簡明物理有機化學教程第1頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月本章內容1.1引言1.2一些重要的基本概念

反應機理;基元反應;過渡態(tài);反應中間體1.3提出合理的反應機理:確立反應機理的基本規(guī)則1.4研究反應機理的基本方法產物的研究;中間體的確立;同位素標記;同位素效應;

立體化學;動力學1.5動力學研究的一般方法反應的動力學級數(shù);簡單反應的積分速度定律;可逆反應;多步反應的動力學;機理的推出1.6動力學分析實例

芳香化合物的硝化反應;亞胺的水解第2頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

1)利用某一有機化學反應所包含的化合物的基本物理性質來解釋引起這一化學變化的原因或者驅動力(drivingforce)。

2)解釋決定這種化學變化速率的各種因素。1.1引言物理有機化學的基本任務物理有機化學以研究有機化學反應的詳細歷程(mechanism)來實現(xiàn)上述兩個目的。本課程的目的是要闡明研究有機反應機理的一般原理和方法。第3頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月動力學和機理

化學的核心是研究反應機理,也就是測定分子進行化學反應所發(fā)生的一些具體的變化和相互作用。

要完全描述一個有機反應的機理,必須知道反應物分子轉變?yōu)楫a物分子的全過程中所有原子在不同時間的確切位置--一個從來也沒有完全實現(xiàn)過的理想目標。因為許多變化對于任何能直接監(jiān)測的方法來說發(fā)生得太快。分子的振動和碰撞的時間標度(timescale)在10-12~10-14

秒范圍之內,這比標準光譜監(jiān)測要快得多。

第4頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如,有機化合物結構鑒定最為常用的核磁共振（nuclearmagneticresonance,NMR）的時間分辨大約為10-3秒。有機分子通常具有快速轉換的構象異構體，比如環(huán)己烷相對穩(wěn)定的有椅式構象和船式構象。在測定這些分子的結構時，由于構象之間的轉換非?？?，這樣我們看到的譜圖是這些結構的平均（準確地說是和穩(wěn)定性相關的權重均）。

AppearanceofNMRspectraforsystemUndergoingtwo-siteexchange(AB)

第5頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月如果希望看到單個的構象，就必須提高儀器的時間分辨，或者降低分子的運動速度。要降低分子的運動速度，常用的方法是降低溫度。因此，低溫核磁、低溫紅外等是研究分子結構的有力手段。當降到適當?shù)牡蜏貢r，分子的運動速度能夠變慢到儀器的時間分辨極限以內。1HNMRspectraofcyclohexyliodideat–80oC(100MHz).Onlythelowest-fieldsignalsareshown.(JACS,1969,91,344)比如，碘代環(huán)己烷中與碘相連碳上的質子在室溫的核磁譜中是一個復雜的多重峰，而在－80oC,兩種椅式構象可以清楚地區(qū)分開來（處于平伏鍵和直立鍵的質子分別表現(xiàn)為寬的單峰和多重峰）。第6頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

迄今為止，關于反應機理的絕大部分知識都是由間接的證據(jù)推理而得到的?；瘜W家的工作就是設計一些適當?shù)膶嶒炓郧蟮米畲罂赡艿慕Y論性證據(jù)。關于反應機理的基本認識2）可以認為沒有一個化學反應機理被絕對地證明過。我們只能說哪一個證據(jù)支持某個機理,或者說它與某一機理相一致。3）一個特殊的證據(jù)就可以有力地否定某一給定的機理。即使對于一些“很好建立”起來的機理，也常常需作重大的修改或僅因某一個新的證據(jù)就被完全推倒。4）一個合理的反應機理必須能夠解釋該反應的所有已知事實。而且,它還必須具有強的預見能力。

第7頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月MechanismofGrignardreagentwithketone

例如格式試劑（Grignardreagent）與酮（ketone）的反應，格式試劑的反應最初被認為是通過格式試劑對羰基(carbonylgroup)的親核進攻(nucleophilicattack)。后來發(fā)現(xiàn)一些路易斯酸(Lewisacid)，如氯化鎂，甚至格式試劑本身對反應具有催化作用。另外，在反應過程中除了生成產物外，常常還可以得到重排還原產物，比如分離得到頻哪醇(pinacol)。金屬鎂的純度對反應也有很大影響，微量的過渡金屬雜質的存在有利于頻哪醇的生成。這些實驗事實表明，除簡單的極性歷程外，還可能有自由基途徑。

第8頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

為什么要研究反應機理？1)

在有機合成方面。反應機理的知識常能夠指導我們選擇反應條件以得到最高產率或者提高反應的選擇性。

Deprotonationindifferentsolvent

例如，親核反應在不同的有機溶劑中有很大的差別，了解了反應機理中的決速步為負離子的親核進攻以及非質子性極性溶劑可以有效地溶劑化正離子，進而使得親核負離子更具有活性以后，我們就知道應該選用什么樣的溶劑來提高反應的速率。

第9頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2)反應機理的知識可以把表面上看來互不相干的大量反應聯(lián)系在一起。

Pinacol/pinacolonerearrangement

例如，頻哪醇/頻哪酮(pinacolone)的重排反應，不同的起始物和反應條件生成同樣的產物，這些可以用共同的碳正離子中間體聯(lián)系在一起。

第10頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

碳正離子的1，2-遷移反應機理也把表面上不同的二烯酮(dienone)/酚(phenol)重排聯(lián)系在一起。從機理上來看，它們經歷了相同的1，2-遷移(1,2-shift)，屬于同一類反應。

Dienone/phenolrearrangement第11頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2

一些重要的基本概念基元反應(elementaryreaction):

只有一個過渡態(tài)而不包含任何中間體的過程。過渡態(tài)(transitionstate):

在基元反應過程中經歷的具有最高勢能的結構。反應中間體(reactionintermediate):

由兩個以上基元反應所組成的化學反應中存在的最低能量的化學結構,其壽命長于典型的分子振動(10-13~10-14

秒)。反應機理（reactionmechanism）:

反應機理是通過一系列的基元反應來實現(xiàn)的化學變化的詳細過程。第12頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

Reactioncoordinatediagramofatwo-stepreaction第13頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

假有一個反應在10分鐘內完成，按秒計算為：10x60=600秒

過渡態(tài)發(fā)生在10－13秒的時間范圍內。假設整個過程的時間放大1013倍，則過渡態(tài)發(fā)生在1秒的時間范圍內，反應的時間則為：

也就是說，如果把這個10分鐘的反應比喻成一部電影，那么過渡態(tài)僅是一部1.9億年電影中出現(xiàn)的一些1秒鐘的畫面！

第14頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前最先進的實驗技術也已有可能直接觀測到這種飛速的過程，這主要歸功于激光技術的發(fā)展?，F(xiàn)在的激光脈沖可以達到飛秒數(shù)量級（femtosecond，10－15秒）。

1999年諾貝爾化學獎獲得者加州理工學學院(Caltech)的Zewail教授一直致力于飛秒激光反應動力學的研究。例如，他研究了碘和苯的電荷轉移反應以及Diels－Alder反應的過渡態(tài)。

AhmedHassanZewailisanEgyptian-Americanscientistknownasthe“fatheroffemtochemistry”,hewonthe1999NobelPrizeinChemistry.第15頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

碘和苯的電荷轉移反應用分子束把I2和苯帶到一起，接著用飛秒激光脈沖給予體系一定的能量來開始電荷轉移反應，然后用一系列激光脈沖來觀測過程的變化，并用質譜觀測最終產物的生成。從開始反應到出現(xiàn)碘原子出現(xiàn)，總的時間是750飛秒(7.5×10-13秒)。苯和碘之間的電子轉移反應是一個已經有100多年歷史的經典反應?，F(xiàn)在，這個經典反應的詳細過程用最先進的激光技術呈現(xiàn)在我們面前。

第16頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月用激光閃光光解（LaserFlashPhotolysis）的方法可以測量納秒（Nanosecond,10-9秒）數(shù)量級的反應速率，再結合其他的技術已有可能得到皮秒（Picosecond,10-12秒）數(shù)量級的化學變化的精確過程。例如，MatinNewcomb

(WayneStateUniversity,USA)等運用激光閃光光解的方法測量了一系列快速自由基單分子重排的速率常數(shù)，再結合間接的動力學研究手段，得到下面自由基的重排速率常數(shù)為41011s－1。第17頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.3提出合理的反應機理——機理研究的第一步

雖然已經有一些最尖端的技術使得直接觀察反應的詳細歷程成為可能，但是就目前來說，絕大部分的機理研究仍然是借助于間接的方法。

例如,討論下面的氫氧負離子對于碘甲烷的取代反應。

對于某一有機反應的機理研究是從提出合理的反應機理開始的。對于大多數(shù)反應，我們能夠設想出許多可能的機理。因此，決定一個可能的機理是否合理、是否值得深入考察和驗證將是我們開始機理研究時最重要的步驟之一。

第18頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月僅從原子的組合考慮，可以設想反應物分子都分解為原子,然后再重新組合成產物分子。問題：碘離子是在什么時候離開的——是在羥基離子接上去之前、之后還是接上去的同時（這和反應是SN1機理還是SN2機理有關）？相對于碘的原來位置，羥基離子接到碳原子的什么地方(從產物的立體化學推斷)？最后的問題是，這個反應為什么能發(fā)生，尤其是它為什么能按照提出的機理所描述的具體方式發(fā)生？沒有化學頭腦的機理假設根據(jù)我們對于類似反應的了解，可以設想這樣一個合理的機理。

有化學頭腦的機理假設第19頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

機理假設的基本規(guī)則

1)簡要原則(simplicityprinciple)

機理應盡可能地簡單,但仍能夠解釋全部的實驗事實。如果有幾個假設與實驗事實相符,那么就應當選擇最簡單的那一個。基元反應應該不是單分子的就是雙分子的(elementarystepmustbeeitherunimolecularorbimolecular)

反應動力學告訴我們，兩個以上的分子按一定的取向同時碰撞發(fā)生反應的機會是非常罕見的。例如，

在一個大氣壓下，氣相中雙分子碰撞的概率比三分子碰撞約大1000倍，因此僅有極個別的基元反應是三分子的。

第20頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月3)每一步驟在能量上應該是合理的(energyconsideration)

有機化學反應必須符合熱力學的基本定律。

需要很豐富的經驗和直覺判斷能力。大體上說，我們可以用類似反應的知識來判斷。一般來說，

所提出的機理應與類似反應的已知情況相一致。不符合已知情況的反應機理也會偶然出現(xiàn)，

有時甚至會常常出現(xiàn)。一個背離“正?！毙袨榈陌l(fā)現(xiàn)表示一個新的啟示，

這種情況要求更有份量的證據(jù)，以提出新的機理。在科學研究中，對于非正常現(xiàn)象的關注常常會導致新的，甚至是重大的發(fā)現(xiàn)。

例如，烯烴復分解反應。4)每一步驟在化學上應當是合理的

(chemistryconsideration)第21頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.4研究反應機理的基本方法

1)產物的研究，包括副產物（products,by-products）。對某一反應提出的任何機理要能合理解釋得到的所有產物,包括由副反應形成的產物在內。例如對于反應:

若提出的機理不能解釋少量乙烷在該反應中的形成原因，那么這個機理就不可能是正確的。在中性的反應條件下形成了碳碳鍵，最有可能是通過自由基的結合。第22頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2)中間體的確立(intermediates)很顯然，中間體的確立在機理研究中往往具有決定性的意義。研究中間體通常有以下幾種方法:

a）分離(separation)

反應經過一段時間后在其未完全反應之前停止，將中間體分離出來進行結構的確定。例如在下面的Hoffmann降解反應中，中間體RC(O)NHBr被分離出來。

第23頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

b）中間體的檢測(detection)

有些中間體不可能被分離出來,比如自由基、碳正離子、碳負離子、卡賓等。可以利用紅外、核磁共振、順磁共振等光譜手段檢測其存在。

c）中間體的捕獲(trapping)

在反應中加入另一試劑(捕獲劑,

trappingagent)，使中間體與加入的試劑反應生成穩(wěn)定的產物，通過分離鑒定該產物來反推中間體的結構。例如，

用雙烯的Diels-Alder反應捕獲苯炔(benzyne)中間體。

第24頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

d）獨立合成(independentsynthesis)如果機理中有某個可疑的中間體，則有可能用另外一條獨立的路線合成中間體，并使之在相同的條件下反應。如果所提出的機理正確，那么應當?shù)玫较嗤漠a物。以下的例子很好地說明獨立合成在機理研究中的應用。環(huán)戊醇在HgO/I2作用下生成次碘酸酯(hypoiodite)，進一步光照以后形成烷氧自由基，再經一系列的自由基反應最終生成碘代甲酸酯(J.

Org.

Chem.

1984,

49,

3753)。

第25頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

該反應機理中的關鍵中間體A，可以通過另外一條路線合成，其在完全相同的反應條件下生成相同的碘代甲酸酯，進而為上述反應機理提供了有力的證據(jù)。

第26頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月e)同位素標記(isotopelabeling)

利用放射性同位素14C,18O等可以確立反應過程中原子的去向(需要特別注意和第二章要介紹的同位素效應的區(qū)別)。

第27頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如,碳-14標記為確定苯炔中間體的存在提供了有力的證據(jù)。鹵代苯中鹵素離子被氨基負離子取代的反應比想象的情況要復雜得多。在液氨中，氯苯和KNH2反應生成苯胺。

可以設想的機理是，NH2－直接進攻苯環(huán)取代氯離子。這在化學上并不合理，因為從有關芳香環(huán)的化學反應知識我們知道，苯環(huán)易于發(fā)生親電取代，而極少發(fā)生親核取代。

第28頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月以上的反應機理也與下面的實驗事實不符。

那么，是否有可能存在一個和芳香親核取代機理平行的反應機理生成間位的產物？這時我們用同位素技術，將與氯原子相連的碳用14C標記，得到以下的實驗結果。

第29頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

顯然，上述的平行機理的解釋是難以成立的，因為這要求平行的過程和親核芳香取代以完全相同的速率進行。而1:1產物的事實強烈地提示存在一個共同的中間體，在這個中間體中原有的取代基，即Cl,的位置和其鄰位由于對稱性而變得等價。因此，最有可能的機理是經歷了一個高度活潑的苯炔中間體。（應用前面提到的中間體捕獲技術進一步證實苯炔的存在）。

第30頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月應用同位素標記技術的另一個例子是Cornell大學Carpenter教授關于環(huán)丁二烯的工作。按照Hückel理論，環(huán)丁二烯是反芳香性的分子。事實上，環(huán)丁二烯是極為不穩(wěn)定的分子，在室溫下是不能夠存在的。一個有趣且具有重要理論意義的問題是:環(huán)丁二烯分子是正方形的還是長方形的?

對于這個看似棘手的問題，Carpenter教授應用同位素標記技術設計了一個巧妙的實驗(J.Am.Chem.Soc.1980,

102,4272;1982,104,6473)。環(huán)丁二烯分子是正方形的還是長方形的?

第31頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

第32頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

從反應式分析，如果環(huán)丁二烯具有正方形的結構，那么四種產物應當是等量的，即A＝B＝C＝D。結果發(fā)現(xiàn)A＋B>>C＋D，因此支持環(huán)丁二烯為長方形結構的結論。同位素標記的優(yōu)點在于，如果沒有顯著的同位素效應，那么就常常可以應用簡單的統(tǒng)計學來預測一個指定機理的標記異構體的比率。f)立體化學(stereochemistry)

根據(jù)化合物的構型變化可以推斷反應物變化的方式、鍵的形成和斷裂的方向等。例如前例HO－對碘甲烷的取代反應，我們試圖知道HO－是從什么方向進攻。這個問題可以由不對稱分子，如(R)-2-碘丁烷，作為反應底物的研究來解決。

第33頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

實驗證明，(S)-2-丁醇為唯一的產物，即產物的構型發(fā)生了完全的翻轉，從而可以明確地證明HO－確切進入的位置，同時也說明反應是按照協(xié)同的機理（SN2）進行。

第34頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

即使原料沒有旋光性，

只要產物有可能顯示出立體化學的特征，就有可能對機理進行推斷。第35頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

g)同位素效應(isotopeeffect)當反應物分子中的氫被重氫取代時,反應速率往往會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為動力學同位素效應。注意，同位素效應和前面敘述的同位素標記是完全不同的方法。h)動力學(kinetics)絕大多數(shù)有關反應機理的證據(jù)是由研究各種反應參數(shù)對反應進程的影響而得到的，

例如反應的活化能、活化焓、活化熵等。而這些反應參數(shù)又是通過測定反應速度來定量的。另外，反應動力學的研究可以獲得有關哪些分子和有多少分子參與了決速步的信息。從物理有機化學發(fā)展的歷史上看，動力學為闡明反應機理作出了最大的貢獻。第36頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.5

動力學研究的一般方法反應速率簡單地說就是任一產物或反應物的濃度變化的速度。比如對于下述假想的反應：

可以寫出這樣的速率表達式：

因此，一個反應速率的測定至少需要知道反應中一種物質的濃度對時間的函數(shù)。主要有以下兩種方法：

1)在選定的時間區(qū)間移出一定份量的反應混合物進行分析。

2)連續(xù)或間歇地分析反應混合物某些與濃度有關的物理性質,

例如用核磁共振、時間分辨的紅外或紫外等。第37頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

反應的動力學級數(shù)（kineticorder）：

在涉及A,B,C的反應中,反應速度的一般表達式為:

稱k為速率常數(shù)，但實際上它是隨溫度、溶劑以及其他的反應條件而變化的。對于服從上述動力學方程的反應，對A可以說是a級,對B是b級,對C是c級,對整個反應來說則是(a+b+c+…)級的。

注意:對于基元反應，單分子反應為一級動力學，雙分子反應為二級動力學。但是，對于多步反應，這卻不一定，例如一個多分子參與的反應仍然可以有一級動力學方程。

第38頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單反應的積分速度定律

零級反應(zeroorder):

[A]=[A]o–kot零級反應的特征是濃度和時間成簡單的線性關系，可以直接從濃度和時間的關系獲得速率常數(shù)。顯然，零級反應不可能是基元反應。第39頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

一級反應(Firstorder):

一級反應的濃度和時間的指數(shù)成反比關系。在實際應用中，為了處理數(shù)據(jù)的方便，通常取對數(shù)，使之變成線性關系。第40頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月二級反應(secondorder):

二級反應動力學的一種特殊情況是兩種物質的濃度完全一樣，例如相同分子的二聚反應等。第41頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

假一級反應（Pseudo-firstorderkinetics）:

對于反應：

，可以推導出：

([A]≠[B])簡化的方法:

一種情況是使得[A]=[B],則速率方程變?yōu)椋?/p>

另一種情況是使得[B]o大大過量，則有[B]≈[B]o=常數(shù)，則有

其中k’=k2[B]o，稱為假一級動力學。假一級動力學的方法是機理研究中常常用到的，它可以使得復雜的動力學問題簡化。

第42頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月可逆反應(ReversibleReaction)

微觀可逆性原理：任何基元反應一定是可逆的，并且逆向反應和正向反應經歷相同的反應途徑。雖然微觀可逆性原理告訴我們逆反應是一定發(fā)生的，但在很多情況下逆反應的速率可能很慢以致無法觀察到。

可逆反應的動力學

(2)(1)

達到平衡時，有：k1[A]e-k-1[B]e=0;代入（1）式，有：

(3)第43頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

又因為在反應過程中總的濃度不變，所以有：[A]+[B]=[A]e+[B]e，或者

[A]-[A]e=[B]-[B]e (4)帶入（3）式，有：

;ln[A]:t時，[A]和[A]e的濃度差

[A]o:t=0時，[A]和[A]e的濃度差

第44頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月多步反應的動力學：

有機反應在許多情況下是經歷了多步反應的機理，如何對于多步反應的動力學進行分析是有機機理研究中的動力學方法的關鍵。例如有以下的反應:

第45頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

1)穩(wěn)態(tài)近似方法（stationary-stateapproximation）

對于一些非常活潑的中間體，它們在反應體系里的濃度將是很低的，因而其濃度變化的絕對值也將很小。例如，在上面的多步反應中，如果k-1,k2

>>k1，則生成的中間體Y將迅速地消失。

這種關于活潑反應中間體濃度的假設稱為穩(wěn)態(tài)近似。運用穩(wěn)態(tài)近似方法可以避免在速率方程中出現(xiàn)活潑反應中間體的濃度項，因為從實驗上來確定這些活潑中間體的濃度通常是十分困難的。

第46頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如，對于碘甲烷的水解反應：

可以假設反應是經過了以下的機理：

可以再假設CH3+和H2O的反應比和I－的反應要快得多，并且MeOH在該反應條件下不會生成CH3+,也就是：k-1,k-2<<k1,k2,k2>k1。這樣就可以忽略k-1和k-2:

第47頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

進一步假設CH3＋非常活潑，因此它的濃度總是非常小，那么它的變化值也一定很小，我們有：

這樣，我們在這一步用了穩(wěn)態(tài)近似假設（stationary-stateapproximation）。有了這個假設以后，動力學方程被簡化：

可以得到：

因此，產物CH3OH的生成速率為：

第48頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

在這里，我們實際上引入了決速步（rate-determiningstep）的概念，即整個反應的速率由最慢的那一步反應決定。因此，在這種情況下，速率方程可以由第一步反應直接寫出。

對于相同的反應，如果我們采取這樣的假設：

CH3+的反應快于它的生成，但是它可以向兩個方向反應，這時我們仍然可以用穩(wěn)態(tài)近似，因為CH3＋在體系中將保持很低的濃度。

第49頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

由此可見，穩(wěn)態(tài)近似可以用來在速率方程中排除非?；顫姷姆磻虚g體。

第50頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

2)平衡假設（preliminaryequilibrium）如果多步反應中包括的可逆反應其正反兩方向的速率比其后的反應快得多,則我們可以近似地認為，在反應過程中這個可逆反應處于平衡狀態(tài)。對于同樣的反應，如果有：

則CH3I和CH3+,I－