氢动力学同位素效应的测定方法—有机反应机理系列16

前面我们介绍了氢动力学同位素效应的基本表达式(1)，那如果我们需要测量具体某一个反应的氢动力学同位素效应的话，我们应该用什么方法呢？通过测定所有过渡态或者反应物的振动自由基的频率计算出k_H/k_D显然十分不靠谱。其实氢动力学同位素效应之所以成为研究有机反应机理的重要手段，其中一个重要原因就是其测定方法较为简单。

由于氢动力学同位素效应在有机反应机理研究中最常用，所以下面我们只介绍氢的动力学同位素效应的测定方法。常见的动力学同位素效应实验分为以下3 种：直接测定法，分子内竞争法和分子间竞争法。

1 直接测定法

如下图所示，直接测定法就是分别测定同位素取代前后的反应速率，然后计算动力学同位素效应。通常情况下，速率测定的误差为2%～5%，与氘主级动力学同位素效应本身的值相比较是比较小的。

测定时应尽量在同一时间，同一恒温浴中测定全氢物和氘取代物的反应速率，以减少反应条件的差别带来的误差。如果测量的是反应物的消耗速率，应确保所研究的反应是体系中进行的唯一反应或能够准确地测定所研究的反应对总反应的贡献

如果体系中同时进行着不存在动力学同位素效应的副反应，应注意：因为氘取代物的反应速率较氢取代物低，在氘取代物的情况下，副反应所占的比例会增加。即使在氢取代物的情况下不存在副反应，也不能确保氘取代物不发生副反应。因此，测定产物的生成速率更为可靠。

值得注意的是，我们在实验中实际测量的是产物浓度随时间的变化，而不是真正的反应速率常数。除零级反应外(即速率和浓度无关)，反应产物的增加或者起始物的减少和时间的关系呈曲线关系，并且反应的速率方程未知。因此，通过测量产物浓度随时间的变化并不能得到速率常数。所以在实际研究中必须采用近似处理。在反应物的转化率低于10%时，可以认为体系内各组分的平衡浓度近似不变，从而将整个反应看作准零级反应，此时得到的反应速率即可当作零级反应的速率常数（如下图所示）。即：

r = d[P]/dt = k[R]^x≈ k'，式中[P]和[R]分别表示产物和反应物的平衡浓度，此时有[P]＝k't。

2 分子内竞争法

当分子中含有两个或多个等价活泼氢时，可用氘取代其中的一个氢，然后测定反应产物的同位素分布，就可计算出动力学同位素效应，这种方法称作分子内竞争法。例如下图所示的氧化硒的热消除反应：

如果反应物中H和D的原子数目不同，需进行修正，例如，以下亚砜的热解：

分子内竞争法的优点是使用同一反应物，可在任一时刻取样测定产物的组成，然后计算动力学同位素效应，对于快速反应的研究极为方便。应用分子内竞争法应注意：反应物中氢和氘的位置必须是完全等价的。如下图所示分子1，其在非手性环境下反应时是完全等价的。在手性环境下反应时就不是等价的，由此计算的k_H/k_D值就不正确。又如分子2中的同一个碳上的H和D本身的化学环境就是不一样的，因此其反应速率的差别不完全是由动力学同位素效应引起的。

用分子内竞争法测定主级动力学同位素效应，结果会包含次级动力学同位素效应的影响。例如上述氧化硒的热消除反应，氘的存在必对k_H产生a-次级动力学同位素效应，但对k_D却不存在次级动力学同位素效应。因此，严格说来，分子内竞争法的结果与直接测定法的结果是有差别的。

3 分子间竞争法 

将全氢化合物和其同位素取代化合物一同加入反应体系中，一定时间后取样，分离出产物或未反应的反应物，测定同位素的组成，计算出动力学同位素效应，称为分子间竞争法（如下图所示）。分子间竞争法常用于合成纯的同位素取代物有困难的情况。