1、第二讲 书写有机反应机理的一般原理 化学反应机理是基础有机化学教学的重要组成部分。首先，提出或解释一个有机反应的机理需要应用到有机化学的基本理论和基本原理( 包括诱导效应、共轭效应、共振论、酸碱理论等) ，提出或解释机理的过程是对这些基本理论和基本原理的学习和加深理解的过程。其次，机理方法的主要优点在于它只需要运用一些比较简单的原则，就能解释现有的实验事实，把相关的众多的反应联系起来，得到一些规律性的东西。通过学习和研究有机反应机理，我们将逐步学会利用这些规律去预测已知反应在改变条件后的结果，或对一些新反应可能出现的产物作出推测，以帮助学习和研究有机化学反应。 本讲介绍了若干条书写有机反应机理
2、的一般性原理，对反应机理的书写具有指导作用。 原理 1书写反应机理时，旧键断裂和新键生成的过程是用弯箭头来表示的，弯箭头表示价电子的重新分布。箭头起始于带负电荷的原子、孤电子对或一对成键电子，终止于带正电荷的原子、偶极的正端或电负性较大的原子。换句话说，箭头起始于亲核部位，终止于亲电部位。 例如：H3C CH3OH HOH(1)(2)H3C COHH3+H HO+H2C ONOH2C ONO+-+EtOH+-OEt-(3)H(4)(1)起始于非键电子对终止于偶极正端；(2) 起始于成键电子对终止于带正电荷的原子；(3)起始于带负电荷的原子终止于偶极正端；(4) 起始于成键电子对终止于电负性较大
3、的原子(该碳原子因 -NO2的吸电子诱导效应而带微正电荷) 。 原理 2 每个单元过程的电荷必须平衡。 原理 3 能正确地写出反应物分子的 Lewis 结构式，并标明 N、O 、 S、P 等杂原子上的非键电子对，对书写机理将是十分有益的。 原理 4 在强碱性介质中进行的反应，不会生成强酸；在强酸性介质中进行的反应，不会生成强碱。但是，在弱酸或弱碱性介质中进行的反应，强碱和强酸均可作为机理的一部分。 例如，对于乙酸甲酯的碱性水解反应 CH3CO2CH3+ H2O HO_CH3CO2+ CH3OH_合理的机理为： H3C OCH3OOH-H3C OCH3OOHH3C OOHOCH3-+ CH3OH
4、CH3CO2-不合理的机理是： H3C OCH3O -H3C OCH3COOHH2OH+OH2-H3C OCH3COOH+ H3O+CAH3CO2H + OCH3-H3C CH2COH不合理之处在于：碱性介质中， HO-具有足够的浓度， HO- 是比 H2O 更好的亲核试剂，亲核进攻应该是由 HO- 引起的；另外，强碱性介质中，不可能形成象 A 或 H3O+这样的强酸。 原理 5在水溶液( 中性条件) 中，烯醇式和酮式的互变异构涉及到强酸和强碱作为中间产物。 OHHH3C CH2CO+H3O+_质子被夺去后所产生的负离子因共振而稳定。 _H3C CH2COH3CCOCH2_强碱与强酸作用给出产
5、物。 H3CCOCH3+H2OH3CCOCH2H3O+_原理 6假如试剂是一个强碱，我们就要寻找底物中显酸性的质子。显酸性的质子一旦被夺去，接下来就要考虑所生成的负离子将可能要发生的反应。如果负离子是一个好的亲核试剂，就要寻找合适的亲电中心。如果负离子既是好的亲核试剂又是好的碱，所有的可能性都要予以考虑。另外，酸性质子被夺去的同时，也可能会涉及一个离去基团同时离去，这是协同消去的过程，卤代烃和季铵盐的 E2 消除反应就属于这种情况。 原理 7当一个机理涉及到一个质子被夺取时，产物的生成并不总是由酸性最强的质子被夺取而引起的。同样，当一个机理涉及到质子化，产物的生成并不总是由碱性最强的原子的质子
6、化而引起的。 例如：反应：H3CNH NCNOCH3OHOH2OHNNOO3CNH2CH3-根据电子效应和共振论可以判断，NH 上氢的酸性比 CH2上 H 的酸性小。但与反应事实相一致的机理是：反应是由 HO-进攻酸性较小的 NH 上的氢而引起的。 HOH3CN NOCH-CNH3OH3CN NCNOCH3O-生成的负离子可写成如下构象，很易发生亲核加成反应，生成一个六元环。此过程是反应的主要驱动力。 NCNCH3OH3CON-NCNCH3OH3CON-H OH接着发生质子化和互变异构导致产物的生成。 NCNCH3OH3COHHNHOH-NCNCH3OH3CONH-H OHNCNCH3OH3C
7、ONH2原理 8任何一个可行的反应都必须有一定的驱动力。比如稳定的无机物的生成；稳定的双键或芳香体系的生成；从稳定性较差的碳正离子、碳负离子或游离基生成更稳定的碳正离子、碳负离子或游离基；稳定的小分子( 例如 CO、CO2、N2、H2O 等) 的生成；强酸强碱作用生成弱酸弱碱。过程焓的减少、熵的增加也是反应的驱动力。被熵驱动的过程往往是由更少的反应物分子生成更多的产物分子，被焓驱动的过程往往有更稳定的键的生成。当书写反应机理时，要经常思考：反应为什么朝此方向进行而不朝另一方向进行？其驱动力是什么？ 例 1. 乙酸乙酯在 NaOEt 存在下发生 Claisen 酯缩合反应，生成乙酰乙酸乙酯，包括
8、 4个单元过程。 _(1)(2)H3C OEtOCH3CO2Et + OEt CH2CO2Et + EtOH2CO2EtCH_H3C OEtOCH2CO2Et_(3)H3C OEtOCH2CO2_EtH3C CH2CO2EtO+ OEt_H+CH3COCH2CO2EtO2Et(4)H3C CH2CO+ OEt_H3C CHCO2EtO+ EtOH_过程(4) 是整个反应的关键一步。因为乙酰乙酸乙酯的 PKa 11,乙醇的 PKa 16,故过程(4)的平衡常数约为 105，基本上可看作是单方向的。此过程(强酸强碱作用生成弱酸弱碱)为整个反应提供了驱动力。 例 2在正常情况下，酮类与简单醇类一般不
9、发生反应，但酮类经常与 1，2 - 二醇，例如乙二醇，反应生成缩醛 。 6RRO+ HOHOH+OORR为什么与乙二醇能起反应， 而与简单醇不起反应，关键在于熵有利于前者而不利于后者，因为与后者反应则从起始物至产物涉及分子数的降低。 原理 9由于熵减少的过程是不利的过程，所以机理中涉及到三分子的单元过程是罕见的。 OOH2OHClHO OOH机理 1：单元过程涉及到三分子，不合理。 H2O H+OOOH2H+HO OOHOH2HO OOH机理 2：单元过程仅涉及双分子，更合理。 HOO+HO O+OH2OOH2O H+HO OOHH+OH2HO OOHHNCl HHNClH-+原理 10第二周
10、期的元素价电子层只能容纳 8 个电子，而第三周期的元素( 比如 S、P等) 价电子层可容纳 10 个电子 (有时更多) 。在书写机理时必须注意价电子层的最大电子容量。比如，下面过程的结果是 N 的价电子层超过 8 个电子，不合理。 为避免这种情况，双键中电子可转移到邻近原子上，得到内盐( 叶立德) ，内盐是某些反应的中间体。 HNClH-+HNCl H_假如一个中性的亲核试剂以类似的方式进攻氮，产物中将有三个电荷，两个正电荷处于邻位原子上，是非常不稳定的中间体。 HNCl+NHOHRHClROH+_一个更合理的过程是： HClNOHRNHClOHR+原理 11按逻辑次序给原料分子中的原子编号，然后在产物分子中找出对应的原子并予以编号，这样有利于发现原料和产物分子中原子间相互键合的情况。 例如，写出下列反应的机理。 OH3COS NNHPhEt3NMeOHSNNPhO对照原料和产物的分子，给有关的原子进行逻辑编号，可明显发现 N-1 和 C-6 间形成了一个新的共价键。 123123456NNHPh456OH3COSSNNPhO有关反应的机理就很清晰了。 OH3COS NNHPhSH3CONNPhHO_+NEt3SNNPhO_SNNH3CO OPh+ OCH3_OCH3+ HNE_+t3CH3OH + NEt3原理 12. 当存在不止一个可能的机理时，最简单的也许是最好的。
