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)系成為一個整體，從而達(dá)到對有機(jī)化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識和掌握[1]。多年教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對有機(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。因為，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，提出一個具有相對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)

共價鍵的均裂是指組成共價鍵的一對電子，在共價鍵斷裂后均分到共價鍵連接的兩個原子或基團(tuán)上：

圖1 共價鍵的均裂

自由基孤電子所在的軌道只有一個電子而一個軌道可容納兩個自旋方向相反的電子，因此，自由基可以給出一個電子變成正離子，也可以再接受一個電子變成負(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]?？梢姡覀兛梢园炎杂苫醋髀芬姿顾峄蚵芬姿箟A，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，這里姑且定義一個新概念“酸-堿復(fù)合體”)。

1.2 異裂和離子型反應(yīng)

共價鍵的異裂是指共價鍵斷裂后，成鍵的一對電子完全歸成鍵的一個原子或原子團(tuán)所有：

圖2 共價鍵的異裂

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?；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)稱為極性反應(yīng)：

由圖3可見，極性反應(yīng)涉及三個物種：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]。一個反應(yīng)體系、分子或中間體，只要同時存在親核試劑(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、第三個，……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)。下面由簡到難，應(yīng)用極性反應(yīng)三要素對三例極性反應(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α-H，其中一個α-H有一個體積較大的氯原子，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單的酸堿反應(yīng)。

3.3 請為下列反應(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C連接兩個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，兩個環(huán)氧上的孤對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)的動力。

(4)碳正離子是酸，OH氧原子上的孤對電子是堿，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等同于一個碳原子連接兩個氧原子)，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。同樣一個知識點(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“因為我擁有真理，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放味道。