在物理有機化學中，動力學同位素效應(KIE)是當反應物中的一個原子被其同位素之一取代時，化學反應的反應速率的變化。反應速率的這種變化是一種量子力學效應，主要是由于較重的同位素體與較輕的同位素體相比具有較低的振動頻率。在大多數情況下，這意味著較重的同位素體達到過渡態（或在極少數情況下，解離極限）所需的能量輸入更大，因此反應速度更慢。動力學同位素效應的研究可以幫助闡明某些化學反應的反應機制，并且偶爾在藥物開發中被利用來通過保護代謝易損的CH鍵來改善不利的藥代動力學。

動力學同位素效應被認為是研究反應機理的最重要和最敏感的工具之一，對其的了解可以提高相應反應的理想質量。例如，動力學同位素效應可用于揭示親核取代反應是否遵循單分子(SN1)或雙分子(SN2)途徑。在甲基溴和氰化物的反應中（如引言所示），觀察到的甲基碳動力學同位素效應表明了一種SN2機制。根據不同的途徑，可以使用不同的策略來穩定反應的速率決定步驟的過渡態，提高反應速率和選擇性，這對于工業應用很重要。當相對質量變化xxx時，同位素速率變化最為明顯，因為該效應與受影響鍵的振動頻率有關。例如，將氫原子(H)更改為其同位素氘(D)代表質量增加xxx，而用碳13代替碳12時，質量僅增加8%。涉及C-H鍵的反應速率通常比相應的C-D鍵快6-10倍，而12C反應僅比相應的13C反應快4%（盡管在這兩種情況下，同位素是重一個原子質量單位）。同位素取代可以以多種方式改變反應速率。在許多情況下，可以通過注意原子的質量影響它形成的化學鍵的振動頻率來合理化速率差異，即使反應的勢能表面幾乎相同。較重的同位素將（通常）導致較低的振動頻率，或者從量子力學的角度來看，將具有較低的零點能量。使用較低的零點能量，必須提供更多的能量來破壞鍵，從而導致鍵斷裂的活化能更高，這反過來又降低了測量的速率（例如，參見Arrhenius方程）。

當與同位素標記原子的鍵正在形成或斷裂時，可能會發現主要的動力學同位素效應。根據探測動力學同位素效應的方式（平行測量速率與分子間競爭與分子內競爭），主要動力學同位素效應的觀察表明在限速步驟斷裂/形成與同位素的鍵，或隨后的產品確定步驟。（在教科書和主要文獻中經常重復這樣的誤解，即主要動力學同位素效應必須反映在限速步驟與同位素的鍵斷裂/形成：參見下面的實驗部分。）對于前面提到的親核取代反應，已經研究了離去基團、親核試劑和發生取代的α-碳的主要動力學同位素效應。由于溫度獨立因素的顯著貢獻，離去基團動力學同位素效應的解釋起初很困難。α-碳上的動力學同位素效應可用于對SN2反應中過渡態的對稱性進行一些了解，盡管這種動力學同位素效應不如理想情況敏感，這也是由于非振動因素的貢獻。

當與反應物中同位素標記的原子的鍵沒有斷裂或形成時，就會觀察到二次動力學同位素效應。次級動力學同位素效應往往比初級動力學同位素效應小得多；然而，次級氘同位素效應可高達每個氘原子1.4個，并且已經開發出可以非常高精度測量重元素同位素效應的技術，因此次級動力學同位素效應對于闡明反應機制仍然非常有用。對于上述親核取代反應，α-碳上的二級氫動力學同位素效應提供了區分SN1和SN2反應的直接方法。已發現SN1反應通常會導致較大的次級動力學同位素效應，接近其理論xxx值約為1.22，而SN2反應通常會產生非常接近或小于1的初級動力學同位素效應。大于1的動力學同位素效應稱為正常動力學同位素效應，而小于1的動力學同位素效應稱為逆動力學同位素效應。通常，過渡態中較小的力常數預計會產生正常的動力學同位素效應，α-碳原子上的這種次級同位素效應的大小很大程度上取決于Cα-H(D)振動。對于SN1反應，由于在速率決定步驟的過渡態期間碳原子轉化為sp2雜化碳鎓離子，Cα-H(D)鍵序增加，因此可以預期逆動力學同位素效應只要伸縮振動很重要。發現觀察到的大的正常動力學同位素效應是由從反應物到碳鎓離子形成的過渡態時顯著的平面外彎曲振動貢獻引起的。對于SN2反應，彎曲振動對動力學同位素效應仍然起著重要作用，但拉伸振動的貢獻具有更大的可比性，

同位素效應的理論處理很大程度上依賴于過渡態理論，該理論假設反應有一個單一的勢能表面，以及反應物和該表面上的產物之間的勢壘，其上存在過渡態。動力學同位素效應主要源于沿勢能表面的最小能量路徑的同位素擾動產生的振動基態的變化，這可能只能通過系統的量子力學處理來解釋。根據沿反應坐標移動的原子質量和能壘的性質（寬度和高度），量子力學隧穿也可能對觀察到的動力學同位素效應做出很大貢獻，可能需要單獨考慮，氘動力學同位素效應(2HKIE)是迄今為止最常見、最有用和最容易理解的動力學同位素效應類型。使用密度泛函理論計算準確預測氘動力學同位素效應的數值現在相對常規。此外，一些定性和半定量模型允許在不計算的情況下對氘同位素效應進行粗略估計，通常提供足夠的信息來合理化實驗數據，甚至支持或反駁不同的機制可能性。含有氘的起始材料通常是可商購的，這使得富含同位素的起始材料的合成相對簡單。還，由于氘和氚的質量相對差異較大以及隨之而來的振動頻率的差異，同位素效應的幅度大于除氚和氚之外的任何其他同位素對，從而使初級和次級同位素效應都可以輕松實現測量和解釋。相比之下，對于較重的元素，次要效應通常非常小，并且在幅度上接近實驗不確定性，這使它們的解釋復雜化并限制了它們的效用。在同位素效應的背景下，氫經常被用來指代輕同位素，特別是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行語法結構中提及氫和氘或它們之間的直接比較應解釋為指的是氘和氘。同位素效應的幅度比除氚和氚之外的任何其他同位素對都大，因此可以輕松測量和解釋初級和次級同位素效應。相比之下，對于較重的元素，次要效應通常非常小，并且在幅度上接近實驗不確定性，這使它們的解釋復雜化并限制了它們的效用。在同位素效應的背景下，氫經常被用來指代輕同位素，特別是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行語法結構中提及氫和氘或它們之間的直接比較應解釋為指的是氘和氘。同位素效應的幅度比除氚和氚之外的任何其他同位素對都大，因此可以輕松測量和解釋初級和次級同位素效應。相比之下，對于較重的元素，次要效應通常非常小，并且在幅度上接近實驗不確定性，這使它們的解釋復雜化并限制了它們的效用。在同位素效應的背景下，氫經常被用來指代輕同位素，特別是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行語法結構中提及氫和氘或它們之間的直接比較應解釋為指的是氘和氘。允許輕松測量和解釋初級和次級同位素效應。相比之下，對于較重的元素，次要效應通常非常小，并且在幅度上接近實驗不確定性，這使它們的解釋復雜化并限制了它們的效用。在同位素效應的背景下，氫經常被用來指代輕同位素，特別是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行語法結構中提及氫和氘或它們之間的直接比較應解釋為指的是氘和氘。允許輕松測量和解釋初級和次級同位素效應。相比之下，對于較重的元素，次要效應通常非常小，并且在幅度上接近實驗不確定性，這使它們的解釋復雜化并限制了它們的效用。在同位素效應的背景下，氫經常被用來指代輕同位素，特別是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行語法結構中提及氫和氘或它們之間的直接比較應解釋為指的是氘和氘。在同位素效應的背景下，氫經常被用來指代輕同位素，特別是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行語法結構中提及氫和氘或它們之間的直接比較應解釋為指的是氘和氘。在同位素效應的背景下，氫經常被用來指代輕同位素，特別是氕（1H）。在本文的其余部分，在平行語法結構中提及氫和氘或它們之間的直接比較應解釋為指的是氘和氘。動力學同位素效應理論由JacobBigeleisen于1949年首次提出。Bigeleisen的氘動力學同位素效應通式（也適用于較重元素）如下所示。它采用過渡態理論和平移、旋轉和振動能級的統計機械處理來計算速率常數kH和kD。然而，這個公式是半經典的，因為它忽略了量子隧道效應的貢獻，量子隧道效應通常作為一個單獨的校正因子引入。Bigeleisen的公式也沒有處理由比C-H鍵略短的C-D鍵引起的非鍵排斥相互作用的差異。在方程中，下標H或D的量分別指氫或氘取代的物質，而帶或不帶雙匕首的量?分別指過渡態或反應物基態。對于氘同位素效應的特殊情況，我們將認為前三個項可以被視為等于或很好地近似為單位。xxx個因素S（包含σX）是各種物種的對稱數之比。這將是一個有理數（整數比），它取決于分子和鍵旋轉的數量，導致反應物中相同原子或基團的排列和過渡態。對于低對稱性系統，所有σX（反應物和過渡態）都是統一的；因此S通常可以忽略不計。MMI因子（包含MX和IqX）是指分子質量和轉動慣量的比值。由于與大多數反應物和過渡態相比，氫和氘往往要輕得多，含H和D的分子之間的分子質量和慣性矩幾乎沒有差異，因此MMI因子通常也近似為單位。EXC因子（包含振動分配函數的乘積）校正了由振動激發分子的反應引起的動力學同位素效應。在室溫或接近室溫的反應中，具有足夠能量以產生激發態A-H/D鍵振動的分子比例通常很小（與氫的鍵通常在1000cm-1或更高時振動，因此exp(-ui)=exp(-hνi/kBT)在298K時<0.01，導致1-exp(-ui)因子的貢獻可以忽略不計）。如前所述，特別是對于氫/氘取代，大多數動力學同位素效應源于反應物之間的零點能量(ZPE)差異和所討論的同位素體的過渡態，并且可以通過以下描述定性地理解這種差異：在Born-Oppenheimer近似中，兩種同位素物種的勢能面相同。然而，能量的量子力學處理在該曲線上引入了離散的振動能級，并且分子的最低可能能態對應于最低振動能級，其能量略高于勢能曲線的最小值。這種差異，稱為零點能量，是海森堡不確定性原理的體現，它需要CH或CD鍵長的不確定性。由于較重的（在這種情況下為氘代的）物質表現得更經典，它的振動能級更接近經典勢能曲線，并且它具有較低的零點能量。至少在大多數情況下，兩種同位素物種之間的零點能量差異在過渡態中減小，因為鍵合力常數在鍵斷裂期間減小。因此，氘化物質較低的零點能量轉化為其反應的較大活化能，如下圖所示，導致正常的動力學同位素效應。這種效果原則上應該考慮起始材料的所有3N-6振動模式和過渡態的3N?-7振動模式（一種模式，對應于反應坐標的模式，在過渡態缺失，因為鍵斷裂并且存在對運動沒有恢復力）。諧振子是振動鍵的一個很好的近似，至少對于低能振動狀態是這樣。在均裂C-H/D鍵解離的情況下，過渡態項消失，忽略其他振動模式，kH/kD=exp(?Δui)。因此，對于更硬（更強）的C-H/D鍵，觀察到更大的同位素效應。對于大多數感興趣的反應，氫原子在兩個原子之間轉移，具有過渡態[A···H···B]?，需要考慮過渡態的振動模式。然而，通常情況下，具有較高振動頻率的鍵的斷裂會產生較大的同位素效應。為了計算非隧道氘KIE的xxx可能值，我們考慮典型碳氫鍵(3000cm-1)和碳-氘鍵(2200)的伸縮振動之間的零點能量差的情況。cm-1)在過渡態消失（能量差為(1/2)(3000–2200cm-1)=400cm-1，或約1.15kcal/mol），沒有任何零點能量補償過渡態的差異（例如，來自對稱的A···H···B拉伸，這是過渡態所獨有的）。上面給出的簡化公式預測kH/kD的xxx值為6.9。如果還包括兩個彎曲振動的完全消失，則可以預測kH/kD值高達15-20。然而，彎曲頻率在過渡態中不太可能消失，而在室溫附近kH/kD值超過7-8的情況也很少。此外，當它們確實超過這些值時，通常會發現隧道效應是一個主要因素。對于在298K附近發生的反應，對于半經典初級動力學同位素效應（無隧道效應），kH/kD~10的值被認為是xxx值。（kH/kD的公式具有溫度依賴性，因此同位素效應較大在較低的溫度下是可能的）。根據H轉移過渡態的性質（對稱與早期或晚期以及線性與彎曲），主要氘同位素效應接近此xxx值的程度會有所不同。Westheimer開發的模型預測對稱（熱中性，根據哈蒙德假設）線性過渡態具有xxx的同位素效應，而早期或晚期的過渡態（分別用于放熱或吸熱反應）或非線性（例如循環）表現出較小的影響。此后，這些預測得到了廣泛的實驗支持。對于二次氘同位素效應，Streitwieser提出，從反應物基態到過渡態的彎曲模式減弱（或在反同位素效應的情況下加強）是觀察到的同位素效應的主要原因。這些變化歸因于當與H/D結合的碳經歷從sp3到sp2的再雜化或反之亦然（α二次動力學同位素效應）時空間環境的變化，或者在碳正離子的情況下由于超共軛導致鍵弱化。產生一個碳原子外（β二級動力學同位素效應）。這些同位素效應的理論xxx值為kH/kD=20.5≈1.4。對于α位的次級動力學同位素效應，從sp3到sp2的再雜交會產生正常同位素效應，而從sp2到sp3的再雜化會導致反同位素效應，理論最小值為kH/kD=2-0.5≈0.7。在實踐中，kH/kD~1.1-1.2和kH/kD~0.8-0.9是典型的α次級動力學同位素效應，而kH/kD~1.15-1.3是典型的β次級動力學同位素效應。對于含有幾個同位素取代的β-氫原子的反應物，觀察到的同位素效應通常是β位上的幾個H/D協同作用的結果。在這些情況下，每個同位素標記原子的影響是相乘的，并且kH/kD>2的情況并不少見。對于含有幾個同位素取代的β-氫原子的反應物，觀察到的同位素效應通常是β位上的幾個H/D協同作用的結果。在這些情況下，每個同位素標記原子的影響是相乘的，并且kH/kD>2的情況并不少見。對于含有幾個同位素取代的β-氫原子的反應物，觀察到的同位素效應通常是β位上的幾個H/D協同作用的結果。在這些情況下，每個同位素標記原子的影響是相乘的，并且kH/kD>2的情況并不少見。弗羅斯特等人。試圖通過單脈沖NMR使用天然豐度動力學同位素效應測量來了解路易斯酸添加劑對對映選擇性鈀催化CN鍵活化機制的影響。在沒有BPh3的情況下觀察到的主要13C動力學同位素效應表明反應機制具有限速的順式氧化成氰基甲酰胺的C-CN鍵。BPh3的添加導致觀察到的13C動力學同位素效應相對降低，這導致Frost等人。表明限速步驟從順式氧化到鈀與氰基甲酰胺配位的變化。

盡管在自然豐度下的動力學同位素效應測量是了解反應機制的有力工具，但分析所需的材料量可能使該技術無法用于使用昂貴試劑或不穩定起始材料的反應。為了減輕這些限制，Jacobsen及其同事開發了1H到13C偏振轉移，作為減少在自然豐度下進行動態同位素效應測量所需的時間和材料的一種手段。極化轉移無失真增強(DEPT)利用1H與13C的較大旋磁比，理論上可將測量靈敏度提高4倍或將實驗時間縮短16倍。Jacobsen及其同事將半乳糖的硫脲催化糖基化鑒定為符合上述兩個標準（昂貴的材料和不穩定的底物）的反應，并且是一種機制知之甚少的反應。糖基化是親核取代的一種特殊情況，在SN1和SN2機制特征之間缺乏明確的定義。與置換位點（即C1）相鄰的氧的存在可以穩定正電荷。這種電荷穩定可以導致任何潛在的協同通路變得異步，并接近具有SN1糖基化機制的氧碳鎓特征的中間體。Jacobsen及其同事在C1、C2和C5處觀察到小的正常KIE，這表明過渡態具有顯著的氧碳鎓特征和具有大量電荷分離的異步反應機制。

高精度同位素比質譜法(IRMS)是另一種測量同位素動力學分級的方法，用于自然豐度KIE測量。Widlanski及其同事在硫酸單酯水解的自然豐度測量中展示了34SKIE。他們對大KIE的觀察表明SO鍵斷裂是速率控制的，并且可能排除了相關反應機制。使用IRMS在自然豐度下確定KIE的主要限制是所需的位點選擇性降解，而無需將同位素分餾成可分析的小分子，這是一項不平凡的任務。

初級氫動力學同位素效應是指在反應的速率和/或產物確定步驟中形成或破壞與同位素標記的氫的鍵的情況。這些是最常測量的動力學同位素效應，并且之前涵蓋的大部分理論都涉及初級動力學同位素效應。當有足夠的證據表明標記氫的轉移發生在反應的速率確定步驟中時，如果觀察到相當大的動力學同位素效應，例如kH/kD至少為5-6或kH/kT約為10-13在室溫下，氫轉移很可能是線性的，并且氫相當對稱地位于過渡態。通常不可能對隧道效應對觀察到的同位素效應的貢獻發表評論，除非效應非常大。如果初級動力學同位素效應不是那么大，通常認為它表明重原子運動對反應坐標的顯著貢獻，盡管它也可能意味著氫轉移遵循非線性路徑。

二次氫同位素效應或二次動力學同位素效應(SKIE)出現在同位素取代遠離斷裂鍵的情況下。然而，遠程原子會影響系統的內部振動，通過零點能量(ZPE)的變化影響化學反應的速率。這種影響表示為輕同位素與重同位素的比率，可以是正常（比率大于或等于1）或反向（比率小于1）效應。SKIE被定義為α、β（等）次級同位素效應，其中此類前綴是指同位素取代相對于反應中心的位置（參見α和β碳）。在物理有機化學中，SKIE是根據電子效應（如感應、鍵雜化或超共軛）來討論的。這些性質由電子分布決定，并取決于受同位素取代影響不大的振動平均鍵長和角度。因此，不鼓勵使用合法的電子同位素效應一詞，因為它可能被誤解為暗示同位素效應本質上是電子的而不是振動的。SKIE可以用軌道雜交的變化來解釋。當碳原子的雜化從sp3變為sp2時，許多振動模式（拉伸、平面內和平面外彎曲）都會受到影響。由于sp3雜化碳的對稱性，sp3雜化碳中的面內和面外彎曲頻率相似。在sp2雜化碳中，面內彎曲比面外彎曲更硬，導致頻率、ZPE以及SKIE（當反應物的ZPE存在差異時存在）和過渡狀態）。由彎曲頻率差引起的理論xxx變化已計算為1.4。當碳經歷將其雜化從sp3變為sp2的反應時，過渡態的平面外彎曲力常數隨著其發展sp2特性而較弱，并且觀察到正常的SKIE，典型值為1.1至1.2。相反，當碳的雜化從sp2變為sp3時，過渡態的平面外彎曲力常數增加，并且觀察到反向SKIE，典型值為0.8至0.9。更一般地，可逆反應的SKIE可以是正常的一種方式，如果過渡態的鍵合在基材和產物之間的剛度中間，則它們可以是正常的一種方式，或者如果在過渡態的鍵合較弱，它們可以是兩種方式的正常方式，或者兩者都相反如果在過渡態中的鍵合比在任何一種反應物中都強。在Fitzpatrick和Kurtz的工作中可以看到逆α次級動力學同位素效應的一個例子，他們使用這種效應來區分d-氨基酸氧化酶與硝基烷陰離子反應的兩種建議途徑。路徑A涉及對輔酶FAD的親核攻擊，而路徑B涉及自由基中間體。由于路徑A導致從sp2到sp3的中間碳變化雜化，因此預計會出現反向SKIE。如果出現路徑B，則不應觀察到SKIE，因為自由基中間體不會改變雜交。觀察到0.84的SKIE，并驗證了路徑A，如下圖所示。SKIE的另一個例子是二甲基二環氧乙烷對苯甲醇的氧化，其中提出了不同機制的三種過渡態。同樣，通過考慮氫原子如何以及是否參與其中，研究人員預測他們是否會預期它們的同位素取代效應。然后，對反應實驗數據的分析使他們能夠根據觀察到的同位素效應選擇最有可能的途徑。來自亞甲基氫的次級氫同位素效應也用于表明1,5-己二烯中的Cope重排遵循一致的鍵重排途徑，而不是替代提出的烯丙基自由基或1,4-二基途徑之一，所有這些途徑都是在以下方案中提出。1,5-己二烯Cope重排的替代機制：（從上到下）、烯丙基自由基、同步協同和1,4-二烯途徑。發現主要途徑是中間途徑，它具有六個離域π電子，對應于芳香族中間體。

空間同位素效應是一種不涉及鍵斷裂或形成的SKIE。這種效應歸因于同位素體的不同振動幅度。這種效應的一個例子是9,10-二氫-4,5-二甲基菲的消旋化。與C-H（碳-氫）、C-D（碳-氘）鍵中的氫相比，氘的振動幅度更小，除了ZPE之間的差異之外，還導致更小的范德華半徑或有效尺寸他們倆。當存在一個更大的有效分子體積時，包含一個比另一個多，這可以通過對速率常數的空間效應來證明。對于上面的示例，氘消旋比氫同位素體更快，從而導致空間同位素效應。Bartell開發了空間同位素效應模型。空間同位素效應的另一個例子是輪烷的脫滑反應。氘同位素由于其較小的有效尺寸，使得塞子更容易通過大環，從而導致氘代輪烷的脫滑速率更快。

氘代物質比未氘代類似物反應更快的反應是已知的，并且據說這些情況表現出逆動力學同位素效應（IKIE）。IKIE經常在烷基金屬氫化物的還原消除中觀察到，例如(Me2NCH2CH2NMe2)PtMe(H)。在這種情況下，過渡態的CD鍵（一種非活性物質）相對于C-H鍵高度穩定。如果總速率常數取決于在具有逆平衡同位素效應的速率確定步驟之前的預平衡，則在多步反應中也可能發生逆效應。例如，D3O+催化的D2O中的酸催化反應速率通常是H3O+催化的H2O中的類似反應的2-3倍，這可以解釋為反應物的特定氫離子催化機制R由H3O+（或D3O+）。H3O++R?RH++H2ORH++H2O→H3O++P那么產物的形成速率為d[P]/dt=k2[RH+]=k2K1[H3O+][R]=kobs[H3O+][R]。在xxx步中，H3O+通常是比RH+強的酸。氘化使平衡向結合力更強的酸物質RD+移動，其中氘化對零點振動能的影響更大，因此氘化平衡常數K1D大于K1H。xxx步中的這種平衡同位素效應通常超過第二步中的動力學同位素效應，因此存在明顯的反同位素效應，觀察到的總速率常數kobs=k2K1減小。

為了使溶劑同位素效應可測量，溶劑的有限部分必須具有與其余部分不同的同位素組成。因此，必須提供大量不太常見的同位素物質，從而將可觀察到的溶劑同位素效應限制為涉及氫的同位素取代。僅當溶質與溶劑交換氫或在反應位點附近存在特定的溶質-溶劑相互作用時，才會發生可檢測的動力學同位素效應。這兩種現象在質子溶劑中都很常見，其中氫是可交換的，它們可能與極性分子形成偶極-偶極相互作用或氫鍵。

大多數有機反應涉及到碳鍵的斷裂和形成。因此，預期可檢測到的碳同位素效應是合理的。但是，當使用13C作為標記時，同位素質量的變化僅為約8%，這將可觀察到的動力學同位素效應限制在比氫同位素效應可觀察到的值小得多的值。

通常，在一項取決于碳的自然豐度的研究中，xxx的誤差來源是自然13C豐度本身的微小變化。出現這種變化是因為反應中使用的起始材料本身是一些其他反應的產物，這些反應具有動力學同位素效應和產物中相應的同位素富集。當使用NMR光譜確定動力學同位素效應時，為了補償這一誤差，提出了以下指南：

• 選擇一個遠離反應中心的碳作為參考，并假設它在反應中沒有動力學同位素效應。
• 在未發生任何反應的起始材料中，確定其他碳NMR峰積分與參考碳峰積分的比率。
• 在起始材料樣品經過一些反應后，獲得相同的碳比率。
• 后一個比率與前一個比率的比率產生R/R0。

如果遵循Jankowski列出的這些以及其他一些預防措施，則可以實現精確到小數點后三位的動力學同位素效應。

碳同位素效應的解釋通常因同時形成和破壞與碳的鍵而變得復雜。即使是僅涉及從碳上斷裂的反應，例如SN1反應，也涉及加強與碳的剩余鍵。在許多此類反應中，離去基團同位素效應往往更容易解釋。例如，氯作為離去基團的取代和消除反應很容易解釋，特別是因為氯作為沒有內部鍵合的單原子物質使反應配位復雜化，并且它有兩個穩定同位素35Cl和37Cl，兩者豐度高。解釋這種同位素影響的主要挑戰是離去基團的溶劑化。由于實驗的不確定性，同位素效應的測量可能會帶來很大的不確定性。通常同位素效應是通過對一系列同位素異構體的補充研究來確定的。因此，將氫同位素效應與重原子同位素效應結合起來非常有用。例如，通過測定氮同位素效應和氫同位素效應來表明2-苯乙基三甲基銨離子與乙醇鹽在40°C的乙醇中的反應遵循E2機制，而不是替代的非協調機制。這一結論是在表明該反應產生1.0133±0.0002的氮同位素效應k14/k15以及在離開氫氣時產生3.2的氫動力學同位素效應時得出的。類似地，結合氮和氫同位素效應來證明簡單銨鹽的順式消除也遵循一致的機制，這在以前是一個爭論的問題。在以下兩個2-苯基環戊基三甲基銨離子與乙醇鹽的反應中，均產生1-苯基環戊烯，兩種異構體在60°C下均表現出氮同位素效應k14/k15。盡管順式消除后的反式異構體反應具有較小的氮動力學同位素效應(1.0064)與經歷反消除的順式異構體(1.0108)相比，這兩個結果都足夠大，足以表明CN鍵的弱化處于協調過程中會發生的過渡狀態。

由于動力學同位素效應源于同位素質量的差異，因此可觀察到的xxx的動力學同位素效應與氫與氘（質量增加xxx）或氚（質量增加200%）的同位素取代有關。使用μ子時，同位素質量比產生的動力學同位素效應可高達36.4。他們產生了最輕的氫原子0.11H(0.113amu)，其中一個電子圍繞一個質量為206個電子的正μ子(μ+)核運行。他們還制備了最重的氫原子類似物，將氦中的一個電子替換為負μ子(μ-)，形成原子質量為4.116amu的Heμ。由于負μ子比電子重得多，它的軌道更靠近原子核，有效地屏蔽了一個質子，使Heμ表現為4.1H。有了這些外來物種，研究了H與1H2的反應。然后使用最輕和最重的氫類似物與1H2反應的速率常數來計算k0.11/k4.1動力學同位素效應，其中同位素質量有36.4倍的差異。對于該反應，同位素取代恰好產生逆動力學同位素效應，作者報告了低至1.74x10-4的動力學同位素效應，這是迄今為止報道的最小的動力學同位素效應。動力學同位素效應導致氘同位素在天然產物中的特定分布，這取決于它們在自然界中合成的路線。因此，通過核磁共振光譜，很容易檢測葡萄酒中的酒精是由葡萄糖發酵而成，還是由非法添加的蔗糖發酵而成。使用動力學同位素效應闡明的另一個反應機制是甲苯的鹵化：在這個特定的分子內KIE研究中，使用N-溴代琥珀酰亞胺作為溴化劑，芐基氫被溴自由基取代。發現PhCH3的溴化速度比PhCD3快4.86倍。5.56的大KIE與酮與溴和氫氧化鈉的反應有關。在該反應中，限速步驟是通過酮的去質子化形成烯醇化物。在這項研究中，KIE通過光密度測量從常規2,4-二甲基-3-戊酮及其氘代異構體的反應速率常數計算。在不對稱催化中，很少有動力學同位素效應表現為氘代底物與非氘代底物的對映選擇性存在顯著差異。Toste及其同事報道了一個例子，其中氘代底物產生了83%ee的對映選擇性，而未氘代底物產生了93%ee。該效應被用來證實額外的分子間和分子內競爭KIE數據，這些數據表明在對映決定步驟中CH/D鍵的裂解。