在我们公众号,福山组的机理已经讲了很多,具体可参考这个合集:
但一直会有朋友反馈说,每个机理都在看,但是记不住,记住的也比较乱,不知道该怎么系统去学这块内容!
所以今天就以福山机理题,我们从头梳理一下:
首先这本书要教会我们的只有一个:"Provide reasonable arrow-push mechanisms for following reactions"
很显然,福山题的侧重点不在于产物是怎样,而是着点于电子推动法,让我们去考虑反应过程中电子怎么流、中间体长什么样,一步一个箭头,一个中间体一个中间体地画清楚。
计算化学兴起后,"形式化电子论"经常被轻视;但要现阶段,我们统理解众多反应、预测反应路径、设计合成路线,靠的仍是电子论。把已知反应死记硬背不会产生新东西,看清反应底层的电子流向才是新想法的来源。
其次是针对本书学习的具体方法,给出五条建议:
初学者最重要的三件事:照顾整个分子、不要试图省略任何一步、把每一步都画在纸上,不要养成眼高手低的习惯,一看全会,一做全不对。
一个中间体上大约画3 个一下电子流向的箭头最合适;不要在一个结构式上堆一长串箭头,看着乱。
反应机理不是绝对的。在我们每个机理解读下,我们已经说过:与其纠结"真机理是什么",不如练成"能逻辑地推出一种自洽机理"。
本书每题答案栏配三级 checkbox(做对/做错/需重做)。要善于用这个,20 分钟想不出来就干脆看答案,但之后要回头重做。
解答里的机理有的引自文献作者,有的是福山研自己提出的,也有两者并列,所以同一题可能出现两种画法,只要逻辑自洽,其实都合理。
针对每一道机理题,更具体的解题秘诀是:
结构式要画好。 把脑子里想的都写下来,结构一画出来下,下一手往往自己就浮现了,这就是所谓的迈出第一步,但不画,有时候挺难想的。
发现很多人分子大了容易偷懒简写,比如以R代替某些基团,但真实合成必须通盘考虑整个分子——老老实实画全,本身就是一种训练。中间体也要逐个画,如果习惯"只在脑子里推进、纸上只写出发物和产物",一旦遇到稍有变化的反应,就会漏掉关键的分支中间体。
熟悉试剂。 完全陌生的试剂很难做。但不要只记"这个试剂能做什么"的结论,先写出这个试剂本身的反应机理;按机理给试剂归类,遇到没见过的试剂也能类推它的作用。查试剂时尽量把视野放宽,把它的多种用法一并掌握,对日常实验也有用。这也是我们并行开这个专栏的意义。
多想几种可能性。 真实机理不是一条单行道,分支点上往往有多个可能。实力体现在:能想出多少种可能,以及如何给这些可能排优先级。判断错了,就退回分支点试下一种。
仔细分析分子结构。 找出底物与产物"哪里对应哪里",这是最重要的提示;有时从产物倒推中间体反而更简单。
动手数一数。 卡住时数数:从一个反应点开始数(数到 5、6…),据此判断成环/重排是否几何上可行。
机理推导需要掌握两个能力:
第一个是原子的电负性,以此判断电子往哪儿流。
极性反应中,电子从富电子部位流向缺电子部位,用弯箭头表示。判断流向的第一个依据就是电负性(越大越拉电子)
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比如:CH₃Br 中碳带δ+,NaOEt 的氧(负电)进攻碳,C–Br 成键电子对转移到溴上,得到 CH₃OEt + Br⁻。
又比如:羰基化合物:氧拉电子→ C 为δ+、O 为δ−。亲核试剂进攻碳(加成),或者质子先加到氧上(活化,碳更缺电子、更活泼)。
看官能团的电荷分布,让最活泼的两个部位彼此反应"——这就是机理思考的基本盘。
第二个是pKa:借以判断平衡、判断离去能力·
pKa 定义中 pKa 越小酸性越强;碱的共轭酸 pKa 越大,碱性越强。对 HA + B⁻ → A⁻ + HB,有 ΔpKₐ = pKₐ(HA) − pKₐ(HB),用它就能(近似地)估算平衡偏向哪边。
比如:用 (iPr₂NH 的 pKa ≈ 36)夺取酯的 α-H(pKa ≈ 24–25)生成烯醇负离子,与 PhCHO 加成,最后用 AcOH(pKa 4.8)淬灭。整条路线每一步都在"pKa 由大到小"的方向上走。·
又比如:醇羟基(pKa 15.7)直接做亲核取代几乎不反应;转成甲磺酸酯(MsOH,pKa ≈ −6)后,Nu⁻ 就能顺利取代。所以 pKa 也是能力的粗略标尺。
但 pKa 只是判据之一:实际反应由多种因素决定,有时甚至违背 pKa 顺序发生去质子化;而且 pKa 的定义基于稀水溶液([H₂O] = 55.5 M 恒定)的假设,不能严格描述真实反应体系。尽管如此,比 pKa 大小仍是预测反应结果最有用的手段之一。
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