跟着电子走,预测产物。

为什么机理很重要

反应方程式告诉你什么进去、什么出来;机理告诉你怎样发生:哪些键断裂、哪些键形成、按什么顺序、经过哪些中间体。正是这些让你能预测从未见过的产物、解释立体化学并选择反应条件。

几乎每个极性有机反应都是同一事件的重复:富电子原子与缺电子原子共享一对电子。学会识别这两个参与者,就能读懂大多数机理。

亲核试剂、亲电试剂和弯箭头

亲核试剂富电子,提供一对电子:氧或氮上的孤对电子、负电荷或 π 键。氢氧根、氰根、胺、烯醇负离子和烯烃都很典型。亲电试剂缺电子,接受这对电子:羰基碳、碳正离子、卤代烷的碳或质子。

弯箭头表示电子对的移动。每个箭头从电子(孤对电子或化学键)出发,终止于电子的去处:某个原子,或两个原子之间将形成新键的位置。箭头绝不从原子核或正电荷出发。每一步之后都要数电荷:两边的总电荷必须相同。

取代反应:SN2 与 SN1

SN2 反应中,亲核试剂从离去基团的背面进攻碳原子,旧键在新键形成的同时断裂,一步完成。速率取决于两者,速率 = k[底物][亲核试剂],碳上的构型发生翻转。空间位阻会大大减慢反应:甲基和伯碳底物最快,叔碳底物几乎不反应。DMSO 或丙酮等极性非质子溶剂不会包裹亲核试剂,因而有利于反应。

SN1 反应中,离去基团先离开,生成平面碳正离子,亲核试剂随后可从任一面进攻。速率只取决于底物,速率 = k[底物],立体中心通常大部分外消旋化。能生成稳定碳正离子的叔碳、烯丙基和苄基底物按此途径反应,在水或醇等极性质子溶剂中尤其如此。碳正离子在亲核试剂到达之前,还可能通过氢负离子或烷基迁移重排为更稳定的正离子。

两种情况下离去基团都很重要:好的离去基团是弱碱。碘离子、溴离子、对甲苯磺酸根和(来自质子化醇的)水容易离去;氢氧根和烷氧负离子则不行,所以醇在取代之前需要先活化。

消除反应:E2 与 E1

碱也可以不进攻碳,而是夺取与离去基团所在碳相邻碳上的质子,形成 C=C 双键。E2 中这一过程一步完成,质子和离去基团必须处于反式共平面。强碱有利于 E2;叔丁醇钾等大位阻碱更倾向于消除而非取代,并常常生成取代较少的烯烃。

E1 与 SN1 经过同一个碳正离子并相互竞争;加热有利于消除。经验规则是,E1 和大多数 E2 反应生成取代较多、较稳定的烯烃(扎依采夫规则)。

羰基化学

羰基碳是有机化学中最重要的亲电中心。亲核试剂加成到羰基碳上,生成四面体中间体。醛和酮没有离去基团,中间体通常质子化为醇;格氏试剂和氢化物还原都是这样进行的。

羧酸衍生物带有离去基团,因此四面体中间体塌陷并排出离去基团,这就是亲核酰基取代。反应活性取决于离去能力:酰氯 > 酸酐 > 酯 > 酰胺。这一顺序告诉你哪些转化是"下坡"的,例如酰氯变成酯;哪些需要剧烈条件,例如酰胺水解。

与羰基相邻的碳具有弱酸性,其共轭碱烯醇负离子是碳亲核试剂。烯醇负离子进攻另一个羰基,就是羟醛反应,这是构建 C–C 键的主要方法之一。

芳香取代

苯环也是亲核试剂,但比较"勉强",因为反应会损失芳香稳定性。在亲电芳香取代中,苯环进攻硝鎓离子等强亲电试剂,生成正离子中间体,随后迅速失去一个质子恢复芳香性。环上已有的取代基决定下一个取代基的位置:–OH、–CH3 等给电子基团是邻、对位定位基并加快反应;–NO2 等多数吸电子基团是间位定位基并减慢反应。

如何分析一个新机理

画出所有孤对电子和电荷。在给定条件下找出最好的亲核试剂和亲电试剂。用弯箭头一次画一步,每步之后检查电荷和原子数。问一问中间体是否稳定;如果某一步生成伯碳正离子,就去寻找其他途径。最后把产物与条件对照:酸、碱、加热和溶剂都会在机理上留下痕迹。