在有些被觀察到的同位素效應中, 被取代的氫原子和反應沒有直接的關系 ,同位素參與的化學鍵不發生斷裂, 但可能減弱或者重新雜化 ,并且在反應中是速度決定步驟 ,這樣的效應叫二級同位素效應( Secondary Isotope Effect)。這類效應比一級同位素效應小 ,通常 kH/ kD 在 0 . 7～ 1 . 5 范圍[ 5] 。當 1 <kH/ k D <1 . 5 時, 稱為常規二級同位素效應( Normal Secondary IE) , 通常當同位素 原子 所連的 C 原 子由 sp3 雜 化變 為 sp2 雜化 時是常 規二 級同 位素效 應; 當0 . 7 <kH/ k D <1時, 稱為逆反二級同位素效應( Inverse Secondary IE), 通常當同位素原子所連的C 原子由 sp2 雜化變成 sp3 雜化時是逆反二級同位素效應。
當同位素原子和涉及鍵斷裂的原子連接在同一個原子上時 ,稱這種效應為 α二級同位素效應( αSecondary IE)。產生 α二級同位素效應的主要原因是當同位素取代后 ,面外彎曲振動在過渡態和基態所受的影響不同[ 8] ( 由于 C —H 比 C —D 長 ,C —H 鍵彎曲狀態的自由度比 C —D 鍵大),而引起反應速率的變化。利用 α二級同位素效應可以區別 SN1 和 SN2 反應 。SN1 反應的氘同位素效應( kH/ kD =1 . 08 ～ 1 . 25) 比 SN2 大。其數值的大小與被取代的基團 、溶劑和可能形成的離子對的性質有關。下圖為 SN1 反應的示意圖 。
從上圖中很容易看出,離去基團的離開使得反應中心 C 周圍的空間由緊密變疏松。一般的規律是 ,由于 C —H 鍵比 C —D 鍵長 ,連接 H 原子的 C 比連接 D 原子的 C 更容易完成由 sp3 雜化到 sp2 雜化的轉變。
β 二級同位素效應( β Secondary IE) 指同位素原子連接在反應中心的 β 位原子上時對反應產生的同位素效應。 β 二級同位素效應的數值也比較小, 一般在 1 . 0 ～ 2 . 3 之間, 而且只有很少數超過 1 . 5 的。過去對 β 二級同位素效應的原因有過很多爭論, 隨著過渡態理論的發展, 人們更多地用到超共軛效應去解釋 β 二級同位素效應 。支持超共軛作用解釋 β 二級同位素效應的實驗事實是: ①當 D 變成離去基時( 這時過渡態呈現明顯的碳正離子特征) , 同位素效應最大 。 ②二級同位素效應可以通過不飽和體系轉移( 見圖 3),由于 C —H 鍵能比 C —D 鍵能低,離去的難易程度不同 ,這是 β 二級同位素效應產生的機理。 ③只有當β —H( D) 能與 α —C 的 p 軌道發生重疊時, 才能觀察到 β 二級同位素效應 。例如PhCD2CH2Ots甲酸反應中 ,因為過渡態有鄰基( 苯基) 參與使 β —H( D) 的構象位置處于 α—C 的 p 軌道節面上,沒有超共軛作用 ,以致觀察不到同位素效應。