简明物理有机化学教程（1）

第1章物理有机化学概述作者：王剑波（北京大学化学学院）版权所有：北京大学出版社出版时间：2013年10月本章内容1.1引言1.2一些重要的基本概念反应机理;基元反应;过渡态;反应中间体1.3提出合理的反应机理:确立反应机理的基本规则1.4研究反应机理的基本方法产物的研究;中间体的确立;同位素标记;同位素效应;立体化学;动力学1.5动力学研究的一般方法反应的动力学级数;简单反应的积分速度定律;可逆反应;多步反应的动力学;机理的推出1.6动力学分析实例芳香化合物的硝化反应;亚胺的水解1)利用某一有机化学反应所包含的化合物的基本物理性质来解释引起这一化学变化的原因或者驱动力(drivingforce)。2)解释决定这种化学变化速率的各种因素。1.1引言物理有机化学的基本任务物理有机化学以研究有机化学反应的详细历程(mechanism)来实现上述两个目的。本课程的目的是要阐明研究有机反应机理的一般原理和方法。动力学和机理化学的核心是研究反应机理,也就是测定分子进行化学反应所发生的一些具体的变化和相互作用。要完全描述一个有机反应的机理,必须知道反应物分子转变为产物分子的全过程中所有原子在不同时间的确切位置--一个从来也没有完全实现过的理想目标。因为许多变化对于任何能直接监测的方法来说发生得太快。分子的振动和碰撞的时间标度(timescale)在10-12~10-14秒范围之内,这比标准光谱监测要快得多。如果希望看到单个的构象，就必须提高仪器的时间分辨，或者降低分子的运动速度。要降低分子的运动速度，常用的方法是降低温度。因此，低温核磁、低温红外等是研究分子结构的有力手段。当降到适当的低温时，分子的运动速度能够变慢到仪器的时间分辨极限以内。1HNMRspectraofcyclohexyliodideat–80oC(100MHz).Onlythelowest-fieldsignalsareshown.(JACS,1969,91,344)比如，碘代环己烷中与碘相连碳上的质子在室温的核磁谱中是一个复杂的多重峰，而在－80oC,两种椅式构象可以清楚地区分开来（处于平伏键和直立键的质子分别表现为宽的单峰和多重峰）。迄今为止，关于反应机理的绝大部分知识都是由间接的证据推理而得到的。化学家的工作就是设计一些适当的实验以求得最大可能的结论性证据。关于反应机理的基本认识2）可以认为没有一个化学反应机理被绝对地证明过。我们只能说哪一个证据支持某个机理,或者说它与某一机理相一致。3）一个特殊的证据就可以有力地否定某一给定的机理。即使对于一些“很好建立”起来的机理，也常常需作重大的修改或仅因某一个新的证据就被完全推倒。4）一个合理的反应机理必须能够解释该反应的所有已知事实。而且,它还必须具有强的预见能力。MechanismofGrignardreagentwithketone例如 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 试剂（Grignardreagent）与酮（ketone）的反应，格式试剂的反应最初被认为是通过格式试剂对羰基(carbonylgroup)的亲核进攻(nucleophilicattack)。后来发现一些路易斯酸(Lewisacid)，如氯化镁，甚至格式试剂本身对反应具有催化作用。另外，在反应过程中除了生成产物外，常常还可以得到重排还原产物，比如分离得到频哪醇(pinacol)。金属镁的纯度对反应也有很大影响，微量的过渡金属杂质的存在有利于频哪醇的生成。这些实验事实表明，除简单的极性历程外，还可能有自由基途径。为什么要研究反应机理？1)在有机合成方面。反应机理的知识常能够指导我们选择反应条件以得到最高产率或者提高反应的选择性。Deprotonationindifferentsolvent例如，亲核反应在不同的有机溶剂中有很大的差别，了解了反应机理中的决速步为负离子的亲核进攻以及非质子性极性溶剂可以有效地溶剂化正离子，进而使得亲核负离子更具有活性以后，我们就知道应该选用什么样的溶剂来提高反应的速率。2)反应机理的知识可以把表面上看来互不相干的大量反应联系在一起。Pinacol/pinacolonerearrangement例如，频哪醇/频哪酮(pinacolone)的重排反应，不同的起始物和反应条件生成同样的产物，这些可以用共同的碳正离子中间体联系在一起。碳正离子的1，2-迁移反应机理也把表面上不同的二烯酮(dienone)/酚(phenol)重排联系在一起。从机理上来看，它们经历了相同的1，2-迁移(1,2-shift)，属于同一类反应。Dienone/phenolrearrangement1.2一些重要的基本概念反应机理（reactionmechanism）:反应机理是通过一系列的基元反应来实现的化学变化的详细过程。基元反应(elementaryreaction):只有一个过渡态而不包含任何中间体的过程。过渡态(transitionstate):在基元反应过程中经历的具有最高势能的结构。反应中间体(reactionintermediate):由两个以上基元反应所组成的化学反应中存在的最低能量的化学结构,其寿命长于典型的分子振动(10-13~10-14秒)。Reactioncoordinatediagramofatwo-stepreaction假有一个反应在10分钟内完成，按秒计算为：10x60=600秒 过渡态发生在10－13秒的时间范围内。假设整个过程的时间放大1013倍，则过渡态发生在1秒的时间范围内，反应的时间则为：也就是说，如果把这个10分钟的反应比喻成一部电影，那么过渡态仅是一部1.9亿年电影中出现的一些1秒钟的画面！目前最先进的实验技术也已有可能直接观测到这种飞速的过程，这主要归功于激光技术的发展。现在的激光脉冲可以达到飞秒数量级（femtosecond，10－15秒）。1999年诺贝尔化学奖获得者加州理工学学院(Caltech)的Zewail教授一直致力于飞秒激光反应动力学的研究。例如，他研究了碘和苯的电荷转移反应以及Diels－Alder反应的过渡态。AhmedHassanZewailisanEgyptian-Americanscientistknownasthe“fatheroffemtochemistry”,hewonthe1999NobelPrizeinChemistry.碘和苯的电荷转移反应用分子束把I2和苯带到一起，接着用飞秒激光脉冲给予体系一定的能量来开始电荷转移反应，然后用一系列激光脉冲来观测过程的变化，并用质谱观测最终产物的生成。从开始反应到出现碘原子出现，总的时间是750飞秒(7.5×10-13秒)。苯和碘之间的电子转移反应是一个已经有100多年历史的经典反应。现在，这个经典反应的详细过程用最先进的激光技术呈现在我们面前。用激光闪光光解（LaserFlashPhotolysis）的方法可以测量纳秒（Nanosecond,10-9秒）数量级的反应速率，再结合其他的技术已有可能得到皮秒（Picosecond,10-12秒）数量级的化学变化的精确过程。例如，MatinNewcomb(WayneStateUniversity,USA)等运用激光闪光光解的方法测量了一系列快速自由基单分子重排的速率常数，再结合间接的动力学研究手段，得到下面自由基的重排速率常数为41011s－1。1.3提出合理的反应机理——机理研究的第一步 虽然已经有一些最尖端的技术使得直接观察反应的详细历程成为可能，但是就目前来说，绝大部分的机理研究仍然是借助于间接的方法。例如,讨论下面的氢氧负离子对于碘甲烷的取代反应。对于某一有机反应的机理研究是从提出合理的反应机理开始的。对于大多数反应，我们能够设想出许多可能的机理。因此，决定一个可能的机理是否合理、是否值得深入考察和验证将是我们开始机理研究时最重要的步骤之一。仅从原子的组合考虑，可以设想反应物分子都分解为原子,然后再重新组合成产物分子。没有化学头脑的机理假设问题：碘离子是在什么时候离开的——是在羟基离子接上去之前、之后还是接上去的同时（这和反应是SN1机理还是SN2机理有关）？相对于碘的原来位置，羟基离子接到碳原子的什么地方(从产物的立体化学推断)？最后的问题是，这个反应为什么能发生，尤其是它为什么能按照提出的机理所描述的具体方式发生？根据我们对于类似反应的了解，可以设想这样一个合理的机理。有化学头脑的机理假设机理假设的基本规则1)简要原则(simplicityprinciple) 机理应尽可能地简单,但仍能够解释全部的实验事实。如果有几个假设与实验事实相符,那么就应当选择最简单的那一个。基元反应应该不是单分子的就是双分子的(elementarystepmustbeeitherunimolecularorbimolecular)反应动力学告诉我们，两个以上的分子按一定的取向同时碰撞发生反应的机会是非常罕见的。例如，在一个大气压下，气相中双分子碰撞的概率比三分子碰撞约大1000倍，因此仅有极个别的基元反应是三分子的。3)每一步骤在能量上应该是合理的(energyconsideration)有机化学反应必须符合热力学的基本定律。 4)每一步骤在化学上应当是合理的(chemistryconsideration)需要很丰富的经验和直觉判断能力。大体上说，我们可以用类似反应的知识来判断。一般来说，所提出的机理应与类似反应的已知情况相一致。不符合已知情况的反应机理也会偶然出现，有时甚至会常常出现。一个背离“正常”行为的发现表示一个新的启示，这种情况要求更有份量的证据，以提出新的机理。在科学研究中，对于非正常现象的关注常常会导致新的，甚至是重大的发现。例如，烯烃复分解反应。1.4研究反应机理的基本方法 1)产物的研究，包括副产物（products,by-products）。对某一反应提出的任何机理要能合理解释得到的所有产物,包括由副反应形成的产物在内。例如对于反应:若提出的机理不能解释少量乙烷在该反应中的形成原因，那么这个机理就不可能是正确的。在中性的反应条件下形成了碳碳键，最有可能是通过自由基的结合。2)中间体的确立(intermediates)很显然，中间体的确立在机理研究中往往具有决定性的意义。研究中间体通常有以下几种方法:a）分离(separation)反应经过一段时间后在其未完全反应之前停止，将中间体分离出来进行结构的确定。例如在下面的Hoffmann降解反应中，中间体RC(O)NHBr被分离出来。b）中间体的检测(detection)有些中间体不可能被分离出来,比如自由基、碳正离子、碳负离子、卡宾等。可以利用红外、核磁共振、顺磁共振等光谱手段检测其存在。 c）中间体的捕获(trapping)在反应中加入另一试剂(捕获剂,trappingagent)，使中间体与加入的试剂反应生成稳定的产物，通过分离鉴定该产物来反推中间体的结构。例如，用双烯的Diels-Alder反应捕获苯炔(benzyne)中间体。d）独立合成(independentsynthesis)如果机理中有某个可疑的中间体，则有可能用另外一条独立的路线合成中间体，并使之在相同的条件下反应。如果所提出的机理正确，那么应当得到相同的产物。以下的例子很好地说明独立合成在机理研究中的应用。环戊醇在HgO/I2作用下生成次碘酸酯(hypoiodite)，进一步光照以后形成烷氧自由基，再经一系列的自由基反应最终生成碘代甲酸酯(J.Org.Chem.1984,49,3753)。该反应机理中的关键中间体A，可以通过另外一条路线合成，其在完全相同的反应条件下生成相同的碘代甲酸酯，进而为上述反应机理提供了有力的证据。e)同位素标记(isotopelabeling)利用放射性同位素14C,18O等可以确立反应过程中原子的去向(需要特别注意和第二章要介绍的同位素效应的区别)。例如,碳-14标记为确定苯炔中间体的存在提供了有力的证据。卤代苯中卤素离子被氨基负离子取代的反应比想象的情况要复杂得多。在液氨中，氯苯和KNH2反应生成苯胺。可以设想的机理是，NH2－直接进攻苯环取代氯离子。这在化学上并不合理，因为从有关芳香环的化学反应知识我们知道，苯环易于发生亲电取代，而极少发生亲核取代。以上的反应机理也与下面的实验事实不符。那么，是否有可能存在一个和芳香亲核取代机理平行的反应机理生成间位的产物？这时我们用同位素技术，将与氯原子相连的碳用14C标记，得到以下的实验结果。显然，上述的平行机理的解释是难以成立的，因为这要求平行的过程和亲核芳香取代以完全相同的速率进行。而1:1产物的事实强烈地提示存在一个共同的中间体，在这个中间体中原有的取代基，即Cl,的位置和其邻位由于对称性而变得等价。因此，最有可能的机理是经历了一个高度活泼的苯炔中间体。（应用前面提到的中间体捕获技术进一步证实苯炔的存在）。应用同位素标记技术的另一个例子是Cornell大学Carpenter教授关于环丁二烯的工作。按照Hückel理论，环丁二烯是反芳香性的分子。事实上，环丁二烯是极为不稳定的分子，在室温下是不能够存在的。一个有趣且具有重要理论意义的问题是:环丁二烯分子是正方形的还是长方形的?对于这个看似棘手的问题，Carpenter教授应用同位素标记技术设计了一个巧妙的实验(J.Am.Chem.Soc.1980,102,4272;1982,104,6473)。环丁二烯分子是正方形的还是长方形的?从反应式分析，如果环丁二烯具有正方形的结构，那么四种产物应当是等量的，即A＝B＝C＝D。结果发现A＋B>>C＋D，因此支持环丁二烯为长方形结构的结论。同位素标记的优点在于，如果没有显著的同位素效应，那么就常常可以应用简单的统计学来预测一个指定机理的标记异构体的比率。f)立体化学(stereochemistry)根据化合物的构型变化可以推断反应物变化的方式、键的形成和断裂的方向等。例如前例HO－对碘甲烷的取代反应，我们试图知道HO－是从什么方向进攻。这个问题可以由不对称分子，如(R)-2-碘丁烷，作为反应底物的研究来解决。实验证明，(S)-2-丁醇为唯一的产物，即产物的构型发生了完全的翻转，从而可以明确地证明HO－确切进入的位置，同时也说明反应是按照协同的机理（SN2）进行。即使原料没有旋光性，只要产物有可能显示出立体化学的特征，就有可能对机理进行推断。g)同位素效应(isotopeeffect)当反应物分子中的氢被重氢取代时,反应速率往往会发生变化，这种现象称为动力学同位素效应。注意，同位素效应和前面叙述的同位素标记是完全不同的方法。h)动力学(kinetics)绝大多数有关反应机理的证据是由研究各种反应参数对反应进程的影响而得到的，例如反应的活化能、活化焓、活化熵等。而这些反应参数又是通过测定反应速度来定量的。另外，反应动力学的研究可以获得有关哪些分子和有多少分子参与了决速步的信息。从物理有机化学发展的历史上看，动力学为阐明反应机理作出了最大的贡献。1.5动力学研究的一般方法反应速率简单地说就是任一产物或反应物的浓度变化的速度。比如对于下述假想的反应：可以写出这样的速率表达式：因此，一个反应速率的测定至少需要知道反应中一种物质的浓度对时间的函数。主要有以下两种方法：1)在选定的时间区间移出一定份量的反应混合物进行分析。2)连续或间歇地分析反应混合物某些与浓度有关的物理性质,例如用核磁共振、时间分辨的红外或紫外等。反应的动力学级数（kineticorder）：在涉及A,B,C的反应中,反应速度的一般表达式为:称k为速率常数，但实际上它是随温度、溶剂以及其他的反应条件而变化的。对于服从上述动力学方程的反应，对A可以说是a级,对B是b级,对C是c级,对整个反应来说则是(a+b+c+…)级的。注意:对于基元反应，单分子反应为一级动力学，双分子反应为二级动力学。但是，对于多步反应，这却不一定，例如一个多分子参与的反应仍然可以有一级动力学方程。简单反应的积分速度定律零级反应(zeroorder):[A]=[A]o–kot零级反应的特征是浓度和时间成简单的线性关系，可以直接从浓度和时间的关系获得速率常数。显然，零级反应不可能是基元反应。一级反应(Firstorder):     一级反应的浓度和时间的指数成反比关系。在实际应用中，为了处理数据的方便，通常取对数，使之变成线性关系。二级反应(secondorder):  二级反应动力学的一种特殊情况是两种物质的浓度完全一样，例如相同分子的二聚反应等。假一级反应（Pseudo-firstorderkinetics）:对于反应：，可以推导出：([A]≠[B])简化的方法:一种情况是使得[A]=[B],则速率方程变为：另一种情况是使得[B]o大大过量，则有[B]≈[B]o=常数，则有其中k’=k2[B]o，称为假一级动力学。假一级动力学的方法是机理研究中常常用到的，它可以使得复杂的动力学问题简化。可逆反应(ReversibleReaction)微观可逆性原理：任何基元反应一定是可逆的，并且逆向反应和正向反应经历相同的反应途径。虽然微观可逆性原理告诉我们逆反应是一定发生的，但在很多情况下逆反应的速率可能很慢以致无法观察到。可逆反应的动力学(2)(1)达到平衡时，有：k1[A]e-k-1[B]e=0;代入（1）式，有：(3)又因为在反应过程中总的浓度不变，所以有：[A]+[B]=[A]e+[B]e，或者[A]-[A]e=[B]-[B]e (4)带入（3）式，有： ;ln[A]:t时，[A]和[A]e的浓度差[A]o:t=0时，[A]和[A]e的浓度差多步反应的动力学： 有机反应在许多情况下是经历了多步反应的机理，如何对于多步反应的动力学进行分析是有机机理研究中的动力学方法的关键。例如有以下的反应: 1)稳态近似方法（stationary-stateapproximation） 对于一些非常活泼的中间体，它们在反应体系里的浓度将是很低的，因而其浓度变化的绝对值也将很小。例如，在上面的多步反应中，如果k-1,k2>>k1，则生成的中间体Y将迅速地消失。这种关于活泼反应中间体浓度的假设称为稳态近似。运用稳态近似方法可以避免在速率方程中出现活泼反应中间体的浓度项，因为从实验上来确定这些活泼中间体的浓度通常是十分困难的。例如，对于碘甲烷的水解反应： 可以假设反应是经过了以下的机理： 可以再假设CH3+和H2O的反应比和I－的反应要快得多，并且MeOH在该反应条件下不会生成CH3+,也就是：k-1,k-2<<k1,k2,k2>k1。这样就可以忽略k-1和k-2:进一步假设CH3＋非常活泼，因此它的浓度总是非常小，那么它的变化值也一定很小，我们有：这样，我们在这一步用了稳态近似假设（stationary-stateapproximation）。有了这个假设以后，动力学方程被简化：可以得到：因此，产物CH3OH的生成速率为：在这里，我们实际上引入了决速步（rate-determiningstep）的概念，即整个反应的速率由最慢的那一步反应决定。因此，在这种情况下，速率方程可以由第一步反应直接写出。对于相同的反应，如果我们采取这样的假设：CH3+的反应快于它的生成，但是它可以向两个方向反应，这时我们仍然可以用稳态近似，因为CH3＋在体系中将保持很低的浓度。   由此可见，稳态近似可以用来在速率方程中排除非常活泼的反应中间体。2)平衡假设（preliminaryequilibrium）如果多步反应中包括的可逆反应其正反两方向的速率比其后的反应快得多,则我们可以近似地认为，在反应过程中这个可逆反应处于平衡状态。对于同样的反应，如果有：则CH3I和CH3+,I－几乎处于平衡，即：or以上虽然是假想的机理，但是这几个有关亲核取代反应的机理均被实际地研究过。上述的这些假设是为了使动力学分析简单化。但是从上例可以看到，这些假设其实是我们所提出的机理的一部分，因而这些假设最终必须以反应中包含物质的化学性质为基础。也就是说，这些假设并非是随意的。更为复杂的体系的动力学分析实例：亚胺的水解（hydrolysisofimine）反应机理：在上述假设的可能机理中，由于醇胺中间体X十分活泼，因此，我们可以运用稳态近似：得到：反应速率为： (1)在这里我们并不希望有[SH+]项，所以我们要用第一步的快速质子化的平衡假设，用总的浓度[ST]来表示[SH+]。其中KaSH+表示S的共轭酸SH＋的解离常数，[ST]=[SH+]+[S]所以有：带入(1)式整理后得到：其中[H+][HO-]=10-14mol2/L2,如果反应是在酸性的缓冲溶液中进行，则[H+]保持不变，这样我们就有：其中：(2)可以通过确定不同pH条件下的反应速率kobs，研究kobs与pH之间是否满足(2)式，从而验证上述假设的反应机理。这是假一级动力学方法的一个应用。 机理的推出——两个重要的原理:1)反应的动力学与机理中最慢的基元步骤(决速步)相同。也就是说，对于一个多步反应，在大多数情况下总反应将以最慢的那个步骤的速率进行。2)基元步骤的动力学级数与该步骤的分子数相同。这个原理使得问题进一步简单化，因为这样我们可以对任一基元反应写出一个速率方程。归纳小结运用上述两个原理，对于一个有机反应就可以写出由几个基元反应组成的反应机理，然后指定或假定一个决定速度的基元步骤，推导出所预期的速率定律，并与观察到的实验速率定律相比较，从而来判断所提出机理的合理性。1.6动力学分析实例——芳香化合物的硝化反应反应机理假设（1）其中第二步为决速步，并对于第一步应用平衡假设，我们可以得到：反应机理假设（2）反应机理假设（3）反应速率（1）和（3）的速率方程相似，但是它们和反应机理（2）是可以区分的。如果要区分反应机理（1）和（3），则需要进一步用其他的实验手段，由此我们也可以看到动力学方法的局限性。