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1、有机反应机理第五章第1页，本讲稿共101页应用同位素研究反应机理的方法：1.动力学同位素效应:测定同位素取代对反应速率的影响2.平衡同位素效应:测定同位素取代对化学平衡的 影响3.同位素标记:测定标记原子在产物中的位置，也称为同位素示踪本章只讨论动力学同位素效应及其在机理研究中的应用第2页，本讲稿共101页动力学同位素效应的大小通常用同位素取代前后反应速率常数的比值来表示5.1 动力学同位素效应的理论分析第3页，本讲稿共101页如果以氘取代反应物分子中的氢，设同位素取代前反应的速率常数为kH，同位素取代后反应的速率常数为kD，则称为氢动力学同位素效应第4页，本讲稿共101页同理，称为碳动力学同
2、位素效应由于氢动力学同位素效应应用最为广泛，主要讨论氢动力学同位素效应第5页，本讲稿共101页为什么会产生动力学同位素效应？根据反应速率的过渡态理论，只有同位素取代前后反应的活化自由能发生变化才会引起速度变化只有同位素取代改变了反应物或过渡态的能量才有可能引起反应的活化自由能发生变化第6页，本讲稿共101页同位素取代前后，核电荷数和核外电子数都未变化，分子的电子结构和化学键力常数都保持不变，反应的势能面也不会改变唯一改变的是取代原子的质量第7页，本讲稿共101页表面上看，反应速率与原子的质量无关实际上质量的改变会改变振动的频率，从而改变分子的振动能级第8页，本讲稿共101页零点振动能的概念根据
3、经典力学，一个质量为m的物体同一个质量比它大得多的物体相连时，若它们之间的力常数为k，则经典振动频率可按下式计算第9页，本讲稿共101页分子XH与上述模型相类似。根据量子力学，振动的能级是量子化的，且式中n为振动量子数。当n=0时，有0称为零点振动能，是振动区别于其它运动自由度的特征第10页，本讲稿共101页将式（5-1）代入式（5-3）有由（5-4）式可以看出，当振子的质量m增加时，零点振动能0降低可见，同位素取代后，将使分子的零点振动能发生变化如果反应物和过渡态的这种变化不能相互抵消，就会产生动力学同位素效应第11页，本讲稿共101页动力学同位素效应大小的分析为了分析动力学同位素效应的大小
4、，考虑以下反应根据过渡态理论的基本方程第12页，本讲稿共101页式(5-6)中 为过渡态与反应物的零点振动能之差，如图所示 第13页，本讲稿共101页零点能的计算：实际计算零点能时，要考虑分子中所有振动自由度对零点能的贡献，即式中i为第i个振动自由度的频率第14页，本讲稿共101页所以：式中为势能曲线上过渡态与反应物的最低能量之差。令则：第15页，本讲稿共101页所以：第16页，本讲稿共101页现假定用氘取代A分子中的氢，则同位素效应可表示如下第17页，本讲稿共101页第18页，本讲稿共101页根据统计力学中的Teller-Redlich规则，可证实（5-13）式中配分函数的比值近似为1，即第
5、19页，本讲稿共101页所以：（5-15）式是在考虑同位素取代对反应物和过渡态所有振动自由度零点振动能的影响的基础上得出的计算同位素效应的公式，是讨论动力学同位素效应的基本公式第20页，本讲稿共101页实际上，（5-15）式还可进一步简化，因为满足以下两个条件的振动可以不予考虑第一，振动过程中，同位素取代的位置不发生明显运动的振动，因为此时有第二，从反应物到过渡态力常数无显著变化的振动，因为此时有第21页，本讲稿共101页将满足以上两类条件的振动除开后，（5-15）式可简化成第22页，本讲稿共101页应用（5-19）式时，只需考虑满足下列两个条件之一的振动，不必对所有振动自由度求积同位素取代位
6、置发生明显运动的振动，即 的振动从反应物到过渡态力常数有显著变化的振动，即 的振动第23页，本讲稿共101页5.2 主级动力学同位素效应根据同位素取代位置的不同，动力学同位素效应可分为以下两类主级动力学同位素效应（primary kinetic isotope effects）次级动力学同位素效应（secondary kinetic isotope effects）第24页，本讲稿共101页主级动力学同位素效应是指与同位素相连的键发生断裂的反应所产生的同位素效应例如，对以下反应，实验观察的动力学同位素效应即为主级动力学同位素效应第25页，本讲稿共101页次级动力学同位素效应则是指与同位素相连的
7、键未发生断裂的反应所产生的同位素效应如果同位素取代的位置位于反应中心上，所产生的动力学同位素效应称为次级动力学同位素效应。例如以下SN1反应第26页，本讲稿共101页如果同位素取代的位置处于与反应中心相连的原子上，所产生的动力学同位素效应则称为次级动力学同位素效应。例如以下溶剂解反应第27页，本讲稿共101页根据（5-19）式可分析以下反应在不同情况下主级动力学同位素效应的大小设反应经由线性过渡态，即AH(D)+B A +BH(D)第28页，本讲稿共101页对反应物，要考虑的振动有AH(D)键的伸缩振动和弯曲振动由于弯曲振动频率较低，且过渡态也有相应的振动，在讨论主级动力学同位素效应时，可认为
8、弯曲振动对零点能的贡献反应物和过渡态相互抵消第29页，本讲稿共101页于是，（5-19）式中有关反应物的乘积项为式中C为光速第30页，本讲稿共101页由（5-1）式可知：但实验测定的结果通常为第31页，本讲稿共101页将（5-24）式代入（5-22）式：将h、C 和kb的值代入得第32页，本讲稿共101页第33页，本讲稿共101页若取：AH=3000cm1,T=298K，则：第34页，本讲稿共101页对过渡态需要考虑以下几种振动：第35页，本讲稿共101页其中不对称伸缩振动就是沿反应坐标的运动，在建立过渡态理论的基本公式时，已从过渡态的配分函数中扣除，因而不用考虑弯曲振动频率较低，影响较小，可
9、认为在反应物和过渡态该振动自由度的影响相互抵消第36页，本讲稿共101页唯一需要考虑的振动只有对称伸缩振动。因此，式（5-19）中有关过渡态的乘积项为：第37页，本讲稿共101页若过渡态的结构是对称的，则发生对称伸缩振动时，处于中心位置的同位素（H或D）将不发生运动，即第38页，本讲稿共101页将式（5-27）和式（5-29）代入式（5-19），得第39页，本讲稿共101页若过渡态的结构不是对称的，则发生对称伸缩振动时，同位素H（D）将发生运动，且有：第40页，本讲稿共101页将式（5-27）和式（5-31）代入式（5-19），得：第41页，本讲稿共101页非线性过渡态：以上讨论是就线性过渡态
10、而言的。如果反应经由非线性过渡态，则过渡态的伸缩振动为：第42页，本讲稿共101页这两个振动都包含了H（D）原子的运动，而且此时不对称伸缩振动不是沿反应坐标的运动，计算动力学同位素效应时必须考虑在内，式（5-19）中对过渡态的求积项为：第43页，本讲稿共101页第44页，本讲稿共101页所以（5-33）式两项均小于1。将（5-27）式和（5-33）式代入（5-19）式，得：第45页，本讲稿共101页由此可见，如果反应经由线性对称的过渡态，将产生最大的主级动力学同位素效应这一结论只适于速率控制步骤与同位素H（D）相连的键发生断裂的情况第46页，本讲稿共101页 以上讨论说明主级动力学同位素效应的
11、大小大致反映了过渡态的结构。过渡态具有线性对称的结构，主级动力学同位素效应最大。第47页，本讲稿共101页 如果实验测定的主级动力学同位素效应kH/kD较大（2），则可断定在速率控制步骤的过渡态中，与同位素H（D）相连的键发生了断裂。第48页，本讲稿共101页若kH/kD较小，则有多种可能过渡态的结构不对称经由非线性过渡态速率控制步骤未发生与H（D）相连的键的断裂第49页，本讲稿共101页对以下消除反应：实验测定的kH/kD=7.1，能否在E1、E2和E1CB机理中作出选择？第50页，本讲稿共101页动力学同位素效应的值接近理论最大值，表明速率控制步骤过渡态包含与同位素相连的键的断裂如果反应按
12、E1机理进行，速率控制步骤应为溴的离去，不包含CH(D)键的断裂，不应产生主级动力学同位素效应。因而反应不是按E1机理进行的，而是按E2或E1CB机理进行的第51页，本讲稿共101页5.3 次级动力学同位素效应在产生次级动力学同位素效应的反应中，与同位素相连的键未发生断裂，与反应坐标相应的振动几乎不受同位素取代的影响次级动力学同位素效应主要源于某些正常振动零点能的变化第52页，本讲稿共101页若某一个振动的力常数从反应物到过渡态有改变，则由基本公式（5-19）第53页，本讲稿共101页取则式中 为过渡态某一振动的频率；为反应物某一振动的频率第54页，本讲稿共101页若从反应物到过渡态，该振动的
13、频率降低，则有：第55页，本讲稿共101页若从反应物到过渡态，该振动的频率增加，则有由此可见，次级动力学同位素效应的值可大于1，也可小于1，应根据不同的情况具体分析第56页，本讲稿共101页次级动力学同位素效应 同位素取代的位置位于反应中心上，从反应物到过渡态，中心原子杂化态的改变会引起一些振动的力常数发生变化，从而使振动频率改变，产生次级动力学同位素效应次级动力学同位素效应源于中心原子杂化态改变第57页，本讲稿共101页例如，卤代烷的亲核取代反应，如果按SN1机理进行，从反应物到过渡态，中心原子的杂化态将从sp3杂化变成sp2杂化在此过程中，以下三个振动的频率将发生变化，变化的情况列入下表中
14、第58页，本讲稿共101页第59页，本讲稿共101页在这三个振动中，只有第三个振动的频率从反应物到过渡态有显著的变化，即从反应物的正常弯曲振动变为过渡态的面外弯曲振动由于位阻减小，力常数显著降低，振动频率由1350cm1降至800cm1。将表3的相应频率带入（5-47）式，可求出kH/kD的值第60页，本讲稿共101页按（5-47）式估算的kH/kD值是次级动力学同位素效应的理论最大值因为在实际反应中，过渡态出现在活泼中间体正碳离子之前，不可能完全转变成sp2杂化，kH/kD的实验值一般小于1.41，在1.151.25之间第61页，本讲稿共101页如果反应按SN2机理进行，其过渡态将具有三角双
15、锥结构由于基团X、Y同时存在于过渡态，对面外弯曲振动产生明显的阻碍，力常数和振动频率都不会显著降低，次级动力学同位素效应将明显小于SN1反应第62页，本讲稿共101页对以下反应：实验测定的次级动力学同位素效应与Y的种类有关当Y=AcO时，kH/kD=1.15当Y=C2H5O时，kH/kD=1.08试给出合理的解释第63页，本讲稿共101页解释C2H5O的亲核性大于AcO的亲核性因为亲核试剂的亲核性增加有利于SN2反应，所以当Y=C2H5O时，反应可能具有更多的SN2特征，导致次级动力学同位素效应降低第64页，本讲稿共101页如果从反应物到过渡态中心原子的杂化态由sp2转变为sp3，则反应物低频
16、率的面外弯曲振动在过渡态频率会升高，次级动力学同位素效应可按下式估算由此可见，次级动力学同位素效应kH/kD值处于0.711.41之间第65页，本讲稿共101页次级动力学同位素效应 一般认为次级动力学同位素效应源于超共轭效应当反应的过渡态具有正碳离子特征时，效应尤为显著，这是因为位的CH(D)键分子轨道可以与正碳离子的p轨道共轭，使CH(D)力常数和振动频率降低，使得第66页，本讲稿共101页与相邻原子上C-H键的共振：超共扼效应第67页，本讲稿共101页次级动力学同位素效应的实例对以下溶剂解反应：实验测定的kH/kD为1.0921，说明过渡态具有正碳离子特征，存在以下超共轭效应第68页，本讲
17、稿共101页第69页，本讲稿共101页下述两个作用物在60%乙醇中发生溶剂解反应时，动力学同位素效应的值不同，试给出合理的解释。kH/kD=1.14kH/kD=0.986第70页，本讲稿共101页解释前一化合物中，同位素取代的位置位于亚甲基碳上，CH(D)键的轨道与氯离去后形成的正碳离子的P轨道可以共平面，产生超共轭效应，因而动力学同位素效应明显，kH/kD值较大后一化合物中，同位素取代的位置位于桥头碳上，CH（D）键分子轨道与氯离去后形成的正碳离子的P轨道不能共平面，因而不能产生超共轭效应，-动力学同位素效应趋于1第71页，本讲稿共101页5.4 其它元素的动力学同位素效应用D或T取代H产生
18、的动力学同位素效应最为显著其它较重原子的同位素之间质量相差较小，产生的动力学同位素效应也较小（见下表）第72页，本讲稿共101页第73页，本讲稿共101页5.5 动力学同位素效应的实验测定*(选讲）（1）直接测定法直接测定法就是分别测定同位素取代前后的反应速率，然后计算动力学同位素效应通常情况下，速率测定的误差为2%5%，与氘主级动力学同位素效应本身的值相比较是比较小的第74页，本讲稿共101页测定时应尽量在同一时间，同一恒温浴中测定全氢物和氘取代物的反应速率，以减少反应条件的差别带来的误差第75页，本讲稿共101页如果测量的是反应物的消耗速率，应确保所研究的反应是体系中进行的唯一反应或能够准
19、确地测定所研究的反应对总反应的贡献 第76页，本讲稿共101页如果体系中同时进行着不存在动力学同位素效应的副反应，应注意：因为氘取代物的反应速率较氢取代物低，在氘取代物的情况下，副反应所占的比例会增加即使在氢取代物的情况下不存在副反应，也不能确保氘取代物不发生副反应因此，测定产物的生成速率更为可靠第77页，本讲稿共101页（2）分子内竞争法当分子中含有两个或多个等价活泼氢时，可用氘取代其中的一个氢，然后测定反应产物的同位素分布，就可计算出动力学同位素效应。这种方法称作分子内竞争法。例如第78页，本讲稿共101页第79页，本讲稿共101页如果反应物中H和D的原子数目不同，需进行修正，例如，以下亚
20、砜的热解：第80页，本讲稿共101页分子内竞争法的优点是使用同一反应物，可在任一时刻取样测定产物的组成，然后计算动力学同位素效应，对于快速反应的研究极为方便。第81页，本讲稿共101页应用分子内竞争法应注意：RCHDOH分子中碳上的H和D是否完全等价?反应物中氢和氘的位置必须是完全等价的第82页，本讲稿共101页在非手性环境下反应时是完全等价的。在手性环境下反应时就不是等价的，由此计算的kH/kD值就不正确第83页，本讲稿共101页以下分子中的氢和氘等价吗？本身的化学环境就是不一样的，反应速率的差别不完全是由动力学同位素效应引起的第84页，本讲稿共101页用分子内竞争法测定主级动力学同位素效应
21、，结果会包含次级动力学同位素效应的影响例如上述氧化硒的热消除反应，氘的存在必对kH产生-次级动力学同位素效应，但对kD却不存在次级动力学同位素效应因此，严格说来，分子内竞争法的结果与直接测定法的结果是有差别的第85页，本讲稿共101页（3）分子间竞争法将全氢化合物和其同位素取代化合物一同加入反应体系中，一定时间后取样，分离出产物或未反应的反应物，测定同位素的组成，计算出动力学同位素效应，称为分子间竞争法分子间竞争法常用于合成纯的同位素取代物有困难的场合第86页，本讲稿共101页应用实例以RR1CHCXR2R3的碱催化消除反应为例，E1，E2和E1CB几种不同的机理可分别表示如下 消除反应的不同
22、机理的区分第87页，本讲稿共101页E1第88页，本讲稿共101页E2第89页，本讲稿共101页E1CB第90页，本讲稿共101页E1:速率控制步骤应为离去基团的离去，不包含CH键的断裂，因而不存在主级动力学同位素效应，但可能存在次级动力学同位素效应E2:速率控制步骤包含CH键的断裂，可能存在主级动力学同位素效应E1CB:可细分为(EICB)r，(EICB)ip和(EICB)I第91页，本讲稿共101页(EICB)r表示活泼中间体负碳离子的生成反应是可逆的（），第二步是速率控制步骤，不存在主级动力学同位素效应第92页，本讲稿共101页(EICB)ip表示第一步生成的是紧密离子对，可能存在主级动
23、力学同位素效应第93页，本讲稿共101页(EICB)i表示第一步是不可逆过程（k2k1），可能存在主级动力学同位素效应仅凭动力学研究通常不能有效地区分这些机理。动力学同位素效应是区分这些机理的有效途径第94页，本讲稿共101页例：1-（2-氯-2-丙基）茚的消除生成1-亚丙基茚的机理第95页，本讲稿共101页研究H、D的动力学同位素效应发现以三乙胺和甲醇钠作碱时，kH/kD分别为8.4和7.1因而可以明确地排除经由EI和(E1CB)r机理的可能性，因为这两种机理的速率控制步骤不涉及CH（D）键的断裂第96页，本讲稿共101页测定该反应的35Cl和37Cl动力学同位素效应，以三乙胺和甲醇钠作碱时
24、，分别为1.0101和1.0086，接近35Cl、37Cl动力学同位素效应的理论最大值1.014因而认为反应是按E2机理进行的协同反应，而不是按其它两种（E1CB）机理进行反应第97页，本讲稿共101页习题7 7.1 Predict whether normal()or inverse()isotope effects will be observed for each reaction below.Explain.Indicate any reactions in which you would expect .The isotopically substituted hydrogens a
25、re marked with asterisks.第98页，本讲稿共101页第99页，本讲稿共101页7.2 Hydrolysis of ketene acetals takes place in acidic aqueous solution:On the basis of the following experimental results,postulate a mechanism which is consistent with all the data provided.Indicate the significance of each observation with respect to the mechanism you postulate.第100页，本讲稿共101页substrateCl2C=C(OCH3)248.072.27Cl2C=C(OEt)255.652.54Cl2C=C(OPr)262.762.59第101页，本讲稿共101页