讨论分子和活性中间体的内能和反应活性的有关理论专题有机.docx

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讨论分子和活性中间体的内能和反应活性的有关理论专题有机

讨论分子和活性中间体的内能和反应活性的有关理论

专题三、有机化学反应

主要认识有机化学反应的特殊性及其相关的理论

有机化学反应的特殊性：

反应速度慢、副反应和副产物多—原因是：

分子体积大，活性中心多。

一、过渡态理论

过渡态理论从能量角度讨论反应过程，在能量变化上，化学反应类似于“爬山运动”—能量变化曲线：

1、能量曲线剖面图：

以能量E为纵轴，以反应进程为横轴，描述反应体系能量变化的曲线—能量曲线刨面图。

共价键的断裂和生成同步共价键的断裂和生成不同步

能量上有利能量上不利

有立体专一性需要无立体专一性需要

2、过渡态理论涉及的重要概念：

①过渡态：

曲线上的极大值（峰），反应进程中的动态点，寿命为零

（半衰期T1/2＝0），不可观测，是一种理论假设。

②中间体：

曲线上的极小值（谷），反应进程中的中间站,寿命大于零（半衰期T1/2>0），是真实存在的粒子，可以观测，其中比较稳定的甚至可以分离。

有机反应常见的中间体有：

、自由基、碳正离子、碳负离子、卡宾、苯炔等。

③能垒△E和反应速度V的关系：

对于协同式反应，△E是过渡态与反应物之间的能量差，△E越大，反应速度越慢（或者说反应的活性越小），反之△E越小，反应速度越快（反应活性越大）。

对于非协同式反应，由于反应分步进行，所以有两个过渡态、两个能垒。

第一过渡态与反应物之间的能量差为第一能垒△E1，第二过渡态与中间体之间的能量差为第二能垒△E2，当△E1>△E2时，第一步反应为慢反应，整个反应的反应速度取决于第一步；当△E1＜△E2时，第二步反应为慢反应，整个反应的反应速度取决于第二步。

利用同位素效应可以确定慢反应步骤，如：

C-D键断裂需要的能量比C-H键大，反映在速度上关系为2:

3。

例如：

C6D6硝化速度与C6H6相同，而C6D6的磺化速度却只有C6H6的2/3。

怎样认识这种差别呢？

这是因为硝化和磺化都是苯环上的亲电取代反应，其基本反应历程可以表示如下：

反应分两步进行，C-H或C-D键的断裂发生在第2步。

如果对于硝化，第

（1）步慢，整个反应的速度取决于第

（1）步，而在这一步中，并不涉及C-H或C-D键的断裂，所以苯和氘代苯的硝化速度相同，不表现出同位素效应；而表现出同位素效应的磺化反应，第

（2）步为慢反应，整个反应速度取决于第

（2）步，而这一步涉及到C-H或C-D键的断裂，所以必定表现出同位素效应。

④热焓△H与反应的热效应

热焓：

产物与反应物之间的能量差称为热焓：

E产物-E反应物=△H

吸热反应：

△H为正值；放热反应：

△H为负值。

⑤反应分子数和反应级数

反应的分子数：

属于反应机理的范畴，是指在决定反应速度的慢反应一步中，组成过渡态的分子个数，它只能是整数。

目前,只发现有单分子反应

（1）和双分子反应

（2）两种模式，更高分子数的反应从几率上考虑是不可能的。

设想：

3个或更多个分子在空间某一点、同时碰撞在适当的位置（包括分子的活性中心和空间方向等），在几率上可以认为等于零。

反应的级数：

属动力学的范畴，是指在反应速率的方程式中，各物种浓度方次之和。

虽然理论上也有反应级数的概念，但其实际意义并不大；在实践中，反应级数主要是通过实验去测定，根据实验的具体情况（物料浓度的比例，反应条件和测定的准确性等），它既可能是整数，也可能是分数或小数。

⑥哈蒙德假设（HammondPostulate）

哈蒙德假设是针对过渡态理论的一个重要概念。

由于反应的过渡态是一种理论上的假设，不可能观测，所以过渡态的几何形状是“不可知的”。

由于过渡态的“不可知

性”，导致能垒△E的不可测性（不能直接测量，当然可以通过平衡常数间接获得—见热力学第二定律）。

为了了解过渡态的几何状态和能量高低，Hammond提出，在反应过程中，体系（分子、离子或过渡态）的几何状态与其能量具有平行关系，或者说，在反应过程中，过渡态的几何状态与能量接近的粒子（包括反应物、产物、中间体）相似；哈蒙德假设为我们提供了一个考虑过渡态的几何状态和能量高低的方法和途径。

这里可以分为两种情况：

⑴对于协同式反应，过渡态的几何结构介于反应物和产物双方之间，与能量较接近的一方更相似。

因此，在吸热反应中，过渡态与反应物物相似，在放热反应中，过渡态与产物相似。

⑵对于非协同式反应，过渡态在能量上更接近于中间体，因此过渡态在几何结构上与中间体相似。

因此，我们可以认为：

过渡态与中间体具有平行关系。

即：

中间体的能量越低（越稳定），过渡态的能量也越低，相应的反应的能垒△E就越小，反应速度越快（反应活性越大）。

对于非协同反应，通过中间体的内能来比较反应的活性，是讨论化学问题常用的方法。

哈蒙德假设提出之后，探索和研究反应的中间体成为反应理论研究的一种重要手段和领域，至今仍然十分活跃。

如：

由于中间体

（2）的内能较低，所以对应的过渡态内能较低，相应的能垒较小，反应速度较快，经过中间体

（2）生产的产物

（2）较多，所以反应的主要产物为产物

（2）—马可夫尼科夫规则。

⑦微观可逆性和宏观可逆性

从微观上说，任何反应都是可逆反应，而且正反应和逆反应的途径相同，能量曲线完全一样。

但在宏观上，只有正、逆反应的能垒差别（△E正-△E逆）小到一定程度，反应成为宏观不可逆反应。

当然，由于沉淀、气体和其它因素导致一种或几种产物脱离反应体系，使逆反应失去发生的条件，则是另一种情况（平衡移动原理）。

⑧反应的动力学控制和热力学控制—动力学产物和热力学产物

应当记住：

①首先动力学控制和热力学控制只适用于宏观可逆反应；

②在多数情况下，动力学和热力学的结果相同（能量曲线平行），显然不需要、也不可能进行“控制”；只有动力学和热力学两种因素的结果相反时（能量曲线交叉），对反应的动力学控制和热力学控制才有实际意义。

能量曲线平行能量曲线交叉

例如：

二、反应机理

反应机理从电子转移角度有机反应过程，更容易离解反应的本质。

1、反应机理的分类：

（1）按产物与反应物之间的关系分为四类

取代反应：

分子中的某个原子或原子团被其它原子或原子团取代。

加成反应：

分子中的键断裂，两侧各加上一个原子或原子团。

消除反应：

相邻原子上各去掉一个原子或原子团生成键。

重排反应：

分子碳干发生改变的反应。

（2）按共价键的断裂方式分为三类：

均裂属自由基（游离基）反应，如果存在中间体，中间体必定是自由基。

异裂属离子型反应，如果存在中间体，中间体必定是离子。

离子型反应分为：

亲电反应：

反应物提供电子，试剂接受电子；

亲核反应：

试剂提供电子，反应物接受电子。

2、基本反应机理的种类：

结合以上两种分类方式，可以把基本有机反应机理分为12种。

它们是：

自由基取代、自由基加成、自由基消除、自由基重排

亲电取代、亲电加成、亲电消除、亲电重排

亲核取代、亲核加成、亲核消除、亲核重排

其中比较重要并常见的有8种，它们是：

自由基取代（烷烃）、自由基加成（烯烃）、亲电取代（芳烃）、亲电加成（烯烃）、亲核取代（卤代烃、醇、酯）、亲核加成（醛酮）、亲核消除（卤代烃、醇）、亲核重排（大部分著名的重排反应）。

三、影响物种内能和反应活性的因素：

电子效应和空间效应

1、电子效应

⑴诱导效应（±I）：

诱导效应基于原子的电负性，它影响物种（分子、离子、自由基、过渡态等）的内能和电子云密度的分布，从而也影响反应活性和选择性。

如：

电子云密度：

<1＝1>1

硝化反应相对速度：

<1＝1>1

取代基的性质：

吸电子基（-I）供电子基（+I）

诱导效应对物种和反应的影响规律如下：

⑴+I可以增大体系的电子云密度，从而有利于亲电反应，不利于亲核反应；

⑵+I可以分散体系的正电荷，使正离子的内能降低，相反，+I可以使体系的负电核更加集中，导致负离子内能升高。

⑶-I的效应完全与+I相反。

例如：

1、烯烃的亲电取代反应活性：

四取代乙烯＞三取代乙烯＞二取代乙烯＞一取代乙烯

＞乙烯＞氯乙烯＞二氯乙烯＞三氯乙烯＞四氯乙烯

2、C=O（醛酮）的亲核加成反应活性：

CO（Cl）2>HCHO>RCHO>RCOR

3、碳正离子的内能：

叔＜仲＜伯＜甲基＜一氯甲基＜二氯甲基＜三氯甲基

4、碳负离子的内能与酸性:

CH4CH3CH3（CH3）CH2（CH3）3CH

pka404245/

HCOOHCH3COOH（CH3）2CHCOOH（CH3）3CCOOH

pka3.754.764.865.05

CH3COOHCH2ClCOOHCHCl2COOHCCl3COOH

pka4.762.811.290.08

负离子的内能：

甲基<伯<仲<叔

三氯乙酸根<二氯乙酸根<氯乙酸根

5、电子云密度与碱性:

碱性气相：

（CH3）3N>（CH3）2NH>CH3NH2>NH3>C6H5NH2电子效应（-I）

液相：

（CH3）2NH>CH3NH2>（CH3）3N>NH3>C6H5NH2溶剂化效应

2、共轭效应（±C）

凡是共轭体系，都具有共轭效应。

因此识别共轭体系，是掌握共轭效应的首要任务。

共轭体系分为-和p-共轭体系两种：

-单双交替：

C=C-C=C、C=C-C=O、C=C-C=N…

p-大键mn：

缺电子nmC=C-CorC=C-Z

共轭效应：

凡是共轭体系，都存在共轭效应。

共轭效应体现在以下几个方面：

（1）内能下降，而且共轭体系越大，内能下降得越多。

理论上讲，无限大的共轭体系，内能下降得最多。

无限大的链状共轭体系是不存在的，但闭合的共轭体系（无头无尾，如苯环），相当于无限大的共轭体系，内能下降的最大，所以苯的共振能高达150.4kJ/mol。

共轭效应导致内能下降，对制约反应方向起到关键作用，从热力学上可以预测到：

如果一个反应途径可以导致生成共轭体系，那么这个途径肯定生成主要产物（平衡体系、热力学产物），如消除反应的共轭优先规则。

主次

不符合查依采夫规则符合查氏规则

当然，共轭效应对判断体系（包括分子、中间体、过渡态）的内能高低、稳定性大小，总是起着主导作用。

内能低中高

稳定性大中低

（2）平均化：

共轭体系的电子云密度和键长发生平均化，而且共轭体系越大，平均化程度越大。

从理论上预测，无限大的共轭体系必然发生绝对平均化。

如苯分子：

电子云和键长都完全平均化—平面正六边形。

平均化导致共轭体系中电子云密度的变化，变化就有方向问题，共轭效应的正负（C）则表明电子云密度变化的方向。

OH对于苯环为+CCH2+对于苯环为-C

苯环对于OH为-C苯环对于CH2+为+C

（3）或p电子的活性增大：

共轭体系导致电子的运动范围扩大，受原子核的束缚力减小，因此容易发生转移（另一种说法：

电子云容易变形），导致化学活性增大。

3、超共轭效应

超共轭效应的起因：

为什么？

需要从理论上做出解释—提出了超共轭效应这种假设或理论。

超共轭效应认为：

超共轭效应的特点：

（1）是一种非平行重迭形成的电子离域作用，由于轨道之间重迭程度很小，所以与共轭效应相比，它属于弱电子效应，但它对体系的影响仍然强于诱导效应。

因此，三种电子效应的强度：

共轭>超共轭>诱导。

（2）由于C-C可以自由转动，所以只有当C-H键转到与P轨道共平面时，才能实现瞬间的重迭。

因此可以想到：

相邻的C-H键越多，C-C单键转动时，重迭的几率越大，超共轭效应越强，也就是说：

超共轭效应越强与相邻的C-H键数目成正比。

（3）超共轭效应体现的方式与共轭效应相似，只是影响程度较小而已。

超共轭效应的应用：

碳正离子和碳自由基的内能：

注意：

①共轭>超共轭>诱导；②烷基越大,+I效应越强!

下列是常见的碳正离子：

它们的内能从低到高排列顺序如下：

15<14<13<12<11<10<9<5<7<3<6<4<8<2<1

影响自由基的因素于碳正离子相同，所以自由基的内能顺序与上述相同。

（4）碳负离子：

烷基碳负离子：

中心碳SP3杂化，不存在共轭和超共轭效应，只有诱导效应对其内能产生影响：

+I导致内能上升，-I导致内能下降：

-碳负离子：

C=C－C–和O=C－C-，中心碳SP2杂化，存在共轭、超共轭效应，诱导效应则成为次要因素。

2、空间效应

⑴空间效应和分子的内能

任何空间上的拥挤，都会导致分子的内能升高。

要特别注意：

原子和原子团之间的排斥作用，来源于它们周围运动的电子之间的斥力，因此原子和原子团的空间体积，远远大于我们的想象。

①同面同向原则：

1,3-斥力

存在斥力存在斥力没有斥力

②同面、相邻、同侧、较大原则：

③苯环上两个间位取代基对中间位置有空间屏蔽作用

④叔丁基的巨大空间效应

在苯环上可以屏蔽邻位，在六元环上只能占据平伏键—冻结构象

⑵空间效应对反应的影响

空间宽敞的方向有利于分子相互接近，形成能量较低的过渡态，生成主要产物；相反，空间拥挤的方向阻碍分子的相互接近，形成的过渡态能量较高，只能生成次要产物。

一般情况下，反应的选择性是空间效应的结果。

尤其当反应中心周围的原子或原子团较大，或者试剂的体积较大时，空间效应表现得更加明显。

例如：

应当注意，空间效应对反应方向或选择性的影响，发生在形成过渡态之前，而不是体现在中间体或产物上，所以在很多情况下，空间效应可能导致生成内能比较高的产物。

如：

顺式（a、e）：

内能较高反式（e、e）内能较低

在合成中如果能巧妙地利用空间效应，可以从根本上改变反应收率，甚至改变反应产物的主次关系。

如：

-甲基环己酮直接甲基化，选择性很差，生成多种产物的混合物，没有合成价值：

利用体积较大的环状仲胺导入空间效应，则可以得到90%的,’-二甲基环己酮：

专题四、重要的有机化合物

结构、性质和应用

有机化合物的性质包括：

物理性质、化学性质、波谱性质、生物学性质等，其中最重要的是化学性质。

有机化合物的化学性质可以分为通性和特性；通性与是由官能团所决定的性质，而特性则与分子整体相关；学习通性要与官能团相联系，特性则主要靠记忆。

一、烷烃：

烷烃只有C-C和C-H，它的反应涉及这两种单键的断裂。

主要反应有：

燃烧、卤代和热解

1、燃烧：

C-C和C-H键都涉及（要求配平!

）

2、卤代：

只涉及C-H单键

3、热解：

4、烷烃卤代反应机理：

自由基取代（SR）

链引发：

自由基从无到有，浓度从小到大，当自由基的浓度增大到一定程度，反应进入链增长阶段。

链增长：

自由基浓度不变，RX和HX浓度增大，RH和X2浓度减小，当RH和X2的浓度减小到一定程度时，反应进入链终止阶段。

链终止：

自由基的浓度通过双基歧化和双基结合迅速降低，当自由基的浓度下降到一定程度时，反应停止。

自由基反应的引发方式：

物理引发：

加热、光照、辐射、激光、超声波等。

化学引发：

引发剂—受热容易生成自由基的化学物质，常用的引发剂有：

过氧化二苯

甲酰、偶氮二异丁腈。

⑵影响反应活性的因素：

卤素：

（F）＞Cl＞Br＞（I）

RH：

-H＞叔-H＞仲-H＞伯-H＞CH4

131681216001

0.17%0.34%9.15%90.34%

（3）特点：

易多卤代，难以获得一卤代产物；

副产物多，不易控制

（4）一卤代试剂与-一卤代反应：

-一溴代试剂：

NBS/CCl4

-一氯代试剂：

（CH3）3C-OCl/CCl4

（5）烷烃碘代反应可逆性，可以用于醇的还原：

练习：

完成下列反应式

a-

二、烯烃：

结构和性质：