第二部分有机化学反应全面了解有机化合物的化学性质
z掌握基本反应类型
z掌握基本反应历程
z全面认识反应活性、选择性、立体化学规律
z设计简单的合成路线
z掌握重要化合物的鉴别反应第七章有机化学反应的基本问题
Understanding Organic Reaction
本章的主要内容一,热力学 Thermodynamics与反应方向二,动力学 Kinetics与反应活性、选择性三,反应机制 Reaction Mechanism
四,反应活泼中间体 Active Intermediates
五,有机反应机制的研究方法
Reaction Coordinate Diagrams
反应坐标图或反应势能变化图
—— describs the energy changes in
total reaction progress
A — B + C
A + B — C
Thermodynamics
z Question:
① In what direction does the reaction
proceed?
② Does the reaction release or absorb
heat?
③ How are the amounts of reactant
and product at equilibrium?
Thermodynamics
z The field of chemistry that describes the
properties of a system at equilibrium is
called thermodynamics (热力学 )
z 热力学第一定律：能量守衡与转化定律
——能 量 可 以从一种形式转化成另一种形式，在转化过程中，能量总值不变
z 热力学第二定律：自发过程的不可逆性
——不 可 能 从单一热源吸热，使之全部转化为功，
而不引起其他变化
z 热力学第三定律：熵变的计算
Thermodynamics
z 热力学状态函数
z ——内能 U，体系各种能量的总和，绝对值不可知
z ——熵 S，体系无序程度，有规定熵
z ——吉布斯自由能 G
z ——亥姆霍兹自由能 A
z ——焓 H
z 分析研究这些状态函数的变化值不具有明确的物理意义，但是对于处理体系的热力学问题很有帮助
Thermodynamics
——几个基本概念和重要的关系式
z For the generalized reaction:
z we have
z K
eq
—— equilibrium constant
aA + bB
c C + d D
K
eq
=
[Products]
[Reactants]
=
[ C ]
c
[ D ]
d
[ A ]
a
[ B ]
b
Thermodynamics
z Free Energy ——自由能
z △ G
0
—— Gibbs standard free energy
change,thermodynamic parameters,是等温等压条件下判断反应变化方向的热力学状态函数
z △ G
0
= (free energy of the products)
– (free energy of the reactants)
△ G
0
= - RTlnK
eq
z When △ G
0
is negative,the reaction is
exergonic （放能的）,has a favorable
equilibrium constant,and can occur
spontaneously,When △ G
0
is positive,the
reaction is endergonic （吸能的）,has an
unfavorable equilibrium constant,and cannot
occur spontaneously.
Thermodynamics
z放能不等于放热，同样，吸能也不等于吸热
——因为体系与环境间还可以有功的交换
（等压过程的膨胀与收缩）
Thermodynamics
reactants
products
reactants
products
G
G
progress of the reaction progress of the reaction
F
r
e
e
e
n
e
r
g
y
an exergonic reaction 放能反应
an endergonic reaction 吸能反应
Keq > 1 Keq < 1
G is negative
G is possitive
——通过热力学研究与计算，可以知道反应的终态和始态的能量变化情况，知晓反应平衡的移动方向，判断反应能否进行。 △ G
0
= - RTlnK
eq
Thermodynamics
z △ H
0
—— Enthalpy change （焓变）
z Enthalpy is the heat given off or the heat
consumed during the course of a reaction.
z △ H
0
= (energy of the bonds being broken)
– (energy of the bonds being formed)
z When △ H
0
is negative,the reaction releases
heat and is exothermic（放热的）,When △ H
0
is positive,the reaction absorbs heat and is
enderthermic（吸热的）,
Thermodynamics
z △ S
0
—— Entropy change （熵变）
z Entropy is the degree of disorder
z △ S
0
= (freedom of motion of products)
– (freedom of motion of reactants)
z When △ S
0
is negative,disorder decreases;
when △ S
0
is positive,disorder increases.
系统总是自动向是混乱度增加的方向变化
Thermodynamics
△ G = △ H - T△ S
Standard conditions (标准状态 )
——1M,25℃,100 kPa下
（标准状况或条件,1M,25℃,1 atm = 101.325
kPa）
△ G
0
= △ H
0
- T△ S
0
当反应过程中熵变较小时，可以用焓变的情况粗略判断反应进行的方向与平衡移动
Thermodynamics
z△ H
0
can be calculated from bond
dissociation energy
z Bond Dissociation Energy (DH
0
)
（键的裂解能或离解能）
—— defined as the amount of energy
required to break a given bond to produce
two radical fragments when the molecule
is in gas phase at 25℃,
A:B A? +?B
Thermodynamics
Δ H
0
= 断裂键的离解能之和 － 新生成键的离解能之和
H
H
H
H
HBr
CC
H
H
H
H
H
Br
+
bonds being broken
bonds being formed
π bond of ethene DH
0
= 256 kJ mol
-1
HBr
DH
0
= 366 kJ mol
-1
CH
CBr
DH
0
= 423 kJ mol
-1
DH
0
= 289 kJ mol
-1
DH
0
total
= 622 kJ mol
-1
DH
0
total
= 712 kJ mol
-1
H
0
for the reaction = 622 kJmol
-1
- 712 kJmol
-1
=-90kJmol
-1
Thermodynamics
z已知键的裂解能，焓变是可以计算的
z但是熵变较难计算
z如果熵变不大，气相反应可通 过焓变粗略估计反应在能量上是否有利
z另一个困难是多数有机反应在 溶液中进行，
存在溶剂化作用，增加了计算难度
Thermodynamics
热力学能告诉我们反应是否能进行，却不能预计反应的速度如何？也不能告诉我们反应具体进程是怎样
reactants
products
reactants
products
G
G
progress of the reaction
progress of the reaction
F
r
e
e
e
n
e
r
g
y
an exergonic reaction 放能反应
an endergonic reaction 吸能反应
Keq > 1 Keq < 1
G is negative
G is possitive
的？
Kinetics
Questions:
z How fast the reaction occurs?
z How about the energy barrier of the
reaction?
z How about the progress of the
reaction?
Kinetics
z Kinetics （动力学） is the field of
chemistry that describes the rates of
chemical reactions and the factors
that affect those rates.
z —— reaction rate and affecting
facters,reaction progress
(反应速率及影响因素，反应进程等 )
Kinetics
1,Rate and order of the reaction
—— usually,the rate of a reaction depends on
the concentration of reactants
对于反应式,A + B + C + D +…… → E + F +……
可以测定各反应物浓度对反应速率的影响，从而得出：
v = k[A]
a
[B]
b
[C]
c
[D]
d
……
—— k is the rate constant,The smaller the rate
constant,the slower the reaction.
——order of the reaction,n=a+b+c+d+…
Kinetics
1,Rate and order of the reaction
—— 零级反应,n=0 催化剂表面进行的反应
—— 一级反应,n=1 常常为多步反应，而单分子反应可能是关键步骤，如S
N
1反应，首先是卤代烃先裂解为碳正离子
—— 二级反应,n=2 双分子反应可能是关键步骤如S
N
2反应，需要在亲核试剂的进攻下卤代烃经过一步反应生成产物
C
H
3
CH
2
C
H
CH
3
HO-
Br
CBrHO
H
CH
3
CH
2
CH
3
C
H
3
CH
2
C
HO
H
CH
3
C
CH
3
CH
3
H
3
C Br
慢
Br
CH
3
C
CH
3
CH
3
快
O H
2
C
CH
3
H
3
C
CH
3
O
H
H
H
3
O
H
2
O
C
CH
3
H
3
C
CH
3
OH
v = k[RBr]
v = k[RBr] [
-
OH]
Kinetics
2、反应历程与基元反应总的反应方程式反映的是反应总的结果，事实上，一个反应可能经过若干个步骤如,C=C双键与氯化氢的加成经过了两步反应
CC
H
H
H
H
+ HCl
CC
H
H
H
H
HCl
CC
H
H
H
H
H
CC
H
H
H
H
H
Cl
-
Cl
Cl
-
CC
H
H
H
H
HCl
总反应基元反应 1
基元反应 2
基元反应一定是协同反应总反应速率主要由速率最慢的一步决定
Kinetics
3、碰撞理论：Arrhenius速率公式：
v = P Z e
- Ea /RT
Z - 碰撞频率,P - 取向概率
R - 气体常数,T - 热力学温度
Ea – 反应的活化能
（ v = k[A]
a
[B]
b
[C]
c
[D]
d
……）
Kinetics
z Ea (activation energy)
——活化能
—— indicate the energy barrier,the
greater the energy barrier (Ea),the
slower the reaction rate
reactants
products
progress of the reaction
F
r
e
e
e
n
e
r
g
y
H
0
transition state
Ea
Kinetics
4、Transition state (过渡态）theory
— represents the highest-energy state
involved in the reaction,
— bonds in the transition state are
partially broken and formed.
— is unstable and cannot be isolated,
but we can imagine it.
Kinetics
4、Transition state (过渡态）theory
H
2
O C
H
Br
H
H
+ C
H
Br
H
H
C
H
H
H
H
2
O
H
2
O
反应物活化络合物生成物
reactants
products
progress of the reaction
F
r
e
e
e
n
e
r
g
y
H
0
transition state
Ea
Kinetics
5、Hammond G S假说
——“在简单的一步反应（ 基元反应 ）
中，该步过渡态的结构、能量与更接近的那边的类似”
—— 即,放热的基元反应，过渡态的结构和能量与反应物接近，而在吸热反应中，过渡态的结构和能量与产物接近。
Kinetics
5、Hammond G S假说（基元反应）
过渡态的结构和能量与反应物接近过渡态的结构和能量与产物接近热力学控制与动力学控制
z △ G
0
relates to the equilibrium constants of
the reaction
z E
a
relates to the rate of the reaction
势能反应进程反应物产物1
产物2
Ea1 < Ea2，产物1是动力学控制产物
低温有利
△G
1
0
> △G
2
0
,产物2是热力学控制产物
高温有利
Ea1
Ea2
△G
1
0
△G
2
0
反应物产物1
产物2
or
Reaction Mechanisms
z A mechanism （机理，或历程）
describes in detail exactly what takes
place at each stage of a chemical
transformation,
z It describes which bonds are broken
and in what order,which bonds are
formed and in what order,and what
the relative rates of the steps are,
Reaction Mechanisms
zA complete mechanism must
also account for all reactant
used,all products formed,and
the amount of each.
Reaction Mechanisms
z In the description of a reaction
mechanism,the movement of one
electron is indicated using a half-
headed or,fishhook” curved arrow,
and the movement of one pair of
electrons is indicated using a full-
headed curved arrow
Thermodynamics
反应始态和终态的能量变化反应平衡常数与吉布斯自由能变化反应中的焓变与键的离解能
Kinetics
反应速率与浓度的关系、反应级数碰撞理论、过渡态理论和 Hammond G S假说热力学控制与动力学控制
Reaction Mechanisms
反应的具体步骤：键的断裂顺序和连接顺序每步反应中的能量变化以及反应速率反应立体化学
Reaction Mechanisms
烷烃自由基卤代反应
z 有关烷烃氯代反应的实验事实
1,黑暗中混合烷烃与氯气不发生反应，光照或高温下反应剧烈进行，难以控制
2,每吸收一个光子，可以产生几千个氯甲烷分子
3,氧气或某些自由基捕获剂存在下反应出现一段诱导期，诱导期长短取决于杂质的多少
4,多种产物：一氯代，二氯代 …...
+ Cl - Cl
Light
+ CH
3
Cl + CH
2
Cl
2
+ CHCl
3
+ CCl
4
CH
3
CH
3
+ CH
2
ClCH
2
Cl +,......
H - Cl
CH
4
Reaction Mechanisms
烷烃自由基卤代反应
1,链引发,Cl Cl
或高温
2Cl
2,链增长:
(1)
Cl
+
HCH
3
CH
3
+
HCl
CH
3
+Cl Cl ClCH
3
Cl+
(2)
Cl + ClCH
3
CH
2
Cl + HCl
CH
2
Cl +
Cl
2
ClCH
2
Cl
+
Cl
3,链终止:
Cl +
CH
3
ClCH
3
+Cl
2
H
3
CH
3
Cl
Cl
CH
3
CH
3
H
θ
=+242kJ
.
mol
-1
H
θ
=+7kJ
.
mol
-1
H
θ
= -108kJ
.
mol
-1
hυ
...,..
...,..
Reaction Mechanisms
烷烃自由基卤代反应
z Reaction Diagram ( propagation steps )
z两个过渡态都与反应的活泼中间体结构相近，能量相近，因此，分析 活泼中间体的结构与能量就十分必要了
Active Intermediates
活泼中间体
z 有机反应从反应机制可分为：
一步反应，即协同反应。 如,D-A反应,S
N
2 反应两（或多）步反应，反应存在活泼中间体
z Types of Bonding Breaking
—— Homolytic bond breaking ( radical )
—— Heterolytic bond breaking ( polar )
A,B
A
+
B
A,B
A
+
B
Active Intermediates
活泼中间体
z活泼中间体
Radicals（碳自由基,C?）,如烷烃的卤代
Carbocations（碳正离子,C+）,如烯烃的加成
Carbanions（碳负离子,C-）,如羰基的加成
Carbenes(卡宾,C:),如某些消去反应
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
1,Carbocations and Radicals
(碳正离子和自由基）
—— sp
2
-hybridized
—— three sigma-bond
—— radical,one electron in p orbital
—— carbocation,a vacant p orbital
Radical C
Carbocation C
+
empty p-orbital
one electron
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
1,Carbocations and Radicals
—— For both carbocations and radicals,the
observed order of stability is：
3
0
> 2
0
> 1
0
>
+
CH
3
( or
.
CH
3
)
—— Hyperconjugation（超共轭作用）
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
1,Carbocations and Radicals
—— 烯丙型自由基和碳正离子的结构
—— 共轭效应 (Conjugation ),稳定
C
C
+
+
1,Carbocations and Radicals
z 碳正离子的稳定性
3
0
苄基型 >3
0
烯丙型 > 2
0
苄基型 >2
0
烯丙型
> 3
0
> 2
0
~ 1
0
苄基型 ~1
0
烯丙型 > 1
0
>
+
CH
3
z 碳自由基的稳定性
3
0
苄基型 >3
0
烯丙型 > 2
0
苄基型 >2
0
烯丙型
>1
0
苄基型 ~1
0
烯丙型 > 3
0
> 2
0
> 1
0
>
.
CH
3
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
2,Carbanions（碳负离子）
—— Like a carbocation or a
radical,a carbanion has three
sigma-bond,but it also bears
unshared electron pair,
—— a simple carbanion is
pyramidal,( sp
3
-hybridized )
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
2,Carbanions
—— When the carbanionic carbon is
adjacent to a pi-system,sp
2
-hybridization
is preferred so that the negative charge can
be distributed by resonance throughout the
p orital array.
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
2,Carbanions
—— With three sigma-bond and a lone
pair electrons,a carbanion is
electronically similar to an amine,the
carbanion and the amine are therefore
said to be isoelectronic (等电子体 )
作业：什么是药物设计中的电子等排原理？
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
3,Carbenes (卡宾,碳烯 )
—— another class of neutral reactive
intermediates
—— highly electron-deficient (未充满）
singlet carbene (单线态卡宾 )
triplet carbene (三线态卡宾 )
——Carbene
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
3.1 Singlet carbene (单线态卡宾 )
—— sp
2
-hybridized
—— two sigma-bond,a vacant p-orbital
—— the electron pair in sp
2
-hybrid orbital
—— 具有亲电和亲核双重反应性容易与缺电子基团反应容易与富电子基团反应
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
3.2 Triplet carbene (三线态卡宾 )
—— sp
2
- or sp-hybridized
—— two sigma-bond
—— one electron in each p orbital
or one in the sp
2
-hybrid orbital
and another in the p orbital
—— have radical-like reactivity
Active Intermediates
Radical C
Carbocation C
+
+ +
+
Carbanion C
-
Singlet
Carbene
Triplet
有机反应的活性与选择性有关烷烃氯代反应的实验事实
2Cl
2
CH
3
CH
2
CH
2
Cl CH
3
CH(Cl)CH
3
2Cl
2
(CH
3
)
2
CHCH
2
Cl (CH
3
)
3
CCl
2Br
2
CH
3
CH
2
CH
2
Br CH
3
CH(Br)CH
3
2Br
2
(CH
3
)
2
CHCH
2
Br (CH
3
)
3
CBr
Chlorination（氯代）:
2CH
3
CH
2
CH
3
+
light,25
0
C
++ 2HCl
45%
55%
2(CH
3
)
3
CH
+
light,25
0
C
+
+ 2HCl
64%
36%
1
0
H,2
0
H,3
0
H = 1,3.5,5
Bromination（溴代）：
2CH
3
CH
2
CH
3
+
light,127
0
C
++ 2HBr
3%
97%
2(CH
3
)
3
CH
+
light,127
0
C
+
+ 2HBr
little
>99%
1
0
H,2
0
H,3
0
H = 1,82,1600
有机反应的活性与选择性
1,反应活性 — 直接与反应的活化能有关
—— the greater the E
a
,the lower the reactivity
自由基反应的关键步骤在于链增长有机反应的活性与选择性
2,反应选择性 — 由反应活性的不同引起化学选择性 — 同一分子内的不同官能团在不同的条件下发生反应的不同区域选择性 — 同一分子内的不同部位的同类官能团的选择 （ eg,1
0
H,2
0
H,3
0
H）
立体选择性 — 反应后产生不同立体构型有机反应的活性与选择性
z不同试剂活性与选择性的比较烷烃卤代反应中的卤素反应活性,Cl > Br
但是选择性,Br > Cl
Chlorination（氯代）,1
0
H,2
0
H,3
0
H = 1,3.5,5
Bromination（溴代）,1
0
H,2
0
H,3
0
H = 1,82,1600
为什么反应活性高的反应，选择性较低？
有机反应的活性与选择性
z Explanation
CH
3
CH
2
CH
3
Cl
CH
3
CH
2
CH
2
+ HCl
+
CH
3
CH
2
CH
3
+
Cl
CH
3
CHCH
3
+HCl
CH
3
CH
2
CH
3
+
Br
CH
3
CH
3
CH
2
+HBr
CH
3
CH
2
CH
3
+
Br
CH
3
CHCH
3
+
HBr
Δ H
1
=－ 432－ (－ 423)=－ 9kJ·mol
-1
Δ H
2
=－ 432－ (－ 414)=－ 18kJ·mol
-1
Δ H
3
=－ 366－ (－ 423)=+57kj·mol
-1
Δ H
4
=－ 366－ (－ 414)=+48kJ·mol
-1
有机反应的活性与选择性
z Explanation
z反应活性 高 的较 早 到达过渡态，两个反应过渡态活化能相差较 小,因此选择性较 小 ；
z反应活性 低 的较 晚 到达过渡态，两个反应过渡态活化能相差较 大,因此选择性较 大 。
有机反应的立体化学
z 以自由基反应为例：
z —— 如果是反应中新形成一个手性中心，则生成外消旋体
z —— 如果是反应发生在手性碳上，也是生成外消旋体，这时的反应立体化学特征称为 外消旋化
CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
3
+Br
2
CH
3
CH
2
CH
2
C
H
CH
3
Br Br
CH
3
CH
2
CH
2
CHCH
3
Br
HBr
(± )
-2-溴戊烷
+
νh
H
3
CH
2
CH
CH(CH
3
)
2
CH
3
Br
2
H
3
CH
2
C
CH
3
CH(CH
3
)
2
Br + Br
CH
3
CH(CH
3
)
2
CH
2
CH
3
hυ
有机反应的立体化学
z 以自由基反应为例：
z —— 如果是反应中心邻近碳是一个手性碳，则表现出一定的立体选择性特征
HCl
CH
2
CH
3
CH
3
(S)-2-氯丁烷
+
Br
2
HBr
原有手性中心新形成手性中心
S
νh
CH
3
HCl
CH
3
HBr
S
R
+
Cl
CH
3
H
CH
2
CH
3
Br
Br Br
-Br
Cl
CH
3H
CH
3
HCl
CH
3
HBr
Br
HCH
3
A
Cl
CH
3H
HH
3
C
S S
R
Ⅱ
Cl
H CH
3
CH
3
H
Ⅰ
Cl
CH
3H
Br
CH
3
H
B
Br Br
-Br
CH
3
HCl
CH
3
Br H
S
S
有机反应的合成价值
z 一般来说，只有高选择性的反应才有实际的应用价值
z 以自由基反应为例：环烷烃、烯丙型和苄基型氢的卤代具有实际应用价值，且常用溴代
Br
2
Br
CH
2
CH
3
Br
2
CHCH
3
Br
NBS
Br
思考题：什么是 NBS？其作用特点如何？
全面掌握有机反应
z —— 反应历程及其热力学、动力学特征
z —— 活性与选择性
z —— 立体化学
z —— 合成应用有机反应机制的研究方法
z在某些反应历程的研究中，困难并不在于反应的速度和其复杂性，而是在研究方法和观点的不同，往往结论不一样。
z以下简要介绍几种常用方法，各有其优点，但并不是彼此排斥的，而是可以互相取长补短的。
有机反应机制的研究方法
1.动力学研究方法
— 测定反应物的浓度对速率的影响
— 测定抑制剂的浓度对速率的影响
— 确定反应级数不足 — 多步骤反应，较复杂，难测。
有机反应机制的研究方法
2,分离出中间体法
— 用化学方法“抽出”或“捕获”中间体，或用物理、化学方法对中间体作定性、定量分析不足 — 对体系干扰较大，对瞬间完成的反应不易操作有机反应机制的研究方法
3,分析反应体系中成分的变化如,紫外光谱检测一些有紫外吸收的中间体的生成和消失困难 — 分析对象不纯，谱图较复杂，
中间体寿命短的也较难判明有机反应机制的研究方法
4,示踪原子法
— 利用放射性的
14
C，重同位素
18
O，引入化合物分子中，进行化学变化时，始终可以对标记原子作跟踪，从而知道其去向。也可测速度。
如：
14
C 的丙酮酸分解条件 — 需要计数器和质谱仪
H
3
C C COOH
O
14
CH
3
COOH +
14
CO
有机反应机制的研究方法
5,立体化学
—— 根据化合物的构型变化来判断反应物变化的方式，不仅对光学异构体，顺反异构体或构象异构体特别方便，并且适用范围也是很广的。通过分子形象的确立，可以推测键的形成和断裂的方向，分子的空间稳定性以及动态变化的可能性。
如,C
+
的反应 —— 外消旋化
z掌握基本反应类型
z掌握基本反应历程
z全面认识反应活性、选择性、立体化学规律
z设计简单的合成路线
z掌握重要化合物的鉴别反应第七章有机化学反应的基本问题
Understanding Organic Reaction
本章的主要内容一,热力学 Thermodynamics与反应方向二,动力学 Kinetics与反应活性、选择性三,反应机制 Reaction Mechanism
四,反应活泼中间体 Active Intermediates
五,有机反应机制的研究方法
Reaction Coordinate Diagrams
反应坐标图或反应势能变化图
—— describs the energy changes in
total reaction progress
A — B + C
A + B — C
Thermodynamics
z Question:
① In what direction does the reaction
proceed?
② Does the reaction release or absorb
heat?
③ How are the amounts of reactant
and product at equilibrium?
Thermodynamics
z The field of chemistry that describes the
properties of a system at equilibrium is
called thermodynamics (热力学 )
z 热力学第一定律：能量守衡与转化定律
——能 量 可 以从一种形式转化成另一种形式，在转化过程中，能量总值不变
z 热力学第二定律：自发过程的不可逆性
——不 可 能 从单一热源吸热，使之全部转化为功，
而不引起其他变化
z 热力学第三定律：熵变的计算
Thermodynamics
z 热力学状态函数
z ——内能 U，体系各种能量的总和，绝对值不可知
z ——熵 S，体系无序程度，有规定熵
z ——吉布斯自由能 G
z ——亥姆霍兹自由能 A
z ——焓 H
z 分析研究这些状态函数的变化值不具有明确的物理意义，但是对于处理体系的热力学问题很有帮助
Thermodynamics
——几个基本概念和重要的关系式
z For the generalized reaction:
z we have
z K
eq
—— equilibrium constant
aA + bB
c C + d D
K
eq
=
[Products]
[Reactants]
=
[ C ]
c
[ D ]
d
[ A ]
a
[ B ]
b
Thermodynamics
z Free Energy ——自由能
z △ G
0
—— Gibbs standard free energy
change,thermodynamic parameters,是等温等压条件下判断反应变化方向的热力学状态函数
z △ G
0
= (free energy of the products)
– (free energy of the reactants)
△ G
0
= - RTlnK
eq
z When △ G
0
is negative,the reaction is
exergonic （放能的）,has a favorable
equilibrium constant,and can occur
spontaneously,When △ G
0
is positive,the
reaction is endergonic （吸能的）,has an
unfavorable equilibrium constant,and cannot
occur spontaneously.
Thermodynamics
z放能不等于放热，同样，吸能也不等于吸热
——因为体系与环境间还可以有功的交换
（等压过程的膨胀与收缩）
Thermodynamics
reactants
products
reactants
products
G
G
progress of the reaction progress of the reaction
F
r
e
e
e
n
e
r
g
y
an exergonic reaction 放能反应
an endergonic reaction 吸能反应
Keq > 1 Keq < 1
G is negative
G is possitive
——通过热力学研究与计算，可以知道反应的终态和始态的能量变化情况，知晓反应平衡的移动方向，判断反应能否进行。 △ G
0
= - RTlnK
eq
Thermodynamics
z △ H
0
—— Enthalpy change （焓变）
z Enthalpy is the heat given off or the heat
consumed during the course of a reaction.
z △ H
0
= (energy of the bonds being broken)
– (energy of the bonds being formed)
z When △ H
0
is negative,the reaction releases
heat and is exothermic（放热的）,When △ H
0
is positive,the reaction absorbs heat and is
enderthermic（吸热的）,
Thermodynamics
z △ S
0
—— Entropy change （熵变）
z Entropy is the degree of disorder
z △ S
0
= (freedom of motion of products)
– (freedom of motion of reactants)
z When △ S
0
is negative,disorder decreases;
when △ S
0
is positive,disorder increases.
系统总是自动向是混乱度增加的方向变化
Thermodynamics
△ G = △ H - T△ S
Standard conditions (标准状态 )
——1M,25℃,100 kPa下
（标准状况或条件,1M,25℃,1 atm = 101.325
kPa）
△ G
0
= △ H
0
- T△ S
0
当反应过程中熵变较小时，可以用焓变的情况粗略判断反应进行的方向与平衡移动
Thermodynamics
z△ H
0
can be calculated from bond
dissociation energy
z Bond Dissociation Energy (DH
0
)
（键的裂解能或离解能）
—— defined as the amount of energy
required to break a given bond to produce
two radical fragments when the molecule
is in gas phase at 25℃,
A:B A? +?B
Thermodynamics
Δ H
0
= 断裂键的离解能之和 － 新生成键的离解能之和
H
H
H
H
HBr
CC
H
H
H
H
H
Br
+
bonds being broken
bonds being formed
π bond of ethene DH
0
= 256 kJ mol
-1
HBr
DH
0
= 366 kJ mol
-1
CH
CBr
DH
0
= 423 kJ mol
-1
DH
0
= 289 kJ mol
-1
DH
0
total
= 622 kJ mol
-1
DH
0
total
= 712 kJ mol
-1
H
0
for the reaction = 622 kJmol
-1
- 712 kJmol
-1
=-90kJmol
-1
Thermodynamics
z已知键的裂解能，焓变是可以计算的
z但是熵变较难计算
z如果熵变不大，气相反应可通 过焓变粗略估计反应在能量上是否有利
z另一个困难是多数有机反应在 溶液中进行，
存在溶剂化作用，增加了计算难度
Thermodynamics
热力学能告诉我们反应是否能进行，却不能预计反应的速度如何？也不能告诉我们反应具体进程是怎样
reactants
products
reactants
products
G
G
progress of the reaction
progress of the reaction
F
r
e
e
e
n
e
r
g
y
an exergonic reaction 放能反应
an endergonic reaction 吸能反应
Keq > 1 Keq < 1
G is negative
G is possitive
的？
Kinetics
Questions:
z How fast the reaction occurs?
z How about the energy barrier of the
reaction?
z How about the progress of the
reaction?
Kinetics
z Kinetics （动力学） is the field of
chemistry that describes the rates of
chemical reactions and the factors
that affect those rates.
z —— reaction rate and affecting
facters,reaction progress
(反应速率及影响因素，反应进程等 )
Kinetics
1,Rate and order of the reaction
—— usually,the rate of a reaction depends on
the concentration of reactants
对于反应式,A + B + C + D +…… → E + F +……
可以测定各反应物浓度对反应速率的影响，从而得出：
v = k[A]
a
[B]
b
[C]
c
[D]
d
……
—— k is the rate constant,The smaller the rate
constant,the slower the reaction.
——order of the reaction,n=a+b+c+d+…
Kinetics
1,Rate and order of the reaction
—— 零级反应,n=0 催化剂表面进行的反应
—— 一级反应,n=1 常常为多步反应，而单分子反应可能是关键步骤，如S
N
1反应，首先是卤代烃先裂解为碳正离子
—— 二级反应,n=2 双分子反应可能是关键步骤如S
N
2反应，需要在亲核试剂的进攻下卤代烃经过一步反应生成产物
C
H
3
CH
2
C
H
CH
3
HO-
Br
CBrHO
H
CH
3
CH
2
CH
3
C
H
3
CH
2
C
HO
H
CH
3
C
CH
3
CH
3
H
3
C Br
慢
Br
CH
3
C
CH
3
CH
3
快
O H
2
C
CH
3
H
3
C
CH
3
O
H
H
H
3
O
H
2
O
C
CH
3
H
3
C
CH
3
OH
v = k[RBr]
v = k[RBr] [
-
OH]
Kinetics
2、反应历程与基元反应总的反应方程式反映的是反应总的结果，事实上，一个反应可能经过若干个步骤如,C=C双键与氯化氢的加成经过了两步反应
CC
H
H
H
H
+ HCl
CC
H
H
H
H
HCl
CC
H
H
H
H
H
CC
H
H
H
H
H
Cl
-
Cl
Cl
-
CC
H
H
H
H
HCl
总反应基元反应 1
基元反应 2
基元反应一定是协同反应总反应速率主要由速率最慢的一步决定
Kinetics
3、碰撞理论：Arrhenius速率公式：
v = P Z e
- Ea /RT
Z - 碰撞频率,P - 取向概率
R - 气体常数,T - 热力学温度
Ea – 反应的活化能
（ v = k[A]
a
[B]
b
[C]
c
[D]
d
……）
Kinetics
z Ea (activation energy)
——活化能
—— indicate the energy barrier,the
greater the energy barrier (Ea),the
slower the reaction rate
reactants
products
progress of the reaction
F
r
e
e
e
n
e
r
g
y
H
0
transition state
Ea
Kinetics
4、Transition state (过渡态）theory
— represents the highest-energy state
involved in the reaction,
— bonds in the transition state are
partially broken and formed.
— is unstable and cannot be isolated,
but we can imagine it.
Kinetics
4、Transition state (过渡态）theory
H
2
O C
H
Br
H
H
+ C
H
Br
H
H
C
H
H
H
H
2
O
H
2
O
反应物活化络合物生成物
reactants
products
progress of the reaction
F
r
e
e
e
n
e
r
g
y
H
0
transition state
Ea
Kinetics
5、Hammond G S假说
——“在简单的一步反应（ 基元反应 ）
中，该步过渡态的结构、能量与更接近的那边的类似”
—— 即,放热的基元反应，过渡态的结构和能量与反应物接近，而在吸热反应中，过渡态的结构和能量与产物接近。
Kinetics
5、Hammond G S假说（基元反应）
过渡态的结构和能量与反应物接近过渡态的结构和能量与产物接近热力学控制与动力学控制
z △ G
0
relates to the equilibrium constants of
the reaction
z E
a
relates to the rate of the reaction
势能反应进程反应物产物1
产物2
Ea1 < Ea2，产物1是动力学控制产物
低温有利
△G
1
0
> △G
2
0
,产物2是热力学控制产物
高温有利
Ea1
Ea2
△G
1
0
△G
2
0
反应物产物1
产物2
or
Reaction Mechanisms
z A mechanism （机理，或历程）
describes in detail exactly what takes
place at each stage of a chemical
transformation,
z It describes which bonds are broken
and in what order,which bonds are
formed and in what order,and what
the relative rates of the steps are,
Reaction Mechanisms
zA complete mechanism must
also account for all reactant
used,all products formed,and
the amount of each.
Reaction Mechanisms
z In the description of a reaction
mechanism,the movement of one
electron is indicated using a half-
headed or,fishhook” curved arrow,
and the movement of one pair of
electrons is indicated using a full-
headed curved arrow
Thermodynamics
反应始态和终态的能量变化反应平衡常数与吉布斯自由能变化反应中的焓变与键的离解能
Kinetics
反应速率与浓度的关系、反应级数碰撞理论、过渡态理论和 Hammond G S假说热力学控制与动力学控制
Reaction Mechanisms
反应的具体步骤：键的断裂顺序和连接顺序每步反应中的能量变化以及反应速率反应立体化学
Reaction Mechanisms
烷烃自由基卤代反应
z 有关烷烃氯代反应的实验事实
1,黑暗中混合烷烃与氯气不发生反应，光照或高温下反应剧烈进行，难以控制
2,每吸收一个光子，可以产生几千个氯甲烷分子
3,氧气或某些自由基捕获剂存在下反应出现一段诱导期，诱导期长短取决于杂质的多少
4,多种产物：一氯代，二氯代 …...
+ Cl - Cl
Light
+ CH
3
Cl + CH
2
Cl
2
+ CHCl
3
+ CCl
4
CH
3
CH
3
+ CH
2
ClCH
2
Cl +,......
H - Cl
CH
4
Reaction Mechanisms
烷烃自由基卤代反应
1,链引发,Cl Cl
或高温
2Cl
2,链增长:
(1)
Cl
+
HCH
3
CH
3
+
HCl
CH
3
+Cl Cl ClCH
3
Cl+
(2)
Cl + ClCH
3
CH
2
Cl + HCl
CH
2
Cl +
Cl
2
ClCH
2
Cl
+
Cl
3,链终止:
Cl +
CH
3
ClCH
3
+Cl
2
H
3
CH
3
Cl
Cl
CH
3
CH
3
H
θ
=+242kJ
.
mol
-1
H
θ
=+7kJ
.
mol
-1
H
θ
= -108kJ
.
mol
-1
hυ
...,..
...,..
Reaction Mechanisms
烷烃自由基卤代反应
z Reaction Diagram ( propagation steps )
z两个过渡态都与反应的活泼中间体结构相近，能量相近，因此，分析 活泼中间体的结构与能量就十分必要了
Active Intermediates
活泼中间体
z 有机反应从反应机制可分为：
一步反应，即协同反应。 如,D-A反应,S
N
2 反应两（或多）步反应，反应存在活泼中间体
z Types of Bonding Breaking
—— Homolytic bond breaking ( radical )
—— Heterolytic bond breaking ( polar )
A,B
A
+
B
A,B
A
+
B
Active Intermediates
活泼中间体
z活泼中间体
Radicals（碳自由基,C?）,如烷烃的卤代
Carbocations（碳正离子,C+）,如烯烃的加成
Carbanions（碳负离子,C-）,如羰基的加成
Carbenes(卡宾,C:),如某些消去反应
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
1,Carbocations and Radicals
(碳正离子和自由基）
—— sp
2
-hybridized
—— three sigma-bond
—— radical,one electron in p orbital
—— carbocation,a vacant p orbital
Radical C
Carbocation C
+
empty p-orbital
one electron
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
1,Carbocations and Radicals
—— For both carbocations and radicals,the
observed order of stability is：
3
0
> 2
0
> 1
0
>
+
CH
3
( or
.
CH
3
)
—— Hyperconjugation（超共轭作用）
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
1,Carbocations and Radicals
—— 烯丙型自由基和碳正离子的结构
—— 共轭效应 (Conjugation ),稳定
C
C
+
+
1,Carbocations and Radicals
z 碳正离子的稳定性
3
0
苄基型 >3
0
烯丙型 > 2
0
苄基型 >2
0
烯丙型
> 3
0
> 2
0
~ 1
0
苄基型 ~1
0
烯丙型 > 1
0
>
+
CH
3
z 碳自由基的稳定性
3
0
苄基型 >3
0
烯丙型 > 2
0
苄基型 >2
0
烯丙型
>1
0
苄基型 ~1
0
烯丙型 > 3
0
> 2
0
> 1
0
>
.
CH
3
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
2,Carbanions（碳负离子）
—— Like a carbocation or a
radical,a carbanion has three
sigma-bond,but it also bears
unshared electron pair,
—— a simple carbanion is
pyramidal,( sp
3
-hybridized )
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
2,Carbanions
—— When the carbanionic carbon is
adjacent to a pi-system,sp
2
-hybridization
is preferred so that the negative charge can
be distributed by resonance throughout the
p orital array.
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
2,Carbanions
—— With three sigma-bond and a lone
pair electrons,a carbanion is
electronically similar to an amine,the
carbanion and the amine are therefore
said to be isoelectronic (等电子体 )
作业：什么是药物设计中的电子等排原理？
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
3,Carbenes (卡宾,碳烯 )
—— another class of neutral reactive
intermediates
—— highly electron-deficient (未充满）
singlet carbene (单线态卡宾 )
triplet carbene (三线态卡宾 )
——Carbene
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
3.1 Singlet carbene (单线态卡宾 )
—— sp
2
-hybridized
—— two sigma-bond,a vacant p-orbital
—— the electron pair in sp
2
-hybrid orbital
—— 具有亲电和亲核双重反应性容易与缺电子基团反应容易与富电子基团反应
Active Intermediates
Structures and Stability（结构与稳定性）
3.2 Triplet carbene (三线态卡宾 )
—— sp
2
- or sp-hybridized
—— two sigma-bond
—— one electron in each p orbital
or one in the sp
2
-hybrid orbital
and another in the p orbital
—— have radical-like reactivity
Active Intermediates
Radical C
Carbocation C
+
+ +
+
Carbanion C
-
Singlet
Carbene
Triplet
有机反应的活性与选择性有关烷烃氯代反应的实验事实
2Cl
2
CH
3
CH
2
CH
2
Cl CH
3
CH(Cl)CH
3
2Cl
2
(CH
3
)
2
CHCH
2
Cl (CH
3
)
3
CCl
2Br
2
CH
3
CH
2
CH
2
Br CH
3
CH(Br)CH
3
2Br
2
(CH
3
)
2
CHCH
2
Br (CH
3
)
3
CBr
Chlorination（氯代）:
2CH
3
CH
2
CH
3
+
light,25
0
C
++ 2HCl
45%
55%
2(CH
3
)
3
CH
+
light,25
0
C
+
+ 2HCl
64%
36%
1
0
H,2
0
H,3
0
H = 1,3.5,5
Bromination（溴代）：
2CH
3
CH
2
CH
3
+
light,127
0
C
++ 2HBr
3%
97%
2(CH
3
)
3
CH
+
light,127
0
C
+
+ 2HBr
little
>99%
1
0
H,2
0
H,3
0
H = 1,82,1600
有机反应的活性与选择性
1,反应活性 — 直接与反应的活化能有关
—— the greater the E
a
,the lower the reactivity
自由基反应的关键步骤在于链增长有机反应的活性与选择性
2,反应选择性 — 由反应活性的不同引起化学选择性 — 同一分子内的不同官能团在不同的条件下发生反应的不同区域选择性 — 同一分子内的不同部位的同类官能团的选择 （ eg,1
0
H,2
0
H,3
0
H）
立体选择性 — 反应后产生不同立体构型有机反应的活性与选择性
z不同试剂活性与选择性的比较烷烃卤代反应中的卤素反应活性,Cl > Br
但是选择性,Br > Cl
Chlorination（氯代）,1
0
H,2
0
H,3
0
H = 1,3.5,5
Bromination（溴代）,1
0
H,2
0
H,3
0
H = 1,82,1600
为什么反应活性高的反应，选择性较低？
有机反应的活性与选择性
z Explanation
CH
3
CH
2
CH
3
Cl
CH
3
CH
2
CH
2
+ HCl
+
CH
3
CH
2
CH
3
+
Cl
CH
3
CHCH
3
+HCl
CH
3
CH
2
CH
3
+
Br
CH
3
CH
3
CH
2
+HBr
CH
3
CH
2
CH
3
+
Br
CH
3
CHCH
3
+
HBr
Δ H
1
=－ 432－ (－ 423)=－ 9kJ·mol
-1
Δ H
2
=－ 432－ (－ 414)=－ 18kJ·mol
-1
Δ H
3
=－ 366－ (－ 423)=+57kj·mol
-1
Δ H
4
=－ 366－ (－ 414)=+48kJ·mol
-1
有机反应的活性与选择性
z Explanation
z反应活性 高 的较 早 到达过渡态，两个反应过渡态活化能相差较 小,因此选择性较 小 ；
z反应活性 低 的较 晚 到达过渡态，两个反应过渡态活化能相差较 大,因此选择性较 大 。
有机反应的立体化学
z 以自由基反应为例：
z —— 如果是反应中新形成一个手性中心，则生成外消旋体
z —— 如果是反应发生在手性碳上，也是生成外消旋体，这时的反应立体化学特征称为 外消旋化
CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
3
+Br
2
CH
3
CH
2
CH
2
C
H
CH
3
Br Br
CH
3
CH
2
CH
2
CHCH
3
Br
HBr
(± )
-2-溴戊烷
+
νh
H
3
CH
2
CH
CH(CH
3
)
2
CH
3
Br
2
H
3
CH
2
C
CH
3
CH(CH
3
)
2
Br + Br
CH
3
CH(CH
3
)
2
CH
2
CH
3
hυ
有机反应的立体化学
z 以自由基反应为例：
z —— 如果是反应中心邻近碳是一个手性碳，则表现出一定的立体选择性特征
HCl
CH
2
CH
3
CH
3
(S)-2-氯丁烷
+
Br
2
HBr
原有手性中心新形成手性中心
S
νh
CH
3
HCl
CH
3
HBr
S
R
+
Cl
CH
3
H
CH
2
CH
3
Br
Br Br
-Br
Cl
CH
3H
CH
3
HCl
CH
3
HBr
Br
HCH
3
A
Cl
CH
3H
HH
3
C
S S
R
Ⅱ
Cl
H CH
3
CH
3
H
Ⅰ
Cl
CH
3H
Br
CH
3
H
B
Br Br
-Br
CH
3
HCl
CH
3
Br H
S
S
有机反应的合成价值
z 一般来说，只有高选择性的反应才有实际的应用价值
z 以自由基反应为例：环烷烃、烯丙型和苄基型氢的卤代具有实际应用价值，且常用溴代
Br
2
Br
CH
2
CH
3
Br
2
CHCH
3
Br
NBS
Br
思考题：什么是 NBS？其作用特点如何？
全面掌握有机反应
z —— 反应历程及其热力学、动力学特征
z —— 活性与选择性
z —— 立体化学
z —— 合成应用有机反应机制的研究方法
z在某些反应历程的研究中，困难并不在于反应的速度和其复杂性，而是在研究方法和观点的不同，往往结论不一样。
z以下简要介绍几种常用方法，各有其优点，但并不是彼此排斥的，而是可以互相取长补短的。
有机反应机制的研究方法
1.动力学研究方法
— 测定反应物的浓度对速率的影响
— 测定抑制剂的浓度对速率的影响
— 确定反应级数不足 — 多步骤反应，较复杂，难测。
有机反应机制的研究方法
2,分离出中间体法
— 用化学方法“抽出”或“捕获”中间体，或用物理、化学方法对中间体作定性、定量分析不足 — 对体系干扰较大，对瞬间完成的反应不易操作有机反应机制的研究方法
3,分析反应体系中成分的变化如,紫外光谱检测一些有紫外吸收的中间体的生成和消失困难 — 分析对象不纯，谱图较复杂，
中间体寿命短的也较难判明有机反应机制的研究方法
4,示踪原子法
— 利用放射性的
14
C，重同位素
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O，引入化合物分子中，进行化学变化时，始终可以对标记原子作跟踪，从而知道其去向。也可测速度。
如：
14
C 的丙酮酸分解条件 — 需要计数器和质谱仪
H
3
C C COOH
O
14
CH
3
COOH +
14
CO
有机反应机制的研究方法
5,立体化学
—— 根据化合物的构型变化来判断反应物变化的方式，不仅对光学异构体，顺反异构体或构象异构体特别方便，并且适用范围也是很广的。通过分子形象的确立，可以推测键的形成和断裂的方向，分子的空间稳定性以及动态变化的可能性。
如,C
+
的反应 —— 外消旋化
