北京大学化学学院 物理有机化学讲义 王剑波 编
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物理有机化学讲义
An Introduction to Physical Organic Chemistry
北京大学化学学院 王剑波
2003 年 8 月
北京大学化学学院 物理有机化学讲义 王剑波 编
目录
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第 1 章 有机化学反应的动力学及热力学 12 学时
Radical/radical reaction
Hydrogen abstract
Ar Ar OMgBr
RH
OMgBr
Ar Ar
H2O
Ar Ar OH OH
Ar Ar
Pinacol
Scheme 1. Mechanism of Grignard reagent with ketone
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位置。这是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(Time scale)在 10-12 ~ 10-14 秒范围之内, 这比标准光谱监测要快的多。
例如有机化合物结构鉴定最为常
用 的 核 磁 共 振 （ Nuclear Magnetic
望看到单个的构像，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。比如，碘代环己烷中与碘
相联碳上的质子在室温的核磁谱中
Fig. 1 Appearance of NMR spectra for system
（Kinetics and Thermodynamics of Organic Reactions）
物理有机化学的基本任务是从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(Driving Force), 以及解释决定 这种化学变化速度的各种因素。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。
Radical anion
Radical cation
Ar
RMgBr +
O
Ar
Electron transfer
[Ar2C=O RMgX ]
Diffusion Ar Ar
OMgBr + R
Nucleophilic attack
OMgBr ArAr R
H2O
OH ArAr R
Reaction inside solvent cage
Resonance, NMR）的时间分辨大约为
10-3 秒。我们知道有机分子通常具有
一定的构像，这些构像之间会快速地
转换，比如环己烷有椅式构像和船式
构像。在测定这些分子的结构时，由
于构像之间的转换非常快，这样我们
看到的谱图是这些结构的平均（准确
地说是和稳定性相关的权重平均）。
我们不能够看到单个的构像。如果希
所以，我们可以说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。因此,可以认为没用一个化学反应机理被绝对地证明过。我们只能说那一个证 据支持某个机理, 或者说它与某一机理相一致。当然, 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。因此, 一个好的反应机理必须能够 解释该反应的所有已知事实。而且, 一个好的反应机理必须具有强的预见能力。
本课程的目的并非是对有机化学中的各种具体的反应机理进行讨论，而是要阐 明研究有机反应机理的一般原理和方法。
动力学和机理
很多化学家认为, 化学的真正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,
我们必需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
Transition state (T.S.)
E
R
RR II P
I
A two-step reaction
I Intermediate
R Reactant
P Product
Elementary step
Elementary step
Fig. 3 Reaction coordinate diagram of a two-step reaction
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是极为困难的。目前人们所了解的反应过渡态的信息绝大部分是通过间接的实验 手段，例如通过研究反应的动力学和热力学。近年来随着理论计算的发展，很多 有关反应过渡态的工作是通过量化计算已有可能直接观测到这种飞速的过程，这
Me + MeO
Ph H CN
Me Ph CN
+ MeOH
k(DMSO) /k(MeOH) = 109
Scheme 2. Deprotonation in different solvent
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。 例如，频那醇/频那酮(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。
1.1 物理有机化学概述及有机反应机理研究的基本方法 2 学时 1.2 动力学方法 2 学时
简单速率表达式及其积分形式; 稳态近似方法;可逆反应; 假一级动力学; 多步反应的动力学; Arrhenius 方程. 1.2 过渡态理论 4 学时 反应坐标; 过渡态;活化能及势能面的概念; 微观可逆性原理和活化能的估 算;反应速率的过渡态理论; 过渡态结构; ∆H‡ 及∆S‡ 与 Ea 及 A; 动力学控 制及热力学控制; Hammond 假定; Curtin-Hammett 原理; 反应活性/选择性 原理;过渡态理论的缺陷.
例如格式试剂（Grignard reagent）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(carbonyl group)的亲核进攻(nucleophilic attack) （一些教科书上至今也是这样描述的），后来发现一些路易斯酸(Lewis acid)，如氯 化镁，甚至格压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，常常还可以得到还原产物，比如分离得到频呐醇(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呐醇的生成。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。
Scheme 4. Dienone/phenol rearrangement
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一些重要的基本概念:
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反应机理（Reaction Mechanism）: 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(Elementary Reaction): 只有一个过渡态而不包含任何中间体的过程。 过渡态(Transition State): 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(Reaction Intermediate): 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)。
10 x 60 = 600 s
过渡态发生在 10－13 s 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：
600 ×1013 s = 2 ×108年 = 200万年 365 × 24 × 60 × 60 也就是说，如果把这个 10 分钟的反应比喻成一部电影，那么定过渡态仅是一 部 200 万年长电影中出现的 1 秒钟的画面！因此，直接用实验的方法研究过渡态
R R
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。
3.机理方面的研究说明我们对化 学问题的探讨已进入到分子实际上发 生什么变化和为什么发生这种变化的 境界。
第 4 章 溶剂效应 2 学时
溶液及溶剂化的概念; 溶剂效应对反应速率及平衡的影响; Grunwald-Winstein 方程.
第 5 章 有机反应中间体 8 学时
5.1 正碳离子及负碳离子 3 学时
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正碳离子的检测-超酸介质中的 NMR; 正碳离子及负碳离子的结构. 5.2 自由基 2 学时
是一个复杂的多重峰，而在－80 oC,
Undergoing two-site exchange (A
B)
两种椅式构像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。
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Fig. 2 1H NMR spectra of cyclohexyl iodide at –80 oC (100 MHz). Only the lowest-field signals are shown. (JACS, 1969, 91, 344)
1.4 同位素效应 2 学时 一级动力学同位素效应:基本原理及在反应机理研究中的应用; 二级动力 学同位素效应.
1.5 习题课 2 学时