后面我们详尽介绍了动力学核素效应的定义、基本表达式、分类以及数值大小与反应机理的关联等等。为了加深理解,此次专门结合一些反应实例,来介绍和讨论一下动力学核素效应在有机反应机理研究中的作用。
实例1
实验测定的kH/kD=7.1,能够在E1、E2和E1CB机理中做出选择?
动力学核素效应的值接近理论最大值,表明速度控制步骤过渡态包含与核素相连的键的破裂。假如反应按E1机理进行,速度控制步骤应为溴的离去,不包含C—H(D)键的破裂,不应形成主级动力学核素效应。因此反应不是按E1机理进行的,而是按E2或E1CB机理进行的。
实例2
实验测定的a次级动力学核素效应与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?
C2H5O-的亲核性小于AcO-的亲核性。由于亲核试剂的亲核性降低有利于SN2反应,所以当Y-=C2H5O-时,反应可能具有更多的SN2特点,造成a次级动力学核素效应增加。
实例3(参考文献:J.Org.Chem.2003,68,1998)
如上图所示,钌催化的酮的不对称借氢还原反应,可能存在两种机理:协同机理和分步机理。
对异戊烷的不同位置进行核素标记,可以得到以下三个氢动力学核素效应的值:
基于以上结果,怎么判别该反应的机理?
氘代实验(1)结果并不能完全说明O-H的破裂发生在反应决速步。式(2)的结果说明反应的决速步发生了C-H的破裂(>2)。综合式(2)和(3)的结果,我们可以觉得O-H和C-H的破裂同时发生在反应决速步(由于假如只有C-H破裂的话,式(3)的值应当与式(2)相仿)。
实例4(参考文献J.Org.Chem.2011,77,1136)
上图为铜催化的自由基介导的环合反应。对其进行氢动力学核素效应研究如右图所示。对醛基的H进行氘代,kH/kD=2.6;对苄胺的吡啶位进行氘代实验,kH/kD=1。以上实验结果证明苄胺的亚氨基C-H的破裂不是决速步,而醛基C-H键的破裂才是该反应的决速步,因而依据猜想的反应机理,B到C为该反应的决速步。
实例5
kH/kD=1同位素效应同位素效应,请解释该实验结果。
硝化反应是典型的芳香亲电反应的机理,如右图所示。kH/kD=1说明反应的决速步不包含H+的离去,因而硝酰氧离子逼抢烷烃产生σ酸盐是硝化反应的决速步。
实例6(参考文献:中国科学:物理,2016,46:573)
按照以上结果,因为在平行实验(kH/kD=3.4)以及一锅分子间竞争实验(PH/PD=4.0)中都观察到了明显的动力学核素效应,因而觉得在该反应中,C–H键的破裂(由中间体B1到C1)很有可能是反应的决速步。
实例7(参考文献:中国科学:物理,2016,46:573)
通常而言,平行实验所得到KIE值的精确程度取决于相应速度常数检测的精确程度。实际上,平行反应之间体系不完全一致,以及准零级反应的假定,就会导致一定的实验偏差。但是平行实验的结果依然是十分重要的,由于只有通过平行实验得到的KIE值才是判定C–H键破裂是否是决速步的决定性证据。
在一锅分子间竞争实验和分子内竞争实验中,我们不须要得到相应的速度常数,而是通过估算产物的比列即可得到KIE值。同时,可以确保C–H键和C–D键的构象化在相同的反应条件下发生,因而这两种方式相较于平行实验具有更高的确切度。剖析实验结果,假若没有发觉核素效应,则可以得出C–H键破裂没有包含在决速步中;而当发觉存在核素效应时,则不能确定C–H键破裂是否包含在决速步中。
如上图所示,一锅分子间竞争实验和分子内竞争实验结果确切的前提是须要默认反应的决速步与C-H破裂的反应物有关(即默认决定反应选择性的步骤是反应决速步)。假如反应决速步与C-H破裂的反应物无关则未能通过对比产物比列的方法来得出真实的动力学核素效应,由于此时反应的决速步早已不决定反应选择性了。
按照上述实验结果,可以得出推论:与之前反应不同的是,因为在平行实验中没有观察到动力学核素效应(kH/kD=1.1),因而C–H键的破裂步骤不是该反应的决速步。同时在一锅分子间竞争反应中观察到了明显的动力学核素效应(PH/PD=3.0),说明反应的决速步应当与C-H破裂的反应物无关,有可能为生成催化活性中间体A2的过程。
实例8(参考文献:中国科学:物理,2016,46:573)
从实验结果来看,一锅分子间竞争实验中没有观察到动力学核素效应(PH/PD=1.0)。因而C–H键的破裂步骤不是该反应的决速步。同时分子内竞争实验观察到动力学核素效应数值为2.5,与分子间竞争实验结果不相符。结合可能的反应机理我们发觉中间体C出现了手性碳,因而C中的羰基部份氘代之后,H和D并不等价,因而出现反应选择性。