第 3 章 有机化学反应机理的研究

主讲 谢斌教授

3.1 反应历程的类型3.1.1按化学键断裂和形成方式分类（ 1 ）离子反应（异裂历程）共价键发生异裂形成了正负离子，有离子参与的反

应叫离子反应。

共用电子对发生完全转移共用电子对发生完全转移 ,, 归属于其中一个成键原归属于其中一个成键原子所有子所有。。

R3C Br R3C+ + Br-Âý ÒìÁÑ

R3C++ OH2 R3C OH2

+ £­ H+R3C OH

¿ì

SN1 反应

共价键发生均裂形成两个自由基。

(2)自由基反应（均裂反应）

如烯烃的反马氏加成，即过氧化效应就是自由基加成反应。

共用电子对均等地分配到各自成键的原子上。

RO OR 2RO ¾ùÁÑ

RO + HBr ROH + Br¿ì

+Br CH2 CH CH3Âý

BrCH2CHCH3¿ì

+HBr+ BrBrCH2CHCH3 BrCH2CH2CH3

(3)分子反应（协同反应）

共价键的断裂与形成是同时（协同）进行的，一步完成的反应叫协同反应。

如果经过一个环状过渡态一步形成产物的协同反应叫周环反应

协同反应无任何中间体。SN2, E2, Diels-Alder均为协同反应。

Diels-Alder反应

+

»· ×´¹ý ¶É̬（ TS）

3.1.2 按反应物与产物之间的关系分类

不饱和度 UN=n4+1+1/2(n3-n1)

（ 1 ）取代反应 反应产物的不饱和度不发生变化，根据进攻试剂的类

型分为亲核取代、亲电取代和自由基取代。

亲核取代 RCH2 Br + OH- RCH2 OH +Br-

亲电取代 + NO2

+

NO2

自由基取代 RCH(CH3)2 + + HClCl2 RCCl(CH3)2

反应产物的不饱和度比反应物小。分为亲核加成、亲电加成和自由基加成。

（ 2）加成反应

亲核加成亲核加成

R C

O

H+ CN- R C H

CN

O-

H+ R C H

CN

HO

亲电加成亲电加成

Cl- R CH CH3

ClRCH CH2 + H+ R CH CH3

自由基加成RCH CH2 + Br. R CH CH2Br

（ 3 ）消除反应反应的不饱和度增加。分为离子消除及协同消除或 - 消除与 β-消除。

RCHCH2

X

HOH-

RCH=CH2 + HX

离子消除或 β-消除

(CH3)3COK CCl2 + (CH3)3COH + KCl+ CHCl3

- 消除

N OH

H+ NH

O

Beckmann Rearragement

亲核重排

（ 4 ）氧化还原反应得到氧或失去氢的反应叫氧化反应氧化反应

得到氢或失去氧的反应叫还原反应还原反应

（ 4 ）重排反应碳骨架发生变化，分子的不饱和度不变，有离子重排、自由基重排和协同重排。

3.2 确定有机反应机理的方法3.2.1 产物的鉴定研究任何反应的中间过程之前，对产物的确证是首要的。

ClCH3NaNH2

NH3(l)CH3 NH2

+ CH3

NH2

这不是简单的取代反应，需要用其他方法去寻找某些中间体过程来加以说明。

3.2.2 中间体的确证1.中间体的分离中间体活性高，寿命短，难以分离。但某些活性中间体可以在特殊条件下分离出来。

CH3

CH3 CH3

+ C2H5FBF3

-80¡æ

¦Ò-ÂçºÏ Îï

CH3

C2H5

CH3 CH3

H

BF4-+

CH3

C2H5

CH3 CH3

HBF4+

黄色，熔点 -15℃

2. 中间体的检测多数中间体不能分离，但可利用 IR 、 NMR 、 MS 、

EPR 、 Raman 、 XPS 等波谱跟踪反应以检测中间体的存在。

HNO3

H2SO4

NO2

+ H2O

+ + HSO4-

+NO2 H2OH2SO4 + HNO3

用 Raman光谱检测出中间体硝酰正离子存在，推测存在以下反应：

1HNMR证明下述反应为邻基参与，存在苯桥正离子。

CH2CH2OTs

HOAc

CH2CH2OACCH2H2C

+

苯桥正离子中间体

动态 1HNMR （化学家 Olah)

反应为邻基参与历程

如果推测到一个反应可能存在某一种中间体时，可加入另一种物质作捕获剂。当它与不稳定中间体作用后再分离出预测化合物来证明。

3.中间体的捕获

INaNH2

NH2NH3

O

O

捕获剂

苯炔历程，或消除 - 加成反应

2.2.3 催化剂的研究根据反应所需催化剂类型，往往可大致推测反应的

历程。光或过氧化物的催化反应一般为自由基历程。能被酸催化的反应可能有正离子中间体形成。能被碱催化的反应可能有负离子中间体形成。

3.2.4同位素标记 用同位素标记的化合物作反应物，反应后测定产物中同位素的分布，往往可以为反应历程的确定提供有用的信息。

C = C14*

NH3

NaNH2

+

50% 50%

I* NH2*

NH2

*

Claisen 重排

OCH2CH CH2 OH

CH2CH=CH2

200℃

*

*

(分子内周环反应)

OH

CH2CH CH2*

O

CH2

CH

CH2

OH

CH2 CH CH2**

3.2.5 立体化学根据化合物构型的变化来推断反应物变化的方式 ,键的形成和断裂的方向等。

Br2Br

HH

Br

反式加成，说明为分步反应，两个溴原子从双键平面的两侧分别发生加成反应。

C I

H3C

C2H5

HOH- CHO

CH3

C2H5

H + I-

R)-2-碘丁烷 S)-2-丁醇

协同的 SN2 反应

Ph C

O

O C

C2H5

CH3

HOH- + C

C2H5

CH3

HHO Ph C

O

OH

+

反应物和产物的构型相同，说明 OH- 亲核进攻羰基碳，酯为酰氧断裂。

3.2.6 热力学方法通过热力学计算可得反应的 H 、 S 和 G ，从而推断反应的机理。

H 键能(生成)- 键能(断裂)

ln

G H T S

G RT K

1

[ ][ ]

d Ak A

dt

2

[ ][ ][ ]

d Ak A B

dt 2

2

[ ][ ]

d Ak A

dt

3.2.7 动力学研究1.速度方程(1)

一级反应 , 单分子反应

或

(2)

二级反应 , 双分子反应历程

(3) A+2B C

如果有中间体 I 形成，则分步反应为 :

(1) A + Bk1 I

(2) I + B Ck2

2

[ ][ ][ ]

d Ak A B

dt

A + Bk1

Ik-1

I + Bk2 C

若 (1)为慢步骤，即 k1<k2

二级反应

若 (2)为慢步骤，步骤（ 1 ）快速达到平衡

A + Bk1

Ik-1

I + Bk2 C

k2<k1, k2<k-1

中间体 I 的浓度不易被测定，根据稳态理论，中间体 I 的浓度不随时间变化。

k1[A][B] - k-1[I] - k2[I][B]d[I]dt

中间体 I 的形成速度与消失速度为

根据稳态假设， d[I]/dt = 0

[I]=k1[A][B]/{k2[B]+k-1}

d[C]/dt = k2[I][B]

d[C]/dt = {k1 k2[A][B]2}/{k2[B]+k-1}

第 2 步为慢步骤 故 k1[A][B]>>k2[I][B]

因为第 1 步为平衡反应

则： k1[A][B]=k-1[I]

k-1[I]>> k2[I][B]

k-1>>k2[B]

d[C]/dt=(k1 k2/k-1)[A][B]2=kobs[A][B]2

其中 kobs=k1k2/k-1

三级反应 , 对 A 为一级 , 对 B 为二级。

速度方程与反应历程的关系 :

速度方程只表示最慢的基元反应的速度方程式 ( 即定速步骤 ) ，从定速步骤的速度方程可知道反应级数和参与反应的分子数等。

3.3 动力学控制与热力学控制反应物 A 在一定条件下按相反方向转变成两种产物 B 和C

AB

C

速度常数 kB<kC ( 形成 C快于 B)

平衡常数 KB>KC (B 比 C更稳定 )

1. 反应初期⊿G C ＜⊿GB

( 活化能 )

kC ＞ kB ， A转变成 C较容易 , [C] ＞ [B]

主要产物为主要产物为 CC 。

B A C 2.若平衡 还未建立 , 就让反应停止。

因为 d[C]/ d[B] = kC[A] / kB[A]

所以 [C]/[B] = kC/ kB > 1

主要产物为主要产物为 CC ，产物的比例由反应速度控制的过程叫动力学控制或速度控制反应。

3. 如果建立了平衡， KB>KC (B 比 C 稳定 )

KB/KC = {[B]/[A]}/{[C]/[A]}=[B]/[C]>1

则主产物为 B

产物的比例由其相对热力学稳定性来控制的反应叫热力学控制或平衡控制的反应。

CH3

On-BuOLi

n-BuONa

CH3

O

CH3

O

O-

CH3

O-

CH3

¶¯Á¦Ñ§¿ØÖÆ(¿Õ×èС)

ÈÈÁ¦Ñ§¿ØÖÆ(¿Õ×è´ó ,µ«Îȶ¨ )

H2SO4

80℃

160℃

(93%)

SO3H

(85%)

SO3H

动力学控制

热力学控制

3.4 溶剂效应（ solvent effect）溶剂效应是指溶剂对反应速率、化学平衡以及反应机理的影响所产生的效应。多数有机反应在溶剂中进行的，溶剂的极性、酸碱性以及氢键等对有机反应产生很多影响。

3.4.1 介电常数（ dielectric contant）介电常数是指物质在真空中增加电容器电容的能力，它随分子偶极矩和可极化性的增加而增加。在有机反应中，介电常数表征溶剂对溶质分子溶剂化在有机反应中，介电常数表征溶剂对溶质分子溶剂化及隔开离子的能力及隔开离子的能力。介电常数越大，隔开离子的能力越大，溶剂化能力也越大。

3.4.2 溶剂的分类（ 1 ）极性溶剂和非极性溶剂（ polar solvent and

nonpolar solvent）>15的溶剂为极性溶剂， <15的溶剂为非极性溶剂。极性越大的溶剂越有利于溶质的离解。（ 2 ）质子溶剂和非质子溶剂（ protonic solvent

and nonprotonic solvent）质子溶剂：分子中含有氢键给体的 O-H键或 N-H键的溶剂非质子溶剂：分子中没有氢键给体的溶剂

O-H 、 N-H 键的 O 和 N 有弧对电子，因此质子溶剂既是氢键的给体，又是氢键的受体，如 H2O 、 ROH 、

RNH2 等。质子溶剂对离子比对分子的溶剂化能力强，特别是对负离子有较强的稳定化作用。非质子溶剂不是氢键的给体，有些是氢键受体，如丙酮、 DMF等，有些不是氢键的受体，如苯、正庚烷等。非质子溶剂对负离子的溶剂化程度很小，对亲核试剂的活性影响极小。在非质子性非极性溶剂中，离子化合物将以离子对形式存在。

3.4.3 溶剂极性对反应速率的影响（ 1 ）过渡态极性大于反应物的反应极性溶剂对过渡态的溶剂化作用大于反应物，反应的活化能降低，对反应有利。

A-B

[A-B]

A+ +B-

G2

G

+ -

非极性溶剂

极性溶剂

反应进程

能

量

（ 2 ）过渡态的极性小于反应物的反应如果反应物的极性小于过渡态，则溶剂的极性越小越有利于反应。

反应进程

能

量

A-B

[A-B]

A+ +B-

G2

G

+ -

非极性溶剂

极性溶剂