有機化學機理解題思路及方法

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摘要:機理就是講述化合物A在給定的條件下如何轉變成化合物B。學習如何為有機反應提出合理的機制很重要,因為機理使有機化學易于理解。如果不能將有機化學家熟悉的一系列令人困惑的反應歸納成幾種基本的機理類型,我們將無法理解和記憶這些反應。本文通過分析有機反應過程中化學鍵的斷裂與形成,提出極性反應三要素并以極性反應三要素為指導原則,結合具體實例進行深入分析探索,為有機反應機理學習提供具有較為普適的思考模式,在多年的教學實踐中收到良好的效果。

關鍵詞:有機化學;機理;解題方法

有機化學反應類型多,反應條件復雜。多年的教學實踐發現,很多學生把有機化學學習簡單理解成機械式的記憶反應,結果大量的、“雜亂無章”的反應越記頭越亂,跟英語單詞沒什么兩樣。其實,這完全是學生對有機化學的誤解,即使是英語單詞的記憶也還是有規律可循的。表面上看起來雜亂無章的反應,同樣也還是有規可循的,那就是反應機理。如果我們把各種各樣的反應比作英語“句子”,那么有機化學的反應機理就是英語的“語法”。由此可見,唯有對基礎理論以及基本機理過程的深刻理解,才能將表面上互不相干的現象以及過程聯系成為一個整體,從而達到對有機化學本質的認識和掌握[1]。多年教學實踐發現,學生對有機反應普遍采用死記硬背的學習方法。這種學習方法用于少數幾個反應還能湊效,隨著反應類型與數量增加,這種“知其然而不知其所以然”的有機化學學習方法使得有機化學越學越無章法,尤其是將其用于有機反應機理的學習上更是如此。因為,有機化學反應是宏觀表現出來的總反應,它是反應過程多步基元反應的集成。由此可見,提出一個具有相對普遍意義的思維模式來指導有機反應機理學習具有重要意義。

1有機化合物是酸-堿復合體

有機化學反應的實質就是分子中舊鍵的斷裂和新鍵的形成,根據共價鍵斷裂方式有機化學反應可分為自由基型反應和離子型反應[2]。

1.1均裂和自由基型反應

共價鍵的均裂是指組成共價鍵的一對電子,在共價鍵斷裂后均分到共價鍵連接的兩個原子或基團上：自由基孤電子所在的軌道只有一個電子而一個軌道可容納兩個自旋方向相反的電子,因此,自由基可以給出一個電子變成正離子,也可以再接受一個電子變成負離子。根據路易斯酸堿理論,能給出電子的物質是路易斯堿,能接受電子的物質是路易斯酸[3]?？梢?我們可以把自由基看作路易斯酸或路易斯堿,圖1.的逆過程就是酸堿反應形成酸-堿復合體X-Y(路易斯酸堿理論沒有鹽的概念,這里姑且定義一個新概念“酸-堿復合體”)。

1.2異裂和離子型反應

共價鍵的異裂是指共價鍵斷裂后,成鍵的一對電子完全歸成鍵的一個原子或原子團所有:顯然,圖2的逆過程就是典型的路易斯酸堿反應,形成酸-堿復合體X-Y。離子型反應通常在酸、堿或極性條件下進行。基礎有機化學涉及到的反應絕大多數是離子型反應,因此,本文將焦點集中在離子型反應機理的探討上。

2極性反應三要素

我們把極性條件下進行的反應稱為極性反應:由圖3可見,極性反應涉及三個物種:路易斯堿OH-、路易斯酸Cδ+和路易斯堿Clδ-。根據路易斯酸堿理論,帶負電的、富電子的以及可以給出電子的都是堿;與堿相對應,帶正電的、缺電子的以及可以接納電子的都是酸。路易斯堿為親核試劑(位點),路易斯酸為親電試劑(位點)。為了描述方便,我們把極性反應涉及的三個物種路易斯堿OH-、路易斯酸Cδ+和路易斯堿Clδ-推廣并分別稱之為親核試劑(位點)、親電試劑(位點)以及離去基團,統稱極性反應三要素[4]。一個反應體系、分子或中間體,只要同時存在親核試劑(位點)、親電試劑(位點)以及離去基團極性反應三要素,則該分子或中間體即無法穩定存在,必將進行后續反應。

3應用極性反應三要素尋找有機反應機理突

破口并導航后續反應路徑有機反應機理第一道難關是如何尋找解題突破口,即:從何入手?首先,分析該機理是酸性條件還是堿性條件,如反應機理是酸性條件,則尋找反應物的親核位點。親核位點常見的有孤對電子、π電子以及σ電子(常發生在C+重排)。反之,則尋找親電位點。常見的親電位點為Cδ+。不管是酸性條件或是堿性條件,有機極性反應機理的第一步都是酸堿反應形成酸-堿復合體。有機極性反應機理的第二個、第三個,……難題是后續反應如何進行?后續反應路徑的導航針:在酸-堿復合體中尋找親核位點、親電位點以及離去基團,其本質就是進行一系列極性反應。下面由簡到難,應用極性反應三要素對三例極性反應機理的突破口以及后續反應路徑進行具體分析。

3.1推測下列反應產物并提出合理的理由

本例題實際上就是Perkin反應的機理問題[5],具體分析如下:(1)第一步,該反應在醋酸鉀堿性條件下進行,因此,首先尋找“酸性”位點或親電位點。在乙酸酐中,“酸性”親電位點有兩個:羰基碳、酸性氫α-H,假如醋酸根離子進攻羰基碳,通過加成-消除反應掛上一個醋酸根離子又掉下一個醋酸根離子,形成動態平衡,凈結果等于沒有反應。因此,醋酸根作為堿進攻酸性氫α-H,形成C-α,這是本反應機理的突破口。(2)第二步,Cα-作為堿親核位點進攻酸親電位點苯甲醛的羰基碳,形成堿醇氧負離子。(3)第三步,醇氧負離子作為堿親核試劑,進攻酸性親電位點乙酸酐的羰基碳,形成新的醇氧負離子。(4)第四步,醇氧負離子作為親核試劑,氧、乙酰氧基所連接的Cδ+帶部分正電荷為親電進攻位點,乙酰氧基為離去基團(醋酸根離子氧原子上的負電荷可與羰基共振形成兩個等同的共振式特別穩定,是好的離去基團),因此,該中間體發生分子內的SN2反應。(5)第五步,醋酸根離子作為堿進攻酸性的α-H,形成α-C-親核位點,與乙酰氧基相連接的Cδ+帶部分正電荷為親電部位,乙酰氧基為離去基團,教科書上稱之為反式E2消除反應。正如廬山“橫看成嶺側成峰”,該中間體同時具備親核試劑、親電位點、離去基團(醋酸根離子是好的離去基團),我們完全可以從另一個角度看,認為該中間體發生發生分子內SN2反應,形成C=C雙鍵。(6)第六步,OH-作為堿、親核試劑進攻酸、親電部位酸酐羰基碳,通過加成-消除機理失去一分子醋酸根。

3.2給下列反應提出合理的機理

[6](1)第一步,如何尋找突破口是解本題反應機理的關鍵!在堿性條件下,目標很明確就是尋找酸性氫或親電位點。本反應物有三個α-H,其中一個α-H有一個體積較大的氯原子,難以受到堿的進攻。因此,OH-進攻羰基右邊的α-H形成α-C-離子與羰基形成共振體。(2)第二步,本中間體烯醇負離子的碳為親核試劑,氯原子所連接的碳原子為親電位點,氯原子為離去基團,發生分子內SN2反應,形成環丙酮結構。(3)第三步,羰基碳為酸、親電位點,OH-為堿、親核試劑,二者發生酸-堿加成反應,形成醇氧負離子。(4)第四步、在本中間體中,OH氧原子所連接的碳原子為酸親電位點,醇氧負離子為親核試劑,碳負離子為離去基團,發生分子內SN2反應。碳負離子堿性極強,容易從水分子截獲質子。本步驟進行的動力為三元環極大的張力,開環后張力解除,體系能量降低。(5)由于第四步水失去質子變成OH-,第五步為羧酸在堿性條件下簡單的酸堿反應。

3.3請為下列反應提出合理的反應機理

[7]初看本例機理較為復雜,但不管如何復雜,我們還是可以“極性反應三要素”為指導原則,尋找解題突破口。(1)硫葉立德為親核試劑,羰基碳為親電位點,氧為離去基團(C=O等同于一個C連接兩個O),發生分子間SN2反應(實際上就是羰基的親核加成),形成醇氧負離子。(2)醇氧負離子為親核試劑,硫鎓離子所連接的C為親電位點,SPh2為離去基團發生分子內SN2反應,形成大張力的“環氧結構”。(3)理論上講,兩個環氧上的孤對電子都可以作為堿與H+發生質子化,考慮到產物保留六元環結構,排除與六元環姘合的環氧質子化,質子化發生在螺環氧原子。質子化后,OH正離子為離去基團,OH正離子所連接的碳原子為親電位點,σ電子為親核試劑,發生分子內SN2反應,形成碳正離子。張力較大的三元環轉化為張力較小的四元環,使中間體能量降低是反應的動力。(4)碳正離子是酸,OH氧原子上的孤對電子是堿,發生分子內的酸堿反應,形成羰基。(5)MeO-是親核試劑,羰基碳原子是親電位點,氧原子O是離去基團(C=O等同于一個碳原子連接兩個氧原子),發生分子間SN2反應(實際上就是羰基的親核加成),形成O-離子。接著,O-離子為親核試劑,MeO-連接的碳原子為親電位點,螺碳原子為離去基團,發生分子內SN2反應形成碳負離子。張力環四元環的開環,是此步轉化的動力。最后,碳負離子為親核試劑,環氧原子為離去基團,環氧所連接的碳原子為親電位點,發生分子內SN2反應,形成C=C和強堿醇氧負離子O-。(6)強堿醇氧負離子從溶液中的甲醇截獲質子,形成動態平衡。

4結語

有機化學反應機理是教學的重點、難點。教無定法,學也無定法。同樣一個知識點,不同的人學完后用自己的語言進行概括轉化為自己的東西、自己的心得也不完全一樣,但這并不影響知識的學習,正如老中醫把“肝、脾、腎”念成“肝、脾、賢”并不影響看病一樣的道理。所謂“橫看成嶺側成峰,遠近高低各不同”,這也是允許的。作者認為,科學意味著不斷探索。我們可以不斷接近科學真理,但我們誰也不擁有真理。昨天的大哲先賢們不擁有真理,今天的大牌學者們也不擁有真理,明天科學先驅們也同樣不能自稱“因為我擁有真理,所以我是權威”[8]。本文的出發點是放飛想象的翅膀,大膽創新,不為條條框框所約束,只要教學中有利于學生把復雜的有機反應機理學清楚、學明白,“不管黑貓白毛,能抓到老鼠的就是好貓”。因此,本文帶有明顯的探索與開放味道。

參考文獻

[1]王劍波,張志坤,張艷,等譯.有機化學機理導論[M].北京:北京大學出版社.2018:2.

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[3]孟慶珍,胡鼎文,程泉壽,等.無機化學(上)[M].北京:北京師范大學出版社,1988:609-611.

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[5]邢其毅,裴偉偉,徐瑞秋,等.基礎有機化學(第4版)[M].北京:北京大學出版社,2017:649-650.

[6]RobertB.Grossman.有機反應機理的書寫藝術(原著第2版)[M].北京:科學出版社,2015:159-160.

[7]裴堅,呂萍.有機化學思維進階[M].北京:化學工業出版社,2020:297.

[8]彭笑剛.物理化學講義[M].北京:高等教育出版社,2012:3.

作者：李海浪 彭躍顏 畢麗偉 秦飛 葉廷秀 羅紅元 單位：廈門醫學院藥學系