有机化学中的“离域和能量最低”

前面讲的有关反应机理中箭头的标记,由于文中无意间涉及到敏感词汇,竟然又被封了!!通过申诉后,好不容易解封。还有多篇怀旧文章莫名其妙又被锁定,有点不想写下去了。好吧,那就避开那些所谓的敏感词,讲讲自己的专业吧。如果哪天写这个都要锁定,那在简书里就没有继续写下去的必要了。

今天我们讲一下有机化学中很有特色的各类共轭体系。由于各类共轭的存在,对于反应主要产物的确定起着举足轻重的作用。

共轭,其实是电子的离域。离域就是指化学键中的电子不再属于某一个原子,而是在某一个平台上大家共享。可以这样比喻,这些电子如同马路上的共享单车,骑车的人们就像在这平台上的原子一样。只要是这个平台的人,大家都可以骑行这些共享单车。这个单车不再属于某一个人,而是属于骑行的大家。能否离域,关键就是需要存在一个合适的平台。这个平台在有机化学里就是某个体系涉及到的所有原子是不是共平面。

对于有机化学,其实就是碳的化学。如果按照价键理论,共价键具有饱和性,也就是说,它的成键数目与原子最外层存在的单电子多少有关。碳的最外层只有两个单电子,那它只能成两个共价键吗?如果按照价键理论确实如此。但是现实中,碳连接四根键的比比皆是。如大名鼎鼎的甲烷,或者烷烃而言,它们都有四个σ键。在烯烃炔烃中,即有σ键,又有π键。这该如何解释?

所以这里只能用杂化轨道理论解释。对于碳而言,只有三种杂化类型(sp,sp2,sp3)。sp,  sp2它们的分子构型分别为直线型和平面三角形。而sp3杂化的几何构型为四面体。由此可以确定,只有前两种才有可能存在共平面现象。所以对于碳原子而言,只有sp或sp2杂化才会有共轭体系存在。

所以,根据共轭时轨道的不同,分成不同的共轭类型。主要有这么三类:π-π共轭,p-π共轭,σ超共轭。往往那些所谓的超什么的,效果其实反而最差。超共轭在这三类共轭中,其实是最弱的。第一类共轭,就是存在两个以上的双键,就像丁二烯,该分子的四个碳原子都是sp2杂化,它们是共平面的,所以这里的四个碳原子是共享四个p电子,按照无机的说法就是存在一个大π键,四中心四电子。在结构简式里存在两个π键,所以称之为π-π共轭。所以这类二烯烃也称之为共轭二烯烃。在共轭体系中存在π键的,说明最起码有两个碳原子是sp2杂化的。

p-π共轭,就是在双键碳旁边接了一个带有p电子的,而且可以与双键共平面。如氯乙烯就是典型的p-π,就是因为存在这类共轭,所以它们相当稳定。

而超共轭,也可以分成两类,σ-π,σ-p超共轭。这类共轭是基于σ键重叠是“头碰头”形式,所以σ键可以旋转,不管怎样总有某个瞬间这个σ键可以与π键或p电子成共平面,所以有可能发生离域而共轭。虽然这类共轭比较弱,但对于反应机理而言影响却很大。

如烯烃与不对称试剂加成时,有一个著名的规则,马氏规则。看表面就是像氢加到氢多的地方去,另一负端加到氢少的地方去。这仅仅是表象,其实本质来说就是其中间体是碳正离子,看哪一种碳正离子更加稳定罢了。而这个稳定与否,其实就是看相邻基团对带正电碳原子的共轭有多少?共轭多的就稳定,那种碳正离子就是主要存在形式,反应的主要产物就由这个主要存在形式所决定。至于碳正离子中稳定性排序就与前面所述的σ超共轭有关,所以其稳定性排序为:叔碳正离子>仲碳正离子>伯碳正离子。

所以很多有机化学反应机理中间体的稳定性都和这些共轭有着紧密的关系,看懂了共轭类型,对于有机化学的学习有着很大的帮助。


2020.1.16晨

1.21晚修改

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