一般来讲,遇到一个新反应时,最不应该的就是直接去投实验。最应该的是去考虑这个反应是如何进行的。毫无疑问,最快的方式就是通过,所以学习机理非常有用。

在画机理之前,不应该急于画箭头,我们应当首先考虑以下两件事:

①识别哪根键断裂,哪根键形成;

②决定哪个分子是亲核试剂,哪个分子是亲电试剂

当明白了反应是怎样的发生,很自然就很容易地用弯曲箭头绘制机理了。以三苯基膦与碘甲烷的反应为例:

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首先我们要观察发生了什么?

我们可以很明显地看到:磷原子和甲基形成了一根新键,碳–碘旧键断裂。

其次便是判断亲核试剂和亲电试剂。

这个我们之前详细分享过:

不难区分,三苯基膦与碘甲烷的反应中,三苯基膦是亲核试剂,碘甲烷是亲电试剂。

对于亲核试剂,我们需要寻找高能的电子对,例如三苯基膦中磷原子含有的孤对电子。

而对于亲电试剂,我们要找不饱和键,或者离去基团,碘甲烷中,不含有不饱和键,但碘原子有电负性,且原子半径大,容易离去,

那么目前剩下的任务是绘制箭头了。

首先应该按照习惯摆正亲核试剂和亲电试剂的位置,并尽量显示出主要反应的官能团以及相关基团

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然后按照电子流向,给出弯曲箭头:

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很明显,这是个很简单的示例,过程中只要我们注意“八隅律(octet rule)”,不要画成下面这种形式就好了。

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下面是一些稍微难一点点的例子,在早些时候我们分享过羰基的反应性:所以直接找了个和羰基反应的例子;

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对于这个羰基化合物,很明显是一个亲电试剂,亲核试剂只能从NaCN和水中选,但NaCN是离子型化合物,在水中必然电离出Na+和CN-,故而亲核物种只能是CN-。

但按照上述示例书写的时候,我们会发现,我们得到的还是一个亲核物种

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且这种负离子的模式不能稳定存在。故而这个需要被亲电物种淬灭,但这里只有水,所以完成写法应该是以下过程:

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下面则聊一些难的例子,说它难事因为除了上述过程外,它还拥有一个极性反转的过程(极性反转通常出现在逆合成的手段中,通常拥有极化的C-X键,然后由酸碱性控制的质子化或去质子,反应性发生改变的过程,佩服corey);比如:一级醇在酸性溶液中转化为对称醚

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在本反应中,第一步是醇与H+的反应, 其中 H+ 做亲电试剂,醇以其 HOMO, 即 O 原子的其中一对孤电子做亲核试剂。这步分反应得到的中间体我们称为钅羊 (氧鎓) 离子 (最新版命名法建议除了氧鎓外,其他相似离子一律不称鎓,)

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带正电的钅羊离子必然是第二步反应的亲电试剂,而唯一可能的亲核试剂自然就是另一分子的乙醇,但是应该如何进行呢?首先我们讲一个错误的例子:

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两种画法中第一种没意义,因为体系组成不变。

第二种显然错误,因为钅羊离子中氧上的正电子并不表示一个空轨道,这种情况下如果按照静电吸引()只会让乙醇氧原子上的孤对电子进攻样离子中的正电氧,形成一个十电子氧,这不符合八隅律,故而错错误。

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图.亲电试剂空轨道类型

细心观察生成物,我们需要的其实是一根新 C–O 键,因此孤对电子应当进攻碳原子;将电子对放入C–O 的 σ* 轨道,使其断裂并离去一分子水。

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下面这个例子会更难一些,因为它涉及到了一些张力环的开环环化反应。

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但也无需紧张,我们首先做一个分析:

老套路,首先要问自己:成了哪个键,断了哪根键?很明显,旧的 S–H 键断裂了,新的 S–C 键形成了;三元环随着C–O 键的断裂而打开;而分子的主链没有发生改变,我们不妨画出来:

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这样一来,用弯曲箭头书写机理自然就简单多了!

第一步仍是极性反应的套路,氢氧化钠做碱去质子。该过程中,氢氧根离子做亲核试剂,夺取亲电试剂巯基的质子,并断裂 S–H 键,生成硫负离子

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随之形成的负离子必然为亲核试剂。通过分析成键和断键的情况,我们推断三元环中的C–O 键为亲电试剂。因此我们可以画出机理:

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这一步反应得到的还不是产物:我们仍需要负离子从某个地方获得一个质子。

质子可以来源于哪里呢?

回顾整个流程,第一步反应中氢氧根离子夺取一个质子转变为了水分子,因此氧负离子必然是重新从一分子水中夺取一个质子,使之重新回到氢氧根的状态,这样的思路是合理的。

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所以讲到这里,总体来看,弯曲箭头的机理书写可以提炼成一下信息:

① 准确清晰地绘制反应物结构,并理解作为反应环境的试剂和溶剂。

例如,如果反应在碱性条件下进行,您需要观察是否有某个化合物被去质子,以负离子形式存在。

②审视反应原料和产物,并理清反应中发生的变化。哪根新键形成?哪根旧键断裂?有无新添加到分子上的事物?有无键在分子中移动了位置

③找到反应物中的亲核试剂和亲电试剂,并识别亲核试剂上的亲核位点,亲电试剂上的亲电位点。

④如果这两个位点的结合正好能得到产物,那么您需要以合适的位置、合适的角度绘制这两个分子,使得成键的两个位点之间距离得当,使得进攻角度大致与轨道的方向一致。

⑤ 由亲电位点指向亲核位点绘制箭头。起始点必须能代表一对电子——一个充满的轨道或者一个负电荷 (箭头的尾端接触键、孤对电子或负电荷)——终止点为电子的最终去向 (箭头的头端指向该位置)

⑥思考有没有什么原子连有过多的键。如果有的话,那么为了避免荒谬的结构,该原子必须断裂原有的一根键。您需要选择一根将要断开的键,由该键的中央 (即代表该键电子填充的轨道) 引出一个新的箭头,指向某一合适的位置,例如一个负电性原子。

⑦根据弯曲箭头所示的电子转移过程画出所得到的生成物。断开的键是箭头的来源,箭头的目标为一根新的键。同时还需要考虑单个电子电荷的转变,并保证整个体系电荷守恒。当在前几步中将机理绘制出来后,得到的生成物的结构就已经确定了。如果照此画出的生成物有问题,那么机理就是错的。

⑧根据需要,考虑是否重复 5–7 步并得到最终的稳定产物

资料来源:J. Clayden, N. Greeves, S. Warren. Organic Chemistry, 2nd ed. Oxford University Press, 2012

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