沈阳药科大学高等有机化学课件(胡春版)第三章-有机反应总论

1高等有机化学沈阳药科大学2第三章有机反应总论1.有机反应分类2.反应机理及其研究方法3.反应速度理论4.酸碱理论5.分子结构和化学活性间的关系33-1有机反应分类化学键变化：取代反应、加成反应（包括周环反应）、消除反应、氧化还原反应、分子重排反应反应中间体：离子反应、自由基反应、氧化还原反应、协同反应能量变化：动力学、热力学43-2反应机理及其研究方法一、什么是反应机理？反应机理，又称反应历程，反应物通过化学反应形成产物所经历的全部途径和过程。53-2反应机理及其研究方法二、反应机理的一般研究步骤对一个反应提出理论假设：在已有实验事实基础上并与现有理论相符；设计并进行实验，检验假设；如果新的实验结果与假设相符，在假设中所有可供检验因素均已被实验证实后，对假设作出推断，可作为该反应的机理；显然该机理要能解释得到的所有产物及其有关性质，包括由副反应形成的产物在内。如果新的实验结果与假设不符，可重新提出假设。6三、反应机理的研究方法1.反应产物和副产物的鉴定对反应提出的任何一个机理，显然要能解释得到的所有产物及其有关性质，包括由副反应形成的产物在内。7三、反应机理的研究方法1.反应产物和副产物的鉴定例1：Gomberg1900年认为Ph3C.自由基所形成的无色二聚体为Ph3C-CPh3，直到1968年Lanhamp采用NMR和UV-Vis技术确定了该二聚体的结构。8三、反应机理的研究方法1.反应产物和副产物的鉴定例2：(CH3)3CCH2Br+C2H5ONaC2H5OH55℃(CH3)3CCH2OC2H5+NaBr(CH3)3CCH2Br+H2OC2H5OH95℃(CH3)2CCH2CH3OH+(CH3)2CCH2CH3OC2H5+(CH3)2CCHCH3+CH2CCH2CH3CH39三、反应机理的研究方法1.反应产物和副产物的鉴定例3：vonRichter反应10ThevonRichterReaction:ACaseHistoryIn1871,vonRichterreportedthefollowingobservations:NO2KCNEtOH/H2OrefluxCOOH+KNO2NO2ZKCNEtOH/H2OrefluxCOOHZ5%-50%yields+acidictars+KNO2Basedontheabove:1.Directdisplacementofthenitrogroupiseliminatedfromconsideration.2.Abenzyneintermediateisruledout.Inthecaseofpara-substitutednitrobenzenes,benzyneintermediateswouldgivebothmeta-andpara-substitutedbenzoicacids.11vonRichterReaction:BunnettMechanism(1954)In1954,Bunnettetal.proposedthefollowingmechanismtoaccountfortheknownfactspertainingtothevonRichterreaction:ZNO2+CN-ZHCNNO2HHOHZHCNNO2HCN-+ZCNHZCNH+NO2-H2OrefluxZHCONH2H2OrefluxZHCOOH+NH312vonRichterReaction:BunnettObservations(1956)ObservationI:NO2KCNEtOH/H2OrefluxCOOHCNKCNEtOH/H2Oreflux(apresumedintermediate)COOHnotobtainedObservationII:NO2ClKCNEtOH/H2OrefluxClCOOHClCNKCNEtOH/H2OrefluxClCONH2incompletehydrolysistoacidproductunderidenticalreactionconditionsQuestion:Whatcanoneconcludefromtheaboveobservations?13vonRichterReaction:RevisedBunnettMechanismNOO-+CN-+NOOHCN--+HOHNOOHCNH-+CN-NOOCNH-hydrolysis(NH3)NOOCO-NOOCO-+-HOHNOOCOH+-HCOONOanacylnitritehydrolysisCOOH+NO2-14RosenblumObservations(1960)ObservationI:Insteadofnitrite,molecularnitrogenwasaby-productofthevonRichterreaction.Apparently,inthe1871vonRichterpaper,nitritehadneverbeendemonstratedtobeaby-product.Ithadbeendeducedbasedonstoichiometryconsiderations.PointofInterest:IntherevisedBunnettmechanism,ammoniaandnitritearestipulatedby-productsofthevonRichterreaction.Ammoniaandnitritecanreacttoformammoniumnitritewhich,uponheating,decomposestogivemolecularnitrogenandwater.However:UponadditionofNH315toanon-goingvonRichterreaction,theonlymolecularnitrogenobtainedcontainednonitrogen-15!IftherevisedBunnettmechanismwerecorrect,theaddedNH315andtheexpelledNO2-(fromthelaststep)shouldhaveproduced1514NN.ObservationII:NO2Cl15KCNEtOH/H2OrefluxClCOOH+1514NNConclusion:Onenitrogenatommustcomefromthenitrogroup,andthesecondmustcomefromthecyanogroup!15AcceptedMechanismforthevonRichterReactionNOO-+CN-+NOOHCN--+HOHNOOHCNH-+CN-NOOCNH-NOCONHHOHHONHOCNH2ONNCOH2OCN-COOHNNCOHOHCOOH+N2H2O16SupportingEvidencefortheRosenblumMechanismUllman&Bartkus(1962):NHNHCOPb(OAc)4CONNhydrazidediazeneKCNEtOH/H2OrefluxCOOH+N2Ibne-Rasa&Koubek(1963):CONH2NH2RCO3HCONH2NOo-nitrosobenzamideKCNEtOH/H2OrefluxCOOH+N217三、反应机理的研究方法2.反应活性中间体的研究在许多反应过程中会出现一个或多个反应活性中间体，它们稳定性是不同的，有的可以分离，大多数中间体非常活泼，无法分离。中间体的确认，可为反应机理提供最有力的证据。18三、反应机理的研究方法2.反应活性中间体的研究（1）反应活性中间体的分离在反应活性中间体具有一定的稳定性，可在低温下或其它可控制的条件下使反应停留在中间体阶段一定时间而不立即变为产物，以适当的手段将中间体分离出来。19CF3NO2F,BF3-100℃CF3NO2H+BF4-CF3NO2-50℃OEtNO2O2NNO2NO2O2NNO2OEtMeO_MeO-OMeNO2O2NNO2RCONH2RCONHBrRNH2NaOBr20三、反应机理的研究方法2.反应活性中间体的研究（2）反应活性中间体的检测•有许多反应活性中间体因寿命较短，不能分离，但是可以用一些物理方法如IR，NMR，UV-Vis，ESR，EPR等检测其存在。•能够用光谱检测也必须满足2个条件：（1）活性中间体的浓度能满足检测需要；（2）有足够长的寿命，并能吸收适当的放射。21三、反应机理的研究方法2.反应活性中间体的研究（3）反应活性中间体的捕获•有些非常活泼、浓度很低的活性中间体，既不能分离，又不能被波谱方法检测，可以向反应体系中加入一种可与中间体反应的化合物（捕获试剂），于是正常的反应路线被阻断或与捕获试剂进行平行反应，同时生成新产物，后者往往能够被分离或检测。22ClNaNH2NH3NH2OOCH2CH2Br2H2CCH2Br+BrCH2CH2BrCl-BrCH2CH2ClNO3-BrCH2CH2ONO223三、反应机理的研究方法2.反应活性中间体的研究（4）可疑反应活性中间体的否定对于可疑的活性中间体，若能用其他方法得到，那么在同样条件下应该得到同样的产物，这种方法可以提供结论性的否定证据：如果得不到同一产物，既可以断定可疑中间体并非反应活性中间体；但是若得到了同一产物，还或许是巧合产生的，故不能作为结论性证明。24253.同位素标记在机理研究中常常用同位素效应和同位数标记来确定反应历程。三、反应机理的研究方法263.同位素标记（1）同位素效应最常用的是用氘来代替氕，当反应底物中的一个原子被它的同位素取代后，对它的化学反应性没有影响，但反应速度有显著的影响。同位素效应分一级同位素效应和二级同位素效应。一级同位素效应：在决定速度步骤中与同位素直接相连的键发生断裂的反应中所观察到的效应,其值通常在KH/KD为2或更高。二级同位素效应：在反应中与同位素直接相连的键不发生变化，而是分子中其它化学键变化所观察到的效应，其值通常在KH/KD=0.7-1.5范围内。三、反应机理的研究方法273.同位素标记（1）同位素效应ΔGH≠ΔGD≠RHRD过渡态一级动力学同位素效应氕取代和氘取代的零点振动能283.同位素标记（1）同位素效应产生同位素效应的原因：由于同位素具有不同的质量，因此具有不同的零点振动能（零点振动能与质量的平方根成反比），质量越大，零点振动能越低，对于一个涉及到与同位素相连的键断裂的反应来说，而在过渡态中振动不再造成能量上的差别，所以与质量大的同位素相连的键由于零点能低而就需要较高的活化能，从而表现为较低的反应速度。293.同位素标记（1）同位素效应显著的同位素效应表明：在过渡态中与同位素相连的键正在断裂，同时它的大小定性的指出过渡态相对于产物和反应物的位置，一级同位素效应比较低，表明过渡态相当接近于产物或反应物；而较大，证明过渡态中氢与它原来成键的原子和它新成键的原子都有强的成键作用。303.同位素标记（1）同位素效应(CH3)2CCOC(CH3)2+OH-H*H*(CH3)2CCOC(CH3)2H*H*OH-(CH3)2CCO-C(CH3)2H*kH/kD=6.1过渡态313.同位素标记（2）同位素标记酯的水解反应，证明发生了酰氧裂解。RCOOR’+H2O18OH-RCOO18H+ROH324.立体化学证据烯烃的加成：溴、稀冷高锰酸钾自由基反应：外消旋化SN1SN2三、反应机理的研究方法334.动力学证据反应动力学方程动力学同位素效应三、反应机理的研究方法345.溶剂效应三、反应机理的研究方法353-3反应速度理论碰撞理论过渡态理论363-4酸碱理论人们对酸碱的认识历程最初：酸是具有酸味的物质，使蓝色石蕊变红碱是抵消酸性的物质，使红色石蕊变蓝。18世纪后期：氧元素是酸的必要成分。19世纪初叶，戴维：氢元素是酸的必要成分。1884年，阿累尼乌斯：提出了酸碱电离理