導(dǎo)語(yǔ)：有機(jī)化學(xué)機(jī)理解題思路及方法一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要:機(jī)理就是講述化合物A在給定的條件下如何轉(zhuǎn)變成化合物B。學(xué)習(xí)如何為有機(jī)反應(yīng)提出合理的機(jī)制很重要,因?yàn)闄C(jī)理使有機(jī)化學(xué)易于理解。如果不能將有機(jī)化學(xué)家熟悉的一系列令人困惑的反應(yīng)歸納成幾種基本的機(jī)理類(lèi)型,我們將無(wú)法理解和記憶這些反應(yīng)。本文通過(guò)分析有機(jī)反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)鍵的斷裂與形成,提出極性反應(yīng)三要素并以極性反應(yīng)三要素為指導(dǎo)原則,結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行深入分析探索,為有機(jī)反應(yīng)機(jī)理學(xué)習(xí)提供具有較為普適的思考模式,在多年的教學(xué)實(shí)踐中收到良好的效果。

關(guān)鍵詞:有機(jī)化學(xué);機(jī)理;解題方法

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型多,反應(yīng)條件復(fù)雜。多年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),很多學(xué)生把有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單理解成機(jī)械式的記憶反應(yīng),結(jié)果大量的、“雜亂無(wú)章”的反應(yīng)越記頭越亂,跟英語(yǔ)單詞沒(méi)什么兩樣。其實(shí),這完全是學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)的誤解,即使是英語(yǔ)單詞的記憶也還是有規(guī)律可循的。表面上看起來(lái)雜亂無(wú)章的反應(yīng),同樣也還是有規(guī)可循的,那就是反應(yīng)機(jī)理。如果我們把各種各樣的反應(yīng)比作英語(yǔ)“句子”,那么有機(jī)化學(xué)的反應(yīng)機(jī)理就是英語(yǔ)的“語(yǔ)法”。由此可見(jiàn),唯有對(duì)基礎(chǔ)理論以及基本機(jī)理過(guò)程的深刻理解,才能將表面上互不相干的現(xiàn)象以及過(guò)程聯(lián)系成為一個(gè)整體,從而達(dá)到對(duì)有機(jī)化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和掌握[1]。多年教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),學(xué)生對(duì)有機(jī)反應(yīng)普遍采用死記硬背的學(xué)習(xí)方法。這種學(xué)習(xí)方法用于少數(shù)幾個(gè)反應(yīng)還能湊效,隨著反應(yīng)類(lèi)型與數(shù)量增加,這種“知其然而不知其所以然”的有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)方法使得有機(jī)化學(xué)越學(xué)越無(wú)章法,尤其是將其用于有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的學(xué)習(xí)上更是如此。因?yàn)?有機(jī)化學(xué)反應(yīng)是宏觀表現(xiàn)出來(lái)的總反應(yīng),它是反應(yīng)過(guò)程多步基元反應(yīng)的集成。由此可見(jiàn),提出一個(gè)具有相對(duì)普遍意義的思維模式來(lái)指導(dǎo)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理學(xué)習(xí)具有重要意義。

1有機(jī)化合物是酸-堿復(fù)合體

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)就是分子中舊鍵的斷裂和新鍵的形成,根據(jù)共價(jià)鍵斷裂方式有機(jī)化學(xué)反應(yīng)可分為自由基型反應(yīng)和離子型反應(yīng)[2]。

1.1均裂和自由基型反應(yīng)

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

1.2異裂和離子型反應(yīng)

共價(jià)鍵的異裂是指共價(jià)鍵斷裂后,成鍵的一對(duì)電子完全歸成鍵的一個(gè)原子或原子團(tuán)所有:顯然,圖2的逆過(guò)程就是典型的路易斯酸堿反應(yīng),形成酸-堿復(fù)合體X-Y。離子型反應(yīng)通常在酸、堿或極性條件下進(jìn)行?；A(chǔ)有機(jī)化學(xué)涉及到的反應(yīng)絕大多數(shù)是離子型反應(yīng),因此,本文將焦點(diǎn)集中在離子型反應(yīng)機(jī)理的探討上。

2極性反應(yīng)三要素

我們把極性條件下進(jìn)行的反應(yīng)稱(chēng)為極性反應(yīng):由圖3可見(jiàn),極性反應(yīng)涉及三個(gè)物種:路易斯堿OH-、路易斯酸Cδ+和路易斯堿Clδ-。根據(jù)路易斯酸堿理論,帶負(fù)電的、富電子的以及可以給出電子的都是堿;與堿相對(duì)應(yīng),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(diǎn)),路易斯酸為親電試劑(位點(diǎn))。為了描述方便,我們把極性反應(yīng)涉及的三個(gè)物種路易斯堿OH-、路易斯酸Cδ+和路易斯堿Clδ-推廣并分別稱(chēng)之為親核試劑(位點(diǎn))、親電試劑(位點(diǎn))以及離去基團(tuán),統(tǒng)稱(chēng)極性反應(yīng)三要素[4]。一個(gè)反應(yīng)體系、分子或中間體,只要同時(shí)存在親核試劑(位點(diǎn))、親電試劑(位點(diǎn))以及離去基團(tuán)極性反應(yīng)三要素,則該分子或中間體即無(wú)法穩(wěn)定存在,必將進(jìn)行后續(xù)反應(yīng)。

3應(yīng)用極性反應(yīng)三要素尋找有機(jī)反應(yīng)機(jī)理突

破口并導(dǎo)航后續(xù)反應(yīng)路徑有機(jī)反應(yīng)機(jī)理第一道難關(guān)是如何尋找解題突破口,即:從何入手?首先,分析該機(jī)理是酸性條件還是堿性條件,如反應(yīng)機(jī)理是酸性條件,則尋找反應(yīng)物的親核位點(diǎn)。親核位點(diǎn)常見(jiàn)的有孤對(duì)電子、π電子以及σ電子(常發(fā)生在C+重排)。反之,則尋找親電位點(diǎn)。常見(jiàn)的親電位點(diǎn)為Cδ+。不管是酸性條件或是堿性條件,有機(jī)極性反應(yīng)機(jī)理的第一步都是酸堿反應(yīng)形成酸-堿復(fù)合體。有機(jī)極性反應(yīng)機(jī)理的第二個(gè)、第三個(gè),……難題是后續(xù)反應(yīng)如何進(jìn)行?后續(xù)反應(yīng)路徑的導(dǎo)航針:在酸-堿復(fù)合體中尋找親核位點(diǎn)、親電位點(diǎn)以及離去基團(tuán),其本質(zhì)就是進(jìn)行一系列極性反應(yīng)。下面由簡(jiǎn)到難,應(yīng)用極性反應(yīng)三要素對(duì)三例極性反應(yīng)機(jī)理的突破口以及后續(xù)反應(yīng)路徑進(jìn)行具體分析。

3.1推測(cè)下列反應(yīng)產(chǎn)物并提出合理的理由

本例題實(shí)際上就是Perkin反應(yīng)的機(jī)理問(wèn)題[5],具體分析如下:(1)第一步,該反應(yīng)在醋酸鉀堿性條件下進(jìn)行,因此,首先尋找“酸性”位點(diǎn)或親電位點(diǎn)。在乙酸酐中,“酸性”親電位點(diǎn)有兩個(gè):羰基碳、酸性氫α-H,假如醋酸根離子進(jìn)攻羰基碳,通過(guò)加成-消除反應(yīng)掛上一個(gè)醋酸根離子又掉下一個(gè)醋酸根離子,形成動(dòng)態(tài)平衡,凈結(jié)果等于沒(méi)有反應(yīng)。因此,醋酸根作為堿進(jìn)攻酸性氫α-H,形成C-α,這是本反應(yīng)機(jī)理的突破口。(2)第二步,Cα-作為堿親核位點(diǎn)進(jìn)攻酸親電位點(diǎn)苯甲醛的羰基碳,形成堿醇氧負(fù)離子。(3)第三步,醇氧負(fù)離子作為堿親核試劑,進(jìn)攻酸性親電位點(diǎn)乙酸酐的羰基碳,形成新的醇氧負(fù)離子。(4)第四步,醇氧負(fù)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(jìn)攻位點(diǎn),乙酰氧基為離去基團(tuán)(醋酸根離子氧原子上的負(fù)電荷可與羰基共振形成兩個(gè)等同的共振式特別穩(wěn)定,是好的離去基團(tuán)),因此,該中間體發(fā)生分子內(nèi)的SN2反應(yīng)。(5)第五步,醋酸根離子作為堿進(jìn)攻酸性的α-H,形成α-C-親核位點(diǎn),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(tuán),教科書(shū)上稱(chēng)之為反式E2消除反應(yīng)。正如廬山“橫看成嶺側(cè)成峰”,該中間體同時(shí)具備親核試劑、親電位點(diǎn)、離去基團(tuán)(醋酸根離子是好的離去基團(tuán)),我們完全可以從另一個(gè)角度看,認(rèn)為該中間體發(fā)生發(fā)生分子內(nèi)SN2反應(yīng),形成C=C雙鍵。(6)第六步,OH-作為堿、親核試劑進(jìn)攻酸、親電部位酸酐羰基碳,通過(guò)加成-消除機(jī)理失去一分子醋酸根。

3.2給下列反應(yīng)提出合理的機(jī)理

[6](1)第一步,如何尋找突破口是解本題反應(yīng)機(jī)理的關(guān)鍵!在堿性條件下,目標(biāo)很明確就是尋找酸性氫或親電位點(diǎn)。本反應(yīng)物有三個(gè)α-H,其中一個(gè)α-H有一個(gè)體積較大的氯原子,難以受到堿的進(jìn)攻。因此,OH-進(jìn)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(fù)離子的碳為親核試劑,氯原子所連接的碳原子為親電位點(diǎn),氯原子為離去基團(tuán),發(fā)生分子內(nèi)SN2反應(yīng),形成環(huán)丙酮結(jié)構(gòu)。(3)第三步,羰基碳為酸、親電位點(diǎn),OH-為堿、親核試劑,二者發(fā)生酸-堿加成反應(yīng),形成醇氧負(fù)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(diǎn),醇氧負(fù)離子為親核試劑,碳負(fù)離子為離去基團(tuán),發(fā)生分子內(nèi)SN2反應(yīng)。碳負(fù)離子堿性極強(qiáng),容易從水分子截獲質(zhì)子。本步驟進(jìn)行的動(dòng)力為三元環(huán)極大的張力,開(kāi)環(huán)后張力解除,體系能量降低。(5)由于第四步水失去質(zhì)子變成OH-,第五步為羧酸在堿性條件下簡(jiǎn)單的酸堿反應(yīng)。

3.3請(qǐng)為下列反應(yīng)提出合理的反應(yīng)機(jī)理

[7]初看本例機(jī)理較為復(fù)雜,但不管如何復(fù)雜,我們還是可以“極性反應(yīng)三要素”為指導(dǎo)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(diǎn),氧為離去基團(tuán)(C=O等同于一個(gè)C連接兩個(gè)O),發(fā)生分子間SN2反應(yīng)(實(shí)際上就是羰基的親核加成),形成醇氧負(fù)離子。(2)醇氧負(fù)離子為親核試劑,硫鎓離子所連接的C為親電位點(diǎn),SPh2為離去基團(tuán)發(fā)生分子內(nèi)SN2反應(yīng),形成大張力的“環(huán)氧結(jié)構(gòu)”。(3)理論上講,兩個(gè)環(huán)氧上的孤對(duì)電子都可以作為堿與H+發(fā)生質(zhì)子化,考慮到產(chǎn)物保留六元環(huán)結(jié)構(gòu),排除與六元環(huán)姘合的環(huán)氧質(zhì)子化,質(zhì)子化發(fā)生在螺環(huán)氧原子。質(zhì)子化后,OH正離子為離去基團(tuán),OH正離子所連接的碳原子為親電位點(diǎn),σ電子為親核試劑,發(fā)生分子內(nèi)SN2反應(yīng),形成碳正離子。張力較大的三元環(huán)轉(zhuǎn)化為張力較小的四元環(huán),使中間體能量降低是反應(yīng)的動(dòng)力。(4)碳正離子是酸,OH氧原子上的孤對(duì)電子是堿,發(fā)生分子內(nèi)的酸堿反應(yīng),形成羰基。(5)MeO-是親核試劑,羰基碳原子是親電位點(diǎn),氧原子O是離去基團(tuán)(C=O等同于一個(gè)碳原子連接兩個(gè)氧原子),發(fā)生分子間SN2反應(yīng)(實(shí)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(diǎn),螺碳原子為離去基團(tuán),發(fā)生分子內(nèi)SN2反應(yīng)形成碳負(fù)離子。張力環(huán)四元環(huán)的開(kāi)環(huán),是此步轉(zhuǎn)化的動(dòng)力。最后,碳負(fù)離子為親核試劑,環(huán)氧原子為離去基團(tuán),環(huán)氧所連接的碳原子為親電位點(diǎn),發(fā)生分子內(nèi)SN2反應(yīng),形成C=C和強(qiáng)堿醇氧負(fù)離子O-。(6)強(qiáng)堿醇氧負(fù)離子從溶液中的甲醇截獲質(zhì)子,形成動(dòng)態(tài)平衡。

4結(jié)語(yǔ)

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)。教無(wú)定法,學(xué)也無(wú)定法。同樣一個(gè)知識(shí)點(diǎn),不同的人學(xué)完后用自己的語(yǔ)言進(jìn)行概括轉(zhuǎn)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(shí)的學(xué)習(xí),正如老中醫(yī)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(cè)成峰,遠(yuǎn)近高低各不同”,這也是允許的。作者認(rèn)為,科學(xué)意味著不斷探索。我們可以不斷接近科學(xué)真理,但我們誰(shuí)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(xué)者們也不擁有真理,明天科學(xué)先驅(qū)們也同樣不能自稱(chēng)“因?yàn)槲覔碛姓胬?所以我是權(quán)威”[8]。本文的出發(fā)點(diǎn)是放飛想象的翅膀,大膽創(chuàng)新,不為條條框框所約束,只要教學(xué)中有利于學(xué)生把復(fù)雜的有機(jī)反應(yīng)機(jī)理學(xué)清楚、學(xué)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(kāi)放味道。

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作者：李海浪 彭躍顏 畢麗偉 秦飛 葉廷秀 羅紅元 單位：廈門(mén)醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系