如何高效學好有機化學?
翻看過有機教材的同學都知道,書里除了大半需要記憶的知識,剩下的就是佶屈聱牙的機理部分了;對這些機理摸不著頭腦,從而為了應付考試不得不死記硬背老師圈定題庫的答案,但到了考試的時候,遇到化合物結構的微小調整就傻眼了。。。。
首先十分感謝親們的關註:) 我白天有課,一般到晚上都抽空更新兩三千字。必須申明的是,這是對於本科的有機化學,只針對教科書上的成熟內容;研究生以上高等有機,則相當部分需要引用最新文獻具體探討某些難以說清的機理問題,不在這個帖子的討論範圍。
:)樓主現為大學有機老師,本科和博士都是有機化學專業,高二參加化學奧林匹克競賽時,已自學完大學有機課程,考研的有機試卷當作平常練習題已無壓力。那麼在高二時還未學過高數和大學物理的情況下,是如何著手進行高效自學的呢?
簡單來說,有機化學的得名源於化學發展早期的「生命論」:那時認為那些冷冰冰的礦石啥的,實驗室能夠人工鼓搗的都屬於無機範疇,而那些生命體所生成的化合物比如乙醇,醋酸,尿素,糖等,則必須來源於生物體的代謝等。所以如圖:由器官(有機體organism)衍生出了形容詞organic有機的,進而衍生organic compound有機化合物,而研究這些化合物的學科,則是organic chemistry有機化學(對應的,無機化學則是Inorganic chemistry,否定前綴)。所以基於這樣的原因,有機便有了非人工、純天然的意思;於是現代商家為了炒作,把同樣是化肥和農藥搞出來的農產品,冠上有機兩字,價格就颼颼往上漲,實際質量卻可能更糟糕。有機食品、純天然非轉基因等等,學過生物或者化學的同學,一定要有基本的抗洗腦能力哈。不過在1828年,德國化學家Wohler做濃縮NH4+CNO-實驗時,一不小心卻得到了尿素(NH2CONH2),這下可不得了啦,化學家一不小心闖進了上帝造物的領域,於是生命論學者爭辯到,尿素是人體的排出體外用不到廢物,沒有生命力不算;於是CH3COOH和油脂等陸續被有機化學家在瓶瓶罐罐里合成出來,徹底讓有機化學前面的有機兩個字,失去了其原本的意義。但日久情深,有機兩字也就沿襲了下來。
某種程度上來說,有機化學從1828年開始,就與合成有了最密切的關係,時至今日,有機化合物的數量已經逼近1億的數量,每年新增化合物數百萬,其中90%以上都是有機化合物。
其實大學有機,真正用到高等數學和物理的並不多,我們只要記住中學學習元素周期律學到兩大基本常識就足以應付了:電子云的概念和s、p軌道的空間分布;稀有氣體是最穩定的元素,對於C(4),N(5),O(6),F(7)都希望通過和其他原子成鍵共用電子,達到最外層滿足Ne(8)八隅體的穩定結構,相應的需要形成8-4,8-4,8-6,8-7根化學鍵。對於它們來說,稀有氣體那種睡覺睡到自然醒,數錢數到手抽筋(電子富足,完美無缺)的人生,就是他們做夢都想要去達成的至高目標。
為了便於理解,以Ne(8)為例,我們假設最外層的電子為未婚青年(裡層的都配對也就是都結婚了),如果能夠形成4對夫妻,則是最理想的情況(從元素周期表知道,最外層電子數最大為8,這個是由薛定諤方程解出,暫時我們不管);s、p軌道,由於能量差異(s長得勻稱,好看;p軌道只是特定角度看去才不錯),s總是比p軌道優先成鍵(優先結婚)。出於對人性的了解,我們都知道,p一般不太嫉妒遠比它們有優勢的s,但px,py,pz三者之間出身一樣,則必須享受同等待遇,要麼都單身(Ns2p3),要麼都成對(Ne s2p6),決不能容忍個別成對,個別卻單著(O s2p4, F s2p5)。
對於屌絲C來說,必須從外面引進4個電子才可以向Ne(8)這樣的高富帥看齊,遵循「對稱就是和諧"的原則,有機村裡的C村長,高瞻遠矚地把所有適婚青年 (s2p2,最外層4個電子)召集起來,然後把已經內部搭對的s2拆散,和px,py,pz一起改頭換面的包裝出四個富有吸引力的適齡青年(每人都是sp3的1/4),把最光鮮的穿在外面,把寒磣的藏起來。各自找個方向出去求偶,比如甲烷,形成四根C-H共價鍵從而滿足4對夫婦共八人的和諧一代。為了最大減少彼此求偶時的不必要摩擦(各自之間電子相互排斥),四個方向最理想的就是正四面體了。
與甲烷的幸運相比(1C4H),不同的C有不同的不幸:
乙烷CH3-CH3,每個C形成3根C-H鍵以後,不得不捏著鼻子,C-C之間來個同性婚姻。乙烯CH2=CH2,在乙烷的基礎上又少了2H, C-C之間不得不再合作一次;由於電子排斥的原因,電子云空間排布必須彼此錯開,所以聰明的C村長,留出一個p軌道,把其餘的sp2進行無差別雜化,3個軌道,3個方向彼此干擾最小的,自然是正三角形,各自如願成婚(σ鍵,被法律認可的婚姻,相對穩定)。剛留出來的p軌道,和三角形所在的平面垂直從而錯開彼此的求偶路線;這兩個C的p軌道,由於距離和社會道德阻礙等原因,沒法光明正大的成婚(空間原因無法再頭碰頭),只能湊合著過露水姻緣(只好肩並肩形成π鍵),這樣的露水姻緣,一旦各自有機會重新找到合適的情侶,則就會被拆散(π鍵容易被破壞)。為了方便,乙烯這樣C和C之間,由一對合法婚姻(σ鍵)和一對露水姻緣(π鍵)所形成的兩對共價鍵,我們稱之為雙鍵。
乙炔則更慘,C均比乙烯還少1H,不得不在乙烯的基礎上,再添加一段露水姻緣,也就是說,C的兩個p軌道,和另一個C的兩個p軌道,相應地組合成了兩對野鴛鴦。C村長把剩下sp兩青年,改頭換面,讓他們朝相反方向(180度,電子間排斥最小)努力求偶,其中一個幸運和H結成了夫妻,而另一個不得不結成C-C之間的同性婚姻。為了方便,乙炔這樣C和C之間,由一對合法婚姻(σ鍵)和2對露水姻緣(π鍵)所形成的3對共價鍵,我們稱之為叄鍵。有機化合物種類繁多的根本原因,在於C的最外層是4個電子,可以通過各種各樣的方式和各種各樣的原子結合(C,H,O,N,S,P,X鹵素,M金屬)。學習有機,就應該從最難的機理入手,開頭雖然有點難,但花點苦功一旦上手以後,整個有機的學習,也就豁然開朗了。
a) 烷烴(烷,完字表示具有(全部為單鍵時)最大的氫數,完整無缺)
b) 烯烴(和烷烴相比,分子中由於多了C=C雙鍵,從而相應少了2H,故用稀少的希來構成漢字)c) 炔烴(和烷烴相比,分子中由於多了CC叄鍵,比稀還要缺2H,故取字為炔);d) 如果分子內含有N個C=C雙鍵或叄鍵,就叫N烯或N炔;若是同時含有M個雙鍵和N個叄鍵則稱為M烯-N炔;舉例來說,N烯取值為二烯,這二烯中的兩個雙鍵如同兩個國家,隔得太遙遠(間隔2個C-C單鍵以上)彼此沒有聯繫,各自發展各自的,和普通單烯並沒有什麼區別,不值得特別重視;而如果挨得太近,兩個雙鍵直接連在同一個C上,就如巴以國家間彼此爭奪邊界領土,往往不穩定,命名為聯烯(中科院的麻生明院士專門研究它);而如果距離不近不遠(兩雙鍵中間間隔一個單鍵),這就好比中間間隔一個太平洋的美國和日韓以及東南亞國家,或者中國和巴基斯坦等,相互間互補有無,卻不用擔心利益衝突,往往就可以成為密切的戰略夥伴關係,這種關係,在有機化學裡稱為「共軛」(本意:兩頭牛背上的架子稱為軛,軛使兩頭牛同步行走。共軛即為按一定的規律相配的一對。通俗點說就是孿生。),比如1.3-丁二烯,4個p電子在四個C上順暢流動,就如國家間面簽的自由行,看著就是那麼的和諧和穩定。
e) 環烴,故名思議,就是C骨架首尾相連,如同貪吃蛇的嘴銜住了自己的尾巴,形成了一個環。環烴相應包括:環烷烴、環烯烴和環炔烴;由於成環首尾互助,比相應的開鏈烴節省了2H。環烴就好比大鍋飯,雖然比各家做各飯可以很有效的節省一些重複的炊具購買等,但每個碳就和每個人一樣,都有自己的生物天性,拘束得太過,大家就不幹了。對於碳來說,天性就是不同雜化的碳,必須滿足其相應的成鍵角度:單鍵sp3雜化正四面體109.5度,雙鍵sp2雜化正三角形120度,叄鍵sp雜化直線型180度。對於環烷烴來說,一般5、6個碳組成的環,既能達到節省不必要的重複開支(5C共同節省了2H,每C節省0.4H),彼此間又有足夠的彈性空間保持彼此的個性(鍵角),所以非常和諧穩定,在有機化合物中比比皆是,故稱為普通環;3、4個C組成的環,由於空間太小,強行湊在一塊彼此個性(鍵角)被壓抑得太厲害,往往容易散夥,不常見,因其比56小,命名為小環;7-12C組成的環,空間倒是能滿足,但C均節省H的效率相對一般,不上不下,故名為中環;13C以上,C均節省H的效率過於雞肋,所以在有機化合物當中也就較為少見,以其C數多名為大環。相應的,分子中含有兩個環以上,就叫雙環或者多環,多環間共用一條邊,邊為橋連通兩邊取名為橋環;而雙環間共用一點(C原子),因為形似兩螺尖尖相對,故名為螺環。
f) 芳香烴(苯、萘、蒽、菲等,具有草木芳香味的一類具有特殊穩定性的烴類化合物,草字頭表明性質,本、奈、恩和非等表示音譯過來的讀音),其實芳香烴是共軛烯烴與環烴的結合體,以苯為例:由1,3,5-己三烯,首尾相連組成苯環(C6H6,當時苦思冥想其分子結構的化學家凱庫勒夢到貪吃蛇首尾相連,受到啟迪,給出了苯環的結構),其特殊芳香性,來自於4n+2的休克爾規則;其中苯環芳香性最顯著,因為共軛烯烴的P電子數必然為偶數,6元環完美滿足每個SP2雜化120度鍵角的需求,首尾相連讓電子從123456以後迅速回到1,然後234561;和1,3,5-己三烯相比,不得不從,654321這樣退回來,大大提高了效率,而這額外的效率,就是芳香性(特殊的穩定性)。而如果兩個苯環共用一條邊(2C組成),則形成了萘,三個苯環並排相連,則稱為蒽等,這樣苯環密集堆積在一起,取其稠密的意思,命名為稠環。而如果苯環與苯環之間是通過一根單鍵聯繫在一起,則稱為聯苯。
2)烴類的含氧衍生物(糖、醇、醛、酮、酸、酯等):
其他有機化合物都是烴類的C-H,其中的H被相應官能團替代的衍生物。比如乙烷(CH3CH3)的一個C-H被C-OH取代,就成了乙醇(CH3CH2OH);古代文明裡從食物釀造了酒,而酒中精華其味醇厚,故酒精也就稱為乙醇;分子中含有兩個OH以上則稱為二醇,三醇。。。其中比較特殊的是,1,2,3-丙三醇在生活中非常常見,擁有其俗名甘油(其實就是化妝品中保濕的主要成分)。而如果釀酒時間過長,乙醇就會被空氣氧化成醋酸(CH3COOH),又稱為乙酸,這個大家都很熟悉;大家在炒菜的時候,會加一勺料酒和陳醋,在鍋里加熱後散發出濃郁的芬芳,其實是乙醇和乙酸加熱時縮合掉一個水分子後生成乙酸乙酯(CH3COOCH2CH3),乙酸乙酯其實也就是茅台等名貴白酒散發出濃郁芬芳的主要原因;而甘油的高級脂肪酸酯,則是動物脂肪的主要組成部分,大約是這個原因,酸和醇的縮合產物,取名為酯(酒字旁表示來源於釀造,旨表示讀音,脂)。酯在生活中極為常見,比如各種水果成熟時散發的香氣,就是相應的酯,比如香蕉的乙酸異戊酯,香梨的乙酸丙酯,蘋果的丁酸甲酯等(水果沒成熟時多為成分主要為酸,這時又酸又澀甚至會吃壞肚子;而種子發育成熟後,則生成具有濃郁芬芳的酯吸引動物來吃食以後,代謝產物幫忙果樹的種子發芽。),由於其香氣,酯不僅用於釀酒(各種果酒),也用於香水等。
而香水的最主要來源,則是醛,酒字旁表示其來源,多是通過末端的醇(OH在鏈端的C上,俗稱伯醇)氧化,減去2H後得到(比如我們喝酒,乙醇(CH3CH2OH)進入體內後由肝臟先代謝成乙醛(CH3CHO),再把乙醛代謝成乙酸(CH3COOH),最後經過三羧酸循環生成CO2和水),荃則是香草的意思,寓意其來源,生活中常見的有香草醛(俗稱香蘭素),是香草豆的香味成分,有濃烈的香氣。這裡具有濃烈味道的醛,按比較稀釋的濃度配成乙醇溶液就成了市場上的香水,使用時碰灑少量到脖子等部位,一段時間內隨著乙醇揮發,能夠向周圍散發出芬芳。醛之所以能夠被鼻子強烈識別,可能原因之一就在於其化學性質的不穩定,很活潑從而容易氣味識別器官發生分子間的作用而被識別;同時由於其不穩定,也就容易失效,為保持香氣,隔一段時間就得重複噴洒。化學中太過活潑的東西往往意味著毒性、易燃或易爆等危險。比如甲醛,裝修中常見的污染,長期呼吸容易讓人得白血病等;酒精乙醇在人體代謝的初級產物乙醛,也是毒性相當大的物質,如果不能及時轉化為乙酸,滯留體內,就會讓人心跳加速(臉紅)和惡習嘔吐。
以上的醛、酮和酸以及酸的衍生物,共有的一個官能團是RCO-,我們把它命名為醯基,,舊稱「醯(xi,醋的意思」[acyl],後來大概是由於舊稱太難寫,在簡體字改革中,也就調整成了醯。醯基加個H,就是醛RCHO,加個R就是RCOR酮,加個OH就是RCOOH羧酸,加個OR就是RCOOR酯,加個-NHR就是醯胺RCONHR,加個鹵素X就是RCOX醯鹵,而再加個酯基則是RCOOOR酸酐;後面這些都是羧酸和醇ROH,胺RNH2,HX(氫鹵酸,醯鹵太過活潑,反應一般逆向進行)和羧酸RCOOH分子間縮合,減去一分子H2O所形成的衍生物,酸與酸縮合去掉一分子水,也就變得乾燥缺水,所以取字為酐。這個縮合反應是個可逆反應,如果加水,則反應有利於逆向進行,俗稱水解:最經典的比如甘油脂肪酸酯在鹼性條件下的水解,生成甘油和脂肪酸的鈉鹽(也就是肥皂),所以這個水解反應,也就稱為皂化反應。(PS:因為鹼性條件會分解我們的皮膚里的脂肪,所以手接觸氫氧化鈉溶液後,容易變得滑滑的,就是因為脂肪被水解成肥皂。另外由於肥皂是強鹼弱酸鹽,顯鹼性,所以皮膚敏感的人如小孩不宜使用肥皂洗手或洗衣服。)
談到縮合,不僅羧酸RCOOH自身會縮合,RCOOH會和RCH2OH醇發生縮合,其實醇與醇之間,也會發生縮合:比如兩分子乙醇CH3CH2OH,縮去1H2O,變成CH3CH2OCH2CH3,我們稱為乙醚,醚字的迷代表的是乙醚的麻醉作用,動物吸多了乙醚會被迷倒。
對於以上含氧的衍生物,我們認識得差不多了,也就有必要進一步了解一下反覆出現的一些官能團-OH我們稱為羥基,羊字旁,表示含氧的意思,右邊部分則表示氫,讀音qiang是qing和yang的結合;-C=O,羰基,則是碳(tan)和氧(yang)的結合;-COOH,羧基,則是酸的右邊部分(suo)和羊的結合。同學們稍微陌生點的是,ROR的O如何和H+結合生成O正離子怎麼稱呼呢?答案是金字旁加個羊,也讀氧。
在這裡,讓我們稍微回憶一下,氮(dan)、NH3(氨氣 an), NH4+(離子性質和Na+,K+等相似,所以叫銨an,金字旁表示性質同金屬離子),所以順利成章,我們就理解金羊的命名了。除碳原子外,表示帶有正電荷的非金屬離子,我們統一命名為鎓離子;-onium ion:以上的氧鎓離子,N鎓離子;相應的,對於C=C雙鍵和Br+所形成的三元環的正離子,稱為溴鎓離子。
最後,還有一類特殊的含氧衍生物,由於其來源不是出自釀造工藝,而是來自大米小麥等主食的消化代謝產物,具有甜味的糖。糖的分子式一般符合CnH2nOn,看著就是n(C+H2O),所以又稱碳水化合物。最常見的有葡萄糖(C6H12O6,醛糖)、果糖(C6H12O6,酮糖),這樣分子式一樣,但結構不同的化合物,我們稱為同分異構體;還有由這樣單一的糖,兩分子之間縮合掉一分子水而成的麥芽糖(葡萄糖和葡萄糖)和蔗糖(葡萄糖和果糖)。葡萄糖和麥芽糖甜度較差,所以我們吃飯的時候,並不能感受到特別的甜味;而果糖與蔗糖較甜,所以水果和甘蔗等吃起來往往很美味。糖不僅是我們人類主要供能物質,也是微生物新陳代謝的供能物質,因而糖吃多了而不容易刷牙的話容易蛀牙,吃太多消化不了,累積起來的話,容易導致肥胖。而有些糖尿病患者由於缺乏胰島素不能正常代謝這些糖,是不是他們的人生就徹底告別甜味了呢?答案是不,有機化學家專門合成了一類具有果糖幾百倍甜度,而又不會被人體吸收導致能量過剩的化合物,就是我們熟悉的糖精(鄰苯甲醯磺醯亞胺)和甜精(乙氧基苯脲(Dulcin)或者甜蜜素等)了。這類人工合成的糖,是正常的食品添加劑,只要量嚴格控制,食用是無害的;但由於它們並無實際營養,單純為了甜味而痴迷太過,則顯然是不對的。
3)烴類的含氮衍生物(胺、肼、肟、腙、胍、腈、氨基酸等):
R-H的H容易被鹵素X取代成相應的鹵代烴,也容易被-NO2取代成硝基化合物,不過這兩類取代,在有機里屬於屌絲的命運,他們的優先順序還不如H,只能當作取代基,而不能作為有冠名地位的官能團,我們不多說。含氮衍生物里最有名的自然是氨基酸了,RCHNH2COOH,我們每天必須補充的營養,來自於各類蛋白先分解成多肽,後再進一步水解成小分子氨基酸。因為最早的含氮衍生物,都是通過生物降解蛋白質(主要是肉)分解得到,比如多肽,用月表明其來源,太表示音譯的讀音。蛋白質和多肽是不能被人體吸收的,吃進肚子必然被分解成氨基酸,所以那些保健品各類膠原蛋白啊,什麼激素啊,多肽啊,都還不吃吃一塊豬肉來得有效;同樣花錢去買氨基酸更是沒有任何意義,吃肉和雞蛋等,自然就補夠了。
相應的,RNH2,氨基為官能團,則取名為胺;胺是蛋白質腐化的產物,一般具有難聞的氣味,根據生物進化的本能,聞著很噁心的東西,往往都是有毒的:比如NH2CH2CH2CH2CH2NH2,1,4-丁二胺,俗名腐胺,是頂風臭出幾里地的超級臭彈,空氣中濃度達到幾十個ppm就能把人給熏暈,劇毒;比如1,5-戊二胺,俗稱屍胺,是屍臭的主要味道之一。
胺可以看作是NH3的H被烷基R取代的衍生物,1個R取代,RNH2稱為1級胺也就是伯胺;2個R取代,R2NH稱為2級胺也就是仲胺;3個R取代,R3N稱為3級胺也就是叔胺;而如果N上的孤對電子也參與成鍵,和NH4+類似,形成NR4+,則稱為季銨鹽,是常見的表面活性劑。以上R一般為烷基,如果換成苯環等芳香基團ArNH2,則稱為芳香胺。
相應地,左邊月表示來源,右半表示音譯讀音的衍生物還有:RCN,腈jing(HCN氰的H被R取代);RNH-NH2,肼(聯氨H2N-NH2的H被R取代);H2NCONH2,脲,又稱尿素;胍(CH5N3)可看做是脲分子中的氧原子被亞氨基(=NH)取代而生成的化合物。胍分子中除去一個氫原子後的基團叫胍基(CH4N3),除去一個氨基後的基團叫脒基(CH3N2)。
相應的,普通羰基化合物(醛酮)和含氮化合物,縮合掉一分子水,形成的亞胺(C=N-R)類衍生物分別有:R2C=N-OH肟,R2C=N-NH2腙等等。
4)有機砷和有機磷等衍生物
As和P是N的同族元素,具有相應類似的化學性質:和NH3上的N-H被N-R取代得到胺類似,AsH3和PH3被相應烷基取代的,分別取名為胂和膦,偏旁月代表其腐肉般難聞的氣味,一般是臭屁的重要組成部分,基本都是劇毒的,所以聞到臭屁,人趕緊掩住口鼻盡量遠離,是生物躲避危險的本能:
胂,一般用於有機合成、軍用毒氣,及應用於科研或某些特殊實驗中。
膦是一類通式為PH3?xRx的化合物,當x=0時,得到母體化合物磷化氫PH3。它是胺的同類物,也為三角錐構型,但由於磷原子半徑較大的緣故,膦分子的鍵角比同類的胺要小,常用作過渡金屬催催化劑的有機配體。
5)有機硅和有機硫等衍生物:
硅是C同族元素,所以SiR4, 只需在相應的烷烴前面加個硅字即可;S則是O的同族元素,相應的ROH醇轉化成RSH,命名為硫醇,-OH羥基對應的-SH,命名為巰基,CH3OCH3二甲基醚對應CH3SCH3,命名為二甲基硫醚。很簡單對吧:)
4) 和 5) 這些主要是第三周期或者第四周期的非金屬元素,大多是親O(有時也親F,如Si),Si-O, P=O等都具有很大的鍵能,意味著相應SiH4、PH3、SH等,很容易被氧化成相應的含氧化合物,一般為酸。比如RPO(OH)2磷酸,RSO3H磺酸(-SO3H磺酸基)等;其中硫的氧化物常見種類相對較多,比如CH3SCH3,二甲基硫醚氧化得到的CH3S(O)CH3,命名為二甲基亞碸,CH3(O)S(O)CH3,命名為二甲基碸。一般而言,這些基於非金屬轉化而得氧化產物,多以石為偏旁,右邊表示音譯的讀音,如磺酸,碸等。
值得指出的是,這類非金屬的H化物(很強的還原性),由於性質太過活潑,往往具有極強的毒性,接觸時應特別小心;相應的後處理,就是用次氯酸鈉等進行氧化處理得到相對穩定的氧化物,毒性就大大降低了。
6)雜環化合物以及有機金屬試劑等
首先先說有機金屬試劑,本科學習,或者單獨開章,或者歸類於鹵代烴下面,因為諸如RLi, R2CuLi和 RMgX( 研究生以後會學到RSnR3 Stille偶聯的有機錫試劑;Suzuki偶聯的有機硼試劑RB(OH)2等),都可以從相應的鹵代烴和金屬交換而得到。本科里比較重要的是RMgX格式試劑和nBuLi等有機鋰試劑。雜環化合物,望文生義,就是環狀骨架上含有一個非C和H的雜原子,主要是O、S、N。除了冠醚之外,雜環化合物多以5,6的普通環為主,環多口雜,乾脆以口為偏旁,右邊漢字表示音譯讀音,一般為雙字詞:比如五元環的芳香雜環:呋喃(furan) 、噻吩(Thiophene)、吡咯(pyrrole);複雜點,如圖吡唑(pyrazole)、咪唑(imidazole)和噻唑(thioazole)。
六元環的如:吡啶(Pyridine)、嘧啶(Pyrimidine)、吲哚(indole)和嘌呤(Purine)等;後面這些同學們在生物化學裡常碰到,因為是DNA鹼基對的重要組成部分(嘧啶和嘌呤)。相應的,以上這些芳香性的雜環化合物,分子內含有多個雙鍵,如何催化加氫把之還原之後,比如呋喃得到四氫呋喃(THF,常見有機溶劑)、吡咯還原得到四氫吡咯( Pyrrolidine)、以及吡啶還原得到的六氫吡啶(Piperidine)等;
比較有趣的是冠醚,因其形似皇冠而得名,可看作是多個乙二醇縮合聚集在一塊,通式為[-CH2CH2O-]n, n=5,6最為常見:前者分子骨架一共十五個原子,其中五個為O,所以叫做15-冠(醚)-5,括弧內表示可以省略不寫。15-冠-5分子大小正好匹配Na+、18-冠-6正好匹配K+,這樣形成的穩定配位離子,從原先的水相,轉移到了有機相,是很好的相轉移催化劑(同季銨鹽)。
機理部分:
我們知道,化學反應的本質在於舊鍵的斷裂和新鍵的生成。化學反應,就如同年輕男女的戀愛,分分合合,直到最後找到相對穩定的組合方式為止。什麼樣的組合才是相對穩定的呢?要麼是平等互愛的共價鍵(H-H,C-H等電負性相差0-0.6),彼此付出差不多,追求的是精神上的契合;要麼是完全依附的包養模式的離子鍵(比如NaCl, CaF2等,電負性相差1.8以上),單方面付出財富(電子),貪圖的是享受。而介於這兩種模式中間的(電負性相差0.6-1.8之間,極性共價鍵),要麼抱怨對方付出的太少,要麼難過於不被理解,感情總是處於容易被外界干擾的危險模式之中。
那麼,什麼是電負性呢?
先回顧一下八隅體規則:稀有氣體如Ne(8)是最穩定的元素,對於C(4),N(5),O(6),F(7)都希望通過和其他原子成鍵共用電子,達到最外層滿足Ne(8)八隅體的穩定結構,相應的需要形成8-4,8-4,8-6,8-7根化學鍵。和生活中類似,距離成功越近的人,往往有著越大的動力,而這樣的人也就擁有最大的吸引力;我們把分子中原子吸引電子的能力定義為電負性。一般地電負性X&>1.8的為非金屬,電負性X&<1.8的則為金屬;1.8的硅、鍺、錫則是腳踩兩條船的騎牆派:半導體。
以第二周期元素為例:Li,Be,B,C,N,O,F為例,電負性從左到右依次變大;以VIIA鹵素為例,F、Cl、Br、I、At,隨著電子層數越多,原子核對於引進外來電子的渴望,受到自身電子的干擾,難免變得力不從心,從而電負性依次遞減。這是高中元素周期律的基本知識。而大學有機,我們必須稍微延伸一點:電負性並不是孤立原子的性質,而與原子的化學環境有關。簡言之,電負性取決於該原子對外來電子的吸引力,比如該原子帶越多正電荷,那麼對外來電子的吸引能力自然變大,於是電負性就變大(比如Fe3+(1.8)&>Fe2+(1.7)。稍微複雜點,由於鑽穿效應(波函數的徑向分布圖):1、同層軌道上的電子離原子核的平均距離相等(由主量子數決定);
2、角量子數小的電子在原子核附近有更多的機會出現,即離原子核越近,能量越低。
對於C來說,最外層的2s軌道比2p有更多的機會出現在原子核附近,所以2s軌道對外來電子的吸引力也就比2p軌道要來得大;自然地,對於sp、sp2、sp3雜化來說,這些雜化軌道里含有s的比例(1/2、1/3、1/4)越大,對外來電子的吸引能力就越大,也就是說,C電負性:sp雜化(接近於N、Cl)》sp2&>sp3。由於sp C-H的電負性相差~0.9屬於極性共價鍵,所以具有一定的酸性,在強鹼作用下去除H+後生成相應的共軛鹼。一段舊感情的破裂,無非兩種情況:
1)小兩口感情很穩定(電負性相差0-0.6,門當戶對,情投意合),比如C-H,但基於不可抗拒的外力(總有人棒打鴛鴦),比如高溫、光照或者自由基引發劑的作用下,在雙方和平分手(先成鍵的一對電子,各自帶走一個),恢復單身後,各自不得不重新尋找結婚對象去。
2)小兩口感情原本就不穩定(電負性相差0.6-1.8,門不當戶不對,三天兩頭慪氣):a)碳正離子:比如C-Cl,電負性小的C對於Cl一貫以來的霸道忍而再忍,但終有一天,在環境的刺激和親友的支持下,把結婚時雙方共同的財產全部留給Cl,忍痛離婚;全心全意付出的感情,最後只留下一顆破碎的心,該是多麼急切地渴望能有個知心人可以託付。。。由於離婚賠給Cl一個電子,這時的C最外層只有3個電子(形成三對共價鍵,共6個電子),十分渴望能有一個電子富足的異性比如OH-,陰陽結合生成(CH3)3C-OH,於是琴瑟和諧。b)碳負離子:比如丙炔,由於sp雜化的 C電負性=3.0,比H的電負性超出0.9左右,這時的C成為了蠻橫的一方,同a),H實在受不了這樣的生活,終於在強鹼如(NH2-)的誘惑下,毅然決然的把自己的電子留給C,跟著NH2-變成NH3跑了。留下的sp雜化的C,這時最外層雖然正好滿足8個電子,但畢竟其中一個是從H那裡敲詐而來的,不像F、Cl和O那樣做慣了強盜,C懷揣橫財,難免惴惴不安。這就像西方那些通過不正當手段斂得橫財的富人,因於對原罪的恐懼,會投身於慈善,把自身一定量的財富(最外層的一對電子)和有需要的人(缺電子的碳正離子等)共享,於是化學的社會裡又短暫獲得了安定。
總體來說,有機機理主要就三種:碳正離子(自由基類同)、碳負離子和沒有明顯正負離子之分的協同反應(比如4+2 Diels-Alder 反應,3,3-重排反應等)。
鹵代烴:
碳和鹵素本來是為了組成美滿的家庭(最外層8電子),各自付出了自己的感情(各提供一個電子),奈何碳慢慢發現了鹵素過於自私自利(把電子云都拉向了自己),感情缺乏長期堅持的基礎,或早或晚,終將破裂(所以C-X鍵不穩定):決裂的速度,首先取決於鹵素的負心程度,Cl&
C-X分手的速度,和環境(溶劑)是有密切關係的:強極性溶劑就像周圍有一群非常熱心腸的同學和朋友,能夠撫慰C被X捲走一對電子後所受到的傷痛,有利於C主動選擇放棄不良伴侶X,勇敢地單飛成為碳正離子,這樣單方面做出的選擇,也就是單分子反應歷程。
NaOH/H2O這樣的高帥富(願意分享電子,並且自身毛病不多(空間位阻小),也就是親核性相對大於鹼性的體系,有利於SN1,即C+重新組成了幸福的家庭;而NaOR/ROH這樣錢多,願意接收單親家庭的孩子H+,但卻無心和C組成家庭的情況下(鹼性大於親核性),C+這樣的單身母親,只好割捨下撫養不起的孩子H+,消除掉負擔重新成為自由人(烯烴),有利於E1。
C是否能夠勇敢地選擇單飛,更取決於C上的取代基,這些取代基,就是C的親人,如果親人很多(比如叔丁基,3級),則傷痛容易得到撫慰,就容易做出分手的決定,C-X破裂,讓X-滾蛋;然後有幸碰到良人Nu(願意共享電子,且個頭比較小)就選擇SN1,不幸只能碰到只願意領養孩子(H+)的,就忍痛消除,選擇E1,一切重新來過。
而如果對於非極性溶劑,也就是缺乏周遭環境的支持,沒有同學好友的撫慰,C就很難有足夠的勇氣去主動放棄X;同樣的C上烷基取代這樣的親人的支持越少,比如只有一個親人的話(一級鹵代烴),考慮到親人單飛的痛苦經歷,就更難有勇氣去主動捨棄X;在這樣的情況下,就需要有第三方的協助,比如一個高帥富的Nu來主動追求,時間推移,在C的心目中,Nu和X就擺在天平的兩端,自身不偏不倚的情況下(sp2雜化,平面垂直於Nu-C和C-X),最終權衡出Nu更值得依靠,於是把X放棄掉,這樣的情況下,也就是放棄X,需要Nu的大力協助,所以是SN2雙分子取代歷程;對於Nu來說,初期接觸C,必須在X的背後下手,趁虛而入,對C受傷的心靈,噓寒問暖,才可以慢慢讓C把它的重要性提高到可以和X競爭的水平上。所以SN2反應,Nu要從背面進攻,立體構型會翻轉(瓦爾登翻轉)這時候,如果C沒能碰到良人,只碰到了願意接收她的孩子(H+),考慮到現實中破碎的家庭,強撐著不離婚,無非是因為孩子的牽絆;現在發現有了一個鹼來接收自家的孩子,承諾帶給孩子幸福,C也就放下了包袱,讓X灰溜溜帶著電子滾蛋去,自己重新恢復自由身,成為烯烴,這種時候,需要有一個鹼來主動接收孩子H+的消除反應,就是E2消除。
簡單總結一下:
強極性溶劑,如H2O,溫馨的環境很好地撫慰了C+受傷的心靈(同理,HCl氣態是共價鍵,到H2O里,就電離成H3O+和Cl-了),C+容易獲得穩定,也就容易生成,有利於單分子歷程;親核性強且個頭小的Nu容易發生SN1單分子親核取代; 鹼性強且個頭大的易於發生E1單分子消除。弱極性溶劑下,C+缺乏極性溶劑分子的穩定作用,不穩定也就不容易生成,這時必須得有外來第三者的強勢介入,C-X才會斷裂:親核性強且個頭小的Nu, 從C-X鍵的背後趁虛而入,發生雙分子歷程的親核取代反應,SN2,手性構型翻轉;個頭大親核性差的的鹼,在X的背後看不到的情況下趁虛而入收留了β-H,讓C消除了包袱,於是C有了足夠的底氣,讓X帶著一對電子滾蛋。考試喜歡考的是,1級R,親核性強的Nu,SN2;3級R, 親核性強的Nu, SN1; 個頭大的鹼,E1; 烯丙基或者苄基,由於自身很穩定,所以很容易生成,什麼反應都有利,主要取決於環境;乙烯式鹵代烴,C-X鍵很難斷裂,什麼反應都很難進行。未完待續:下面部分主要講機理咯。註:本小文只是構建了一個大的框架,講一些通用的、基本的原則,沒有和老師唱對台戲的意思。。。讀者可以舉出一萬個例子來反駁本文中的一些說法,畢竟理論不完善、特例多也是有機化學發展至今的一大缺憾;請讀者不要在意細節。轉載註明作者就好。
再註:關注請慎重,其一答主已決定轉行,可能不會再回答化學相關的問題(感覺也快忘得差不多了orz。。);其二作為一隻小基佬,可能會使你的TL上出現一些令你不適的內容。不管各位以後從事哪一行,走怎樣的路,答主在此都祝各位前程似錦。
Part1.微觀本質——電子效應與空間效應 親核與親電 消除與重排
有機化學,研究含碳化合物(除去某些簡單的)及其相互轉化的學問。從基本作用力來說,研究的是電磁相互作用。電磁相互作用,說穿了,就是同電相斥異電相吸嘛。當然反應就是異電相吸,帶電越多越集中,相互吸引力就越強,反應活性也越高,但相應地越不穩定難以生成,這就是電子效應。可是如果電荷周邊空間阻礙太大了它們也碰不到一起,這就是空間效應。這是有機化學從結構上要考慮的兩點,是微觀本質,這決定了所謂的親核性和親電性的強弱。
以有機化學中最普遍的離子反應來說(基礎有機對自由基和協同反應的討論也不多),正電中心就是親電位點,負電中心就是親核位點,這是絕對的。一個試劑卻可能集多個親核位點和親電位點於一身(可攻可受←_←),它究竟表現出什麼屬性,哪個位點參與反應,還取決於位點固有的親核親電性強弱(天然取向←_←)和所處的環境←_←。親電反應親核反應的概念則是相對的,取決於你的研究對象。比如苯和乙醯氯反應,你可以說是乙醯氯對苯的芳香親電取代,也可以說是苯對乙醯氯的醯基碳上親核取代。當然我們通常把苯作為研究對象,研究芳香親電取代,這不過是個習慣問題。
除了某些活性特別高的試劑不需要另加活化劑(比如烷基鋰,乙烯酮之類),大部分都要加酸或鹼(廣義的酸鹼,春藥?←_←)使其正電或負電暴露出來,增強親電性或親核性,才容易反應。普遍來說這類反應應用也更廣泛,因為所用試劑溫和,安全,成本低。比如3-羥基丁醛作為親核試劑,親核位點是羥基氧或者羰基阿爾法碳(當然它也可以作為親電試劑,親電位點是羰基碳,但是遇到正丁基氯這樣的純受它顯然只能做攻,環境使然←_←);正丁基氯作為親電試劑,親電位點是與氯直接相連的碳(如圖1)。你直接把它們倒在一起,反應很慢,因為二者活性都有限,必須想辦法活化一個。要麼加鹼使醇羥基變成氧負或者使羰基阿爾法碳形成碳負,要麼加三氯化鋁、氟硼酸銀之類的酸拔去正丁基連的氯形成碳正。但是——須知中間體都是高能量、不穩定的,一來不容易產生(因此說不一定活性高的中間體發生反應得到的產物就多,活性越高的中間體越難產生),二來產生後也有發生消除和重排變成穩定物質的趨勢(當你慾望很強卻找不到足夠合適的對象發泄的時候怎麼辦←_←)。這個反應中不論是氧負(逆羥醛縮合消除一分子乙醛)、碳負(E1cb消除一分子水形成共軛雙鍵)還是碳正(一級碳正消除成烯烴,或重排為二三級碳正)都有這個情況,因此可以想像,在上述條件下基本是做不出產物的。這就是消除(E2這麼解釋不太妥,它應被歸於協同反應而不是離子反應,不要在意這些細節)和重排反應,有時候要盡量避免,很多時候反而要利用,比如當我們想要的產物含有消除/重排後的結構,且消除/重排產物單一;或者要利用消除/重排後的產物作為中間體,畢竟雙鍵、小環(消除有時會產生)都比較好用。Part2. 唯象規律——能量最低原則(熱力學)和速率最快原則(動力學) 加成與取代
穩定的親電試劑和親核試劑相遇後,它們究竟是加成還是取代呢?這就涉及兩個基本原則——能量最低原則(熱力學)和速率最快原則(動力學)。這是從反應原理上要考慮的兩點,可以說是宏觀上的唯象規律。比如環戊烯和乙醯氯,在-70度以下可以拿到加成產物3-氯代酮,在室溫基本全是取代產物共軛不飽和酮了(如圖2)。若是細想,哪怕是最簡單的親電加成——鹵素與乙烯的反應,完全從機理圖的角度說,也有不發生加成而發生取代的可能。這是因為環戊烯被乙醯基正離子親電進攻得到的碳正從速率上說結合氯負更快,但是從能量上說消除質子得到的共軛不飽和酮更穩定。在低溫下消除質子的動力不足,反應較慢,如果我們再令反應時間短一些顯然就得到比較多的3-氯代酮(動力學產物),反之產物當然以不飽和酮(熱力學產物)為主了。苯和醯氯在無論多低的溫度(低到一定程度就不反應了)下都拿不到加成產物,因為加成產物的能量高出取代產物太多啦,能量最低原則起了決定性作用(如圖3)。這就像吃快餐和點菜,都能吃飽,但檔次不同。如果你又餓又窮,肯定就選快餐了,沒錢,點不起菜,實際動力不足,即便你心裡很想點菜(動力學主導);如果你比較壕,可能就會點菜,多花點錢不是事兒,有錢任性講品位,檔次高最重要(熱力學主導)。消除和重排也有這個問題,比如頻那醇重排中的關鍵中間體鄰羥基碳正,是直接形成環氧(相當於消除一分子水成醚,動力學產物)還是重排成醛酮(熱力學產物)呢(如圖4)?正丁基碳正是直接消除質子成烯(動力學產物)還是先重排成二三級碳正再消除成烯(熱力學產物)呢?這就取決於底物結構和反應條件啦,目前來說多數情況下還只能通過做實驗確定二者博弈的結果。在不做實驗的情況下,我們可以依據自己的經驗,運用這兩大原則,推測反應的產物。Part3. 學科特點——經驗為主
這就牽扯到有機化學學科自身的特點。受制於計算化學發展的不足,能夠量化的東西很少(比如電子效應,能不能計算某一分子上某一原子所帶電荷的多少?空間效應,能不能計算一個基團體積的大小?都是可以的,但是十分複雜;至於能量和速率,對大多數機理複雜的反應就徹底無力了),基礎有機更不會涉及。你若是硬逼問我頻那醇重排為什麼不生成環氧化物,我只能告訴你大量實驗表明,頻那醇就是「土豪」,能量就是主導了這個反應,但是我拿不出數據這種「鐵證」。實驗結果,經驗,就是「鐵證」。可以說基礎有機幾乎全是這種經驗規則。講試劑的親核性,先講了兩個影響因素(鹼性和可極化性),當這兩個影響因素作用一致的時候理論還能派上點用場,一旦相互拮抗(比如要比較氫氧根和溴離子的親核性,氫氧根鹼性強得多,但溴離子可極化性強得多),就只能憑經驗了(水溶液中氫氧根更強,從溴代烷中的溴原子在水中能被氫氧根取代可知)。再比如講基團的電子效應,氯對苯環有給電子共軛和吸電子誘導,綜合起來為什麼就是吸電子呢?我很抱歉在基礎有機的範圍內我只能告訴你實驗做出來氯苯的親電取代就是比苯難,別的解釋除非給出了數據,否則都是強行扯淡。
Part4. 學習方法——積累經驗,少拘細節;把握全局,避免誤區
理論在發展,但仍需要可能百年甚至更多的時間才能實現整個有機化學體系的量化;因此目前總體上有機化學仍是經驗至上的(基礎有機最核心的理論上面講得差不多了,剩下的理論都是核心理論的衍生和具體化)。這種經驗性的特點使得我們學習有機化學的方法和數理大為不同。最明顯的就是不用計算了,這對於我這種數學渣渣來說是一大福音;最重要的就是經驗,因此應注重積累,多看些反應和生產合成實例,那都是人們總結好的經驗;還有就是不要過分糾結於某一反應,比如頻那醇重排為什麼不生成環氧,法沃爾斯基重排為什麼不是烷氧負離子直接把鹵取代了等等,理解熱力學和動力學的原則就行,有這工夫不如多去看幾個反應認識幾個試劑。這幾點與語言類學科的學習有共通之處:注重積累,不在意某一個語法點,畢竟習慣用法沒有原因。
現在的有機化學教材多是按官能團編排的,學習者容易進入一個誤區:見到兩個有機分子,要分析它們之間如何反應,先看官能團,然後拚命回想書上關於這個官能團講了哪些反應,一個一個去湊。這還可能是由於沒有摒棄高中有機的思維。比如2-(2-氯乙基)苯酚和氫氧化鈉水溶液反應(如圖5),
很多學生會寫出氯代烷直接水解或是消除成苯乙烯結構的產物。這就失去了全局觀,把有機化學完全當成了一個個孤立的反應通式;然而反應式是死的,底物和反應條件是活的。個人認為正確的思路應當是如第三段所說的那樣分析分子中的親電位點和親核位點,抓住最核心的規則,以不變應萬變。該分子內酚羥基就是一個好的親核位點,被氫氧根活化得到的酚氧負離子進攻氯代烷形成分子內五元環,這樣的反應無論是在能量還是速率上顯然都優於氫氧根對氯的直接取代。因此,理解機理、分析反應位點和反應方向是最關鍵的,基礎還是兩大效應和兩大原則。「最基礎的永遠是最重要的。」謹希望此小文能引起有機化學愛好者的共鳴,給予有機化學學習者一點簡單的指導。作者才疏學淺,行文粗鄙,作圖隨意,還請多多包涵,不吝賜教。
——————————————原答案分割線————————————————4.5更新 10贊了好開心~把我歸納的基礎有機化學的框架也發出來吧,當時甚至想過寫成一本書,然而發現自己還是too young。。。只構思了一個目錄orz 希望這份東西能幫到各位梳理知識吧。(縮進好像打不出來?)第一部分 預備知識
第一章
有機物及有機化學簡介
1.1
有機化學簡介
1.2
有機物簡介
1.2.1
官能團
1.2.2 分類
1.2.3
碳原子的化學環境
1.2.4
同分異構現象
1.3 有機物的普通命名法
1.3.1 基團的命名
1.3.2
根據基團的連接
1.3.3
根據有機物的來源
1.4 有機物的系統命名
1.4.1
順序規則
1.4.2
含環有機物的命名
1.4.3
多官能團有機物的命名
第二章 分子結構基本理論
2.1 Lewis結構式與共振論
2.1.1 八隅律
2.1.2 形式電荷
2.1.3 共振論
2.2 價鍵理論(VB)
2.2.1 共價鍵的形成
2.2.2 雜化軌道
2.2.3
配位鍵
2.2.4
離域π鍵
*2.3 分子軌道理論(MO)
(不太懂這個。。)
2.4 有機物的空間結構
2.4.1
官能團的空間結構
2.4.2
手性異構體
2.4.3
順反異構體
2.4.4
乙烷及其衍生物的構象
2.4.5
環己烷及其衍生物的構象
第三章 化學反應原理基本理論
3.1 化學反應熱力學與動力學概述
3.2 化學反應熱力學
3.2.1
反應熱——焓
3.2.2
自由度——熵
3.2.3
自由能
反應的方向與限度
3.3 化學反應動力學
3.3.1
影響反應速率的外因——濃度
3.3.2
影響反應速率的外因——溫度
3.3.3
決定反應速率的內因——反應機理
反應勢能圖
3.4 酸鹼理論
3.4.1
Bronsted—Lowry酸鹼——質子理論
3.4.2
Lewis酸鹼——電子理論 軟硬酸鹼理論
第四章 有機化學反應機理基礎
4.1 有機反應的特點
4.2 分類
4.2.1
按反應方式——加成
消除 取代 重排 氧化還原
4.2.2
按中間體——自由基
離子 協同
4.3 電子效應
4.3.1
誘導效應
4.3.2
共軛效應
4.3.3
綜合的結果
4.4 離子型反應
4.4.1
親核試劑
親電試劑
4.4.2
親核反應
親電反應
4.5 機理的表達
4.5.1
四種基本單步反應——親核進攻
離去基團離去 質子轉移 烷基遷移
4.5.2
畫電子轉移箭頭的注意事項
4.6 空間效應
第二部分 有機化學基本反應
第五章 自由基反應
5.1 概述 自由基的穩定性
5.2 自由基取代
5.2.1
烷烴的鹵代
5.2.2
不飽和鍵α位的鹵代
5.3 自由基加成
*5.4 自由基重排
*5.5 自由基氧化
*5.6 芳香自由基反應
5.6.1
芳香重氮鹽
5.6.2
鹵代——Sandmeyer反應
5.6.3
芳基化
第六章 親核取代
β-消除
正離子引發的重排
6.1 單分子反應
6.1.1 Sn1
6.1.2 E1
6.2 正離子引發的重排
6.2.1
碳正離子的穩定性
6.2.2 Wagner—Meerwein重排
6.2.3 Pinacol重排
6.2.4 Beckmann重排
6.3 雙分子反應
6.3.1 Sn2
6.3.2 E2
6.4 SnAr
6.4.1
Sn2Ar
*6.4.2
Sn1Ar
第七章 親核加成
7.1 醛、酮
7.1.1 水、醇作親核試劑
7.1.2
氨、胺作親核試劑
7.1.3
硫醇、亞硫酸根作親核試劑
7.1.4
共軛烯醛/酮、*醌的反應情況
7.2 腈
7.2.1
水解
7.2.2
醇解——Pinner反應
7.3 羧酸及其衍生物羰基碳上的親核取代(親核加成—消除)
7.3.1
水(醇)解
7.3.2
氨(胺)解
第八章 極性反轉 金屬有機化合物 碳負中心的形成
8.1 概述
8.2 較活潑的金屬有機化合物——格氏試劑和有機鋰
8.2.1 製備
8.2.2 反應
8.3 較穩定的金屬有機化合物——銅鋰試劑和有機鋅
8.3.1 製備
8.3.2 反應
8.4 氫碳酸
8.4.1
烯醇
8.4.2
其它氫碳酸
*8.4.3
碳負離子的穩定性
8.5 羰基的極性反轉
8.5.1
通過與氫氰酸的親核加成
安息香縮合
8.5.2
通過與乙二硫醇的親核加成
8.6 烯胺
第九章 碳負中心的反應
9.1 消除(E1cb)
9.1.1
使用金屬消除兩個鹵原子
9.1.2
Hofmann消除
9.2 醯基化與烴基化
9.2.1
醯基化
9.2.2
烴基化
9.3 縮合
9.3.1
aldol(羥醛)縮合
9.3.2
酯縮合
9.3.3
Robinson增環反應
9.3.4
Darzens反應
9.4 葉立德及其反應
9.4.1
磷葉立德 Wittig反應 Wittig-Horner反應
*9.4.2
硅「葉立德」 Peterson反應
*9.4.3
硫葉立德 Johnson-Corey-Chaykovsky反應
*9.5 負離子引發的重排
9.5.1
Favorskii重排
9.5.2
二苯乙醇酸重排
9.5.3
Stevens重排
9.5.4
Kornblum-DeLaMare重排
第十章 親電加成
10.1 烯烴
10.1.1
質子酸作親電試劑
10.1.2
鹵素作親電試劑
*10.1.3
羥汞化
10.1.4
硼氫化
10.2 炔烴
10.2.1
質子酸作親電試劑
10.2.2
鹵素作親電試劑
10.2.3
硼氫化
10.3 共軛體系
10.3.1
共軛二烯
10.3.2
共軛烯炔
10.3.3
共軛烯酮/醛
10.3.4
萘
10.4 小環烷烴的開環
第十一章 親電取代
11.1 羰基α碳
11.1.1
鹵化
11.1.2
Mannich反應
*11.1.3
Vilsmeier-Haack-Arnold反應
*11.2 烯烴
11.2.1
Nenitshesku反應
11.2.2
Vilsmeier反應
11.2.3
Prins反應
11.3 苯
11.3.1
鹵化
11.3.2
硝化
11.3.3
磺化
11.3.4
氯甲基化
酚醛縮合
11.3.5
Friedel-Crafts醯基化
*Fries重排
11.3.6
Friedel-Crafts烷基化
*11.3.7
Houben-Hoesch反應
*11.3.8
Duff反應
*11.3.9
Vilsmeier-Haack反應
*11.3.10
重氮鹽作親電試劑
11.3.11
取代基的定位效應 二次取代
11.4 萘
11.4.1
一次取代
11.4.2
二次取代
11.5 芳香性的經驗性判斷——Huckel規則
*11.6 簡單雜環
11.6.1
呋喃
11.6.2
噻吩
11.6.3
吡咯
11.6.4
吡啶
第十二章 協同反應
12.1 協同反應概述
12.2 β-酮酸脫羧反應
12.3 酯熱裂
*12.4 周環反應
12.4.1
電環化
12.4.2
環加成
12.4.3
1,3-偶極環加成
12.5 Diels-Alder雙烯合成
12.6 Claisen重排
第三部分 大宗有機化工原料 官能團轉化 有機氧化還原反應
第十三章 烴與鹵代烴
13.1 烷烴
13.1.1
物理性質
13.1.2
代表物——甲烷
石油醚
13.1.3
製備——簡單脫羧反應
醛/酮的還原
13.2 烯烴
13.2.1
物理性質
13.2.2
代表物——工業三烯
13.2.3
製備——芳香烴的Birch還原 McMurry反應
13.3 炔烴
13.3.1
物理性質
13.3.2
代表物——乙炔
13.4 芳香烴
13.4.1
物理性質
13.4.2
代表物——工業三苯
*13.4.3
製備——催化脫氫
醌的芳構化
13.5 鹵代烴
13.5.1
物理性質
13.5.2
代表物——溴化苄
二氯甲烷 氯仿
13.5.3 製備——Kochi反應
第十四章 胺 α-氨基酸
14.1 物理性質
14.2 N-烷基化反應
14.3 代表物
14.3.1
乙二胺
二乙胺 三乙胺
14.3.2
三乙醇胺
14.3.3
苯胺
14.3.4
甘氨酸
甜菜鹼
14.4 製備
14.4.1
醛/酮還原胺化
14.4.2
硝基化合物、醯胺、腈的還原
14.4.3
Hofmann降解
14.4.4
Strecker反應
14.4.5
Gabriel反應
第十四章 醇 醚 酚 環氧化物
14.1 環氧化物
14.1.1
製備——烯烴環氧化
14.1.2
代表物——環氧乙烷
環氧丙烷 環氧氯丙烷
14.1.3
開環反應
*14.1.4
類似物——氮丙啶
14.2 醇
14.2.1
物理性質
14.2.2
代表物——甲醇
乙醇 乙二醇 甘油
14.2.3
製備——醛/酮、羧酸及其衍生物的還原
14.3 醚
14.3.1
物理性質
14.3.2
代表物——乙醚
四氫呋喃 二氧六環 乙二醇二甲醚
14.3.3
冠醚
相轉移催化劑
14.3.4
製備——Ullmann反應
*14.3.5
類似物——硫醇
硫醚
14.4 酚
14.4.1
物理性質
14.4.2
一元酚的製備——氫過氧化物重排
*14.4.3
多元酚的製備——Dakin反應
14.4.4
被氧化
第十五章 醛 酮
15.1 物理性質
15.2 代表物
15.2.1
甲醛
乙醛
15.2.2
苯甲醛
戊二醛
15.2.3
丙酮
苯乙酮 乙醯丙酮
15.2.4
環戊酮
環己酮
15.3 製備
15.3.1
醇的氧化
15.3.2
羧酸及其衍生物的還原
15.3.3
氫甲醯化反應
15.3.4
烯烴臭氧化反應
*15.3.5
烷烴在特殊條件下的氧化
*15.3.6
硝基化合物的降解——Nef反應
*15.4 類似物——亞碸 碸
第十六章 腈 硝基化合物
16.1 物理性質
16.2 代表物
16.2.1
乙腈
丙烯腈 己二腈
16.2.2
硝基苯
硝基甲烷
16.3 製備
16.3.1
腈——羧酸銨鹽、醯胺的脫水
*16.3.2
硝基化合物——烷烴的硝化
第十七章 羧酸及其衍生物
17.1 概述
17.2 製備
17.2.1
醇的氧化
17.2.2
醛/酮的氧化
17.3 簡單羧酸
17.3.1
甲酸
乙酸 苯甲酸
17.3.2 草酸 丙二酸 己二酸
17.4 簡單酸酐
17.4.1
乙酸酐
17.4.2
鄰苯二甲酸酐
丁二酸酐 順丁烯二酸酐
17.5 簡單羧酸酯
17.5.1
乙酸乙酯
乙酸異戊酯 乙酸苯酯
17.5.2
丙內酯
丁內酯
17.6 簡單醯胺
17.6.1
鄰苯二甲醯亞胺
尿素
17.6.2
N,N-二甲基甲醯胺 N-甲基吡咯烷酮
17.7 簡單醯氯
17.7.1
乙醯氯
苯甲醯氯
17.7.2
草醯氯
光氣
*17.8 類似物——磺酸 磺醯氯 磺胺
第四部分 有機合成簡介
第十八章 有機合成的相關概念 官能團保護
18.1 逆合成分析 合成子
18.1.1
逆合成分析
18.1.2
合成子
18.2 官能團的保護與去保護
18.2.1
羥基
氨基
18.2.2
醛/酮羰基
18.2.3
羧基及其衍生基
18.2.4
碳碳三鍵
碳碳雙鍵
第十九章 一些有機合成常用試劑
19.1 烷基化試劑
19.1.1
碘代烷
19.1.2
硫酸酯
磺酸酯
19.2 甲醯化/羧基化試劑
*19.2.1
原酸酯
19.2.2
氯甲酸酯
19.3 碳酸酯
*19.4 異氰酸酯 乙烯酮
19.5 乙醯乙酸乙酯 丙二酸二乙酯
*19.6 重氮甲烷 重氮乙酸乙酯
19.7 「廣譜」還原劑
19.7.1
氫化鋁鋰及其衍生物
19.7.2
硼氫化鈉及其衍生物
19.7.3
催化氫化
第二十章 有機合成實例賞析
20.1 鋁試劑
20.2 月桂醇聚醚硫酸酯鈉
*20.3 氧樂果
20.4 對乙醯氨基酚
20.5 糖精鈉
20.6 酮康唑
20.7 硫酸阿托品
*20.8 炔丙菊酯
*20.9 阿托伐他汀鈣
*20.10 青蒿素
簡單地說,有機化學最重要的是反應機理,並不是說要把所有書上的機理都背下來。書編得再全,不過是冰山一角。有一點很關鍵,那就是意識。例如:判斷產物的時候無非是結合電子效應(共軛,誘導)以及空間位阻效應考慮,推斷反應機理如果是酸催化的有機反應,不管是路易斯酸還是質子酸,基本上中間體多為碳正離子,就不可能出現碳負離子,同樣鹼催化多為碳負離子,幾乎沒有碳正離子。光照條件多為自由基的中間體。還有一條最關鍵的依據就是共振雜化結構越多,結構越穩定。這些都是比較重要的需要在頭腦里形成意識的東西,如果你能記住,可以說你學有機化學就入門了,無論是準備考試還是閱讀文獻,你都能事半功倍,希望對你有所幫助。
選擇更適合自己的教材很重要。當時我主要看兩本,一本是邢其毅老師的書,這本對我來說不夠深入淺出,開頭幾章基礎知識過後涉及面一下子鋪開來,出現的反應類型很多,涉及的官能團也很多,沒有及時理清的話很容易就會混淆了。另一本是廈大有機化學課程使用的Organic Chemistry,作者是T.W. Graham Solomons; Craig B.Fryhle,算是經典教材了,09年出到第十版(可以點擊此處下載:Organic Chemistry, 10th Edition)。這本書的優點是每章都很明確,只介紹一類化合物及其相關的反應,相比邢本讀起來很顯得簡單許多,便於理解。缺點是教材為英文,且涉及的內容沒有邢本廣。最好的便是先看英文教材建立個基礎,然後看邢本做深入。嗯,相信我,我是當年有機全系唯一考滿分的。
有機化學理論最重要的無非就是表觀上的電子流動。搞清楚對於一類特定的結構,在反應中電子可能的流向。之後就是推廣,結合大量實例理解這種「流動」:這個流動的動力是什麼?為什麼不向那裡流動?在基本理解到這個層次之後,可以嘗試閱讀《現代物理有機化學》福井謙一先生的《前線軌道理論與化學反應》,有興趣再讀一點量子化學或者Carey高等有機,會對之前的「流動」以及這些流動的實際應用有明顯更深層次的理解。合成方面的東西不建議太早撒網學習,還是要自己的理論水平上去之後,能對一些樣例中不同的策略做出評判,之後慢慢試水嘗試逆合成分析,多做做手感就來了。
先結構(尤其共振式),再機理,再反應,最後合成。
第一步是基礎,第二步是關鍵,第三步要積累,第四步……我至今不知道如何快速提升合成實力。
可以@李元鶴,畢竟頂尖合成組大牛。講真話,我覺得邢大本表達略晦澀,容易讀著讀著就讀不懂了(對我個人來說)。在沒有老師教的情況下,推薦一本英文教材,Organic Chemistry by Paula Y. Bruice。
推薦原因:我這學期的教授講課太跳躍,所以基本上靠課本和書後習題。這本書非常人性化,每次提到前面講過的概念都會提示你在哪個章節,所以是在不斷幫你鞏固的。我碰到一些理解得不好或者是印象里以前邢大本看過的知識點,會回去翻一下邢大本作為補充。說實話高效的學習還是要建立在理解的基礎上。理解是說自己要能對一個東西說出個一二三四來,整理歸類知識點,在自己的腦中形成一個系統。由於有機基本上是一個建立在另一個基礎上,所以有不會的就要搞懂,這樣學更複雜的東西的時候才不會腦子一團漿糊。
希望你可以從回答的推薦中找到適合自己閱讀習慣的教材,並從有機學習中得到快樂。學完有機還要學高等有機的應用化學狗來強推書…
大二的有機AB都是九十多分…可是我依然覺得有機很亂,有一點點思路,就像在線團中盲目摸索…全靠背…可是有機具體來看真的非常有意思啊,我一直都很鬱悶沒有找到思路。
大三學高等有機…主要就是有機物的結構,機理,注重的是反應,這個思路要比有機記一章物質一章反應清晰多了,主要講機理,知道了機理就好像拿著一把鑰匙能打開各種各樣的盒子,知道怎樣反應,有機就好像一個盒子一把鑰匙,要拿的鑰匙很多…啊重點在於…那張圖片,我學高等有機的時候有些東西依然不太懂,直到遇到了它!!
真的是一本超級棒的課本 彩圖 手感棒 很多延伸 有機也可以很有意思 每一章有總結 大視野 嗯…真的很不錯驚艷到我了你按照我說的做,一定會成為大牛,題主請相信我!!!
英文一般般的,先去看邢其毅的有機化學,歸納總結做題總結再刷題。。
覺得英文還不錯的,推薦英文的有機化學,作者是clayden Greeves Warren and Wother,書中的編排跟中文的不一樣,更系統清晰,有一種居高臨下的感覺,全書一共50個chapter,全部完成再總結歸納做題做題,這本書還配備著solution mannual很適合你,全部學完你一定可以成為很厲害的人。。。
我的老闆Phd在Cambridge讀的,就是warren的學生,無奈我沒見過warren本人哈哈哈哈
祝好運么么噠學習這東西沒有捷徑。把邢其毅的有機化學(刑大本)後面的習題全部全部做一遍,知其然,知其所以然,吃透了,然後有機化學算是入門了。
上面的大神們關於教材和學習方法說的已經很詳細了。本臘雞補充一下,書不在多而在讀的精,要多思考。如果只是追求廣度,多看兩眼人名反應我想就能做到,但是深度個人認為更加重要,也更難,有些部分甚至基礎有機無法解釋,這是一個循序漸進的過程。比如剛看到一個反應時,從最開始看他的凈結果,到學到他的機理,看完機理後再到思考這裡為什麼這麼反應?這個反應的啟動點為什麼在這裡?選擇性(化學,區域,立體等等)如何判斷?成不成環/滑稽(此處應艾特pj)學的時候請注意知識點與知識點之間的聯繫。同時要多總結。說的不對請大神們隨便拍磚,反正肟本來就菜嘛
以羰基的反應為中心,總結反應與機理。邢大本出第四版了~
以前吉林大學的劉在群老師說過,不做個一兩本習題考試就別過了…
買本專業的教輔書,難度最好是階梯式增加的。主要是記憶和練題,每天一小時,堅持兩個禮拜就會有收穫
主要還是做題+理解
淺談一下,畢竟才學了一半。
剛開始上有機課,老師一定會講各種穩定性順序以及基礎理論部分。這部分要吃透,記牢。立體化學很簡單,用空間想像力就可以。開始學各種反應,比如取代,消去,加成。學機理的時候運用自己所學的基礎知識,順序,來理解記憶。然後認真練習課後題就行了。之後所有的反應,理解起來都很簡單,只要你掌握好基礎知識,每一步學紮實。反應多擔心記不住,就拿小本本摘抄出來反應,每一個反應按照書上講的順序結構列出來,容易混的把特殊性用紅筆標上就好,多看多練,主要是多用。看到複雜的化合物,找出關鍵的官能團,聯繫各種機理就好。我其實也是個小白,望大神指教……立個flag,有機考滿分來補充完整。理解化學反應的機理才是王道。
感覺有機只看書很難懂 最好聽課或者看視頻 還有 多做題 尤其是難題 更考理解 就會減少對背的依賴
對於初學者,推薦邢大本,重點了解碳負離子機理,這本書可以完全自學。不要死記硬背各種機理,重在理解。有一定基礎的可以看Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis,這本書的機理寫的非常有理有據。
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