动力学同位素效应

在物理有机化学中，动力学同位素效应(KIE)是当反应物中的一个原子被其同位素之一取代时，化学反应的反应速率的变化。反应速率的这种变化是一种量子力学效应，主要是由于较重的同位素体与较轻的同位素体相比具有较低的振动频率。在大多数情况下，这意味着较重的同位素体达到过渡态（或在极少数情况下，解离极限）所需的能量输入更大，因此反应速度更慢。动力学同位素效应的研究可以帮助阐明某些化学反应的反应机制，并且偶尔在药物开发中被利用来通过保护代谢易损的CH键来改善不利的药代动力学。

动力学同位素效应被认为是研究反应机理的最重要和最敏感的工具之一，对其的了解可以提高相应反应的理想质量。例如，动力学同位素效应可用于揭示亲核取代反应是否遵循单分子(SN1)或双分子(SN2)途径。在甲基溴和氰化物的反应中（如引言所示），观察到的甲基碳动力学同位素效应表明了一种SN2机制。根据不同的途径，可以使用不同的策略来稳定反应的速率决定步骤的过渡态，提高反应速率和选择性，这对于工业应用很重要。当相对质量变化xxx时，同位素速率变化最为明显，因为该效应与受影响键的振动频率有关。例如，将氢原子(H)更改为其同位素氘(D)代表质量增加xxx，而用碳13代替碳12时，质量仅增加8%。涉及C-H键的反应速率通常比相应的C-D键快6-10倍，而12C反应仅比相应的13C反应快4%（尽管在这两种情况下，同位素是重一个原子质量单位）。同位素取代可以以多种方式改变反应速率。在许多情况下，可以通过注意原子的质量影响它形成的化学键的振动频率来合理化速率差异，即使反应的势能表面几乎相同。较重的同位素将（通常）导致较低的振动频率，或者从量子力学的角度来看，将具有较低的零点能量。使用较低的零点能量，必须提供更多的能量来破坏键，从而导致键断裂的活化能更高，这反过来又降低了测量的速率（例如，参见Arrhenius方程）。

当与同位素标记原子的键正在形成或断裂时，可能会发现主要的动力学同位素效应。根据探测动力学同位素效应的方式（平行测量速率与分子间竞争与分子内竞争），主要动力学同位素效应的观察表明在限速步骤断裂/形成与同位素的键，或随后的产品确定步骤。（在教科书和主要文献中经常重复这样的误解，即主要动力学同位素效应必须反映在限速步骤与同位素的键断裂/形成：参见下面的实验部分。）对于前面提到的亲核取代反应，已经研究了离去基团、亲核试剂和发生取代的α-碳的主要动力学同位素效应。由于温度独立因素的显着贡献，离去基团动力学同位素效应的解释起初很困难。α-碳上的动力学同位素效应可用于对SN2反应中过渡态的对称性进行一些了解，尽管这种动力学同位素效应不如理想情况敏感，这也是由于非振动因素的贡献。

当与反应物中同位素标记的原子的键没有断裂或形成时，就会观察到二次动力学同位素效应。次级动力学同位素效应往往比初级动力学同位素效应小得多；然而，次级氘同位素效应可高达每个氘原子1.4个，并且已经开发出可以非常高精度测量重元素同位素效应的技术，因此次级动力学同位素效应对于阐明反应机制仍然非常有用。对于上述亲核取代反应，α-碳上的二级氢动力学同位素效应提供了区分SN1和SN2反应的直接方法。已发现SN1反应通常会导致较大的次级动力学同位素效应，接近其理论xxx值约为1.22，而SN2反应通常会产生非常接近或小于1的初级动力学同位素效应。大于1的动力学同位素效应称为正常动力学同位素效应，而小于1的动力学同位素效应称为逆动力学同位素效应。通常，过渡态中较小的力常数预计会产生正常的动力学同位素效应，α-碳原子上的这种次级同位素效应的大小很大程度上取决于Cα-H(D)振动。对于SN1反应，由于在速率决定步骤的过渡态期间碳原子转化为sp2杂化碳鎓离子，Cα-H(D)键序增加，因此可以预期逆动力学同位素效应只要伸缩振动很重要。发现观察到的大的正常动力学同位素效应是由从反应物到碳鎓离子形成的过渡态时显着的平面外弯曲振动贡献引起的。对于SN2反应，弯曲振动对动力学同位素效应仍然起着重要作用，但拉伸振动的贡献具有更大的可比性，

同位素效应的理论处理很大程度上依赖于过渡态理论，该理论假设反应有一个单一的势能表面，以及反应物和该表面上的产物之间的势垒，其上存在过渡态。动力学同位素效应主要源于沿势能表面的最小能量路径的同位素扰动产生的振动基态的变化，这可能只能通过系统的量子力学处理来解释。根据沿反应坐标移动的原子质量和能垒的性质（宽度和高度），量子力学隧穿也可能对观察到的动力学同位素效应做出很大贡献，可能需要单独考虑，氘动力学同位素效应(2HKIE)是迄今为止最常见、最有用和最容易理解的动力学同位素效应类型。使用密度泛函理论计算准确预测氘动力学同位素效应的数值现在相对常规。此外，一些定性和半定量模型允许在不计算的情况下对氘同位素效应进行粗略估计，通常提供足够的信息来合理化实验数据，甚至支持或反驳不同的机制可能性。含有氘的起始材料通常是可商购的，这使得富含同位素的起始材料的合成相对简单。还，由于氘和氚的质量相对差异较大以及随之而来的振动频率的差异，同位素效应的幅度大于除氚和氚之外的任何其他同位素对，从而使初级和次级同位素效应都可以轻松实现测量和解释。相比之下，对于较重的元素，次要效应通常非常小，并且在幅度上接近实验不确定性，这使它们的解释复杂化并限制了它们的效用。在同位素效应的背景下，氢经常被用来指代轻同位素，特别是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行语法结构中提及氢和氘或它们之间的直接比较应解释为指的是氘和氘。同位素效应的幅度比除氚和氚之外的任何其他同位素对都大，因此可以轻松测量和解释初级和次级同位素效应。相比之下，对于较重的元素，次要效应通常非常小，并且在幅度上接近实验不确定性，这使它们的解释复杂化并限制了它们的效用。在同位素效应的背景下，氢经常被用来指代轻同位素，特别是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行语法结构中提及氢和氘或它们之间的直接比较应解释为指的是氘和氘。同位素效应的幅度比除氚和氚之外的任何其他同位素对都大，因此可以轻松测量和解释初级和次级同位素效应。相比之下，对于较重的元素，次要效应通常非常小，并且在幅度上接近实验不确定性，这使它们的解释复杂化并限制了它们的效用。在同位素效应的背景下，氢经常被用来指代轻同位素，特别是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行语法结构中提及氢和氘或它们之间的直接比较应解释为指的是氘和氘。允许轻松测量和解释初级和次级同位素效应。相比之下，对于较重的元素，次要效应通常非常小，并且在幅度上接近实验不确定性，这使它们的解释复杂化并限制了它们的效用。在同位素效应的背景下，氢经常被用来指代轻同位素，特别是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行语法结构中提及氢和氘或它们之间的直接比较应解释为指的是氘和氘。允许轻松测量和解释初级和次级同位素效应。相比之下，对于较重的元素，次要效应通常非常小，并且在幅度上接近实验不确定性，这使它们的解释复杂化并限制了它们的效用。在同位素效应的背景下，氢经常被用来指代轻同位素，特别是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行语法结构中提及氢和氘或它们之间的直接比较应解释为指的是氘和氘。在同位素效应的背景下，氢经常被用来指代轻同位素，特别是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行语法结构中提及氢和氘或它们之间的直接比较应解释为指的是氘和氘。在同位素效应的背景下，氢经常被用来指代轻同位素，特别是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行语法结构中提及氢和氘或它们之间的直接比较应解释为指的是氘和氘。动力学同位素效应理论由JacobBigeleisen于1949年首次提出。Bigeleisen的氘动力学同位素效应通式（也适用于较重元素）如下所示。它采用过渡态理论和平移、旋转和振动能级的统计机械处理来计算速率常数kH和kD。然而，这个公式是半经典的，因为它忽略了量子隧道效应的贡献，量子隧道效应通常作为一个单独的校正因子引入。Bigeleisen的公式也没有处理由比C-H键略短的C-D键引起的非键排斥相互作用的差异。在方程中，下标H或D的量分别指氢或氘取代的物质，而带或不带双匕首的量‡分别指过渡态或反应物基态。对于氘同位素效应的特殊情况，我们将认为前三个项可以被视为等于或很好地近似为单位。xxx个因素S（包含σX）是各种物种的对称数之比。这将是一个有理数（整数比），它取决于分子和键旋转的数量，导致反应物中相同原子或基团的排列和过渡态。对于低对称性系统，所有σX（反应物和过渡态）都是统一的；因此S通常可以忽略不计。MMI因子（包含MX和IqX）是指分子质量和转动惯量的比值。由于与大多数反应物和过渡态相比，氢和氘往往要轻得多，含H和D的分子之间的分子质量和惯性矩几乎没有差异，因此MMI因子通常也近似为单位。EXC因子（包含振动分配函数的乘积）校正了由振动激发分子的反应引起的动力学同位素效应。在室温或接近室温的反应中，具有足够能量以产生激发态A-H/D键振动的分子比例通常很小（与氢的键通常在1000cm-1或更高时振动，因此exp(-ui)=exp(-hνi/kBT)在298K时<0.01，导致1-exp(-ui)因子的贡献可以忽略不计）。如前所述，特别是对于氢/氘取代，大多数动力学同位素效应源于反应物之间的零点能量(ZPE)差异和所讨论的同位素体的过渡态，并且可以通过以下描述定性地理解这种差异：在Born-Oppenheimer近似中，两种同位素物种的势能面相同。然而，能量的量子力学处理在该曲线上引入了离散的振动能级，并且分子的最低可能能态对应于最低振动能级，其能量略高于势能曲线的最小值。这种差异，称为零点能量，是海森堡不确定性原理的体现，它需要CH或CD键长的不确定性。由于较重的（在这种情况下为氘代的）物质表现得更经典，它的振动能级更接近经典势能曲线，并且它具有较低的零点能量。至少在大多数情况下，两种同位素物种之间的零点能量差异在过渡态中减小，因为键合力常数在键断裂期间减小。因此，氘化物质较低的零点能量转化为其反应的较大活化能，如下图所示，导致正常的动力学同位素效应。这种效果原则上应该考虑起始材料的所有3N-6振动模式和过渡态的3N‡-7振动模式（一种模式，对应于反应坐标的模式，在过渡态缺失，因为键断裂并且存在对运动没有恢复力）。谐振子是振动键的一个很好的近似，至少对于低能振动状态是这样。在均裂C-H/D键解离的情况下，过渡态项消失，忽略其他振动模式，kH/kD=exp(½Δui)。因此，对于更硬（更强）的C-H/D键，观察到更大的同位素效应。对于大多数感兴趣的反应，氢原子在两个原子之间转移，具有过渡态[A···H···B]‡，需要考虑过渡态的振动模式。然而，通常情况下，具有较高振动频率的键的断裂会产生较大的同位素效应。为了计算非隧道氘KIE的xxx可能值，我们考虑典型碳氢键(3000cm-1)和碳-氘键(2200)的伸缩振动之间的零点能量差的情况。cm-1)在过渡态消失（能量差为(1/2)(3000–2200cm-1)=400cm-1，或约1.15kcal/mol），没有任何零点能量补偿过渡态的差异（例如，来自对称的A···H···B拉伸，这是过渡态所独有的）。上面给出的简化公式预测kH/kD的xxx值为6.9。如果还包括两个弯曲振动的完全消失，则可以预测kH/kD值高达15-20。然而，弯曲频率在过渡态中不太可能消失，而在室温附近kH/kD值超过7-8的情况也很少。此外，当它们确实超过这些值时，通常会发现隧道效应是一个主要因素。对于在298K附近发生的反应，对于半经典初级动力学同位素效应（无隧道效应），kH/kD~10的值被认为是xxx值。（kH/kD的公式具有温度依赖性，因此同位素效应较大在较低的温度下是可能的）。根据H转移过渡态的性质（对称与早期或晚期以及线性与弯曲），主要氘同位素效应接近此xxx值的程度会有所不同。Westheimer开发的模型预测对称（热中性，根据哈蒙德假设）线性过渡态具有xxx的同位素效应，而早期或晚期的过渡态（分别用于放热或吸热反应）或非线性（例如循环）表现出较小的影响。此后，这些预测得到了广泛的实验支持。对于二次氘同位素效应，Streitwieser提出，从反应物基态到过渡态的弯曲模式减弱（或在反同位素效应的情况下加强）是观察到的同位素效应的主要原因。这些变化归因于当与H/D结合的碳经历从sp3到sp2的再杂化或反之亦然（α二次动力学同位素效应）时空间环境的变化，或者在碳正离子的情况下由于超共轭导致键弱化。产生一个碳原子外（β二级动力学同位素效应）。这些同位素效应的理论xxx值为kH/kD=20.5≈1.4。对于α位的次级动力学同位素效应，从sp3到sp2的再杂交会产生正常同位素效应，而从sp2到sp3的再杂化会导致反同位素效应，理论最小值为kH/kD=2-0.5≈0.7。在实践中，kH/kD~1.1-1.2和kH/kD~0.8-0.9是典型的α次级动力学同位素效应，而kH/kD~1.15-1.3是典型的β次级动力学同位素效应。对于含有几个同位素取代的β-氢原子的反应物，观察到的同位素效应通常是β位上的几个H/D协同作用的结果。在这些情况下，每个同位素标记原子的影响是相乘的，并且kH/kD>2的情况并不少见。对于含有几个同位素取代的β-氢原子的反应物，观察到的同位素效应通常是β位上的几个H/D协同作用的结果。在这些情况下，每个同位素标记原子的影响是相乘的，并且kH/kD>2的情况并不少见。对于含有几个同位素取代的β-氢原子的反应物，观察到的同位素效应通常是β位上的几个H/D协同作用的结果。在这些情况下，每个同位素标记原子的影响是相乘的，并且kH/kD>2的情况并不少见。弗罗斯特等人。试图通过单脉冲NMR使用天然丰度动力学同位素效应测量来了解路易斯酸添加剂对对映选择性钯催化CN键活化机制的影响。在没有BPh3的情况下观察到的主要13C动力学同位素效应表明反应机制具有限速的顺式氧化成氰基甲酰胺的C-CN键。BPh3的添加导致观察到的13C动力学同位素效应相对降低，这导致Frost等人。表明限速步骤从顺式氧化到钯与氰基甲酰胺配位的变化。

尽管在自然丰度下的动力学同位素效应测量是了解反应机制的有力工具，但分析所需的材料量可能使该技术无法用于使用昂贵试剂或不稳定起始材料的反应。为了减轻这些限制，Jacobsen及其同事开发了1H到13C偏振转移，作为减少在自然丰度下进行动态同位素效应测量所需的时间和材料的一种手段。极化转移无失真增强(DEPT)利用1H与13C的较大旋磁比，理论上可将测量灵敏度提高4倍或将实验时间缩短16倍。Jacobsen及其同事将半乳糖的硫脲催化糖基化鉴定为符合上述两个标准（昂贵的材料和不稳定的底物）的反应，并且是一种机制知之甚少的反应。糖基化是亲核取代的一种特殊情况，在SN1和SN2机制特征之间缺乏明确的定义。与置换位点（即C1）相邻的氧的存在可以稳定正电荷。这种电荷稳定可以导致任何潜在的协同通路变得异步，并接近具有SN1糖基化机制的氧碳鎓特征的中间体。Jacobsen及其同事在C1、C2和C5处观察到小的正常KIE，这表明过渡态具有显着的氧碳鎓特征和具有大量电荷分离的异步反应机制。

高精度同位素比质谱法(IRMS)是另一种测量同位素动力学分级的方法，用于自然丰度KIE测量。Widlanski及其同事在硫酸单酯水解的自然丰度测量中展示了34SKIE。他们对大KIE的观察表明SO键断裂是速率控制的，并且可能排除了相关反应机制。使用IRMS在自然丰度下确定KIE的主要限制是所需的位点选择性降解，而无需将同位素分馏成可分析的小分子，这是一项不平凡的任务。

初级氢动力学同位素效应是指在反应的速率和/或产物确定步骤中形成或破坏与同位素标记的氢的键的情况。这些是最常测量的动力学同位素效应，并且之前涵盖的大部分理论都涉及初级动力学同位素效应。当有足够的证据表明标记氢的转移发生在反应的速率确定步骤中时，如果观察到相当大的动力学同位素效应，例如kH/kD至少为5-6或kH/kT约为10-13在室温下，氢转移很可能是线性的，并且氢相当对称地位于过渡态。通常不可能对隧道效应对观察到的同位素效应的贡献发表评论，除非效应非常大。如果初级动力学同位素效应不是那么大，通常认为它表明重原子运动对反应坐标的显着贡献，尽管它也可能意味着氢转移遵循非线性路径。

二次氢同位素效应或二次动力学同位素效应(SKIE)出现在同位素取代远离断裂键的情况下。然而，远程原子会影响系统的内部振动，通过零点能量(ZPE)的变化影响化学反应的速率。这种影响表示为轻同位素与重同位素的比率，可以是正常（比率大于或等于1）或反向（比率小于1）效应。SKIE被定义为α、β（等）次级同位素效应，其中此类前缀是指同位素取代相对于反应中心的位置（参见α和β碳）。在物理有机化学中，SKIE是根据电子效应（如感应、键杂化或超共轭）来讨论的。这些性质由电子分布决定，并取决于受同位素取代影响不大的振动平均键长和角度。因此，不鼓励使用合法的电子同位素效应一词，因为它可能被误解为暗示同位素效应本质上是电子的而不是振动的。SKIE可以用轨道杂交的变化来解释。当碳原子的杂化从sp3变为sp2时，许多振动模式（拉伸、平面内和平面外弯曲）都会受到影响。由于sp3杂化碳的对称性，sp3杂化碳中的面内和面外弯曲频率相似。在sp2杂化碳中，面内弯曲比面外弯曲更硬，导致频率、ZPE以及SKIE（当反应物的ZPE存在差异时存在）和过渡状态）。由弯曲频率差引起的理论xxx变化已计算为1.4。当碳经历将其杂化从sp3变为sp2的反应时，过渡态的平面外弯曲力常数随着其发展sp2特性而较弱，并且观察到正常的SKIE，典型值为1.1至1.2。相反，当碳的杂化从sp2变为sp3时，过渡态的平面外弯曲力常数增加，并且观察到反向SKIE，典型值为0.8至0.9。更一般地，可逆反应的SKIE可以是正常的一种方式，如果过渡态的键合在基材和产物之间的刚度中间，则它们可以是正常的一种方式，或者如果在过渡态的键合较弱，它们可以是两种方式的正常方式，或者两者都相反如果在过渡态中的键合比在任何一种反应物中都强。在Fitzpatrick和Kurtz的工作中可以看到逆α次级动力学同位素效应的一个例子，他们使用这种效应来区分d-氨基酸氧化酶与硝基烷阴离子反应的两种建议途径。路径A涉及对辅酶FAD的亲核攻击，而路径B涉及自由基中间体。由于路径A导致从sp2到sp3的中间碳变化杂化，因此预计会出现反向SKIE。如果出现路径B，则不应观察到SKIE，因为自由基中间体不会改变杂交。观察到0.84的SKIE，并验证了路径A，如下图所示。SKIE的另一个例子是二甲基二环氧乙烷对苯甲醇的氧化，其中提出了不同机制的三种过渡态。同样，通过考虑氢原子如何以及是否参与其中，研究人员预测他们是否会预期它们的同位素取代效应。然后，对反应实验数据的分析使他们能够根据观察到的同位素效应选择最有可能的途径。来自亚甲基氢的次级氢同位素效应也用于表明1,5-己二烯中的Cope重排遵循一致的键重排途径，而不是替代提出的烯丙基自由基或1,4-二基途径之一，所有这些途径都是在以下方案中提出。1,5-己二烯Cope重排的替代机制：（从上到下）、烯丙基自由基、同步协同和1,4-二烯途径。发现主要途径是中间途径，它具有六个离域π电子，对应于芳香族中间体。

空间同位素效应是一种不涉及键断裂或形成的SKIE。这种效应归因于同位素体的不同振动幅度。这种效应的一个例子是9,10-二氢-4,5-二甲基菲的消旋化。与C-H（碳-氢）、C-D（碳-氘）键中的氢相比，氘的振动幅度更小，除了ZPE之间的差异之外，还导致更小的范德华半径或有效尺寸他们俩。当存在一个更大的有效分子体积时，包含一个比另一个多，这可以通过对速率常数的空间效应来证明。对于上面的示例，氘消旋比氢同位素体更快，从而导致空间同位素效应。Bartell开发了空间同位素效应模型。空间同位素效应的另一个例子是轮烷的脱滑反应。氘同位素由于其较小的有效尺寸，使得塞子更容易通过大环，从而导致氘代轮烷的脱滑速率更快。

氘代物质比未氘代类似物反应更快的反应是已知的，并且据说这些情况表现出逆动力学同位素效应（IKIE）。IKIE经常在烷基金属氢化物的还原消除中观察到，例如(Me2NCH2CH2NMe2)PtMe(H)。在这种情况下，过渡态的CD键（一种非活性物质）相对于C-H键高度稳定。如果总速率常数取决于在具有逆平衡同位素效应的速率确定步骤之前的预平衡，则在多步反应中也可能发生逆效应。例如，D3O+催化的D2O中的酸催化反应速率通常是H3O+催化的H2O中的类似反应的2-3倍，这可以解释为反应物的特定氢离子催化机制R由H3O+（或D3O+）。H3O++R⇌RH++H2ORH++H2O→H3O++P那么产物的形成速率为d[P]/dt=k2[RH+]=k2K1[H3O+][R]=kobs[H3O+][R]。在xxx步中，H3O+通常是比RH+强的酸。氘化使平衡向结合力更强的酸物质RD+移动，其中氘化对零点振动能的影响更大，因此氘化平衡常数K1D大于K1H。xxx步中的这种平衡同位素效应通常超过第二步中的动力学同位素效应，因此存在明显的反同位素效应，观察到的总速率常数kobs=k2K1减小。

为了使溶剂同位素效应可测量，溶剂的有限部分必须具有与其余部分不同的同位素组成。因此，必须提供大量不太常见的同位素物质，从而将可观察到的溶剂同位素效应限制为涉及氢的同位素取代。仅当溶质与溶剂交换氢或在反应位点附近存在特定的溶质-溶剂相互作用时，才会发生可检测的动力学同位素效应。这两种现象在质子溶剂中都很常见，其中氢是可交换的，它们可能与极性分子形成偶极-偶极相互作用或氢键。

大多数有机反应涉及到碳键的断裂和形成。因此，预期可检测到的碳同位素效应是合理的。但是，当使用13C作为标记时，同位素质量的变化仅为约8%，这将可观察到的动力学同位素效应限制在比氢同位素效应可观察到的值小得多的值。

通常，在一项取决于碳的自然丰度的研究中，xxx的误差来源是自然13C丰度本身的微小变化。出现这种变化是因为反应中使用的起始材料本身是一些其他反应的产物，这些反应具有动力学同位素效应和产物中相应的同位素富集。当使用NMR光谱确定动力学同位素效应时，为了补偿这一误差，提出了以下指南：

• 选择一个远离反应中心的碳作为参考，并假设它在反应中没有动力学同位素效应。
• 在未发生任何反应的起始材料中，确定其他碳NMR峰积分与参考碳峰积分的比率。
• 在起始材料样品经过一些反应后，获得相同的碳比率。
• 后一个比率与前一个比率的比率产生R/R0。

如果遵循Jankowski列出的这些以及其他一些预防措施，则可以实现精确到小数点后三位的动力学同位素效应。

碳同位素效应的解释通常因同时形成和破坏与碳的键而变得复杂。即使是仅涉及从碳上断裂的反应，例如SN1反应，也涉及加强与碳的剩余键。在许多此类反应中，离去基团同位素效应往往更容易解释。例如，氯作为离去基团的取代和消除反应很容易解释，特别是因为氯作为没有内部键合的单原子物质使反应配位复杂化，并且它有两个稳定同位素35Cl和37Cl，两者丰度高。解释这种同位素影响的主要挑战是离去基团的溶剂化。由于实验的不确定性，同位素效应的测量可能会带来很大的不确定性。通常同位素效应是通过对一系列同位素异构体的补充研究来确定的。因此，将氢同位素效应与重原子同位素效应结合起来非常有用。例如，通过测定氮同位素效应和氢同位素效应来表明2-苯乙基三甲基铵离子与乙醇盐在40°C的乙醇中的反应遵循E2机制，而不是替代的非协调机制。这一结论是在表明该反应产生1.0133±0.0002的氮同位素效应k14/k15以及在离开氢气时产生3.2的氢动力学同位素效应时得出的。类似地，结合氮和氢同位素效应来证明简单铵盐的顺式消除也遵循一致的机制，这在以前是一个争论的问题。在以下两个2-苯基环戊基三甲基铵离子与乙醇盐的反应中，均产生1-苯基环戊烯，两种异构体在60°C下均表现出氮同位素效应k14/k15。尽管顺式消除后的反式异构体反应具有较小的氮动力学同位素效应(1.0064)与经历反消除的顺式异构体(1.0108)相比，这两个结果都足够大，足以表明CN键的弱化处于协调过程中会发生的过渡状态。

由于动力学同位素效应源于同位素质量的差异，因此可观察到的xxx的动力学同位素效应与氢与氘（质量增加xxx）或氚（质量增加200%）的同位素取代有关。使用μ子时，同位素质量比产生的动力学同位素效应可高达36.4。他们产生了最轻的氢原子0.11H(0.113amu)，其中一个电子围绕一个质量为206个电子的正μ子(μ+)核运行。他们还制备了最重的氢原子类似物，将氦中的一个电子替换为负μ子(μ-)，形成原子质量为4.116amu的Heμ。由于负μ子比电子重得多，它的轨道更靠近原子核，有效地屏蔽了一个质子，使Heμ表现为4.1H。有了这些外来物种，研究了H与1H2的反应。然后使用最轻和最重的氢类似物与1H2反应的速率常数来计算k0.11/k4.1动力学同位素效应，其中同位素质量有36.4倍的差异。对于该反应，同位素取代恰好产生逆动力学同位素效应，作者报告了低至1.74x10-4的动力学同位素效应，这是迄今为止报道的最小的动力学同位素效应。动力学同位素效应导致氘同位素在天然产物中的特定分布，这取决于它们在自然界中合成的路线。因此，通过核磁共振光谱，很容易检测葡萄酒中的酒精是由葡萄糖发酵而成，还是由非法添加的蔗糖发酵而成。使用动力学同位素效应阐明的另一个反应机制是甲苯的卤化：在这个特定的分子内KIE研究中，使用N-溴代琥珀酰亚胺作为溴化剂，苄基氢被溴自由基取代。发现PhCH3的溴化速度比PhCD3快4.86倍。5.56的大KIE与酮与溴和氢氧化钠的反应有关。在该反应中，限速步骤是通过酮的去质子化形成烯醇化物。在这项研究中，KIE通过光密度测量从常规2,4-二甲基-3-戊酮及其氘代异构体的反应速率常数计算。在不对称催化中，很少有动力学同位素效应表现为氘代底物与非氘代底物的对映选择性存在显着差异。Toste及其同事报道了一个例子，其中氘代底物产生了83%ee的对映选择性，而未氘代底物产生了93%ee。该效应被用来证实额外的分子间和分子内竞争KIE数据，这些数据表明在对映决定步骤中CH/D键的裂解。