动力学同位素效应实例分析—有机反应机理系列17
前面我们详细介绍了动力学同位素效应的定义、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，这次专门结合一些反应实例，来介绍和讨论一下动力学同位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，能否在E1、E2和E1CB机理中作出选择？
动力学同位素效应的值接近理论最大值，表明速率控制步骤过渡态包含与同位素相连的键的断裂。如果反应按E1机理进行，速率控制步骤应为溴的离去，不包含C—H(D)键的断裂，不应产生主级动力学同位素效应。因而反应不是按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次级动力学同位素效应与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－的亲核性大于AcO－的亲核性。因为亲核试剂的亲核性增加有利于SN2反应，所以当Y－=C2H5O－时，反应可能具有更多的SN2特征，导致a次级动力学同位素效应降低。
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。
对异丙醇的不同位置进行同位素标记，可以得到以下三个氢动力学同位素效应的值：
基于以上结果，如何判断该反应的机理？
氘代实验(1)结果并不能完全说明O-H的断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的断裂(>2)。综合式(2)和(3)的结果，我们可以认为O-H和C-H的断裂同时发生在反应决速步（因为如果只有C-H断裂的话，式(3)的值应该与式(2)相近）。
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。对其进行氢动力学同位素效应研究如下图所示。对醛基的H进行氘代，kH/kD = 2.6；对苄胺的苄基位进行氘代实验，kH/kD = 1。以上实验结果证明苄胺的亚甲基C-H的断裂不是决速步，而醛基C-H键的断裂才是该反应的决速步，因此根据推测的反应机理，B到C为该反应的决速步。
实例5
kH/kD= 1，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，如下图所示。kH/kD = 1说明反应的决速步不包含H+的离去，因此硝酰氧离子进攻苯环形成σ络合物是硝化反应的决速步。
实例6（参考文献：中国科学: 化学, 2016, 46: 573）
根据以上结果，由于在平行实验(kH/kD＝3.4)以及一锅分子间竞争实验(PH/PD＝4.0)中都观察到了显著的动力学同位素效应，因此认为在该反应中, C–H 键的断裂(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: 化学, 2016, 46: 573）
一般而言，平行实验所得到KIE 值的精确程度取决于相应速率常数测量的精确程度。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设，都会造成一定的实验误差。然而平行实验的结果仍然是非常重要的，因为只有通过平行实验得到的KIE 值才是判断C–H 键断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，我们不需要得到相应的速率常数, 而是通过计算产物的比例即可得到KIE值。同时, 可以确保C–H键和C–D 键的官能团化在相同的反应条件下发生，因此这两种方法相较于平行实验具有更高的准确度。分析实验结果，如果没有发现同位素效应，则可以得出C–H 键断裂没有包含在决速步中；而当发现存在同位素效应时, 则不能确定C–H 键断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准确的前提是需要默认反应的决速步与C-H断裂的反应物有关（即默认决定反应选择性的步骤是反应决速步）。如果反应决速步与C-H断裂的反应物无关则无法通过对比产物比例的方式来得出真实的动力学同位素效应，因为此时反应的决速步已经不决定反应选择性了。
根据上述实验结果，可以得出结论：与之前反应不同的是，由于在平行实验中没有观察到动力学同位素效应(kH/kD＝1.1)，因此C–H 键的断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显著的动力学同位素效应(PH/PD＝3.0)，说明反应的决速步应该与C-H断裂的反应物无关，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: 化学, 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同位素效应(PH/PD＝1.0)。因此C–H 键的断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同位素效应数值为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现中间体C出现了手性碳，因此C中的甲基部分氘代以后，H和D并不等价，因此出现反应选择性。