书写有机反应机理的艺术-肖艺能翻译

1、书写有机反应机理的艺术Robert B. Grossman肖艺能等译编For those who love Chemistry and keep a holy curiosity.Yineng Xiao PAGE 31 / 31Licensed by Prof. Grossman. Only for teaching.肖艺能 译编第一章 基础知识如果说科学是描述宇宙的语言，则由点、线和字母组成的表达有机物结构的Lewis 结构式则是有机化学的语言，反应机理是用这种语言讲述的故事。与任何一门语言一样，学习如何运用有机化学的语言来进行交流是十分必要的。有机化学的语言规则有时候看起来是很随意的。例如

2、，你会觉得理解如下事情是很困难的：为什么RCO Ph 是有一个端基氧原子的结构的简写，而 RSO Ph 是有两个端基氧原子的22结构的简写？为什么书写共振体不用可逆符号而是双箭头号。但实际上有机化学与英文、法文、中文一样，也只不过是有自己的词法和句法而已。而且，不管这些语法句法多么沉闷无趣，为了更好的理解、讲述有关有机反应的故事，你也必须学习如何正确的使用它们。本章第一部分将向你介绍一些有机化学“说话”的规则和约定。也许很多材料对你而言在之前的有机化学课程中已经非常熟悉了，但重温它们是值得的。书写结构式的约定；Grossman 规则书写有机物结构时，连在C 上的 H 往往被忽略不写，而连在杂原

3、子上的H 总是写出来的。对你来说，不要忘记它们的存在是极为重要的！*常见错误警告：不要跟丢这些没有写出的 H 原子。异丁烷、叔丁基自由基和叔丁基阳离子是既然不同的，但如果你忘记 H 原子，你会容易混淆它们。因为这个原因，我提出了一个 Grossman 规则：总是画出反应中心附近的所有原子和所有化学键。书写 H 原子虽然意味着在时间上你会有更多投入，但对培养你书写机理的能力而言收益也是颇为丰厚的。有机化学中经常使用缩写来表示取代基，其中一些已罗列在Table 1.1.中。芳基可以是苯基、取代苯基或杂芳环（例如呋喃基、吡啶基或吡咯基）。Tosyl 是 ptoluenesulfonyl（对甲苯磺酰基

4、）的缩写，mesyl 是 methanesulfonyl（甲烷磺酰基）的缩写，triflyl 是trifluoromethanesulfonyl（三氟甲烷磺酰基）的缩写。TsO、MsO、TfO是常见离去基团对 甲苯磺酸根、甲烷磺酸根和三氟甲烷磺酸根的缩写。*常见错误警告：不要把下列缩写搞混：Ac（只有一个 O）和AcO（有两个 O），Ts（有两个 O）和TsO（有三个 O），Bz（benzoyl，苯甲酰基）和 Bn（benzyl，苯甲基或苄基）。有时教材里的这些书写规则让学生无所适从。更重要的表达法罗列如下：*常见错误警告：把砜（sulfone，RSO2R）的结构与酯（ester，RCO2R）

5、搞混是非常容易的一件事。下面介绍立体化学中的表示方法。一根加粗的键说明一个取代基指向纸面外，而一根散列的键说明一个取代基指向纸面内，有时候也用一根虚线来代替散列线，其到相同的作用， 但虚线的主流用法并不是用在立体化学中，而是表示部分成键（例如过渡态中的化学键）。一根弯弯曲曲或者波浪形线说明手性中心两种不同手性的混合物，换言之就是取代基指向纸面外的化合物与指向纸面内的化合物的混合物。一根普通的键用于立体化学情况不明或者不重要的场合。加粗线和散列线可以写成楔形的，也可以写成非楔形的。主流用法是：楔形线表示绝对构型，而非楔形线表示相对构型。欧洲和美国的化学家在散列的楔形线窄的一端是连接R 基还是正相

6、反这个问题上存在分歧。请注意：这里提到的规则并不是放之四海而皆准的，一名教科书作者完全可以根据与标准相异的当地习惯进行书写。Lewis 结构式；共振论在你之前的课程中已经学习了有关Lewis 结构式的概念和书写规则，因此在这里不再赘述。但是在书写 Lewis 结构式时容易带来错误的步骤是形式电荷的放置。任一原子上的形式电荷的计算方法如下：形式电荷Q F = 该元素的价电子数（亦即其族数） 该原子周围的键数（包括 和 键） 未参与成键的电子数 = 族数 原子周围短线数 原子周围点数该计算法总是有效的，但显得有些呆板。实际操作中，往往只需一眼就能判断出正确的形式电荷。正常情况下碳原子应当成4 根键

7、，氮是3 根，氧是2 根，卤素是1 根，因此成正常数目根键的原子不带形式电荷。只要你观察到一个原子成键数异常，则必须为其设置形式电荷。例如，成2 根键的氮原子形式电荷为1。常见原子的形式电荷罗列在Table 1.2 和 1.3 中。非金属元素出现2 的形式电荷是极为罕见的事情，只有硫原子偶尔会带+2 个形式电荷。2成 4 根键的硫原子的形式电荷让人疑惑。一个成 2 根单键和 1 根双键的硫原子（例如 DMSO，Me SO）还有一个孤对，因此没有形式电荷，但成 4 根单键的硫原子没有孤对，形式电荷为+2。一个成6 根键的硫原子与一个成 5 根键的磷原子相似，没有孤对也没有形式电荷。关于硫和磷的L

8、ewis 结构式的书写问题还会在本部分进行更深入讨论。43432形式电荷之所以被冠以“形式”之名是有原因的。它们更多是为了配合有机化学的语言描述有机物的结构，而不是为了阐述其化学实质，例如NH +、H O+、MeOCH +这几个物种带负电的元素N 和O 却带形式正电荷。形式电荷在书写反应的过程中可以保证不要增/ 添原子，但对于描述化学反应性而言很不可靠。例如NH +和 CH +的中心原子都带形式正电荷，但它们的反应性截然相反。为了理解化学反应性，你必须忽略形式电荷，考虑有机物的其他性质，例如电负性（electronegativity）、缺电子性（electron-deficiency）和亲电性

9、（electrophilicity），分别介绍如下：电负性是元素的原子在共价键中争夺成键电子的能力的体现。它与原子实际成键情况无关。（胡老师注：这种说法是错的，杂化类型不同的同种原子，电负性都会有显著差别）。缺电子性：一个原子的价电子层如果未达到八隅律就认为是缺电子的（对于H 而言是二隅律）。亲电性：具有亲电性的原子应当有一个能量相对较低的空轨道，可以容纳外来电子。本章还会对亲电性进行深入讨论。*常见错误警告：电负性、缺电子性、亲电性和形式电荷之间都是相互独立的关系，请不要混为一谈。NH +433344332和 CH +的中心原子 N 和 C 都带形式正电荷，但C 原子价层只有 6 电子，缺电

10、子，而 N 原子满足八隅律不缺。CH 和 BF 的中心原子 C 和 B 都缺电子，但它们都不带形式电荷。B 电负性低而 N 电负性高，但 BH 和 NH +都是稳定离子，中心原子 B 和 N 都不缺电子。CH +、CH I 和 H CO 的 C 原子都亲电，但只有CH +的 C 缺电子。MeOCH +的 O 带形式正电荷，但实际上是 C 亲电。32对于一个用 键连接的分子骨架，如何放置剩下的 键和未成键电子可以有多种方案， 这些不同的结构称为共振结构 （resonance structure）。共振结构是对同一个化合物的不同描述。每一个共振结构对化合物的实际结构都有贡献，但没有一个是真实的图像

11、。点、线、字母是 Lewis 提出来的一种描述分子结构的语言，与任何一门语言一样，有时候一个词是不够的，需要多个不同的词来描述一个分子的真实结构。一个化合物的真实电子结构是该物质合理共振结构的加权平均，称为共振杂化体（resonance hybrid）。每一个共振结构的权重取决于它描述该化合物真实结构的重要性，最主要共振体也是权重最高的那个。两个共振体之间用双箭头“”来分割。*常见错误警告：双箭头仅可用于表示共振结构，不要和表示化学平衡的可逆符号“共振结构只是同一个物质的不同描述，在不同共振体之间不存在相互转化的问题！”搞混。再次重申，低能量、稳定的共振结构相比高能量、不稳定的共振结构，能更好

12、地描述化合物的电子结构。评估一个共振结构稳定性的规则与任何其他Lewis 结构式相同。 第二周期元素B、C、N、O、F 的价层电子不得超过 8 个。不过八隅律对第三周期及更高周期的元素（例如P、S）来说不是那么管用，过渡元素根本不遵从八隅律。 所有原子都达到八隅律的共振体比至少一个原子缺电子的共振体稳定得多。此外， 如果有缺电子的原子，它可以是低电负性的C 和B，但不能是高电负性的N、O 和卤素。 不带电的共振体比电荷分离的共振体稳定。 如果电荷分离，高电负性的原子应当带形式负电荷，低电负性的原子应当带形式正电荷。+2上述规则按重要性由高到低的顺序排列。例如MeOCH2 MeOCH ，第一个共

13、振体低电负性的C 带形式正电荷（规则 4），第二个共振体所有原子都满足八隅律（规则 2），2规则 2 比规则 4 重要，因此第二个共振体更重要。再举一例，比较 Me CO +2Me CO +2Me CO。第三个共振式最不重要，可以忽略，因为它的O 原子价层只有 6 个电子，缺电子。第二个共振式不如第一个重要，因此它的电荷分离（规则3）且存在缺电子原子（规则2）。但不管怎样，第二个共振式对描述丙酮的基态电子结构仍然或多或少的有贡献，所以不能忽略。共振结构是一种被有机化学家广泛使用的表达方式，同一种物质的共振体仅仅是 键和未成键电子的摆放位置不同，通过 键连接的分子骨架保持不变。如果有两种物质的分

14、子骨架不同，则它们互为异构体（isomer）而非共振体。那么如何书写一个给定Lewis 结构式的共振式呢？寻找一个与带孤对原子相邻的缺电子原子，则一对孤对电子可以与缺电子原子共用以形成一根新键。在下面的例子中，O 上的孤对与旁边 6 电子的C 共用，注意此时形式电荷会发生变化：给出孤对的原子，形式电荷加1，接受孤对的电子，形式电荷减 1。还要注意接受孤对形成新键的原子必须缺电子！*常见错误警告：形式正电荷与原子是否能接受新键（换言之就是该原子是否缺电子）毫无关系。弯箭头用于表示一对电子如何在一种共振结构中移动产生另一个共振结构的。当然，这仅仅只是一个形式而已，电子不可能真的从一个位置移动到另一

15、个位置的。这是因为化合物真实的结构是不同的共振结构的加权平均，而不是它们的平衡混合物。弯箭头可以帮助你在书写不同共振式时不要遗漏或增加电子。寻找一个与 键相邻的缺电子原子，则 键电子移向缺电子原子，形成一根新的 键。同时原 键远端的那个原子变成缺电子的。同样的，形式电荷也发生变化： 键远端的那个原子，形式电荷加 1；原来缺电子的原子，形式电荷减 1。寻找一个与 键相邻的自由基，则 2 个 键电子中的 1 个与自由基的单电子结合，形成一根新的 键。同时原 键远端的那个原子变成新的自由基。不过形式电荷没有变化。半箭头（鱼钩箭头）用于表示一个电子的移动。寻找一个与 键相邻的带孤对的原子。将孤对推向

16、键，形成一根新的 键，同时原 键远端的那个原子带上一对新的孤对。带孤对的原子可能带形式负电荷也可能不带。由于书写有机物结构时往往忽略杂原子的孤对，此时可将形式负电荷看做孤对。因此弯箭头常常从形式负电荷而非孤对出发。在芳香化合物中， 键可以绕环移动产生新的共振结构，总键数、未成对电子数、缺电子原子和形式电荷均不发生变化。ABAB一对 键电子可平均地或不平均地划分给两个成键原子：AB + + AB。该过程通常总是产生一系列高能量的不稳定物种。如果这种过程是在两个不同的原子间进行，请把 键电子推向相对更高电负性的原子。一对孤对电子或一个空轨道不能和一个与它正交（垂直）的 键发生相互作用，不然写出来的

17、共振式看起来令人绝望地奇怪。两个共振结构必须含有同样多的原子和电子，形式电荷总数也必须相等。*常见错误警告：sp3 杂化的C 或 N 原子（也就是季铵盐中的N）没有孤对或 键，因此不参与共振。高电负性的 O、N、卤素原子必须达到八隅律，至于它们是否带形式电荷不是问题。这就像钱和银行的关系，高电负性的原子乐于提供电子共用，但它们不能容忍电子被拿走。如果你把一个或两个电子送给一个已经达到八隅律的原子，不要考虑它是否带形式正电荷，它与另一个原子之间的一根键必须断掉。例如，在氮酮（nitrone，PhCHN+ RO ）中，N 满足八隅律。也只有当CN 键电子从 N 移向C 时，O 的一对孤对才可用于形

18、成一根新的 NO 键，亦即：PhCHN+ RO PhC HN+ RO。第二种共振结构中，N 保持了八隅体结构和形式正电荷。根据 Bredt（布莱特）规则：在少于 8 个碳组成的桥环化合物中，由于张力的原因，桥头碳和相邻碳原子之间禁止形成 键，具有这种结构的共振结构非常差。Problem 1.1. 下面两个共振体中，哪个能更好地描述化合物基态电子结构？Problem 1.2. 为下列化合物写出尽可能多的合理共振式。对于一个有机物来说，尽管最稳定的共振式更接近该物质的真实结构，但第二好的共振式往往是理解它的化学行为的关键。例如，丙酮第二好的共振体 Me2C+ O 会告诉你：碳原子略缺电子，容易被富

19、电子物种进攻。这点在后面还会提到。总之，一种化合物如果具有更多低能量的共振结构，它的能量就越低。观察一个结构， 找出它的共振式对书写有机反应机理是极为重要的。若你有这方面需求，Daniel P. Week所著 Pushing Elctrons 3rd ed.(Saunders College Publishing,1998)第 13 章会给你提供必要的练习。有机化学中，S 或 P 原子带端基 O 的物种是很常见的。对于 S 和 P 这样带 3d 轨道的原子来说，它们的价层轨道可以拓展，价层电子可以超过 8 个。但是这种具有扩层结构的共振结构是很有迷惑性的。例如，DMSO 看上去与丙酮非常相似，

20、但 DMSO 的 S 有一对孤对，它是富电子物种，而丙酮的 C 是缺电子物种。因此，书写极化的（亦即正负电荷分离的）共振结构对于 DMSO 这样的物种是更合适的，但在有机化学家中间老的习惯还会存在很长时间。不管在何种情况下，只要看到SO 或 PO 键，你应该知道 S 或 P 原子的价层电子被扩展到 8 个以上，你看到的不可能是一个通常的 键。分子的形状；杂化理论分子是三维物体，因此具有自己的形状。书写反应机理时，你必须在脑中保存有机物的三维形状，因为经常会出现这种情况：有些分子画成平面型的看来很合理，但考虑三维结构时变得完全不合理，反之亦然。有机化学家使用原子杂化的概念来理解和解释分子的形状。

21、杂化的概念是 Lewis 理论和分子轨道（Molecular Orbital，MO）理论的奇怪杂糅，该理论实际上也存在很多问题。但不管怎样，有机化学家广泛使用它来解释结构和反应性问题，因为它很容易理解和应用，而且也确实管用！在讨论杂化理论之前，简单回顾 MO 理论是很有必要的。下面的讨论是简单而定性的概括，不是全面深入的讨论。核外电子不是像行星围绕恒星公转那样，绕着原子核旋转，尽管早期的核型原子模型确实是这么说的。一个更好的类比是夏天在人头上嗡嗡盘旋的一群小虫子。把这个类比深化一下：精确定位一个小虫子的位置是不可能的；取而代之的是，你只能描述在距离嘴或鼻孔一个特定距离找到一个虫子的可能性。同样

22、地，一个电子的位置是无法界定的；取而代之的是一个叫做“轨道”（orbital）的数学函数，用以描述在一个特定区域内找到一个电子的几率。实际几率是在空间某处的轨道（波函数）的数值的平方。有机化学家最关心的 C、N、O 原子都有 4 个价层原子轨道（Atomic Orbital，AO）：1个 s 轨道和 3 个 p 轨道，每个轨道可以容纳最多 2 个电子，s 电子的能量低于 p 电子。s 轨道呈球形分布，而 p 轨道是哑铃型的，由两瓣组成，根据描述 p 轨道的波函数，一瓣取负值， 而另一瓣取正值。每个 p 轨道描述沿 x，y，z 方向的电子分布情况，因此 3 个 p 轨道相互垂直（也称为“正交”，

23、换言之，它们相互不重叠）。当对3 个 p 轨道做平方并叠加在一起后，你会发现电子实际上呈球形分布。更重的元素还有 d 和 f 轨道，这里你无需关注它们。当两个原子在空间上相互靠近时，每个原子的电子由于受到其他原子的作用，其能量和概率分布都会改变。描述电子概率分布和能量的原子轨道都仅仅是数学函数，因此两个能量和对称性接近的原子轨道之间的相互作用可以表达为原子轨道波函数在数学上的加和减，从而产生两个新的波函数，称为分子轨道。两个原子轨道的加法（in-phase，同相叠加）得到一个成键（bonding）分子轨道，其能量比两个原子轨道中任何一个都要低，电子填充在成键轨道时有利于化学键的形成和分子的稳定

24、；两个原子轨道的减法（out-of-phase，反相叠 加）得到一个反键（antibonding）分子轨道，其能量比两个原子轨道中任何一个都要高，电子填充在反键轨道时不利于化学键的形成和分子的稳定。实际上，反键轨道破坏稳定性的作用比成键轨道的稳定作用更强。为什么 2 个原子轨道必须同时进行成键和反键相互作用？两个原子轨道实际上描述了 4 个电子在空间上的分布情况，它们相互作用的结果必须仍然描述4 个电子的空间分布。因此两2 个原子轨道作用产生 2 个分子轨道，3 个原子轨道作用产生 3 个分子轨道，以此类推。如果每个相互作用的原子轨道都只有一个电子，则 2 个电子都进入成键分子轨道。因为体系总

25、能量比单独的两个原子要低，一根化学键就产生了。相反，如果每个原子轨道都充满了，则2 个电子进入成键轨道 2 个进入反键轨道，体系总能量升高了，原子间相互排斥，没有形成化学键。任一主族元素的价电子都位于 4 个价层轨道内。例如，1 个 C 原子有 4 个价电子，每个电子都可以填充在 1 个轨道中，则 4 个半充满的原子轨道与 4 个来自其他原子的轨道相互作用，形成4 根化学键。相反，1 个O 原子有 6 个价电子，它只有2 个半充满轨道，只能形成2 根化学键。但这种简单模型是不完整的。以CH4为例，如果C 使用 1 个 s 轨道和 3 个 p 轨道与H形成 4 根键，可以预期其中一根 CH 键与

26、其他 3 根是不同的。但这是不符合实际情况的， 大量实验测量表明 CH 中的 4 根化学键是完全等效的。这是为什么呢？有机化学家们假设44个原子轨道进行了“平均”或者说“杂化”（hybridized），产生了 4 个完全等效的原子轨道，称为 sp3 杂化轨道。每个 sp3 轨道都有 1/4 的 s 轨道成分和 3/4 的 p 轨道成分。4 个轨道共同描述电子在空间的球形分布，所以当三维空间被划分为4 个等效的方向时，4 个轨道就呈正四面体排列了。原子轨道也可以按其他方式进行杂化。有机化学中常见的杂化类型有sp 杂化、sp2 杂化和 sp3 杂化。分别总结如下：sp3 杂化：1 个 s 轨道和

27、3 个 p 轨道杂化产生 4 个简并轨道，分别指向正四面体的 4 个顶点，相互间夹角为 109。每个 sp3 轨道含 1/4 的 s 轨道成分和 3/4 的 p 轨道成分。sp2 杂化：1 个 s 轨道和 2 个 p 轨道杂化产生 3 个简并轨道，分别指向正三角形的 3 个顶点，位于同一平面上，相互间夹角为120。每个 sp2 轨道含 1/3 的 s 轨道成分和 2/3 的 p 轨道成分。还有 1 个 p 轨道未参与杂化，垂直于 3 个杂化轨道。sp 杂化：1 个 s 轨道和 1 个 p 轨道杂化产生 2 个简并轨道，夹角为 180。每个 sp3 轨道含 1/2 的 s 轨道成分和 1/2 的

28、 p 轨道成分。还有 2 个相互垂直的 p 轨道未参与杂化，并垂直于 2 个杂化轨道。上述杂化轨道的画法是极为简化的。实际上 sp、sp2 和 sp3 轨道并没有不变的形状。你可以在 Lowry 和 Richardson 所著 Mechanism and Theory in Organic Chemistry,3rd ed. (Addison Wesley, 1987)中找到对这些轨道形状的更好的描述。杂化轨道是用来形成 键和容纳共振式中未用到的孤对电子的；而 p 轨道是用来形成 键和容纳共振式中用到的孤对电子的，它们通常被当做空轨道。某个原子的杂化类型是这么确定的：将共振式中未用到的孤对电子

29、数和 键数（换言之，就是该原子周围的其他原子数） 做加合，如果总数为4，该原子是sp3 杂化的；如果总数为3，该原子是 sp2 杂化的；如果总数为 2，该原子是 sp 杂化的。Problem 1.3.确定下列化合物中 C、N、O 原子的杂化类型。最后一个化合物中的黑点代表一个碳原子。决定一个原子的杂化类型时，记住考虑它的 p 轨道和杂化轨道是非常重要的。记住一个原子的杂化类型影响它的性质和反应性也是非常重要的。未来这一点会被多次证明。芳香性一个具有沿环状结构持续进行“肩并肩”重叠的 p 轨道的化合物会具有额外的稳定性或非稳定性。这样的环状化合物可能具有交替出现的单键和重键，也可能还存在带孤对或

30、带空轨道的原子。如果在环上的轨道中共有奇数对电子，则该化合物与具有同样碳数的链状化合物相比，格外稳定，称之为具有芳香性（aromatic）；如果在环上的轨道中共有偶数对电子，则该化合物与具有同样碳数的链状化合物相比，格外不稳定，称之为具有反芳香性（antiaromatic）。如果分子内不存在垂直于环平面连续重叠的p 轨道，不用考虑芳香性问题，该物质称为无芳香性（nonaromatic）。芳香化合物最简单的例子是苯（benzene）。苯的每个 C 原子都是 sp2 杂化的，都还剩下 1 个垂直于分子平面的 p 轨道，因此 6 个 p 轨道形成了环状序列。每个 C 原子的 p 轨道内都有 1 个电

31、子，因此体系内有3 对 电子，苯具有芳香性。实际上，苯的能量比它的链状类似物 1,3,5己三烯低大约 30 kcal/mol。除了苯还有很多具芳香性的烃。它们都有稠合的苯环。萘菲苯并芘呋喃、噻吩、吡咯、吡啶是常见的芳杂环化合物。呋喃、噻吩、吡咯的杂原子O、S、N 为芳香体系提供一对孤对，而吡啶的N 原子不提供孤对。你可以通过检查一个杂原子使用了多少孤对参与杂化来判断它为芳香体系贡献了多少孤对。例如，如果吡啶的N 原子动用孤对参与共振，它只能是sp 杂化的（NC 键需要 1 个 p 轨道，孤对需要 1 个 p 轨道），但 sp 杂化需要 180键角，对于吡啶来说是不可能的。因此N 原子只能是 s

32、p2 杂化的，容纳孤对的 p 轨道必定位于环平面内，形成吡啶环的5 个 C 原子和 1 个N 原子分别提供 1 个 p 电子，因此吡啶有芳香性。相反，如果吡咯的N 原子动用孤对参与共振，它必须是sp2 杂化的，而这是合理的。形成吡咯环的4 个C 原子提供 1 个p 电子，1 个N 原子提供 1 对孤对，因此吡咯也有芳香性。Problem 1.4. 呋喃的O 原子采取什么杂化？O 的孤对位于什么轨道？共振式中用到了几对孤对？一些带电的化合物也具有芳香性。（tropylium）和环丙烯鎓离子（cyclopropenium） 缺电子的C 原子都采取 sp2 杂化，具有空的 p 轨道。离子拥有 7 个

33、垂直于环平面的 p 轨道， 填有 3 对电子，而环丙烯鎓离子则是 3 个 p 轨道和 1 对电子，因此它们都有芳香性。（注意环丙烯本身无芳香性，因为它有 1 个 sp3 杂化的C 原子，没有 3 个垂直于环平面的 p 轨道）。环戊二烯负离子带孤对的C 原子是 sp2 杂化的，孤对可以参与共振，于是环戊二烯负离子拥有 5 个垂直于环平面的 p 轨道并填有 3 对电子，它也有芳香性。反芳香性化合物与它们的链状类似物相比具有异乎寻常低的稳定性。环丁二烯必须在极低温下才能在惰性介质中合成出来。二氢吡喃两个 N 的孤对与两个CC 键组合得到 8 电子体系，能量非常高。环戊二烯正离子能量也非常高，因为只有

34、4 个 电子。但是看上去具有反芳香性的环辛四烯为了避免这种情况，扭曲成澡盆的形状以避免p 轨道的连续重叠。某些化合物中因为一个次要的有芳香性或反芳香性的共振结构，含有部分芳香性或反芳+香性成分。环庚三烯酮因为它的 共振式，具有比一个高度不饱和的酮所能预期的高得CO+多的稳定性。另一方面，环戊二烯酮极其不稳定，因为它的 共振式是反芳香性的。CO为了给你一个关于芳香性提供的稳定性的概念，请考虑一下 1,3戊二烯和 1,3环戊二烯。这两种化合物都没有芳香性。1,3戊二烯脱质子得到一个依然没有芳香性的阴离子，但1,3 环戊二烯脱质子得到一个芳香化合物。因此1,3环戊二烯的酸性（pKa = 15）比 1

35、,3戊二烯高 20 个数量级，与水的酸性接近。芳香环的建立为很多有机反应提供了至关重要的驱动力。芳香性提供的稳定性当 电子数小时会更高。萘，一个 10 电子的芳香体系，比苯这个 6 电子的芳香体系更不稳定。全由碳组成的系统也比含 N、O 或 S 等杂原子的系统稳定得多。Brnsted 酸碱理论根据Brnsted 酸碱理论，一个酸碱反应是质子H+从一种Brnsted 酸转移到一种Brnsted 碱的过程。下面是一些酸碱反应的实例：有几点需要注意： 碱可以是阴离子或中性物种；酸可以是阳离子或中性物种； 酸碱反应是可逆反应。尽管有的酸碱反应转化率非常高，但它依然是一个可逆反应； 酸碱平衡反应的两侧都

36、各有一种酸和一种碱； 不要把化学平衡和共振搞混； 质子转移反应通常极快，特别是当质子从一个杂原子转移到另一个时。*常见错误警告：不要把质子H+和氢原子（或称氢自由基）H和氢负离子 H 搞混。pK a 值物种的酸性用pK 值来度量。酸HX 的 pK 定义为：aapK 越大，化合物酸性越差。对你来说，记住Table 1.4 中打星号的数值，培养对不同类a型化合物pK 值的感觉以及理解结构变化如何影响pK 的原理是极为重要的。aa有时你会看到某些特定化合物尤其是烯烃的 pKa 值。一种化合物的pKa 值随溶剂、温度和测量方法的不同显著变化。书写有机反应机理时，了解酸性差异是很必要的，这里给出的数值足

37、以达到这个目的。若想对酸性进行深入了解，可以查阅物理有机化学课本。下面给出一些酸性变化趋势：当其他方面都相同时，同周期从左至右，化合物酸性增强，例如 H3CHH2NHHOH， 因为中心原子电负性增加。当其他方面都相同时，同主族从上到下，化合物酸性增强，例如EtOHEtSH，因为中心原子体积增大，其价层轨道的能量越来越高，与H 原子能量很低的 1s 轨道能量差越来越大，轨道重叠越来越差。这一趋势与电负性变化恰相反。*常见错误警告：只有当能电离的 H 原子与杂原子直接相连时，轨道重叠效应才发挥作用。另一方面，诱导效应起决定性作用。当其他方面都相同时，给定原子带正电比不带电时酸性强，例如NH4+NH

38、3。但并不是所有带正电物种酸性都强于中性物种，例如R3NH+CH3COOH。此外，给定原子带负电时比不带电时碱性强。A 原子如果有吸电子基相连，则 HA 的酸性增强；如果有给电子基相连，则HA 的酸性减弱。例如 CCl COOHCH COOH，HOHEtOH。33对于不带电的酸而言，酸性随取代基体积增大而降低，例如EtOHtBuOH。这是因 为当其共轭碱体积增大时，溶剂分子通过偶极效应和氢键包围共轭碱，部分中和其所带电荷的能力被削弱，从而导致共轭碱的能量升高，对应酸的酸性变弱。解释为何 tBuOH 酸性弱于 EtOH 时，经常归因为 tBu 基的给电子诱导效应强于 Et 基。但实际上， 如果在

39、气相条件下测定，由于溶剂化作用不存在，反而 tBuOH 酸性更强。液相中溶剂效应发挥着关键性作用，但因为很难被量化的缘故，它们经常被忽视。*常见错误警告：质子从酸转移给碱的速率不会被空间位阻显著降低。大取代基造成的酸性降低是一种基态的、热力学效应。如果 HA 的共轭碱 A的孤对电子能被共振所分散，则HA 的酸性增强。例如 PhOHEtOH，PhNH +EtNH +，CH CHCH CH CH CH 。当孤对电子可以被离域到一个羰基3332322里时，HA 的酸性特别强（与烷烃相比），如果能离域到两个羰基里，则酸性更强，例如CH CH CH CH COCH EtO CCH CO Et。除了羰基（

40、CO）之外，硝基（NO ）、磺酰322332222基（SO R）都是稳定酸根离子的好基团，尤以硝基为最，一个硝基对酸性的影响甚至强于2两个羰基，这是因为它的吸电子诱导效应和吸电子共轭效应都更强，例如CH SO CH 323CH COCH CH NO 。3332对于给定原子A，HA 酸性随 AH 键中 s 成分增加而增强，也就是说 A(sp)HA(sp2)HA(sp3)H。例如 pyrH+R NH+，炔烃苯烯烃烷烃。这是因为s 成分越多，杂3化轨道能量越低，共轭碱的孤对位于这样的轨道时能量越低。无芳香性的 HA，如果其共轭碱有芳香性，则 HA 的酸性显著增强。例如环戊二烯 戊二烯。相反，如果一种

41、物质被质子化时会破坏芳香性，它的碱性极弱，例如吡咯。你可以运用上述规则和表中数据来估计一种从未见过的物质的酸性。了解 pK 值极为重a要，因为有机反应的第一步往往就是质子转移，而你必须明确反应物的哪个氢最先离去。 羰基化合物可能是最重要的酸性有机化合物，所以影响它们酸性强弱的因素应单独讨论。一种羰基化合物的能量相当程度取决于共振体+ 的能量。R 基通过诱导效应、共R CO2轭效应或超共轭效应稳定该共振体的能力越强，该化合物的能量就越低。另一方面，电荷分+离的 型共振式对相关烯醇式而言很不重要，因此，大多数烯醇盐能量都很接近。因为CO一种化合物的酸性取决于它的质子化和脱质子化形式之间的能量差，则

42、羰基化合物的酸性与它们的能量关系密切：一种羰基化合物能量越低，其酸性越弱。（这种相关性不是对所有化合物都适用。）因此，常见羰基化合物的酸性排序为：羧酸盐（carboxylate）酰胺（amide）酯（ester）酮（ketone）醛（aldehyde）酸酐（acyl anhydride）酰氯（acyl chloride）。*常见错误警告：,不饱和羰基化合物的 C 没有酸性。CO 键倾向于和 CC 键保持共平面和共轭， 所以 CH 键也在分子平面内，不可能与 CO 发生超共轭。如果要脱质子，必须先转化为一个能量很高的构型。注意：,不饱和羰基化合物的弱酸性是与饱和羰基化合物相比而言的，它与 C(s

43、p2)酸性高于 C(sp3)的普遍规律是相悖的。很多时候讨论碱性比讨论酸性更方便。本书中一种碱的pKb 被定义为它的共轭酸的pKa。例如，按照这种定义，NH 的 pK 为 10（因为 NH +的pK 为 10），pK 为 35。一种碱有多强，3b4aa取决于其共轭酸有多弱。凡是能增强酸性的因素都会降低碱性，反之亦然。例如EtS的碱性弱于EtO，因为EtSH 的酸性比EtOH 强。该定义与标准定义pK = 14 pK (共轭酸)有所不同（14 来自于水的解离常数）。这是因为标准定义需ba要学习为本质上相同的一个性质设计的两套不同的计数系统，在有机化学中很不方便。但是，不要把本书的定义用到其他课程

44、中去，不然你会误解。互变异构丙酮（CH COCH ）脱质子后，得到的阴离子有一个带孤对电子和形式负电荷的碳原子，33而且还可以写出一个孤对和形式负电荷都在氧上的共振结构。因此，阴离子的真实结构应当是这两种共振结构的加权平均。如果阴离子和H+反应，H+可能与O也可能与C结合。如 果与C结合，会重新得到丙酮，但如果与O结合，会得到一种与丙酮不同的化合物烯醇（enol，词根en 代表“烯烃”，ol 代表“醇”）。酮和烯醇之间是互变异构体的关系（tautomer）。互变异构体之间是异构体而非共振体的关系，因为它们有不同的 键骨架。最重要的一对互变异构体是羰基化合物烯醇。互变异构化（tautomeriz

45、ation）是一个在酸性或碱性介质 中极快的化学平衡，而共振体之间根本不存在化学平衡的问题。化学热力学和化学动力学能量和速率是化学反应机理非常重要的两个方面。一个化学反应可以被描述为自发的或不自发的（favorable or unfavorable），快和慢的（fast or slow），可逆和不可逆的（reversible or irreversible）。这些概念都代表什么意思呢？一个自发反应是Gibbs 自由能变（G）小于 0 的反应（即产物的自由能低于反应物的自由能）；非自发反应正相反。而自由能变取决于反应的焓变（H，enthalpy）和熵变（S， entropy），计算公式为 G =

46、 H TS。实际操作中，通常用 H而不是 G来判断一个反应是否自发，这是因为 H更容易测定（一个反应的 H在数值上等于它的恒压反应热），而且 TS在通常温度（100）下比 H小得多，可以忽略。H0 的反应是放热的（exothermic）；H0 的反应是吸热的（endothermic）。显而易见，反应物必须经过一个能垒（energy barrier）才能变成生成物，不然的话，反应物根本就不存在！反应物到达能垒顶端所需能量称为活化能 （activation energy，G）。处于能垒顶端的反应物称为过渡态（transition state，TS）。一个反应的速率就取决于活化能 G的高低即过渡态和

47、反应物的能量差而非反应物和生成物的能量差 H。G越高，反应越慢；G越低，反应越快。*常见错误警告：一个反应的速率（取决于 G）和自发性（取决于G）彼此之间相互独立。一个反应可能自发但速率极慢（例如氢气和氧气混合，不加热则经历百万年都不会明显反应），也可能自发且速率极快（例如氢气和氟气，在极低温度下混合依然爆炸式反应），当然不自反而极快（例如水对醛酮的 键的加成）、不自发而极慢的反应也是存在的。这是因为产物的能量不会影响过渡态的能量。一个反应的正反应速率和逆反应速率相等时，就说该反应达到了化学平衡（ chemical equilibrium）。这样的反应是可逆的（reversible）。从本质上

48、讲，所有反应都是可逆的，但有的反应是如此完全，以致于达到平衡后检测不到反应物存在。一条经验规则是：如果一个反应的平衡常数 K 大于 103，则该反应不可逆。根据Le Chtelier（勒夏特列）原理，反应也可以通过从产物中移去一种气态的或难溶的或可蒸馏的物质来驱动平衡向生成产物的方向移 动。当反应物和产物或两种不同产物处于平衡中时，它们的物质的量之比由它们的自由能差决定。但是，如果没有建立平衡，它们的物质的量之比可能与自由能差相关，也可能无关。常见错误警告：如果一个反应能产生两种产物，则生成最快的产物（动力学产物，the kinetic product）不一定是能量最低的产物（热力学产物，th

49、e thermodynamic product）。例如，马来酸酐与呋喃发生双烯加成反应得到双环产物。如果监测反应进程，则会观察到最初的产物是空间更拥挤、能量更高的内型（endo）产物，但随着时间推移，产物会转化为相对不那么拥挤、能量更低的外型（exo）产物。动力学产物随时间流逝而减少的原因是：这是一个由起始反应物和热力学产物组成的化学平衡，而化学平衡一旦建立就倾向于生成能量低的产物。然后，在大量实例中动力学产物并不与热力学产物构成平衡，而后者并未被观察到。在其他实例中，热力学产物也是动力学产物。有机化学的乐趣之一就是设计反应条件使反应只能得到动力学或热力学产物。一开始，得到了等量的动力学和热力

50、学产物。但是，如果体系能量足够高，动力学产物会与热力学产物达到一个平衡并最终转化为热力学产物。很多反应会经历不稳定、高能量、短寿命的中间体（intermediate），例如碳正离子。不要把中间体和过渡态混为一谈。中间体是反应坐标图上的一个低谷（valley），而过渡态是一个高峰（peak）。过渡态寿命极短，甚至不能存在超过一个分子振动周期的时间，也因此不能分离；中间体存在时间可以从 5 个分子振动周期到几毫秒甚至几分钟。所有反应都会有过渡态，但有些反应不经历中间体，有些反应有很多中间体。获取关于过渡态的信息是极为困难的，因为它们存在时间不超过 10 14 秒，但关于它们的信息对于研究相对速率等

51、又极为重要。Hammond（哈蒙德）假说认为，过渡态的结构接近于在它之前和在它之后的两种物质（可能是反应物、中间体或产物）中能量更高的那个（换言之就是能量与过渡态接近的那个）。例如，考虑异丁烯与HCl 的加成反应，会经历一个高能量的中间体Me C+碳正离子。反应的决速步是形成碳正离子这一步。根据 Hammond 假说，3形成碳正离子的过渡态的能量与碳正离子相关，因此，反应速率取决于碳正离子的稳定性。*常见错误警告：Hammond 假说把过渡态及与之相邻的前后两个化合物的结构和能量联系起来。因为这个原因，一个放热反应的过渡态不便于和产物进行比较，因为放热反应的产物能量比反应物低。“稳定”（sta

52、ble）在有机化学用语中是一个模糊的概念。说一个化合物“稳定”，有时候意味着它能量（G）低，换言之“热力学稳定”；有时候意味着它转化为其他物种的能垒（G）高，换言之“动力学稳定”。例如，苯和四叔丁基四面体烷都异乎寻常的稳定。前者是热力学和动力学双重稳定，而后者是热力学不稳定动力学稳定。还有一些化合物，例如半缩醛（hemiacetal）是动力学不稳定而热力学稳定。总体而言，“稳定”通常意味着“动力学稳定”，但你应当时常保证自己明白它的意思。如果有所怀疑，就大胆发问。开始书写反应机理书写有机反应的方式存在三个特点，经常让学生难以弄明白发生了什么。第一，写在箭头上方或下方的有时是计量反应物，有时是催

53、化剂，有时候仅仅是溶剂。第二，有机反应经常不配平，经常忽略方程式右侧的简单产物例如盐、水、气体等（不过左侧的反应物一般不忽略）。配平一个这样的方程式经常会有助于你判断总反应式并缩小机理的选择范围。第三，写在方程式右侧的产物通常是经过后处理（aqueous workup ）。后处理会把离子型产物转化为中性物种。当试剂被分号分隔开时，它意味着第一种试剂先加入和反应，接着加入第二种试剂并反应，以此类推。用数字对试剂进行连续编号，有时候是与分号同样的意思，有时候意味着每一个单独反应进行后，反应混合物经过后处理，产物被分离出来。一个化学反应涉及成键类型的改变，因此当你坐下来书写一个反应机理时，最重要的是

54、明确在反应过程中，哪些键断开而哪些键形成。你可以按如下方法非常容易地达到目的：对起始原料的非氢原子尽可能按顺序编号，接着借助原子的连接顺序、成键类型和使键的改变最小化这三种手段，找到产物中的相同原子。记得对羰基氧和酯中的两个氧进行编号，以及遵守Grossman 规则！关注起始原料和产物中特定碳原子上氢原子是数目，有助于你对其进行编号。有时候配平方程式也能提供重要线索。有些学生不愿意花费时间对原子进行编号，但做这件事的重要性怎么强调都不为过。如果你不进行编号，你可能无法判定哪些键断开或形成，而如果你不能做到这点，你就不能写出一个合理的机理！不编号也许会节省时间，却搞明白键的变化情况很可能会耗费更

55、多时间。Problem 1.4. 配平下列方程式，并对起始原料和生成物中所有非氢原子编号。当你已经对原子完成编号后， 对非氢原子之间需要断裂和形成的 键进行列表，但不要考虑与氢原子相连的 键，也不要考虑所有的 键！该过程会使你的注意力仅仅集中在最重要的事情上：从起始原料到产物的成键类型的变化。不要为起始原料和产物的不同形式而担忧，真正重要的地方是键的变化。有时候即使是少数化学键发生变化，产物也可能与起始原料看起来极为不同。Problem 1.5. 对Problem 1.4.中两个反应的非氢原子之间断裂和形成的 键进行列表。为什么不应把 键包括在成/断键列表中呢？这是因为随着 键的断裂和形成，

56、键的位置自然的也会随之而变。碱性条件下，丙酮向烯醇的互变异构过程能很好的说明这一点。你可能会说最重要的变化是 键从反应物的CO 键转移到了生成物的CC 键。 键确实是发生了迁移（migrate），但这一事实并不能告诉你经历了怎样的机理步骤。如果你只考虑 键，你会发现你需要断开一根CH 键，形成一根OH 键。因为在碱性条件下反应，反应第一步很可能是碱使酸性的C 脱质子得到碳负离子，该过程当然会切断 CH 键。碱性的氧原子脱去EtOH 的质子，形成一根新的OH 键。既然正确的 键已经断开和形成， 键也就很自然地迁移到正确的位置。注意：遵守 Grossman 规则可以更清晰地找到哪些 键发生了变化。

57、为什么不应把与氢原子之间的 键包括在成/断键列表中呢？这是因为断开和形成与氢原子之间的 键比其他 键都容易得多，尤其是在极性反应中，在断开和形成重原子之间的键的过程中，与氢原子之间的 键自然地发生变化。当你已经断开和形成重原子之间的键， 还没得到产物，再考虑涉及氢原子的 键。常见总反应分类如果不进行反应分类，有机化学会成为彼此矛盾的信息的大杂烩。一种分类方法是按起始原料和产物的关系，对总反应进行分类。有机反应中有四种基本的分类：加成（addition） 反应，消除（elimination）反应，取代（substitution）反应和重排（rearrangement）反应。在加成反应中，两种起始

58、原料组合为一种产物。通常一种原料中的一根 键会被产物中的两根 键所代替。在消除反应中，一种起始原料分解为两种产物。通常起始原料的一根 键会被一根新的 键所代替。在取代反应中，一个通过 键连接在起始原料上的原子或基团被另一个通过 键连接的原子或基团所代替。在重排反应中，一种起始原料得到了一个结构不同的产物。有些变化过程由多种反应组合而成。例如，酯和 Grignard 试剂得到醇的反应包括一步取代反应和一步加成反应。记住分类都是人提出来的。在一个特定反应发生前，一个化合物可不会顾忌该反应是否在人们给出的分类标准中并停下它的脚步。反应机理的分类对反应分类的第二种方式是根据机理的类型来分类。本书的章节

59、也是根据这种按机理分类的方式来组织的。但是，不要因为树木（机理）丢了一整片树林（总反应）。这两种分类法都各有优点，在它们之间自由转换是非常有用的。最基本的有机反应机理共有四种：极性（polar），自由基（free-radical），周环（pericyclic）和金属催化或协同（metal-catalyzed or mediated）的。极性反应会经历电子对从电子密度高的区域（称为“亲核体”，Nu，nucleophiles）移动到从电子密度低的区域（称为“亲电体”，E，electrophiles），或者从充满的（filled）轨道移向空轨道。极性机理还可以进一步分为碱性条件下和酸性条件下发生的反

60、应。自由基反应经历单个电子的移动。新键通常是由两个半充满（half-filled）轨道各自提供一个电子形成的。自由基反应经常会经历一个链式反应，但并不总是如此。周环反应的特征是电子在环内移动。金属协同或金属催化的反应需要过渡金属。但是，有些特定的过渡金属化合物在有机反应中仅仅是作为 Lewis 酸（例如 TiCl 和 FeCl ），有些是像 Na、Li 这样的碱金属一样作43为单电子还原剂（例如 TiCl 和 SmI ）。被这些物质促进的反应通常被算作极性酸性反应，32周环反应或自由基反应。机理和总反应的分类是有交叉的。例如，取代反应可以通过极性酸性、极性碱性、自由基、周环或金属催化机理，而在