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学有机化学?你可能只需要……

 ChemAurum 2021-03-18

 

     之前我写过一些关于有机化学的文章,《21世纪的有机化学》《怎样学好有机化学》都建立在已经拥有知识框架的基础上,那么,今天我们来聊一聊有机化学如何入门。

一、有机化学概述    

    有机化学与化学其他领域最大的区别在于其抽象与独特的表述方式。由于有机分子常常十分复杂,因而采用无机化学中的化学键表述未免太复杂,因而在有机分子中常常将配位键、离子键、非极性共价键与极性共价键都用短实线表示,碳原子则呈现为结点,不再标出,这也是有机化学中最为常用的表述方法。

    虽然在书写时将上面的几种化学键混为一谈,但是在阅读时有必要想清楚其性质——无论是做题还是预测实验结果都是至关重要的。另外,一些离子键和次级键、离域键有时采用虚线标出。

    前面已经提到分子的键型以及表述方式,我们需要做的,仅仅是将简单的键线式转化为电子结构。有机分子的绝大多数性质都来自于其电子结构,常用的表征有机分子的电子结构的方法有分子轨道、静电势能图、自旋密度等,即使是激发态分子,性质也主要取决于其电子的分布。如果不能完全理解其机制,记忆一些模板也是很有用的。

    简单一点的体系,例如多烯类,可以采用HMO方法和一维势箱理解其能级。复杂一些的系统可以根据经验近似判断其局部的性质,至少能够判定电荷密度和反应活性。利用计算化学的手段可以更严谨的量化其电子结构,不过很多时候没这个必要。(例如自旋密度往往能给出分子的活性位点,参见如何绘制分子自旋密度图)下图是一个蛋白质结构的优化,是很耗资源的计算类型=·ω·=)

    虽然有机化学的很多表述因为一些理解原因而饱受诟病,其理论体系却是自洽的,即使是有一些反常情况,也仅限于一些复杂分子体系中。因此,新手在学习有机化学的过程中,应当更注重分子的通性而非个别反应体系的特殊情况——很多反应受反应条件影响,而这些条件一般不会在考试内容中出现(先抓住基础内容,再考虑特殊情况)。

二、有机化学中的结构类问题

    在有机化学中有一些让人头疼的结构类问题——因为结构决定性质,很多性质类问题也在其类——涉及很多需要记忆的内容,很多初学者会因为对有机化学的语言不熟悉而导致知识理解的困难。

    对于这些问题,一个很好的记忆方法是通过比较来记忆,而不是每一个知识点都从头背诵(比较记忆也更有利于知识框架的建立)。

    举一个浅显的例子,在学习亲核取代反应时,SN1和SN2反应分别记忆就显得异常繁琐,在后续理解SNi、SN2'、SN1'等会出现困难。从中间体/过渡态角度来讲,SN1(和SN1')的反应决速步是离去基团离去,中间体极性增大,因而强极性溶剂有利于SN1,SN2(和SN2')决速步含有亲核试剂与底物,反应过渡态极性减小,因而弱极性有利于SN2反应。

    从反应结果来看,SN2是立体专一的,能发生Walden转换,SN1则容易外消旋(不发生Walden转换就有可能是发生了NGP(邻基参与))。这里只是举个例子,更多亲核取代的内容会在以后的推送中介绍。

    背诵并不是解决问题的全部,要善于整合知识,关注知识之间的联系。

三、有机化学中的机理问题

    有机反应机理是有机化学的重要部分,在理解反应性与推理未知产物都有辅助作用。(我感觉我写的公众号一多半都是机理 /狗头)

    对于反应机理的考虑首先应该从底物入手——如果给出了产物也要在底物上找到反应位点——推测底物的性质(主要是亲核性、亲电性以及轨道方面的作用)。接着分析反应条件,判断可能的机理(例如,看到hv就可以考虑环加成、卡宾光解、自由基)。

    机理方面的问题可以非常复杂,也可以很基础,是非常考验有机化学功底的内容。

四、有机化学与谱学

    谱学是有机化学研究中很关键的知识,但是在本科阶段涉及并不多。考研最多只要求了解核磁共振大致的分区、简单的耦合裂分,红外光谱主要是活泼氢与芳香区、羰基区,质谱中主要的碎片化方式。

    这些简单的内容只需要练习一些课后题便足以应付考研的题型,更复杂的谱学知识会在接下来的推送中出现。

五、知识体系的构建

    有了上面的方法,构建知识体系就不那么困难了。

    首先要确保已经基本掌握了课程知识,接着将知识分类,并明确各个知识点之间的联系。这一步骤可以加深对知识的理解,如果这一步有困难,建议复习知识点或与同学讨论。

    接下来对照课本或者手头资料,依次对照是否有疏漏的地方。很多教科书作者会不经意间在靠前的部分涉及一些后面学到的知识,如果只是初学就很容易漏掉或者理解错误。这一步可以依靠记忆来对照,也可以使用思维导图等工具。

    如果遇到了未知的知识,就很容易和已知的知识联系起来,从而更快的掌握。一般来说,建立知识体系后,解决问题就变得容易很多,学习有机化学也就得心应手了。

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