《有机化学》是化学与化工学院本科生必修的专业基础课,也是有机化学及相关专业研究生入学考试的必考科目。在教学过程中,有机化学反应机理是学习的重点,学生只有理解反应机理,并能正确书写,才能认识有机反应的本质,达到一通百通的效果。但是,正确写出有机反应机理却并非易事,主要原因是:(1)有机反应纷繁复杂,很难进行彻底的归纳总结。同一类型底物,相同反应条件,产物可能不同;同样的底物,条件发生变化,产物也可能不同。(2)有机反应机理的不确定性,尽管有机化学理论已经很成熟,但有些反应机理仍然不能完全确定其真实反应过程[1]。笔者根据近几年为本科生讲授有机化学课程的体会,结合从事有机合成方法学科研实践,针对本科阶段学到的基础有机化学[1,2,3]反应机理应遵循的基本原则及书写方法进行探讨,同时,将其应用于教学改革实践,取得了良好的教学效果。
质量守恒、能量守恒、电荷守恒是化学反应遵循的基本定律,基元反应同样遵循这些定律。在教学实践中,基元反应原子守恒容易被学生掌握,能量守恒在反应机理中较少体现,而用箭头来表示电子的流动是常用的表示方式,因此,要尤其注意电荷守恒。根据往年经验,学生对电子流动的方向以及流动以后生成的中间体或经历的过渡态不易掌握,难以理解有机反应的本质,从而对学习有机化学产生畏惧。在国内大多数的有机化学教材中,也很少提到反应机理应遵循电荷守恒,常作为化学常识。但是,在学生的学习过程中,确实也造成了一定的困扰。笔者认为在教学过程中应强调电荷守恒的重要性,对于每一步基元反应,都应仔细核对反应前后电荷是否守恒。
在有机化学中,电子流动主要产生正离子、负离子和自由基等中间体,电子流动前后,净电荷相同。例如,电子流动前为碳正离子中间体和水分子,净电荷为+1,电子流动后,净电荷仍为+1,产物为质子化的醇,需进一步脱除质子得到中性产物。再如,电子流动前为叔卤代烃,为电中性的,电子流动后为叔碳正离子和卤负离子,净电荷仍为0。对于周环反应,电荷守恒同样也是适用的。例如,Diels-Alder反应,没有经历任何中间体,电子流动前后,共价键的数目相同,电荷守恒。
化学反应的本质是旧键的断裂,新键的形成。有机化合物中典型的化学键是共价键,而共价键是原子之间通过共用一对电子而形成的,可异裂和均裂。因此,不难理解有机反应中常见的中间体为碳正离子、碳负离子、碳自由基等。在离子型反应机理中经常会遇到这些中间体,进行下一步基元反应前,应考虑该中间体是否有可能重排成更稳定的同类中间体。例如,涉及碳正离子中间体的反应,烯烃与卤化氢的亲电加成反应、Friedel-Crafts烷基化反应、卤代烃的E1消除反应、频哪醇重排反应等,在书写反应机理时,均应考虑重排产物的生成。再如,涉及碳自由基中间体的反应,烯烃α-H的卤化反应,也应考虑其是否发生重排。在教学实践中,应要求学生掌握影响碳正离子、碳负离子、碳自由基中间体稳定性的因素,具体要求学生掌握诱导效应、共轭效应、超共轭效应等对其稳定性的影响,并熟悉常见的碳正离子、碳负离子、碳自由基中间体的稳定性顺序。为方便学习,在此列出一些常见的碳正离子、碳负离子、碳自由基活性物种的稳定性顺序(图1-图3),供参考学习。
上述活性物种的稳定性顺序可通过诱导效应、共轭效应、超共轭效应等对其解释,初学者可通过相应的解释,加强对这些活性物种结构的认识以及对稳定性顺序的掌握。
电子云密度高的位置负电荷较多,电子云密度低的位置正电荷较多,该原则可理解为中间体正负电荷的相互作用越强,越容易发生反应。该原则在离子型反应中体现较明显,如卤代烃的亲核取代反应、芳烃的亲电取代反应、炔烃的亲核加成反应、烯烃的亲电加成反应、醛酮的亲核加成反应、羧酸衍生物的亲核取代反应等,亲核进攻或亲电进攻时,均应考虑亲核试剂的亲核性或亲电试剂的亲电性的强弱,也应考虑被进攻官能团中心碳原子电子云密度的大小。周环反应虽然不经历任何中间体,但对于一些环加成反应,从其加成的区域选择性上分析,仍然遵循此规则。
以上是有机反应机理应遵循的一般原则,学生在学习了一定的有机化学反应基础之上,可按照上述规则练习书写反应机理,掌握有机反应的本质。同时,在书写完反应机理后,可对照所写机理是否遵循上述原则,检查书写是否合理。
有机化学反应机理常用箭头表示电子的流动,鱼钩箭头“”表示单电子流动,弯箭头“”表示双电子流动,箭头的方向是电子流动的方向。鱼钩箭头和弯箭头根据实际情况均可放大或缩小,或改变形状更清晰的说明问题,但应与化学中使用的其他符号相区别[4,5,6,7]。下面以烯烃与溴化氢的亲电加成反应(示例1)和烯烃α-H的自由基卤化反应(示例2)为例,来书写反应机理,解释反应结果,并展示上述基本原则。
示例1:3,3-二甲基-丁-1-烯与溴化氢可发生如下反应,写出其反应机理。
首先,电子云密度高的位置为π键,电子云密度低的位置为H+,因此,电子由π键流向H+,形成C-H键,生成碳正离子中间体,书写如下:
其次,涉及碳正离子中间体时,应考虑能否重排成更稳定的碳正离子中间体。该碳正离子为仲碳正离子,可以重排成更稳定的叔碳正离子:
接着,电子云密度高的Br—与电子云密度低的碳正离子相结合,形成C-Br键,得到产物。
最后,在写完反应机理后,应检查每一步反应电荷是否守恒,电子流动方向是否合理,生成中间体是否稳定等,以确保书写的机理正确。
示例2:辛-1-烯与NBS在过氧化苯甲酰条件下发生反应,生成三种溴代产物,如下方程式所示:生成17% 3-溴辛-1-烯,44%反-1-溴辛-2-烯,39%顺-1-溴辛-2-烯,解释生成三种产物的原因。
与烷烃的卤化反应类似,烯烃的α-氢也可以发生卤化反应,且受碳碳双键的影响,在过氧化合物、光照、加热等条件下引发,更容易发生自由基卤化反应。该示例中,首先,NBS在过氧化苯甲酰存在条件下,可生成溴自由基。然后,溴自由基与辛-1-烯中烯烃的α-氢反应,拔除烯烃的α-氢,生成溴化氢和碳自由基,该自由基可重排成稳定的两种烯丙基自由基,如下图所示:
最后,三种自由基分别夺取体系中存在的少量溴单质中的溴原子,得到产物,同时生成溴自由基,进行下一步链传递。
生成的后两种产物为顺反异构体,从热力学稳定的观点分析,反式结构更稳定,因此,生成的反-1-溴辛-2-烯稍多于顺-1-溴辛-2-烯。
立体化学是研究分子的立体结构、反应的立体性及其相关规律和应用的科学[2]。尽管教师一般会通过分子模型或动画来展示分子的结构或性质,但由于大部分学生缺乏空间想象力,从三维空间学习有机化合物的结构和性质仍然是学习有机化学的难点,尤其是有机化学反应机理中的立体化学[8,9,10,11]。在涉及到立体化学的反应机理中,同样遵循上述基本原则,但应注意反应机理的书写要体现出立体反应过程。表示分子的构型的方法一般有透视式和Fischer投影式。两种方式各有特点,透视式比较直观,所表示的有机分子能够给人以立体的感觉,Fischer投影式用平面形式表示分子,比较简单,但没有立体感。在涉及立体化学的反应机理中,建议选用透视式表示。一般将反应位点和与之相连的原子或基团尽可能多的放在纸面上,化学键用细实线表示,其余的原子或基团,在纸面前方的用楔形实线“”表示,在纸面后方用楔形虚线“”表示。例如:(+)-乳酸的立体结构可表示如下:
下面结合具体示例说明涉及到立体化学的有机反应机理同样遵循上述基本原则以及在书写时需要注意的问题。
示例3:写出溴单质与(E)-丁-2-烯加成的反应机理及主要产物[12]。
该反应为溴单质与烯烃经由三元环状正离子的亲电加成反应。首先,当溴单质靠近π键时,受π电子的影响,溴单质发生极化,使靠近π键的溴原子带有部分正电荷,另一溴原子带部分负电荷。随后π键上一对电子向带有部分正电荷的溴原子转移,形成C-Br键,同时,另一溴原子以溴负离子的形式离去。由于溴原子含有未共用电子对,该电子对可以与双键的另一碳原子结合形成C-Br键,从而生成环状溴正离子。在整个的电子转移过程中,反应之前,电荷是中性的,第一步反应之后生成环状溴正离子中间体和溴负离子,总电荷数仍然是0,反应前后电荷守恒。
需要注意的是,在环状溴正离子中,溴原子和碳原子价电子数都是8个,满足八隅体规则,因此,比相应的开链碳正离子中间体稳定,所以该反应经历更稳定的环状溴正离子中间体过程。
最后,溴负离子从背面进攻环状溴正离子的两个碳原子,由于两者化学环境相同,进攻几率相等,因此,环状溴正离子开环得到邻二溴化合物。在立体结构进行书写时,电子对转移过程尽量保持楔形虚线和楔形实线所连原子或基团在空间的相对位置不变,即反应前在纸面前方的原子或基团,反应后仍然放在纸面的前方。对于新形成的化学键,如本示例中的C-Br键,用细实线表示,处于纸面上,当然,为了所画分子的立体结构更美观,键角可适当调整。因此,按照此书写原则可以写出右边两种构型产物,但这两种产物均命名为(2R,3S)-2,3-二溴丁烷,实际上是同一化合物,为内消旋体。
综上所述,笔者以基础有机化学中常见的有机反应机理如烯烃与溴化氢的亲电加成反应(示例1)、烯烃α-H的自由基卤化反应(示例2)和溴单质与(E)-丁-2-烯加成的反应机理(示例3)为例,对书写反应机理的基本原则进行了说明。上述所列举机理相对比较简单,对于反应步骤较多、电子转移过程较复杂以及涉及到金属参与的有机反应等机理的书写,每一步基元反应仍然遵循上述规则,在此不再一一列举。
学生掌握有机反应机理的书写,除理解基本原则和书写方法外,还应加强练习,积累经验。在教学中,除讲解有机反应机理时适当采取板书的方式外,笔者主要采用以下方法,收到了良好的效果。
通过学生爬黑板的形式加强训练,并检查学生学习效果。在课前告知学生下节课要写哪一类反应机理,让学生提前做好复习,做到真正理解反应过程;课上随机给出相关的反应,让学生在黑板上画出反应机理;根据书写情况,点评学生书写情况,并给出指导性建议。其次,通过有机化学在线课程以及超星学习通手机app布置一些机理题,有意加强有机反应机理书写的训练。
通过引入与教材相适应的科研实验实例,给予一些相关实验数据、实验证据等,让学生去分析发生反应的真实过程,并写出其反应机理。在此基础之上,通过讨论,让学生尝试提出改进科研实验的建议,达到理论指导实践的目的。
有机化学博大精深,纷繁复杂,对于一些特殊的反应,不能一概而论,需具体问题具体分析。上述观点适用于基础有机化学中涉及到的大部分有机反应,目的是帮助初学者更好的学习有机化学,希望同行多提宝贵建议。
摘要：有机化学反应机理的书写是学习有机化学的难点和重点,作者根据近几年教学经验和从事有机合成科研实践经验,浅谈有机化学反应机理书写的基本原则及技巧,使学生真正了解有机反应的本质和规律,并能应用到将来的科学研究和生产实践。
关键词：有机化学,反应机理,中间体,碳正离子,碳负离子,自由基
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