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怎样学好有机化学(2-2)

 王笃年 2023-02-18 发布于北京
有机化学算是一个单独的学科。
应该说,即使你的无机化学学得差强人意,并不影响你学好有机化学。
所以,面对这个新的模块,你要下定决心,把握住机会。
树立能够学好的信心,坚定学好的意志。
更重要的是,吸取前边学习的经验教训,加强独立阅读、深入思考,加强质疑,善于提问,追求对知识的理解。
除此之外,有如下一些要点。提示大家一下。
有些内容在没有学到该部分之前也许你看着费劲,可以先粗略看看,待学到这一部分时再回头阅读本文。

(接续上篇)

4. 努力分析理解反应机理,也就是反应过程中断键、成键的方式。
不要怕你的分析跟权威教科书的分析结果不一样。
这么说,不仅因为反应机理大都是靠猜测的,主要是你的分析可以促进你微观思维能力的提升(当然,你不能毫无根据地乱分析、乱猜)。
比如,乙烯与溴的加成反应,你自学时至少应该想象出如下过程:
至于实际的过程是否如此简单,则另当别论。
你在自己学习过程中的这种想象,于你学习有机化学的能力增长,非常关键。
再如:1,3-丁二烯发生的1,4-加成反应:
CH2=CH-CH=CH2+ Cl2 → Cl-CH2-CH=CH-CH2-Cl
你能否理解产物中23C原子间那个新双键产生的过程呢?
如果换成1,4-戊二烯,你觉得它能不能发生类似的加成反应?为什么?
再举一例:乙醇催化氧化为乙醛的反应过程。
我采取这种写法,你是否自己看出了反应过程断键、成键的位置呢?

5. 理解、接受分子内基团间的相互作用。
比如甲苯,它可以看做是苯和甲烷结婚生出的孩子。
所以甲苯首先兼具苯和甲烷的某些性质。
比如,反应物同样是甲苯和Cl2
光照下,氯主要取代甲基(来自甲烷)上的氢,得到苄基氯(C6H5-CH2Cl,或称氯化苄);
而在FeCl3等路易斯酸催化作用下,氯则主要取代苯环上的氢,得到邻氯甲苯、对氯甲苯(间氯甲苯极少)。
我们还要看到苯环跟甲基连接在一起后,它们彼此之间的相互作用。
一方面,苯环上的甲基可以被酸性高锰酸钾氧化为-COOH,这一点甲烷是不具备的。
说明苯环导致-CH3上的C-H键变得活泼了。
这种影响到底是如何发生的,跟分子内的电子效应有关。感兴趣的同学可以结合后续介绍的电子效应自己努力分析一下。
另一方面,甲基的引入,也使得苯环上跟甲基邻位、对位的氢变得更易取代。
比如苯跟浓硝酸、浓硫酸的混合酸作用,需要早55℃左右反应较长时间,只得到一硝基苯。
而同样跟混酸作用,甲苯在30℃下即可较快得到一硝化产物。且甲苯可以最终获得三取代产物TNT2,4,6-三硝基甲苯)。
当然,我们还应该看到,甲基主要使得苯环上某些部位变活泼,这点的道理就比较高深了。
分子内基团间的作用,本质上主要是电子效应。
电子效应分为诱导效应、共轭效应、空间效应(场效应,本文不讨论)等。
在入门阶段,我们只做简单的举例说明。
比如乙醇,可看做水的衍生物——
H2O分子的一个H,被乙基(乙烷CH3-CH2-H的一部分)取代。由于还剩余一个连在O上的H,故乙醇仍可跟Na发生置换反应得到H2
2CH3CH2OH + 2Na → 2CH3CH2ONa + H2
实验中发现,乙醇跟钠的反应明显比水慢多了。
这是因为烷基具有推电子的诱导效应,主动把电子云推向O,导致OO-H键电子对的吸引减弱,O-H键极性降低,乙醇比水难以电离(比水电离程度弱的化合物称非电解质)。
同样道理我们可以理解,三氯代乙酸Cl3C-COOH的酸性远强于乙酸CH3COOH,在三个Cl原子吸电子诱导效应作用下,-CO-OHO-H键的极性变得很强,它是一个强酸。
再比如我们学到卤代烃时,它有一个典型性质——
跟强碱的醇溶液混合加热,发生消去反应:
相当于在醇溶液里,氯乙烷分子中俩C上分别掉下ClH,脱掉一分子HCl,俩碳之间形成新的派键变为乙烯,然后HCl被NaOH中和掉了。
既然本质上是脱HCl,有同学突发奇想,提出如下问题:
如果让1-氯戊烷在同样条件下发生消去反应,会不会脱除最远处的H从而得到结构稳定的环戊烷呢?
不能!或者说极难。
这是因为,诱导效应随着距离的延长会急速衰减。
卤代烃消去时,主要脱β-H(跟官能团相连的Cα-C,跟α-C相连的Cβ-Cβ-C上的Hβ-H),是由于β-C-H键距离氯原子近,极性变大(当然,极性最强的是α-C-H,但若脱α-H得不到稳定产物不是?),再远处的C-H键受到的影响就非常非常弱了。
电子的共轭效应,是指分子内形成大π键时,大π键的所有电子在整个共轭体系内均匀分布、联合作战的一种效应。
大家首先可以通过苯环的稳定性、1,3-丁二烯发生的1,4-加成反应等,来体验这种效应的存在。
另外,像苯同系物光照卤代主要发生于α-C-HCH2=CH-CH3可以高温下发生甲基H的卤代反应等,也跟共轭效应使得反应中间体自由基稳定有关。
随着有机化学学习的深入,你会慢慢遇到这些问题的具体解析。

6. 掌握一些典型的不稳定结构。
比如:
同一碳原子上连两个双键,如丙二烯:CH2=C=CH2不稳定,很难制得。
同碳两羟基,称为偕二醇:CH3CH(OH)2,易脱水变为CH3CHO
类似的,羟基跟氯原子连在同一碳上也不稳定,如CH3CH(OH)Cl,易脱HCl变为CH3CHO
烯醇式结构,如乙烯醇:CH2=CHOH,易分子内重排变为CH3-CHO
三元、四元小碳环,因为难以满足C杂化轨道理想夹角,分子内角张力大,容易发生开环加成反应。如环丙烷、环丁烷可使溴水褪色。
类似这些不稳定结构,在书写同分异构体、或推测分子反应产物时,可不予考虑。

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