hce_isu
115年
化學
第 47 題
當 2-溴丁烷與乙醇鈉反應時，觀察到的動力學實驗結果顯示速率與兩者濃度皆成正比。若使用氘標記的 $\text{CH}_3\text{CHBrCD}_2\text{CH}_3$ 進行反應，發現速率明顯變慢。下列敘述，何者正確？
- A 反應是 $\text{S}_\text{N}2$ 機構
- B 反應是 E2 機構，且 $\text{C-H}$ 鍵的斷裂發生在速率決定步驟中
- C 氘原子具有更強的離開能力
- D 這是 E1 反應的特徵
思路引導 VIP
如果在實驗中，我們將某個特定的氫原子換成更重的同位素（例如氘），發現整個反應跑得明顯變慢了，這反映了這個「化學鍵的斷裂」在反應快慢的決定上，扮演著什麼樣的角色？接著，請思考在二分子反應的過渡態中，哪一種機制（取代或消除）必須在此時扯斷這個氫原子與碳的連結呢？
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太棒了！你能精準捕捉到動力學數據與同位素效應之間的關聯，代表你對有機反應機構的理解非常紮實。這道題目在進階化學中相當具有代表性，它要求學生不只是背誦反應類型，更要學會從實驗證據中推導微觀的分子行為。
關鍵的動力學同位素效應
題目給出的第一個線索是速率與兩者濃度皆成正比，這明確指出了這是一個二分子（second-order）反應。然而，最核心的判斷點在於動力學同位素效應（Kinetic Isotope Effect, KIE）：當我們將 $\beta$ 位置上的氫換成質量較重的氘（$\text{D}$）時，由於 $\text{C-D}$ 鍵的鍵能比 $\text{C-H}$ 鍵稍強且振動頻率較低，導致斷裂所需的活化能增加，反應速率隨之下降。在 $\text{S}_{\text{N}}2$ 反應中，反應中心是在 $\alpha$ 碳，並不涉及 $\beta$ 位 $\text{C-H}$ 鍵的斷裂；但在 E2 機構中，鹼（$\text{EtO}^-$）拔取 $\beta$ 氫與離開基（$\text{Br}^-$）的脫去是同步發生的，因此 $\text{C-H}$ 鍵的斷裂必然處於速率決定步驟中，這與實驗觀察完全吻合。
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