關(guān)于有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的研究方法1第一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一2從反應(yīng)物到產(chǎn)物所經(jīng)歷的全部具體過(guò)程稱為反應(yīng)歷程或反應(yīng)機(jī)理。在有機(jī)化學(xué)發(fā)展初期，人們很少注意反應(yīng)的機(jī)理更重視結(jié)果。發(fā)現(xiàn):酸堿均加速;V∝丙酮與溴無(wú)關(guān)到了20世紀(jì)30年代以后，隨著價(jià)鍵理論的建立與發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越迫切地希望了解反應(yīng)到底是怎樣進(jìn)行的，這成為反應(yīng)機(jī)理研究的原動(dòng)力，反應(yīng)機(jī)理的研究工作得到大力開展。第一節(jié)概述1903年Lapworth發(fā)現(xiàn):堿加速酸減速第二年提出了對(duì)反應(yīng)的一些看法和假設(shè)，開創(chuàng)了反應(yīng)機(jī)理的研究工作。第二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一3研究反應(yīng)機(jī)理一般采用以下幾個(gè)基本步驟：①提出一個(gè)與已有實(shí)驗(yàn)事實(shí)及理論知識(shí)相符的假設(shè)；②設(shè)計(jì)并進(jìn)行能夠檢驗(yàn)所提出的假設(shè)的實(shí)驗(yàn)；③根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)原假設(shè)進(jìn)行修正或推斷。上述步驟常要重復(fù)多次，要全面而客觀地收集并解釋所有與反應(yīng)有關(guān)的事實(shí)結(jié)果，尤其要注意那些與假設(shè)機(jī)理不符的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，很有可能就在其中隱藏著正確的反應(yīng)機(jī)理線索提示我們?nèi)ヌ剿鳌＿€要注意的是對(duì)同一實(shí)驗(yàn)事實(shí)的解釋可能有多種選擇，與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符的反應(yīng)機(jī)理也可能不只一種，為此要仔細(xì)反復(fù)推敲、去偽存真，以得到合理的令人信服的反應(yīng)機(jī)理。機(jī)理研究的實(shí)際意義:真正控制反應(yīng);

設(shè)計(jì)新化合物的合成方法和合成路線。第三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一4一個(gè)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的得來(lái)并不是一件容易的事。分子的振動(dòng)或碰撞引起的一次變化(即反應(yīng))往往在極短的時(shí)間內(nèi)（10－12～10－14s）完成。用一種方法通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)通常很難得到滿意的反應(yīng)機(jī)理，往往要使用多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)、采用多種方法、從不同的角度進(jìn)行全面的研究才能得到。概括起來(lái)，用于有機(jī)反應(yīng)機(jī)理研究的方法主要有產(chǎn)物研究、中間體研究、同位素標(biāo)記研究、立體化學(xué)研究、反應(yīng)條件研究和動(dòng)力學(xué)研究等。第四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一5第二節(jié)產(chǎn)物研究產(chǎn)物研究是反應(yīng)機(jī)理研究的第一步。確定結(jié)構(gòu)、對(duì)比結(jié)構(gòu)、判斷變化。同一種（類）反應(yīng)物得到不同產(chǎn)物，機(jī)理不同第五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一6產(chǎn)物研究也應(yīng)包括副產(chǎn)物的研究，一個(gè)不能說(shuō)明所有產(chǎn)物的機(jī)理肯定是不正確的。除了正常的加成產(chǎn)物以外，還有重排產(chǎn)物，說(shuō)明不是一步完成的反應(yīng)同一類反應(yīng)物得到同一類產(chǎn)物，機(jī)理可能相同。不能說(shuō)明乙烷生成的機(jī)理肯定不正確。第六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一7產(chǎn)物研究還應(yīng)包括反應(yīng)物、產(chǎn)物間的數(shù)量關(guān)系產(chǎn)物研究的具體過(guò)程一般是分離提純、理化常數(shù)測(cè)定、結(jié)構(gòu)表征。分離提純過(guò)慮分液萃取洗滌蒸餾重結(jié)晶層析理化常數(shù)測(cè)定熔點(diǎn)沸點(diǎn)分子量折射率旋光度密度結(jié)構(gòu)表征元素分析紅外光譜核磁共振譜紫外光譜質(zhì)譜專一反應(yīng);競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng);平行反應(yīng)。反應(yīng)物或中間體的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。第七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一8第三節(jié)中間體研究一個(gè)反應(yīng)機(jī)理是否正確，中間體是最有力的證據(jù)；對(duì)一個(gè)未知反應(yīng)，中間體的存在及其結(jié)構(gòu)則可為機(jī)理的擬定提供有用的信息。根據(jù)中間體穩(wěn)定性的不同主要有離析、檢測(cè)和捕獲等幾種具體研究方法。一、中間體的離析若中間體比較穩(wěn)定或在一定條件下是穩(wěn)定的，可以創(chuàng)造條件使反應(yīng)突然終止，分離出中間體并測(cè)定其結(jié)構(gòu)。所得中間體及其結(jié)構(gòu)與假設(shè)的機(jī)理相符，原機(jī)理是否正確？存在A直接生成C和經(jīng)歷B生成C二個(gè)反應(yīng)B未必一定是中間體將中間體恢復(fù)原環(huán)境，觀察是否以相同速度生成相同產(chǎn)物。不一定，可能是在改變條件的情況下產(chǎn)生的。若以相同速度生成相同產(chǎn)物原機(jī)理一定正確嗎？第八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一9Claisen酯縮合反應(yīng)機(jī)理研究過(guò)程中就出現(xiàn)過(guò)這種情況。存在與主反應(yīng)無(wú)關(guān)的可逆平衡反應(yīng)B未必一定是中間體第九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一10通過(guò)中間體離析研究得到反應(yīng)機(jī)理的實(shí)例很多。第十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一11二、中間體的檢測(cè)對(duì)于不太穩(wěn)定的中間體甚至是活性中間體，可以采用現(xiàn)代物理方法檢測(cè)其存在。用Raman光譜檢測(cè)到NO2+IR在238.5～241.5出現(xiàn)吸收帶反應(yīng)體系多為復(fù)雜的混合物，因此能夠給出特征信號(hào)的中間體才能被檢測(cè)到，而且要有一定的濃度。最常用的是IR和ESR，前者檢測(cè)具有特征吸收的基團(tuán)，后者檢測(cè)自由基。第十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一12三、中間體的捕獲對(duì)一些太活潑或濃度太低既不能離析又難以檢測(cè)的中間體，可以向反應(yīng)體系中加入能與中間體反應(yīng)的捕獲劑，通過(guò)考察是否生成反映中間體特性的新產(chǎn)物以證明中間體的存在。比如用自由基捕獲劑捕獲烴基自由基、烯烴捕獲卡賓、用共軛二烯烴捕獲苯炔等。第十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一13第四節(jié)同位素標(biāo)記研究以同位素標(biāo)記化合物為原料或試劑，反應(yīng)結(jié)束后測(cè)定同位素的分布，可以確定反應(yīng)時(shí)化學(xué)鍵斷裂的位置以及標(biāo)記原子或基團(tuán)的遷移途徑，為機(jī)理研究提供有用的其它方法難以得到的信息。最常用的標(biāo)記原子有D、C14、O18等。常用的檢測(cè)方法有質(zhì)譜和放射性探測(cè)儀（O18無(wú)放射性）。利用O18標(biāo)記的最典型例子是羧酸酯的水解機(jī)理研究。第十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一14羧酸酯的堿性水解是不是SN2機(jī)理？回收酯含O18回收酯O18減少同位素標(biāo)記研究表明，并非簡(jiǎn)單的SN2機(jī)理,而是經(jīng)歷四面體中間體的加成消除機(jī)理。第十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一15利用D標(biāo)記的最典型例子是苯甲醛的Cannizzaro反應(yīng)機(jī)理研究。第十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一16利用氚（T）標(biāo)記的典型離子是苯丙氨酸氫移位反應(yīng)機(jī)理研究。1-溴-2,2-二苯乙烯在堿的作用下生成二苯乙炔的反應(yīng)機(jī)理研究這是C14標(biāo)記的典型離子。可能有碳負(fù)離子中間體和卡賓中間體兩種機(jī)理。第十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一17利用C14標(biāo)記研究得到以下結(jié)果：與Br處于反式的芳基遷移的立體專一反應(yīng)。排除了卡賓中間體機(jī)理羧酸鹽與溴化氰反應(yīng)生成腈的反應(yīng)機(jī)理研究也是C14標(biāo)記的一個(gè)例子。第十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一18比如研究苯基烯丙基醚的Claisen重排機(jī)理。α-C還是

γ-C與苯環(huán)相連

？重排至鄰位和對(duì)位有無(wú)差別？同位素標(biāo)記研究的結(jié)果簡(jiǎn)單明確，但引入標(biāo)記原子（同位素標(biāo)記化合物的合成）以及確定產(chǎn)物中標(biāo)記原子的位置并非易事，費(fèi)用極高。波譜技術(shù)的應(yīng)用使其得以簡(jiǎn)化，但仍然受到一定限制。通過(guò)以下繁雜的過(guò)程合成標(biāo)記化合物。第十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一19同位素標(biāo)記不僅可以提供化學(xué)鍵斷裂的位置及基團(tuán)遷移情況，還將出現(xiàn)同位素原子影響反應(yīng)速率的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)，為機(jī)理研究提供幫助。H、D、T之間的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)最大，最易測(cè)量。kH/kD一般1～7第十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一20其它同位素原子的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)較小。如：

kC12/kC13＝1.04；kC12/kC14＝1.07；

kN14/kN15＝1.03；kO16/kO18＝1.02。精度較高，對(duì)儀器設(shè)備要求較高。若認(rèn)為控制步驟涉及C－H鍵斷裂，則用D標(biāo)記化合物和無(wú)標(biāo)記化合物發(fā)生同一反應(yīng)，測(cè)定相對(duì)反應(yīng)速率。堿催化下丙酮與溴的反應(yīng)機(jī)理研究是一個(gè)典型例子。kH/kD＝7測(cè)定結(jié)果：kH/kD>1，控制步驟，涉及C－H鍵斷裂

kH/kD≯1，沒有C－H鍵斷裂或有C－H鍵斷裂但不是控制步驟第二十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一21直接涉及同位素所在化學(xué)鍵斷裂的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)稱為一級(jí)同位素效應(yīng)，不直接涉及同位素所在化學(xué)鍵斷裂的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)稱為次級(jí)同位素效應(yīng)，一般較小。kH/kD＝7.0kH/kD＝1.07鹵代烴在堿性介質(zhì)中的消除機(jī)理研究：事實(shí)上前者可能是E2機(jī)理，后者可能是E1機(jī)理。第二十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一22第五節(jié)立體化學(xué)研究反應(yīng)過(guò)程中構(gòu)型、構(gòu)像或光學(xué)活性等的變化情況研究稱為立體化學(xué)研究。反應(yīng)物到產(chǎn)物的立體化學(xué)變化情況將為機(jī)理研究提供重要信息，對(duì)機(jī)理的擬定或驗(yàn)證判斷具有非常重要的作用。可能有SN1或SN2兩種機(jī)理鹵代烴水解機(jī)理研究:第二十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一23設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的鹵代烴，使其水解，研究反應(yīng)物到產(chǎn)物光學(xué)活性的變化情況。產(chǎn)物無(wú)旋光性說(shuō)明是SN1機(jī)理。無(wú)旋光性，SN1機(jī)理第二十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一242-羥基-丁二酸不同條件下的鹵代機(jī)理研究：產(chǎn)物有旋光性一定是SN2機(jī)理嗎？產(chǎn)物旋光度與S-2-丁醇相等產(chǎn)物旋光度與S構(gòu)型及R構(gòu)型均不等SN2機(jī)理SN2＋SN1機(jī)理第二十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一25＋、－與R、S以及構(gòu)型的翻轉(zhuǎn)和保持無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系！通過(guò)構(gòu)型研究也可為反應(yīng)機(jī)理的研究提供重要信息。如苯甲酸酯的水解機(jī)理研究：第二十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一26是一步機(jī)理還是兩步機(jī)理？順式加成還是反式加成？分步完成的反式加成機(jī)理烯烴與鹵素加成機(jī)理的研究：鹵代烴的消除反應(yīng)機(jī)理研究：利用特殊結(jié)構(gòu)的烯烴為原料，通過(guò)對(duì)加成產(chǎn)物的構(gòu)型研究即可得到結(jié)論。第二十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一27利用特殊結(jié)構(gòu)的鹵代烴為原料，通過(guò)對(duì)消除產(chǎn)物的構(gòu)型研究即可得到結(jié)論。該產(chǎn)物說(shuō)明是順式消除該產(chǎn)物說(shuō)明是反式消除第二十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一28反式消除醋酸酯的熱解消除則與此相反。順式消除第二十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一29第六節(jié)反應(yīng)條件研究催化劑、溶劑、光照、自由基引發(fā)劑、自由基抑制劑等反應(yīng)條件的改變能夠加速或延緩反應(yīng)的進(jìn)行，通過(guò)不同條件下反應(yīng)結(jié)果的對(duì)比，可以為反應(yīng)機(jī)理研究提供有用的信息。改變催化劑的性質(zhì)，觀察反應(yīng)的變化情況，如果能被酸催化，可能是通過(guò)質(zhì)子或試劑中帶正電荷的部分進(jìn)攻反應(yīng)物形成碳正離子中間體的離子型機(jī)理；如果能被堿催化，可能是通過(guò)堿（如HO-）奪取質(zhì)子或進(jìn)攻帶正電荷的碳形成負(fù)離子中間體的離子型機(jī)理。1－溴環(huán)戊烷在含水乙醇溶液中與氰化鈉反應(yīng)的機(jī)理研究：第二十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一30分步完成的離子型機(jī)理溶劑的極性增加有利于試劑的離解并使中間體穩(wěn)定化，可使分步完成的離子型反應(yīng)加速。改變?nèi)軇┑臉O性，觀察反應(yīng)的變化情況，如果在極性溶劑中的反應(yīng)速度更快，說(shuō)明可能是分步離子型機(jī)理，否則可能是一步完成的協(xié)同機(jī)理。加入少量碘化鈉時(shí)，反應(yīng)速率加快。否定了SN1機(jī)理。第三十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一31自由基引發(fā)劑以及光照將促使自由基的形成，使自由基反應(yīng)加速，而自由基抑制劑則具有相反作用。若自由基引發(fā)劑的加入或光照使反應(yīng)加速，而自由基抑制劑的加入使反應(yīng)減速，則可能是自由基機(jī)理。第三十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一32第七節(jié)動(dòng)力學(xué)研究動(dòng)力學(xué)研究反應(yīng)的速率，包括反應(yīng)速率常數(shù)、反應(yīng)級(jí)數(shù)、反應(yīng)速率表達(dá)式等，動(dòng)力學(xué)研究也將為機(jī)理的擬定、判斷等機(jī)理研究提供信息。通過(guò)反應(yīng)級(jí)數(shù)的測(cè)定，可判斷速率控