微观可逆性原则—有机反应机理系列6

1872年，路德维希·玻尔兹曼提出物理动力学的同时首次提及了微观可逆性原理。玻尔兹曼认为气体分子的相互碰撞是微观可逆的（分子间碰撞的正过程和逆过程是同时存在的）。1884年，雅各布斯·亨里克斯·范托夫（PS：1901年由于“发现了溶液中的化学动力学法则和渗透压规律以及对立体化学和化学平衡理论作出的贡献”，成为第一位诺贝尔化学奖的获得者）将这一原理用于化学反应。

微观可逆性原理在在化学反应中可表述为：每个基元反应必定存在一个逆反应，基元反应的逆反应必定也是一个基元反应。微观可逆性原理是过渡状态理论的必然推论，因为相同条件下，体系的势能面是相同的，正逆反应的最低能量途径必然也是相同的。利用微观可逆性原理，我们可以通过研究逆反应，从而推断正反应的机理，反之同样可以。

实例1

以aldol缩合（羟醛缩合）为例（如乙醛和丙酮的缩合），乙醛缩合平衡偏向右方，丙酮缩合平衡偏向左方，因此，乙醛缩合研究正反应，丙酮缩合研究逆反应比较方便。结果表明，这两个反应的机理是一样的。

这两个反应虽然机理相同，但速率表示式不同，为什么？从两个反应的自由能图上可以看出其差别。如图所示乙醛和丙酮缩合的反应路径虽然相同，但其决速步不同，乙醛为R-TS1-Int1（即甲基脱质子过程），而丙酮为Int1-TS2-Int2（即羰基加成过程）。前面我们提及过决速步的反应速率对于整个反应的速率影响最大，所以两个反应虽然机理相同，但其速率表示式却不同。

实例2

如上图所示的乙烯与HBr的加成反应机理，首先H⁺进攻碳碳双键形成碳正离子中间体，其再与Br^-结合形成最终的产物溴乙烷。利用上述机理，我们知道2-溴乙苯脱一分子HBr生成苯乙烯的机理为：首先失去一个Br负离子形成碳正离子中间体，在失去一个质子形成最终产物。

实例3

如上图所示，环醚化合物C-O键裂解生成烯醇的反应机理为：首先Ln通过配位活化O原子，通过[1,5+n]s-氢迁移，形成最终的目标产物。其中Ln参与稳定过渡态和中间体降低反应能垒（参考文献Chem. Eur. J. 2010, 16, 3403, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134,14682）。基于以上反应机理，我们是否可以画出2-烯丙基苯酚分子内氢烷氧化反应的机理（马氏加成）？

其反应机理如下：首先Ln与O原子形成配位中间体极化氧氢键和碳碳双键，接着O和H同时加成到碳碳双键上形成四元环过渡态，最后经过渡态生成目标产物。而其加成的反应选择性则与烯烃端位碳带更多的负电荷有关（参考前面共振理论的实例）。