有机化学反应机理的方法

第2章 研究有机化学反应机理的方法

学时数：3

通过本章的学习和讲解，使学员们了解到研究有机化学反应机理的一些主要方法，以便在以后的科研中灵活地加以应用。具体需要了解的内容有：

1．“结构与机理——von Richter反应”：主要介绍von Richter反应，使学员们了解历史上对此反应机理研究的艰难历程。应用唯物辩证的观点看待von Richter反应机理的提出过程：人类正是在实践、认识、再实践、再认识过程中，不断地修正错误、提出新的见解、并以一些事实加以验证，直至逐渐地向着真理接近。

2．“活泼中间体”：要求了解检测反应过程中的活泼中间体的重要作用，以及检测中间体的一些主要方法，根据反应过程中所形成的活泼中间体提出反应机理的重要意义。

3．“立体化学相关性”：要求了解在化学反应过程中立体化学特性为其机理研究提供的重要线索，并介绍检测立体化学的一些主要的仪器和方法。

4．“反应物和产物的构型联系”：要求了解如何把反应物的构型和产物的构型联系起来的方法，将这两种构型进行对比后，找出反应物与已知构型的产物之间的内在关系，从而确定反应物转化为产物的过程，最终确定反应机理。

5．“[1,5]H迁移机理的研究”：要求了解历史上研究[1, 5]H迁移反应所采用的手性方法和同位素标记方法结合使用的例子。

物理有机化学研究的主要对象是物质的结构和性能的关系，而这则需要借助于对反应物机理的研究。提出的反应动力学机理必须能够解释实验观察到的各种现象和事实，如反应动力学、分子轨道对称性、中间体和副产物的产生等。机理研究首先要求人们了解所研究对象的结构，如苯的硝化就不如甲苯快，而硝基苯的硝化则更差，这说明物质的结构对反应活性的影响是很大的，它们之间存在着极其密切的关系。正因为如此，要研究有机物质的反应活性，就必须已知其结构，但由于客观条件的限制，有时无法正确地确定结构；在研究反应机理时，由于检测和分离技术的限制，对一些中间体，特别是极其活泼的中间体，不能及时监测到；还由于人门认识上的局限性，提出的反应机理往往不够完善，甚至是错误的，但人类正是在这种不断地修正错误、提出新的见解、并以一些事实加以验证的过程中，才逐渐地向着真理接近的。 我们先来列举一些典型事例，说明人们对反应事实的认识过程。首先，看看从物质的结构来确认反应机理；第二，活泼中间体的确认过程；第三，立体化学相关性；第四，从反应物和产物的构型之间的联系来确认反应机理。

2.1 结构与机理——von Richter反应

1871年von Richter[f n 'rikt ]（冯·里克特）报道，硝基苯在高温下，于乙醇水溶液中与氰化钾反应得到苯甲酸和亚硝酸钾。

NO2

+KNO2

他进一步研究发现，对位取代硝基苯以5~50%产率生成间位取代苯甲酸，同时还有一定量的“酸性焦油”。

2

3

3

+KNO2

直到1953年后，J. F. Bunnett（布纳特）等人[1]才第一个提出了该反应的假设！他们认为氰离子在反应中扮演了双重角色，即先作为亲核试剂对硝基苯进行加成反应，然后再作为碱试剂使亚硝基发生消除反应。

NO2_H

CN

-

CN

COOH

图2-1 经历芳香腈中间体的von Richter反应机理

根据上述机理可以预测，如果反应在D2O/EtOD中进行时，会有一个D进入羧基的邻位上，事实确实如此。

1956年，Bunnett等[2]又发现2-硝基萘与KCN在回流着的乙醇/水中生成1-萘甲酸。

NO2

-

但1-氰基萘和1-萘甲酰胺在同样的条件下却不发生水解反应，这至少提示我们，1-氰基萘和1-萘甲酰胺都不是von Richter反应的中间体。

间-氯氰基苯在同样的条件下至多水解至酰胺，而不会水解到苯甲酸，这进一步说明，氰基苯也不是von Richter反应的中间体。

于是，Bunnett等修订了他们以前设想的机理，提出了下列反应机理：

NH

3

O

COOH

2

图2-2 不经历芳香腈或酰胺的von Richter反应机理

Samuel[3]（塞缪尔）于1960年证实von Richter产物的羧酸中，一个氧来自水，一个氧来自

硝基，上面的机理与此相符合。

[1] J.F.Bunnett，M. M. Rauhut，D. Knutson and G. E. Bussell，J. Am. Chem., 1954，76，5755～. [2] J.F.Bunnett and M. M. Rauhut，J. Org. Chem., 1956，21，944～ [3] D. Samuel，Chem. Ind(London)，1960，1318～

在Samuel进行其实验的同一年中，Rosenblum[4]（罗森布拉）重读了von Richter的原始论文，发现所报道的亚硝酸根离子的生成是从计量学“推导”出来的，并没有真正地用实验加以证明。当Rosenblum对对-氯硝基苯的von Richter反应中的NO2-进行定量时，他发现若按所产生的间-氯苯甲酸的产率计算则低3%。实际上，他发现的是氮气，其生成量基本上与间-氯苯甲酸的量相当。Rosenblum进行的亚硝基氮的标记实验表明，生成的N2，一个来自于亚硝基，一个来自于氰根。但Rosenblum把15NH3加入到正在进行的反应中，发现所产生的N2都是

14

N

14

N。因此，N2并不是由NO2-和NH3反应产生的。这表明，N2的生成必然是在反应过

程中发生的。

通过以上研究，Rosenblum提出了如下机理：

N

O

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