有機(jī)化學(xué)機(jī)理解題思路與方法*

李海浪,彭躍顏，畢麗偉，秦 飛，葉廷秀，羅紅元

(廈門醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系，福建 廈門 361023)

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)類型多，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、“雜亂無章”的反應(yīng)越記頭越亂，跟英語單詞沒什么兩樣。其實(shí)，這完全是學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)的誤解，即使是英語單詞的記憶也還是有規(guī)律可循的。表面上看起來雜亂無章的反應(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“句子”，那么有機(jī)化學(xué)的反應(yīng)機(jī)理就是英語的“語法”。由此可見，唯有對(duì)基礎(chǔ)理論以及基本機(jī)理過程的深刻理解，才能將表面上互不相干的現(xiàn)象以及過程聯(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)出來的總反應(yīng)，它是反應(yīng)過程多步基元反應(yīng)的集成。由此可見，提出一個(gè)具有相對(duì)普遍意義的思維模式來指導(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：

圖1 共價(jià)鍵的均裂

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]。可見，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(yīng)形成酸-堿復(fù)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(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：

圖2 共價(jià)鍵的異裂

顯然，圖2的逆過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。基礎(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)稱為極性反應(yīng)：

由圖3可見，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法穩(wěn)定存在，必將進(jìn)行后續(xù)反應(yīng)。

圖3 極性反應(yīng)過程Fig.3 The process of polar reaction

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)理問題[5]，具體分析如下：

(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)，教科書上稱之為反式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，通過加成-消除機(jī)理失去一分子醋酸根。

(7)最后一步為簡(jiǎn)單的酸堿中和反應(yīng)。

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

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)。教無定法，學(xué)也無定法。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“因?yàn)槲覔碛姓胬?，所以我是?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放味道。