底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的全過程。例：底物12/23/20225華東理工大學-王朝霞課件3.1有機反應機理和反應類型基本概念底物底物和試劑是相對異裂反應鍵的電子對在舊鍵斷裂時留在一個碎片上的反應，多是包含有離子中間體的反應。XY→X++Y-

：：

親核

親電親核試劑是電子對的給予體，它在化學反應過程中以給出電子或共用電子的方式和其他分子或離子生成共價鍵。親電試劑是電子對的接受體，它在化學反應過程中以接受電子或共用電子的方式和其他分子或離子生成共價鍵，又稱親電體。12/23/20226華東理工大學-王朝霞課件異裂反應鍵的電子對在舊鍵斷裂時留在一個碎片上的反應，多是包含均裂反應鍵的電子對在舊鍵斷裂時平均留在兩個碎片上的反應，均裂反應包括自由基中間體過程。協(xié)同反應舊鍵斷裂的同時新鍵也形成的反應。相同反應過程中無任何離子或自由基中間體存在。如SN2親核取代反應，E2消除反應、Diels-Alder反應等。12/23/20227華東理工大學-王朝霞課件均裂反應鍵的電子對在舊鍵斷裂時平均留在兩個碎片上的反應，均裂反應類型按反應機理分類有機化學反應自由基反應離子型反應協(xié)同反應自由基加成自由基取代親電加成親電取代親核加成親核取代消除反應12/23/20228華東理工大學-王朝霞課件反應類型按反應機理分類有機化學反應自由基反應離子型反應協(xié)同按反應底物和產(chǎn)物的因果關(guān)系分類取代反應親核取代親電取代自由基取代加成反應親核加成親電加成自由基加成消除反應氧化還原反應有機化學反應12/23/20229華東理工大學-王朝霞課件按反應底物和產(chǎn)物的因果關(guān)系分類取代反應親核取代加成反應親核加3.2有機反應熱力學和動力學要求北京大學的徐光憲院士總結(jié)了20世紀化學的三大理論成就：化學熱力學。它可以判斷化學反應的方向，提出化學平衡和相平衡理論，可以預見化學反應的可能性，為合成化學指明方向。量子化學和化學鍵理論，以及結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的初步規(guī)律。這對設計合成具有優(yōu)良性能的化合物是至關(guān)重要的?；瘜W動力學和分子反應動態(tài)學的研究，特別是催化理論的發(fā)展和計算機設計合成方法的推廣，大大推動了合成化學。12/23/202210華東理工大學-王朝霞課件3.2有機反應熱力學和動力學要求北京大學的徐光憲院士總結(jié)了3.2.1熱力學熱力學：解決反應進行的方向和程度，即反應可進行到哪里的問題。熱不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體。熱力學第二定律

熱力學第二定律圓滿解決了化學反應的方向和程度問題，要使反應發(fā)生，產(chǎn)物的自由能必須低于反應物的自由能，即△G必須是負值。12/23/202211華東理工大學-王朝霞課件3.2.1熱力學熱力學：解決反應進行的方向和程度，即反應可△G=△H-T△S=-RTlnK恒溫恒壓下，反應始、終態(tài)之間的焓變、熵變及自由能變化的熱力學關(guān)系式為：△G為負值，反應可以自發(fā)進行。吉布斯自由能變化始終態(tài)間的焓變始終態(tài)間的熵變12/23/202212華東理工大學-王朝霞課件△G=△H-T△S=-RTlnK恒溫焓(H)作為一個描述系統(tǒng)狀態(tài)的狀態(tài)函數(shù)，沒有明確的物理意義，ΔH(焓變)表示的是系統(tǒng)發(fā)生一個過程的焓的增量，反映了反應物和產(chǎn)物之間的鍵能差。焓與焓變熵(S)是體系混亂度的量度，體系越混亂，熵越大。熵與熵變12/23/202213華東理工大學-王朝霞課件焓(H)作為一個描述系統(tǒng)狀態(tài)的狀態(tài)函數(shù)，沒△G解決的是化學反應的熱力學問題，即反應進行的方向與程度問題△G=△H-T△S一個自發(fā)過程，隨著過程的發(fā)展，△G的絕對值漸漸減小，過程的自發(fā)性漸漸減弱，直到最后，△G=0，達到平衡。過程自發(fā),△G<0；過程不自發(fā),△G>0；達到平衡態(tài),△G=0。12/23/202214華東理工大學-王朝霞課件△G解決的是化學反應的熱力學問題，即反應進行的方向與程度問題12/23/202215華東理工大學-王朝霞課件12/19/202215華東理工大學-王朝霞課件K=[產(chǎn)物]:[底物]△G=△H-T△S=-RTlnK實際上，有機反應原則上都是可逆反應，反應達到平衡時，正向反應和逆向反應的速率相同，平衡點的產(chǎn)物濃度和底物濃度之比稱為平衡常數(shù)K。12/23/202216華東理工大學-王朝霞課件K=[產(chǎn)物]:[底物]△G=△H-T△S=-R動力學：解決反應進行快慢的問題，對反應速率的處理研究主要有碰撞理論和過渡態(tài)理論兩種學說。3.2.2動力學碰撞理論基本假設：分子為硬球型；反應分子A和B必須碰撞才能發(fā)生反應；只有那些能量超過普通分子的平均能量且空間方位適宜的活化分子的碰撞，即“有效碰撞”才能起反應。12/23/202217華東理工大學-王朝霞課件動力學：解決反應進行快慢的問題，對反應速率的處理3.2.2碰撞理論認為：反應速率取決于產(chǎn)生必要碰撞的頻率，分子或離子為了進行反應必須相互碰撞，除了空間因素或碰撞的方向外，碰撞的分子還必須有足以引起反應的活化能才能反應。12/23/202218華東理工大學-王朝霞課件碰撞理論認為：12/19/202218華東理工大學-王朝霞課K=A·e-E活/(RT)Arrhenius方程式碰撞和空間因素反應分子必須具有的活化能

在相同溫度下，E活大的反應，其k值小；E活小的反應，其k值較大。同一反應，E活一定時，溫度愈高，則k愈大。一般溫度每升高10℃，k值將增大2~10倍。速率系數(shù)與溫度關(guān)系的方程式12/23/202219華東理工大學-王朝霞課件K=A·e-E活/(RT)Arrhenius方程式碰撞和過渡態(tài)理論除了自發(fā)反應外，反應過程中總是存在一個能壘，一個基元反應的反應物先要到達能壘的頂峰變成活化配合物（或活化過渡態(tài)TS）后才成為中間體或產(chǎn)物。A—B+C→[A----B-----C]→A+B—C12/23/202220華東理工大學-王朝霞課件過渡態(tài)理論除了自發(fā)反應外，反應過程中總是存在無中間體過程的反應進程和能量的關(guān)系一步放熱反應一步吸熱反應活化能△G≠是反應要發(fā)生時必須克服的能壘，它與反應的自由能變化△G是兩個并不相干的能值。對放熱反應，活化能>0;對吸熱反應，活化能>反應熱12/23/202221華東理工大學-王朝霞課件無中間體過程的反應進程和能量的關(guān)系一步放熱反應一步吸熱反應反應物還可以經(jīng)兩步轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物（經(jīng)過兩個過渡態(tài)），中間可瞬時生成具有一定穩(wěn)定性的中間體。有一個中間體過程的反應進程和能量的關(guān)系不折回點12/23/202222華東理工大學-王朝霞課件反應物還可以經(jīng)兩步轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物（經(jīng)過兩個過渡態(tài)微觀可逆性原理根據(jù)過渡態(tài)理論，正反應為基元反應，其逆反應也必為基元反應，一個反應正向進行所經(jīng)歷的途徑，也是逆向進行所要經(jīng)歷的途徑，因為這個途徑為這兩個過程都提供了最低的能障。過渡態(tài)：反應物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的中間狀態(tài)，（推測的）勢能最高處的原子排列，壽命=0，無法測得。中間體：反應中生成的壽命較短的分子、離子或自由基，中間體一般很活潑，但可通過實驗方法觀察到。對比12/23/202223華東理工大學-王朝霞課件微觀可逆性原理根據(jù)過渡態(tài)理論，正反應為基元反應A—B+C———（Ⅰ）ABC—（Ⅱ）ABC—（Ⅲ）ABC→A+B—C過渡態(tài)結(jié)構(gòu)反應過程中過渡態(tài)結(jié)構(gòu)大致分為三種類型：12/23/202224華東理工大學-王朝霞課件A—B+C———（Ⅰ）ABC→哈蒙特(Hammond)假說哈蒙特研究了過渡態(tài)，中間體，反應物及產(chǎn)物間的關(guān)系：對任何單一的反應步驟，其過渡態(tài)的幾何圖形與自由能更接近的那一邊類似。12/23/202225華東理工大學-王朝霞課件哈蒙特(Hammond)假說哈蒙特研究了過根據(jù)過渡理論，過渡態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g體或產(chǎn)物時的速率極快，反應物和過渡態(tài)間存在一個平衡常數(shù)K≠?！鱃≠=△H≠-T△S≠=-2.303RT㏒K≠

△G≠越大，K≠越小，所以△G≠決定了反應的快慢。△G≠與溫度有關(guān)，通常溫度每升高10℃反應速率增加一倍。一般△G≠<40KJ·mol-1時，反應進行較快，而△G≠>120KJ·mol-1時，反應進行很慢。它符合下列關(guān)系：[T.S.][A][B]K≠=A+BT.S.C12/23/202226華東理工大學-王朝霞課件根據(jù)過渡理論，過渡態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g體或產(chǎn)物時的速率3.3有機反應的熱力學控制和動力學控制CAB在一定反應條件下，一個從同一反應物出發(fā)的反應可能由于競爭反應而產(chǎn)生不同產(chǎn)物，此時應分析影響生成目的產(chǎn)物途徑的諸因素，以便控制反應條件，使反應趨向目的產(chǎn)物而獲得最佳收率。12/23/202227華東理工大學-王朝霞課件3.3有機反應的熱力學控制和動力學控制C如果兩個反應都不可逆，則速率快的反應生成的產(chǎn)物多，即C的產(chǎn)量較多。這種反應產(chǎn)物的比率決定于反應速率的過程稱之為動力學控制?；罨艿?，反應快。12/23/202228華東理工大學-王朝霞課件如果兩個反應都不可逆，則速率快的反應生成的產(chǎn)反應可逆時，當反應平衡完全建立后產(chǎn)物的比例取決于它們的相對熱力學穩(wěn)定性的大小，稱為熱力學控制或平衡控制的反應。對上述反應，接近平衡時B將成為優(yōu)勢產(chǎn)物或唯一的產(chǎn)物，在這種條件下首先形成的C轉(zhuǎn)變?yōu)锳，而穩(wěn)定性較大的B很少轉(zhuǎn)變?yōu)锳，產(chǎn)物為熱力學控制。內(nèi)能低，熱力學更穩(wěn)定12/23/202229華東理工大學-王朝霞課件反應可逆時，當反應平衡完全建立后產(chǎn)物的比例取有機反應通常較慢，常常在建立平衡以前就終止反應分離產(chǎn)物了，所以得到的一般總是動力學控制的產(chǎn)物較多。在許多情況中穩(wěn)定性較大的產(chǎn)物也同時是形成較為迅速的產(chǎn)物，此時動力學控制產(chǎn)物也是熱力學控制產(chǎn)物。12/23/202230華東理工大學-王朝霞課件有機反應通常較慢，常常在建立平衡以前就終止反應分離產(chǎn)物了，1,2-加成1,4-加成－80oC80%20%80%20%40oC40oC例：提示：低溫時：1,2-加成產(chǎn)物易生成（活化能較低），是由反應速度決定的產(chǎn)物（動力學控制）。1,4-加成不易進行（活化能較高）。加熱時：1,4-加成為主要產(chǎn)物（達到平衡時比例高），說明較為穩(wěn)定。是由穩(wěn)定性決定的產(chǎn)物（熱力學控制）低溫產(chǎn)物比例加熱后變化：1,4-加成產(chǎn)物較穩(wěn)定，反應可逆。12/23/202231華東理工大學-王朝霞課件1,2-加成1,4-加成－80oC80%20%80%201,4-加成產(chǎn)物生成較慢，解離也較慢。1,2-加成產(chǎn)物生成較快，解離也較快。12/23/202232華東理工大學-王朝霞課件1,4-加成產(chǎn)物生成較慢，解離也較慢。1,2-加成產(chǎn)物例：可利用反應條件來控制反應過程，低溫條件有利于動力學控制的過程，即易于進行C(6)上的去質(zhì)子反應；在較高的溫度下反應則易于達到平衡的熱力學控制的過程，即易于進行C(2)上的去質(zhì)子反應。2-甲基環(huán)己酮動力學控制熱力學控制12/23/202233華東理工大學-王朝霞課件例：可利用反應條件來控制反應過程，低溫條件例：上面的反應得到的熱力學控制和動力學控制產(chǎn)物的方向是一致的，即最快生成的主產(chǎn)物也是最穩(wěn)定的產(chǎn)物，占的比例也多。12/23/202234華東理工大學-王朝霞課件例：上面的反應得到的熱力學控制和動力學控制產(chǎn)3.4電子移動的箭頭符號和描述規(guī)則常用箭頭及其含義可逆反應共振相等或相當于多步反應有機反應中，由反應物形成產(chǎn)物的過程實際上是舊鍵的破壞、新鍵的形成過程，是電子排布的變化過程或者是電子轉(zhuǎn)移的過程。正確認識和描寫這些過程是理解和提出反應機理的基礎。12/23/202235華東理工大學-王朝霞課件3.4電子移動的箭頭符號和描述規(guī)則常用箭頭及其含義可逆一對電子從箭頭符號尾巴所在處的一個原子或價鍵移向箭頭所在處的另一原子或價鍵。彎箭頭及其含義12/23/202236華東理工大學-王朝霞課件一對電子從箭頭符號尾巴所在處的一個原子或價鍵移向箭頭所在處的雜原子上的孤對電子，如X-,RO-,R2O,R3N,CN-,R3P,R2Se等有機金屬試劑中的富電子基團R,如RMgX,RLi,R2CuLi等。負氫試劑中的H-,如LiAlH4,NaBH4,NaH,KH,BH3等。有張力的σ鍵，如環(huán)丙烷。與帶有孤對電子的雜原子相連的烯基、炔基等重鍵因共振效應而在π鍵上帶有負電荷，如烯醇、烯胺的π鍵和苯酚、苯胺之類芳環(huán)上的富電子π鍵。常見電子源12/23/202237華東理工大學-王朝霞課件雜原子上的孤對電子，如X-,RO-,R2O,R3N,C具空軌道的物種，如碳正離子，含Al、B的Lewis酸，過渡金屬試劑上的過渡金屬等。酸性氫，如無機酸、羧酸、水、醇、胺、炔基氫等。弱的σ鍵，如鹵素、過氧化物中的σ鍵等。極性σ鍵上的烷基碳，如RX、ROTs等極性π鍵，如R2C(O)、RCN、RC(O)X、,-不飽和羰基化合物上的-碳等。親核物種都是電子源，親電物種都是電子坑，反之則未必。常見電子坑12/23/202238華東理工大學-王朝霞課件具空軌道的物種，如碳正離子，含Al、B的Lewis酸，過渡金環(huán)戊酮肟的形成歷程10：氧原子的孤對電子轉(zhuǎn)移到質(zhì)子上；11：氮原子的孤對電子轉(zhuǎn)移到羰基碳原子上；12：碳氧雙鍵的電子對移向帶正電荷的氧原子；13：氮氫間的電子對移向碳氮之間，氫以質(zhì)子形式離去；14：羥基帶著一對電子以氫氧根負離子離去，結(jié)果失去水分子形成環(huán)戊酮肟。例：12/23/202239華東理工大學-王朝霞課件環(huán)戊酮肟的形成歷程10：氧原子的孤對電子轉(zhuǎn)移到質(zhì)子上；例：12,2-二甲基丙醇在濃硫酸作用下形成2-甲基-2-丁烯的反應機理首先是羥基被質(zhì)子化轉(zhuǎn)化為易離去基團，接著發(fā)生離去形成碳正離子和甲基的遷移，彎箭頭15表示甲基負離子的遷移，即甲基帶著電子對轉(zhuǎn)移，形成新的更加穩(wěn)定的碳正離子。2,2-二甲基丙醇轉(zhuǎn)化為2-甲基-2-丁烯的反應機理例：12/23/202240華東理工大學-王朝霞課件2,2-二甲基丙醇在濃硫酸作用下形成2-甲基也稱半箭頭，指一個電子從箭頭符號尾巴所在處的一個原子或價鍵移向箭頭所在處的另一原子或價鍵。釣鉤多用在自由基反應的機理研究上。釣鉤及其含義12/23/202241華東理工大學-王朝霞課件也稱半箭頭，指一個電子從箭頭符號尾巴所在處的一個原子或價鍵移甲烷的氯代反應機理的表達自由基型鏈反應（chainreaction）自由基中間體12/23/202242華東理工大學-王朝霞課件甲烷的氯代反應機理的表達自由基型鏈反應（chainreac電荷守恒定律電荷是物質(zhì)的屬性，它不會憑空產(chǎn)生或消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體上。電荷守恒定律是物理學的基本定律之一，它指出，對于一個孤立系統(tǒng)，不論發(fā)生什么變化，其中所有電荷的代數(shù)和永遠保持不變。對有機反應而言，就是每一步有機反應前后的電荷總量是不會變化的。12/23/202243華東理工大學-王朝霞課件電荷守恒定律電荷是物質(zhì)的屬性，它不會憑空產(chǎn)3.5有機反應機理的提出1903年，Lapworth在研究丙酮與氰化氫的反應時，發(fā)現(xiàn)反應速率因加堿而加快，因加酸而變慢，提出了第一個有機反應機理。α-羥基氰12/23/202244華東理工大學-王朝霞課件3.5有機反應機理的提出1903年，La反應機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，提出機理時需考慮以下幾個方面：產(chǎn)物中的每個原子在反應物中都要有來源，即產(chǎn)物和包括底物、試劑甚至溶劑在內(nèi)的反應物上的原子有對應關(guān)系。找出導致產(chǎn)物形成的反應途徑，確定哪些基團或鍵發(fā)生了變化。底物的化學結(jié)構(gòu)有無原子重排。運用眾所周知的基元反應機理，避免不合理的電子轉(zhuǎn)移或出現(xiàn)高能量的過渡態(tài)和中間體。12/23/202245華東理工大學-王朝霞課件反應機理的給出需從實驗結(jié)果出發(fā)，通過合理的電含活潑亞甲基的環(huán)酮與,-不飽和羰基化合物在堿存在下反應，形成一個二并六員環(huán)的環(huán)系。例：魯賓遜（Robinson）增環(huán)反應觀察產(chǎn)物與反應物的原子數(shù)，確定反應是否增加碳原子。將產(chǎn)物中相關(guān)的碳原子進行編號并與反應物相對應，以便跟蹤反應物中碳原子的去向和產(chǎn)物中碳原子的來源。觀察舊鍵的斷裂和新鍵的形成，推測可能的反應機理。12/23/202246華東理工大學-王朝霞課件含活潑亞甲基的環(huán)酮與,-不飽和羰基化合物在堿本反應分為兩步，第一步是邁克爾（Micheal）加成反應，第二步是羥醛縮合反應。反應機理Micheal加成反應親核加成吸電子基，與雙鍵共軛12/23/202247華東理工大學-王朝霞課件本反應分為兩步，第一步是邁克爾（Michea羥醛縮合反應活潑甲基12/23/202248華東理工大學-王朝霞課件羥醛縮合反應活潑甲基12/19/202248華東理工大學-王反應機理合理性原則提出的機理應明確解釋所有已知的事實，同時又盡可能簡單，易于重復和證明。基元反應應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。機理中每一反應步驟在能量上是允許的，化學上則是合理的，合乎通用性的一般規(guī)則，如正性部分總是和負性部分結(jié)合。機理要有一定的預見性，當反應條件或反應物結(jié)構(gòu)變化時，應能對新反應的速率和產(chǎn)物變化作出正確的預測。新機理必須有充分必要的令人信服的實驗結(jié)果和理論解釋。12/23/202249華東理工大學-王朝霞課件反應機理合理性原則提出的機理應明確解釋所有已知的事實，同時反應機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。設計并進行實驗以檢驗所提出的歷程假設。根據(jù)實驗結(jié)果對假設進行修正或推斷。通常上述步驟要重復多次。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機理也可能不止一條，為此要認真細心、去偽存真、反復推敲，以得到較為滿意又令人信服的機理歷程。12/23/202250華東理工大學-王朝霞課件反應機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例：推測機理1×羰基碳易受親核試劑的進攻，半縮醛上的碳不宜接受親核試劑的進攻，另外，EtO-親核性極強，不易離去。推測機理1不合理。-羥基丙腈親核進攻12/23/202251華東理工大學-王朝霞課件例：推測機理1×羰基碳易受親核試劑的進攻，半推測機理2：醛羰基易于接受親核試劑的進攻上述四步反應過程化學上合理，能量上有利，因此認為其機理推測合理。-羥基丙腈12/23/202252華東理工大學-王朝霞課件推測機理2：醛羰基易于接受親核試劑的進攻上述例：順丁烯二酸反丁烯二酸推測機理1：反應是光或熱引發(fā)的重排順丁烯二酸與稀鹽酸共熱后會很快生成反丁烯二酸。12/23/202253華東理工大學-王朝霞課件例：順丁烯二酸反丁烯二酸推測機理1：反應是光或熱引發(fā)的重排順推測機理2：反應經(jīng)Cl-的親核加成生成單鍵中間體負離子，它繞單鍵旋轉(zhuǎn)后脫去Cl-而得到產(chǎn)物。推測機理3：反應經(jīng)H+對烯烴的親電加成生成單鍵中間體正離子再脫去H+而得到產(chǎn)物。12/23/202254華東理工大學-王朝霞課件推測機理2：反應經(jīng)Cl-的親核加成生成單鍵中間體負推測機理4：原料和HCl加成生成氯代丁二酸再消去HCl得到產(chǎn)物，或是原料和水加成生成蘋果酸（2-羥基丁二酸）再脫水生成產(chǎn)物。推測機理5：H+對烯烴親電加成后形成內(nèi)酯再生成蘋果酸后脫水得到產(chǎn)物。12/23/202255華東理工大學-王朝霞課件推測機理4：原料和HCl加成生成氯代丁二酸再消去HCl得到產(chǎn)推測機理6：H+對羰基親電加成后，形成一個單鍵可自由旋轉(zhuǎn)的共振結(jié)構(gòu)再脫去H+得到產(chǎn)物。推測機理7：H+對羰基親電加成后再加Cl-，經(jīng)這樣的1,4-加成后再消去HCl得到產(chǎn)物。12/23/202256華東理工大學-王朝霞課件推測機理6：H+對羰基親電加成后，形成一個單鍵可自由旋轉(zhuǎn)的共機理是以假設為前提的，上述的機理看似都符合反應過程，到底哪一個正確呢？這個看似簡單的反應在十九世紀末就知道了，但機理的闡述直到20世紀中期，經(jīng)同位素、動力學等各種方法排除了不可能的機理后，才發(fā)現(xiàn)最后的一個可能性是較為合理的解釋。12/23/202257華東理工大學-王朝霞課件機理是以假設為前提的，上述的機理看似都符合反3.6研究有機反應機理的方法產(chǎn)物及副產(chǎn)物的鑒定中間體產(chǎn)物的確定催化作用同位素標記立體化學動力學測定12/23/202258華東理工大學-王朝霞課件3.6研究有機反應機理的方法產(chǎn)物及副產(chǎn)物的鑒定12/19產(chǎn)物及副產(chǎn)物的鑒定研究反應歷程首先要從反應物和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)開始，對一個反應所提出的機理應能解釋所有的產(chǎn)物和副產(chǎn)物及它們之間的比例。一個不能說明所有產(chǎn)物的機理顯然是不成功的，或者提示我們該反應經(jīng)過不止一個歷程。12/23/202259華東理工大學-王朝霞課件產(chǎn)物及副產(chǎn)物的鑒定研究反應歷程首先要從反應甲烷氯代鏈引發(fā)：鏈增長：鏈終止：化學反應基元反應例：甲烷在光照下與氯反應除生成氯甲烷外，還有少量乙烷生成。12/23/202260華東理工大學-王朝霞課件甲烷氯代鏈引發(fā)：化學反應基元反應例：甲烷在光照下與氯反應除生重排現(xiàn)象——碳正離子的證據(jù)重排產(chǎn)物機理H遷移例：主產(chǎn)物12/23/202261華東理工大學-王朝霞課件重排現(xiàn)象——碳正離子的證據(jù)重排產(chǎn)物機理H遷移例：主產(chǎn)物1順或反式2-丁烯加Br2的立體化學相同對映體順-2-丁烯反-2-丁烯12/23/202262華東理工大學-王朝霞課件順或反式2-丁烯加Br2的立體化學相同對映體順-2-丁烯反-中間體產(chǎn)物的確定對于有機反應機理研究而言，能檢測到活性中間體是重要的證據(jù)，但在大多數(shù)情況下，中間體是不穩(wěn)定的，不能分離。目前對有機中間體確認的主要方法：

反應活性中間體的分離反應活性中間體的檢測反應活性中間體的捕獲可疑反應活性中間體的否定

12/23/202263華東理工大學-王朝霞課件中間體產(chǎn)物的確定對于有機反應機理研究而言，反應活性中間體的分離

活性中間體具有一定的穩(wěn)定性，可在低溫下或其它可控制的條件下使反應停留在中間體階段一定時間而不立即變?yōu)楫a(chǎn)物，以適當?shù)氖侄螌⒅虚g體分離出來。

反應活性中間體的檢測

許多反應活性中間體因壽命較短，不能分離，但是可以用一些物理方法如IR,NMR,UV-Vis,ESR,EPR等檢測其存在。能夠用光譜檢測也必須滿足2個條件：（1）活性中間體的濃度能滿足檢測需要；（2）有足夠長的壽命，并能吸收適當?shù)姆派洹?2/23/202264華東理工大學-王朝霞課件反應活性中間體的分離反應活性中間體的檢測12/19/20反應活性中間體的捕獲

有些過于活潑或濃度很低的活性中間體，既不能分離，又不能被波譜方法檢測，這時可以向反應體系中加入可與它反應的捕獲劑，形成一個能反映中間體特性的新產(chǎn)物，后者往往能夠被分離或檢測。如卡賓中間體可用烯烴來捕獲，推測有苯炔中間體的反應可用共軛雙烯捕獲得到Diels-Alder加成物來證明。12/23/202265華東理工大學-王朝霞課件反應活性中間體的捕獲12/19/202265華東理工大學-

可疑反應活性中間體的否定

對于可疑的活性中間體，若能用其他方法得到，那么在同樣條件下應該得到同樣的產(chǎn)物，這種方法可以提供結(jié)論性的否定證據(jù)：如果得不到同一產(chǎn)物，即可以斷定可疑中間體并非反應活性中間體。但是若得到了同一產(chǎn)物，還或許是巧合產(chǎn)生的，故不能作為結(jié)論性證明。12/23/202266華東理工大學-王朝霞課件可疑反應活性中間體的否定12/19/202266華東理工

酰胺與次鹵酸鹽的堿溶液(或鹵素的氫氧化鈉溶液)作用時，放出二氧化碳，生成比酰胺少一個碳原子的一級胺的反應。Hoffmann重排（降解）12/23/202267華東理工大學-王朝霞課件酰胺與次鹵酸鹽的堿溶液(或鹵素的氫氧化鈉溶液反應中間體N-溴代酰胺(RCONHBr)曾被離析，從其它方法得到的該化合物在相同條件下反應也能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，因此認為該反應是經(jīng)過這一中間體歷程進行的，從而提出其反應機理。12/23/202268華東理工大學-王朝霞課件反應中間體N-溴代酰胺(RCONHBr)曾被異氰酸酯胺基甲酸?；e重排氮賓分子內(nèi)插入C-R間12/23/202269華東理工大學-王朝霞課件異氰酸酯胺基甲酸酰基氮賓重排氮賓分子內(nèi)插入C-R間12/19在芳香族親電取代反應中，親電試劑進攻芳環(huán)形成σ-配合物，然后離去基團（多為氫）離去，在適當條件下，中間體σ-配合物可以分離，也證明了這一機理的可信性。芳香族親電取代反應12/23/202270華東理工大學-王朝霞課件在芳香族親電取代反應中，親電試劑進攻芳環(huán)形即使分離出中間體產(chǎn)物并在相同條件下反應能夠以不低于整個反應速率轉(zhuǎn)變得到與所提出的機理相一致的產(chǎn)物，也不能斷然說產(chǎn)物就是經(jīng)由它而來。跟蹤反應，檢測到B，有兩種可能：B是中間體，反應經(jīng)B生成C；B是副產(chǎn)物，該副產(chǎn)物反應后也能得到產(chǎn)物C；從B出發(fā)得不到同一產(chǎn)物C，則可斷定B不是反應的中間體。結(jié)論12/23/202271華東理工大學-王朝霞課件即使分離出中間體產(chǎn)物并在相同條件下反應能夠以Claisen酯縮合反應具有-活潑氫的酯，在堿的作用下，兩分子酯相互作用，生成β-羰基酯，同時失去一分子醇的反應。稱為克萊森酯縮合反應。12/23/202272華東理工大學-王朝霞課件Claisen酯縮合反應具有-活潑氫的酯，反應可以檢測出烷氧負離子的加成物，但實際上這與縮合反應無關(guān)。實際反應歷程如下：1-4步在同一體系完成，前三步對逆反應有利，第四步對正反應有利，整個反應依靠第四步正向移動。將生成的鈉鹽從體系分出，然后酸化成乙酰乙酸乙酯12/23/202273華東理工大學-王朝霞課件反應可以檢測出烷氧負離子的加成物，但實際上這與縮合反應無關(guān)。催化作用催化劑能同等加快正、逆反應速率。根據(jù)催化劑的性質(zhì)及它們在反應中的作用可以獲得有關(guān)反應的信息，如能被酸催化的反應?？赡艽嬖谔颊x子，能被堿催化的反應?？赡艽嬖谔钾撾x子，被光或過氧化物所激發(fā)或在高溫下發(fā)生的且能被自由基抑制劑所阻止的反應常常涉及自由基機理。自由基加成親電加成12/23/202274華東理工大學-王朝霞課件催化作用催化劑能同等加快正、逆反應速率。根同位素標記同位素標記法是借助同位素原子以研究有機反應歷程的方法。同位素用于追蹤物質(zhì)運行和變化過程時，叫做示蹤元素。用示蹤元素標記的化合物，化學性質(zhì)不變。人們根據(jù)這種化合物的性質(zhì)，對有關(guān)的一系列化學反應進行追蹤。D(2H),14C，15N，18O等是常用的同位素。12/23/202275華東理工大學-王朝霞課件同位素標記同位素標記法是借助同位素原子以研在酯的堿性水解中，用18O標記的酯經(jīng)水解反應回收原料后發(fā)現(xiàn)原料中18O的含量減少；而在標記的H218O中水解時，原來無18O標記的酯回收原料時發(fā)現(xiàn)部分帶有18O，這就告訴我們酯水解經(jīng)過一個四面體結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物。12/23/202276華東理工大學-王朝霞課件在酯的堿性水解中，用18O標記的酯經(jīng)水解反應Claisen重排烯丙基芳基醚在高溫(200℃)下可以重排，生成烯丙基酚。對Claisen重排，利用同位素標記，證明烯丙基是以γ-碳原子與苯環(huán)的鄰位相接，以-碳原子與苯環(huán)的對位相連接，說明到對位的重排是分步進行的。12/23/202277華東理工大學-王朝霞課件Claisen重排烯丙基芳基醚在高溫(200℃)下可以重排，環(huán)狀過渡態(tài)烯丙基苯基醚鄰烯丙基苯酚對烯丙基苯酚互變異構(gòu)互變異構(gòu)環(huán)狀過渡態(tài)[3,3]遷移

[3,3]遷移反應機理12/23/202278華東理工大學-王朝霞課件環(huán)狀過渡態(tài)烯丙基苯基醚鄰烯丙基苯酚對烯丙基苯酚互變異構(gòu)互變異同位素效應同位素效應是研究反應機理的一個常用手段。當反應底物中的一個原子被它的同位素取代后，對它的化學反應性沒有影響，但反應速度有顯著的影響。雖然其它重原子的同位素效應也有應用，但最常用的還是H/D的同位素效應,可以用KH/KD表示。12/23/202279華東理工大學-王朝霞課件同位素效應同位素效應是研究反應機理由于同位素具有不同的質(zhì)量，因此具有不同的零點振動能，質(zhì)量越大，零點振動能越低，對于一個涉及到與同位素相連的鍵斷裂的反應來說，與質(zhì)量大的同位素相連的鍵由于零點能低而就需要較高的活化能離解，從而表現(xiàn)為較低的反應速度。同位素效應產(chǎn)生的原因12/23/202280華東理工大學-王朝霞課件由于同位素具有不同的質(zhì)量，因此具有不同的零點在決速步驟中與同位素直接相連的鍵不發(fā)生斷裂，而是分子中其他化學鍵發(fā)生變化所觀察到的效應，其KH/KD≈0.7-1.5。KH/KD﹤1稱為顛倒的同位素效應，較少見。一級同位素效應在決速步驟中與同位素直接相連的鍵發(fā)生了斷裂的反應中所觀察到的同位素效應，KH/KD≥2。二級同位素效應同位素效應分為一級同位素效應和二級同位素效應。12/23/202281華東理工大學-王朝霞課件在決速步驟中與同位素直接相連的鍵不發(fā)生斷裂，應用：，說明決速步驟中有C－H*鍵斷裂。12/23/202282華東理工大學-王朝霞課件應用：，說明決速步驟中有C－H*鍵斷裂。12/19/20應用：12/23/202283華東理工大學-王朝霞課件應用：12/19/202283華東理工大學-王朝霞課件立體化學立體化學過程和結(jié)果的分析是提供一個機理的最有利證明。如果反應物或產(chǎn)物中有立體異構(gòu)現(xiàn)象，則可以根據(jù)化合物的構(gòu)型、構(gòu)象、順反、光學異構(gòu)等現(xiàn)象作出準確的判斷，而正確的假設通常也能準確地預言反應的立體化學結(jié)果。外消旋體反應經(jīng)歷平面型的碳正離子中間體結(jié)構(gòu)。12/23/202284華東理工大學-王朝霞課件立體化學立體化學過程和結(jié)果的分析是提供一個底物發(fā)生構(gòu)型反轉(zhuǎn)(亦稱Walden轉(zhuǎn)化)，說明反應經(jīng)歷SN2歷程。12/23/202285華東理工大學-王朝霞課件底物發(fā)生構(gòu)型反轉(zhuǎn)(亦稱Walden轉(zhuǎn)化)，說明反應經(jīng)歷SN2動力學測定動力學是研究各種反應因素如濃度、壓力、溫度、催化劑等對反應速率的影響。通常在某一恒溫條件下討論濃度和反應速率的關(guān)系，然后確定化學反應的速率方程，求得反應級數(shù)和速率常數(shù)。A→產(chǎn)物

r＝k[A]A＋B→產(chǎn)物

r＝k[A][B]A＋B＋C→產(chǎn)物

r＝k[A][B][C]12/23/202286華東理工大學-王朝霞課件動力學測定動力學是研究各種反應因素如濃度、一級反應速度僅與一種反應物的濃度成比例：反應速度=-d[A]/dt=k[A]二級反應速度和兩個反應物的濃度成比例：反應速度=-d[A]/dt=k[A][B]三級反應速度和三個反應物的濃度成比例：反應速度=-d[A]/dt=k[A][B][C]通過速率方程可以求得反應級數(shù)和速率常數(shù)。從速率常數(shù)可得知活化能、活化焓、活化熵等數(shù)值，從而了解反應的能壘和特定條件下控速步驟；從反應級數(shù)可知有多少分子、哪些分子參與了決速步驟。12/23/202287華東理工大學-王朝霞課件一級反應速度僅與一種反應物的濃度成比例：通過速率方程可以求得動力學數(shù)據(jù)只提供關(guān)于決速步驟和在它以前各步的情況，當有機反應由兩步或兩步以上的基元反應組成時，則反應速度定律的確定一般比較復雜，通過平衡近似和定態(tài)近似法等簡化方法可求得反應的表觀速度常數(shù)。A+C→Dv=k2[B][C]=k2·k1/k-1[A][C]=kobs[A][C]第一步是決速步驟：v=k1[A]，是一級反應第二步是決速步驟：12/23/202288華東理工大學-王朝霞課件動力學數(shù)據(jù)只提供關(guān)于決速步驟和在它以前各步的

動力學方程不能指明過渡態(tài)中原子的排列方式，也不能提供它們結(jié)構(gòu)方面的任何信息，因此動力學方程不能證明一個機理，但不符合方程式所提示的過渡態(tài)的機理則肯定是不正確的。動力學方程的作用是：假設多種機理，排除與觀測到的動力學不相符的機理，留下一些可能的機理，再依據(jù)其它實驗方法對這些可能的機理加以確證。12/23/202289華東理工大學-王朝霞課件動力學方程不能指明過渡態(tài)中原子的排列方式，也A+C→Dv=k2[B][C]=k2·k1/k-1[A][C]=kobs[A][C];二級反應第一步是決速步驟v=k1[A]，是一級反應×第二步是決速步驟？√12/23/202290華東理工大學-王朝霞課件A+C→Dv=k2[B][C]研究有機反應歷程的方法很多，在許多情況下僅憑一個方式或一個證據(jù)是不夠的，需要從各方面以多種方法加以探討證明來得到較好的機理歷程說明。12/23/202291華東理工大學-王朝霞課件研究有機反應歷程的方法很多，在許多情況下僅憑3.7幾個有機反應機理的研究實例鄰基參與效應同芳性單電子轉(zhuǎn)移和自由基鏈式親核取代反應Favorskii重排烯烴的臭氧化反應1-薁羧酸的脫羧反應1,2-碳負離子的重排反應碳酸二甲酯與苯甲酸/DMC的甲基化反應鄰氨基苯甲酸酯的水解反應正向和反向競爭的Knoevenagel縮合反應12/23/202292華東理工大學-王朝霞課件3.7幾個有機反應機理的研究實例鄰基參與效應12/19/鄰基參與效應（NeighboringAssistance）在某些親核取代反應中，出現(xiàn)以下特點：反應速率比預期的大；手性C原子上構(gòu)型保持不變。在這些情況中，通常在離去基團的β位（有時更遠些）有一個帶有未共用電子對的基團參與了這一反應。鄰基參與效應普遍存在于取代、消除、重排等反應中。12/23/202293華東理工大學-王朝霞課件鄰基參與效應（NeighboringAssistance鄰基參與效應：分子中的親核取代基參與了在同一分子中另一部位上的取代反應，即能夠部分或全部地與反應中心成鍵形成過渡態(tài)或中間體以影響整個反應的反應速率、產(chǎn)物的構(gòu)型等。如上圖反應即是一鄰基參與的親核取代反應：(R)--溴代丙酸鹽在堿性條件下水解，可以得到100％的構(gòu)型不變的產(chǎn)物，即(R)--羥基丙酸鹽。12/23/202294華東理工大學-王朝霞課件鄰基參與效應：分子中的親核取代基參與了在同一分子中另一部位上鄰基參與反應的特點反應速率加快雖然有些鄰近基團的親核能力沒有外來親核試劑Nu-的親核能力強，但是外來親核試劑Nu-必須與反應物進行有效碰撞才能發(fā)生反應，而鄰近基團與被進攻的反應中心碳原子在同一分子中，并處于適當?shù)倪M攻位置，因此，其“有效濃度”極高，易發(fā)生有效碰撞，致使反應速率加快。這種現(xiàn)象又稱為鄰基協(xié)助或鄰基促進。鄰基效應能否使反應加速，取決于鄰基參與是否發(fā)生在決速步驟。若發(fā)生在決速步驟，則對整個反應起著明顯的加速作用，否則對反應速度影響不大。12/23/202295華東理工大學-王朝霞課件鄰基參與反應的特點反應速率加快雖然有些鄰近基CH3CH2SCH2CH2Cl在堿性條件下的水解速率比CH3(CH2)4Cl的水解速率快3200倍，而,′-二氯代硫醚比一般氯化物水解速率快1011倍，分別如下面所示:12/23/202296華東理工大學-王朝霞課件CH3CH2SCH2CH2Cl在堿性條件下的反應中心的立體化學得到保留在鄰基參與反應中，產(chǎn)物中心碳原子的立體構(gòu)型保持不變。其原因是反應物分子發(fā)生了兩次分子內(nèi)的SN2反應，而SN2反應的立體化學特征是產(chǎn)物的構(gòu)型完全翻轉(zhuǎn)，兩次構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的結(jié)果正好是構(gòu)型保持。12/23/202297華東理工大學-王朝霞課件反應中心的立體化學得到保留在鄰基參與反應中，發(fā)煙HBr與(-)-蘇式-3-溴-2-丁醇反應，得到外消旋體(±)-蘇式-2,3-二溴丁烷。說明產(chǎn)物與反應物的構(gòu)型（指蘇式）保持不變，其原因是鄰近基團-Br參與了反應，生成三元環(huán)狀溴離子中間體，外來親核試劑Br-對三元環(huán)中間體中的兩個碳原子進攻的機會是相同的。例：12/23/202298華東理工大學-王朝霞課件發(fā)煙HBr與(-)-蘇式-3-溴-2-丁醇反導致重排現(xiàn)象親核試劑Nu-可以進攻與離去基團L相連的中心碳原子，也可以進攻參與橋環(huán)的另一個碳原子，且向兩個方向進攻機會幾乎是相等的。所以，在反應過程中除了得到正常的取代物外，還常常得到重排產(chǎn)物。12/23/202299華東理工大學-王朝霞課件導致重排現(xiàn)象親核試劑Nu-可以進攻與離去基團能發(fā)生鄰基參與效應的基團包括一系列具有未共享電子對的原子（團）及有π鍵的芳基、烯烴等不飽和基團，某些C-Cσ鍵甚至C-Hσ鍵也有這類作用，分別稱為n-、π-和σ-參與。常見的鄰近基團有：-COOR、-OR、-OH、-SH、-NH2、-NHR、-NR2、-NHCOR、-Cl、-Br、-I、-COO-、-O-、-S-、>C=C<、>C=O和苯基等。鄰基參與反應的類型12/23/2022100華東理工大學-王朝霞課件能發(fā)生鄰基參與效應的基團包括一系列具有未共享n-參與具有未共用電子對(即非鍵電子，用n表示)或帶負電荷的原子或原子團的鄰基參與親核取代反應的歷程，稱為n-參與歷程．例：含鹵素的n-參與歷程(-Cl、-Br、-I)鹵素的鄰基參與能力大小為I>Br>Cl,與其親核能力一致。12/23/2022101華東理工大學-王朝霞課件n-參與具有未共用電子對(即非鍵電子，用n

π-參與含π電子的參與基團主要是C=C雙鍵和芳環(huán)(苯基及取代苯基等)。反-7-原冰片烯基對甲苯磺酸酯的乙酸解速率要比順-7-原冰片烯基對甲苯磺酸酯的乙酸解快107倍，而且反式乙酸解產(chǎn)物構(gòu)型保持不變，順式產(chǎn)物則發(fā)生構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。這是因為順式反應物無鄰基參與作用，不能生成非經(jīng)典碳正離子，而反式結(jié)構(gòu)進行乙酸解時，碳碳雙鍵作為鄰基參與反應，生成了非經(jīng)典碳正離子中間體，所以大大提高了反應的速率。12/23/2022102華東理工大學-王朝霞課件π-參與含π電子的參與基團主要是C=C雙鍵27的水解速率比相應的飽和烴快1500倍，產(chǎn)物為反-雙環(huán)[5.3.0]-1-萘烷醇28和重排產(chǎn)物29，反映出反應中形成了環(huán)烯丙基正離子中間體。

π-參與的鄰基效應隨π電子所處軌道能量降低而減弱。芳香基團、主要是苯基的鄰位參與效應比一般的雙鍵弱，大多數(shù)情況下只有位于-位的芳香基團才有此效應。12/23/2022103華東理工大學-王朝霞課件27的水解速率比相應的飽和烴快1500倍，產(chǎn)

σ-參與這是因為環(huán)丙基的彎曲鍵作為鄰基進攻碳正離子，與碳正離子的空的p軌道發(fā)生共軛效應而使碳正離子趨于穩(wěn)定，接著，-OH進攻碳正離子，發(fā)生水解反應，而在-三甲基氯乙烷分子中無鄰基參與效應。Hart等人發(fā)現(xiàn)-三環(huán)丙基氯乙烷在堿性條件下的水解速度比-三甲基氯乙烷的水解速率快3×107倍。12/23/2022104華東理工大學-王朝霞課件σ-參與這是因為環(huán)丙基的彎曲鍵作為鄰基進攻同芳性一個具有平面密閉共軛體系的單環(huán)多烯化合物，當其π電子數(shù)為4n+2時(n=0,1,2,3,??)才可能有芳香族的穩(wěn)定性。1959年，Winstein提出同芳性的概念，用于解釋某些共軛體系被打斷但仍具有芳香性的化合物的性質(zhì)。Hückel規(guī)則12/23/2022105華東理工大學-王朝霞課件同芳性一個具有平面密閉共軛體系的單環(huán)多烯化同芳性是指某些共軛雙鍵的環(huán)被一個或兩個亞甲基所隔開，這個亞甲基在環(huán)平面之外，使環(huán)上的π電子構(gòu)成芳香體系。如環(huán)辛三烯正離子（同陽離子)。同芳性傳統(tǒng)觀念中認為同陽離子是非芳香性的，因為它們的π電子離域分布被一個或多個飽和碳原子隔開了，然而隨著研究工作的深入，特別是NMR譜的測定，發(fā)現(xiàn)它具有芳香性化合物的基本特征。12/23/2022106華東理工大學-王朝霞課件同芳性是指某些共軛雙鍵的環(huán)被一個或兩個亞甲基所隔開，這個亞甲

同芳性是對芳香性概念的補充和擴展，是指越過一個或幾個飽和的原子形成的穩(wěn)定的環(huán)狀共軛多烯。它也服從Huckel規(guī)則，但在離域的體系中插入了另外具有飽和中心的原子，不過其幾何構(gòu)型允許P軌道跨過這個隔離的間隙而仍能相互重疊。12/23/2022107華東理工大學-王朝霞課件同芳性是對芳香性概念的補充和擴展，是指越過一1,3,5-環(huán)庚三烯環(huán)壬三烯正離子隨著“同芳香性”概念的建立，許多過去曾被認為非芳香性的物質(zhì)實際上為同芳香性。環(huán)壬三烯正離子有兩個亞甲基，它們在環(huán)平面之外構(gòu)成雙同芳香體系。12/23/2022108華東理工大學-王朝霞課件1,3,5-環(huán)庚三烯反應中有鍵參與形成同芳性結(jié)構(gòu)的碳正離子。12/23/2022109華東理工大學-王朝霞課件反應中有鍵參與形成同芳性結(jié)構(gòu)的碳正離子。12/19/202單電子轉(zhuǎn)移和自由基鏈式親核取代反應長期以來，人們一直認為有機反應中的極性反應僅涉及雙電子轉(zhuǎn)移的過程，近年來，人們確實已逐漸發(fā)現(xiàn)了一些原來被認為是極性途徑進行的反應，實際上是通過單電子轉(zhuǎn)移(SingleElectronTransformation)(SET)進行的。12/23/2022110華東理工大學-王朝霞課件單電子轉(zhuǎn)移和自由基鏈式親核取代反應長期以來1966年，G.A.Russell等人在充分研究了某些表面上看來是親核取代的反應，而實際上是通過單電子轉(zhuǎn)移方式進行的反應，提出了單電子轉(zhuǎn)移反應機理的觀點。反應途徑：1）單電子轉(zhuǎn)移途徑2）極性途徑自由基離子雙電子轉(zhuǎn)移檢測自由基中間體、分析相關(guān)產(chǎn)物12/23/2022111華東理工大學-王朝霞課件1966年，G.A.Russell等人在充分研這表明這兩個反應經(jīng)歷了不同的反應歷程，兩年后Kornblum和Russell分別同時提出了自由基鏈式親核取代反應(SRN1)機理。C-烷基化產(chǎn)物O-烷基化產(chǎn)物12/23/2022112華東理工大學-王朝霞課件這表明這兩個反應經(jīng)歷了不同的反應歷程，兩年后Kornblum前一反應可被氧、二叔丁基亞硝基、對二硝基苯等自由基截獲劑所抑制；可被電子轉(zhuǎn)移試劑如鈉、Li/NH3，光照等所加速C-烷基化的速率對離去基團的性質(zhì)不敏感；反應的空間位阻作用不明顯；當X接在手性光活性碳原子上時，得到的是外消旋體產(chǎn)物自由基鏈式親核取代反應(SRN1)的依據(jù)12/23/2022113華東理工大學-王朝霞課件前一反應可被氧、二叔丁基亞硝基、對二硝基苯等自由基截獲劑所抑在反應的第一步通過單電子轉(zhuǎn)移生成游離基負離子(C)，即是反應的引發(fā)，親核試劑(B)是一個電子供給體。(c)失去一個氯離子，生成游離基(E)。鏈引發(fā)鏈增長12/23/2022114華東理工大學-王朝霞課件在反應的第一步通過單電子轉(zhuǎn)移生成游離基負離子(C)，即是反應(E)與親核試劑(B)結(jié)合，生成另一游離基負離子(F)(F)與反應物(A)之間進行單電子轉(zhuǎn)移，生成產(chǎn)物和游離基負離子(c)。12/23/2022115華東理工大學-王朝霞課件(E)與親核試劑(B)結(jié)合，生成另一游離基負離子(F)(F與對硝基芐基氯相比，芐基氯沒有強吸電子取代基，在上述條件下，不能接受電子進行C-烷基化反應，而只能以較慢的速度進行離子型的O-烷基化反應，且其烷基化速度隨I>Br>Cl而變化，這是典型的SN2反應機理。12/23/2022116華東理工大學-王朝霞課件與對硝基芐基氯相比，芐基氯沒有強吸電子取代基飽和碳上的取代反應在不少情況下實際是SRN1和SN2機理同時存在的反應。如上面反應對光和對二硝基苯并無影響，可以認為經(jīng)過SN2歷程，但在ESR上又檢測到自由基孤單電子消耗，因此這是兩個機理同時存在的競爭反應。12/23/2022117華東理工大學-王朝霞課件飽和碳上的取代反應在不少情況下實際是SRN1SRN1反應有如下優(yōu)點：易實現(xiàn)芳環(huán)上的多種取代反應并有高度位置選擇性；可實現(xiàn)分子內(nèi)或分子間的反應；產(chǎn)率一般較高，分離方便。在天然產(chǎn)物和雜環(huán)化合物的合成上SRN1反應有廣泛應用。12/23/2022118華東理工大學-王朝霞課件SRN1反應有如下優(yōu)點：12/19/2022118華東理工大

法沃斯基（Favorskii）重排在堿性催化劑（RONa，NaOH,NH2Na等）存在下,α-鹵代酮失去鹵原子，重排生成羧酸或其衍生物的反應稱Favorskii重排。通式：這個反應看上去像是羰基所連的烷基進行了1,2-遷移并取代了離去基鹵原子。通過同位素標記法跟蹤反應，實際反應歷程如下：12/23/2022119華東理工大學-王朝霞課件法沃斯基（Favorskii）重排在堿性根據(jù)α'-H的存在與否，有兩種不同的重排反應機理：（1）無α'-H（鹵代酮）的重排12/23/2022120華東理工大學-王朝霞課件根據(jù)α'-H的存在與否，有兩種不同的重排反應機理：（1（2）有α'-H（鹵代酮）的重排

一般認為重排過程涉及環(huán)丙酮類中間體：12/23/2022121華東理工大學-王朝霞課件（2）有α'-H（鹵代酮）的重排12/19/202例：12/23/2022122華東理工大學-王朝霞課件例：12/19/2022122華東理工大學-王朝霞課件法沃斯基重排可用來合成高分支的羧酸和羧酸衍生物。環(huán)狀α-鹵代酮反應時會發(fā)生縮環(huán)反應，因此也可用來合成張力較大的環(huán)系羧酸及其衍生物。12/23/2022123華東理工大學-王朝霞課件法沃斯基重排可用來合成高分支的羧酸和羧酸衍生烯烴的臭氧化反應臭氧化反應是將含有雙鍵化合物氧化成醛、酮、酸的很好的氧化方式，制造方便，成本低，有氧化能力強、選擇性好、反應速度快的優(yōu)點，臭氧在反應結(jié)束后會完全分解，對環(huán)境無污染。12/23/2022124華東理工大學-王朝霞課件烯烴的臭氧化反應臭氧化反應是將含有雙鍵化合一級臭氧化物二級臭氧化物易被氧化至酸目前國際上大多數(shù)化學家所接受的反應機理是德國化學家Criegee的三步機理，其要點如下：首先，臭氧與雙鍵發(fā)生加成反應生成一級臭氧化物；然后，一級臭氧化物分解成羰基化合物醛或酮和氧化羰；最后氧化羰與醛(或酮)重新結(jié)合成二級臭氧化物。反應機理12/23/2022125華東理工大學-王朝霞課件一級臭氧化物二級臭氧化物易被氧化至酸目前國際臭氧氧化烯烴的應用合成上用于制備醛有機分析上用于分析烯烴的結(jié)構(gòu)通過產(chǎn)物猜測烯烴結(jié)構(gòu)12/23/2022126華東理工大學-王朝霞課件臭氧氧化烯烴的應用有機分析上用于分析烯烴的結(jié)構(gòu)通過產(chǎn)物猜測烯1,2-碳負離子的重排反應上述重排產(chǎn)物都是形成更穩(wěn)定的芐基碳負離子結(jié)構(gòu)。通過同位素跟蹤發(fā)現(xiàn)前一個重排是分子間的過程，而后一個反應是分子內(nèi)的遷移重排反應，外加試劑對其不產(chǎn)生影響。12/23/2022127華東理工大學-王朝霞課件1,2-碳負離子的重排反應上述重排產(chǎn)物都是形成更穩(wěn)定的芐基碳酸二甲酯與苯甲酸/DMC的甲基化反應該反應以1eq的DBU存在下如上反應，而且DBU在反應結(jié)束后可再生；若以Bu3N,NH4OH或4-二甲氨基吡啶(DMAP)等堿條件下得不到酯產(chǎn)物。DBU是作為試劑參與這一酯化反應的，并不是簡單地使苯甲酸成為苯甲酸根的堿。提出機理1：12/23/2022128華東理工大學-王朝霞課件碳酸二甲酯與苯甲酸/DMC的甲基化反應該反假設機理1DBU和DMC先形成N-甲基DBU（2），再與親核物種苯甲酸根（3）反應生成（1）。但同位素苯標記的（2'）與苯甲酸根反應未生成標記的產(chǎn)物（1'）。假設1不成立12/23/2022129華東理工大學-王朝霞課件假設機理1DBU和DMC先形成N-甲基DBU（2），再與親核假設機理2先形成氨基甲酸甲酯（4），接著有兩條途徑：苯甲酸根進攻（4）的羰基碳，直接生成（1）；苯甲酸根進攻（4）的甲氧基碳，生成酸酐（5），再與甲醇反應生成（1）。12/23/2022130華東理工大學-王朝霞課件假設機理2先形成氨基甲酸甲酯（4），接著有兩條途徑：12/1以18O標記的苯甲酸進行反應，得到等比例的18O分別標記在甲氧基和羰基上的產(chǎn)物(1')和(1'')。如果反應經(jīng)途徑a進行，反應先生成(5')和(5'')，最后反應得到(1)和(1'')，及得到只有一種18O標記在羰基上的產(chǎn)物，另一產(chǎn)物無18O標記。途徑a不成立12/23/2022131華東理工大學-王朝霞課件以18O標記的苯甲酸進行反應，得到等比例的18O分別標記在甲合理的機理反應按途徑b進行：苯甲酸根(3)直接進攻(4)中甲氧基上的碳，從而得到等量的或在甲氧基或在羰基上有標記的產(chǎn)物苯甲酸酯。12/23/2022132華東理工大學-王朝霞課件合理的機理反應按途徑b進行：苯甲酸根(3)直接進攻(4)中甲鄰氨基苯甲酸酯的水解反應酸催化下的酯水解：羰基發(fā)生質(zhì)子化而有利于H2O的進攻。堿催化下的酯水解：OH-直接作為親核物種進攻羰基碳。12/23/2022133華東理工大學-王朝霞課件鄰氨基苯甲酸酯的水解反應酸催化下的酯水解：羰基發(fā)生質(zhì)子化而下面3個鄰氨基苯甲酸酯在pH4-8.5時，反應速率與pH值無關(guān)，此外還發(fā)現(xiàn)動力學同位素效應（kH2O/KD2O）為2。K×105/s:32200473很小與無氨基化合物2和3的水解相對比可看出，氨基對水解反應有重要影響，反應過程包括氨基的鄰位參與。12/23/2022134華東理工大學-王朝霞課件下面3個鄰氨基苯甲酸酯在pH4-8.5時，反應速率與pH值假設機理1鄰位氨基作為親核試劑進攻分子內(nèi)酯羰基形成不穩(wěn)定的四元環(huán)中間體，而后接受水分子的進攻而開環(huán)完成水解反應。但動力學同位素效應不支持這一假設，因為四元環(huán)結(jié)構(gòu)因環(huán)張力關(guān)系不夠穩(wěn)定，很快開環(huán)，不會顯示kH2O/kD2O為2的效應。12/23/2022135華東理工大學-王朝霞課件假設機理1鄰位氨基作為親核試劑進攻分子內(nèi)酯羰假設機理2氨基作為分子內(nèi)堿試劑催化反應：氮上的孤對電子與水分子間形成氫鍵，繼而奪走質(zhì)子，有利于其進攻酯羰基，這是一步慢反應，也合乎動力學同位素效應。而1a,1b和1c對反應速率影響不大，說明消除是一快速步驟。由此可見，這一反應機理是可能的。12/23/2022136華東理工大學-王朝霞課件假設機理2氨基作為分子內(nèi)堿試劑催化反應：氮上正向和反向競爭的Knoevenagel縮合反應含活潑亞甲基的化合物與醛或酮在弱堿性催化劑(氨、伯胺、仲胺、吡啶等有機堿)存在下縮合得到,-不飽和化合物。Knoevenagel縮合反應12/23/2022137華東理工大學-王朝霞課件正向和反向競爭的Knoevenagel縮合反應例：12/23/2022138華東理工大學-王朝霞課件例：12/19/2022138華東理工大學-王朝霞課件反應機理12/23/2022139華東理工大學-王朝霞課件反應機理12/19/2022139華東理工大學-王朝霞課件Knoevenagel縮合設想路線實際情況：未發(fā)生Knoevenagel縮合？12/23/2022140華東理工大學-王朝霞課件Knoevenagel設想路線實際情況：未發(fā)生Knoeven對比實驗1結(jié)論：隔絕空氣時，同樣條件下可以發(fā)生Knoevenagel縮合反應d9-3易被空氣氧化為d8-512/23/2022141華東理工大學-王朝霞課件對比實驗1結(jié)論：12/19/2022141華東理工大學-王朝分析：產(chǎn)物5的生成是正常的Knoevenagel縮合和一個氧化反應所致，-酮酯的烯醇負離子9分子內(nèi)進攻七元環(huán)上的羰基再脫水得到3，3未及分離即在體系中快速氧化為5，進一步氧化為6。12/23/2022142華東理工大學-王朝霞課件分析：產(chǎn)物5的生成是正常的Knoevenagel縮合和一個氧2分子中的羰基和酯基的-位上有6個活潑酸性氫，可以和氘代溶劑發(fā)生H/D交換，酯中的烷氧基也可以和氘代乙醇鈉發(fā)生酯交換。所以，雜在氘代溶劑中是另一種活潑酸性氫被氘代的起始底物d11-2參與反應而生成d9-3并隨后轉(zhuǎn)化為d8-5。12/23/2022143華東理工大學-王朝霞課件2分子中的羰基和酯基的-位上有6個活潑酸性氫，可以和氘代溶對比實驗22中七元環(huán)上的羰基被保護后即不能生成如4那樣的產(chǎn)物8，可見2中七元環(huán)上的羰基是生成4所必須的。12/23/2022144華東理工大學-王朝霞課件對比實驗22中七元環(huán)上的羰基被保護后即不能生成如4那樣的產(chǎn)物2中七元環(huán)上有非共軛的烯基和酮羰基協(xié)同活化的酸性氫，完全可以合理地生成烯醇負離子10，去發(fā)生另一種競爭的反向羰基縮合反應，形成內(nèi)酯11，乙氧基再對11進行親核加成，內(nèi)酯開環(huán)生成雙環(huán)主產(chǎn)物4。12/23/2022145華東理工大學-王朝霞課件2中七元環(huán)上有非共軛的烯基和酮羰基協(xié)同活化的3.8Hammett線性自由能方程哈密特(Hammett)方程是表示分子結(jié)構(gòu)和反應性能之間的定量關(guān)系式之一，1937年由Hammett首先提出，該方程在有機結(jié)構(gòu)理論中占重要地位。哈密特在研究間和對取代苯甲酸離解常數(shù)和這些羧酸酯的離解常數(shù)時，提出如下方程：σ:取代基常數(shù)，ρ:反應常數(shù)，k0:苯甲酸的電離常數(shù)；kx:取代苯甲酸的電離常數(shù)12/23/2022146華東理工大學-王朝霞課件3.8Hammett線性自由能方程哈密特(σ代表取代基的電子效應（包括誘導、共軛和場效應），它只與取代基的性質(zhì)及其在苯環(huán)上的位置有關(guān)，與反應類型和反應條件無關(guān)，它定量的表示取代基的極性效應。σ﹥0，取代基為吸電子效應的原子團σ﹤0，取代基為給電子效應的原子團取代基常數(shù)(σ)12/23/2022147華東理工大學-王朝霞課件σ代表取代基的電子效應（包括誘導、共軛和場效

同樣的取代基其值隨取代位置而異，甚至符號相反。例如間和對羥基苯甲酸乙酯的堿性水解反應中，羥基的不同：間位-OH：＝0.12;對位-OH：＝﹣0.37說明羥基在間位時是吸電子基團，此時電負性強的氧原子的吸電子誘導效應在起主要作用；羥基在對位時具給電子效應，這是由于羥基既有吸電子誘導效應又有供電子共軛效應，而后者的影響更大。12/23/2022148華東理工大學-王朝霞課件同樣的取代基其值隨取代位置而異，甚至符號相哈密特選擇苯甲酸在25℃水溶液中的電離作為標準反應，并指定其ρ值為1，即σ=logΚ/Κ0因此只要測定苯甲酸和取代苯甲酸在25℃水溶液中的電離常數(shù)，就可計算某一取代基的σ值。12/23/2022149華東理工大學-王朝霞課件哈密特選擇苯甲酸在25℃水溶液中的電離作為標

ρ表示該反應對取代基極性效應敏感度的一種量度，其數(shù)值決定于反應特性和條件，隨反應類型而變，與取代基X的性質(zhì)無關(guān)。反應常數(shù)（ρ）ρ﹥0，吸電子取代基使反應速率加快而給電子取代基使反應速率變慢；ρ﹤0，吸電子基團使反應變慢而給電子取代基使反應速率變快。ρ值通常在0±4之間，不管ρ值是正是負，它的絕對值越大，表明反應對取代基敏感