药学类专业有机化学教学初探(2)

2 能量最低原理是学习有机化学第二大法宝

自然界一个普遍的规律是能量越低越稳定[6]。无机化学反应与有机化学反应存在一个最大的区别：无机化学反应一般是一步、定量完成而有机化学反应通常要经过一个“反应物→过渡态→中间体→产物”甚至经过多个“过渡态→中间体”的过程。其中，中间体是一种高能量、不稳定、瞬间存在的物种。有机化学反应涉及到的常见的中间体主要由C+、C﹣和C·。中间体能量越低越稳定，则该反应路径容易进行。因此，能量最低原理贯穿整个有机反应过程，有机化学涉及到能量问题通常有中间体问题、构像问题以及空间位阻问题。

(1)碳正离子

碳正离子是一个只带六个电子的带有正电荷的三价碳原子为中心原子的中间体，是有机化学反应中常见的活性中间体。碳正离子很不稳定，需要电子来完成八隅体构型，因此，任何给电子因素均能使正电荷分散而稳定，任何吸电子因素均能使正电荷更加集中而更不稳定[7]。在H2C1·-·C2H-C3H3与HBr反应中，当H+靠近H2C1·-·C2H-C3H3时，由于CH3推电子作用C1的电子密度比C2高，因此，C1p轨道上的一个电子被H+的s轨道吸引过去而自身变成空的p轨道，又由于C2的一个电子在p轨道加上CH3的推电子作用使C2p轨道上的唯一一个电子转移到C1p轨道上, 结果C1仍为C·、C2变为2°C+，H+变为H·，最后，C1与H·按“点-点”形成C-H键，C2与Br-按“正-负”形成C-Br键。相反，如果C2p轨道上的电子被H+吸引过去，C1p轨道上的电子转移到C2p轨道，结果C2仍为C·、C1变为1°C+，H+变为H·，最后，C2与H·按“点-点”形成C-H键，C1与Br-按“正-负”形成C-Br键。但是，这种电子转移方式形成的中间体为1°C+，其稳定性小于2°C+。因此，反应按第一种路径进行。如果把推电子基团-CH3换成吸电子基团-NO2，即：H2C1·-·C2H-NO2情况又如何呢？由于-NO2吸电子作用，C2电子云密度高于C1，当H+靠近H2C1·-·C2H-NO2时，C2p轨道上的电子被H+吸引过去，C1p轨道上的电子转移到C2p轨道，结果C2仍为C·、C1变为1°C+，H+变为H·，最后，C2与H·按“点-点”形成C-H键，C1与Br-按“正-负”形成C-Br键。虽然这条反应路径中间体为1°C+，但是该带正电荷的中间体远离吸电子基团-NO2。相反，当H+靠近H2C1·-·C2H-NO2时，C1p轨道上的电子被H+吸引过去，C2p轨道上的电子转移到C1p轨道，结果C1仍为C·、C2变为2°C+，H+变为H·，最后，C1与H·按“点-点”形成C-H键，C2与Br-按“正-负”形成C-Br键。虽然这条反应路径中间体为2°C+，但是存在一个严重的问题C+离子与吸电子基团-NO2直接相连会导致正电荷密度进一步升高而更加不稳定。上述单纯的给电子基团-CH3、单纯的吸电子基团-NO2，按能量最低原理，即：中间体的能量越低越稳定可以分析出正确答案。如果换成既有给电子作用又有吸电子作用的矛盾基团，如：-Cl怎么办？还是可以按能量最低原理进行分析。在H2C1·-·C2H-Cl与HBr反应中，当H+靠近H2C1·-·C2H-Cl时，由于Clp轨道上的孤对电子与C=C双键形成p-π共轭C1的电子密度比C2高，因此，C1p轨道上的一个电子被H+的s轨道吸引过去而自身变成空的p轨道，又由于C2的一个电子在p轨道加上Clp轨道上孤对电子的排斥作用使C2p轨道上的唯一一个电子转移到C1p轨道上, 结果C1仍为C·、C2变为2°C+，H+变为H·，最后，C1与H·按“点-点”形成C-H键，C2与Br-按“正-负”形成C-Br键。这条反应路径的中间体H3C1- C+2H-Cl可与Clp轨道上的孤对电子共振形成八隅体：H3C1- C2H=Cl+而稳定。如果考虑Cl的吸电子诱导效应，当H+靠近H2C1·-·C2H-Cl时，C2的电子密度比C1高，因此，C2p轨道上的一个电子被H+的s轨道吸引过去而自身变成空的p轨道，又由于C1的一个电子在p轨道加上Cl的吸电子诱导作用使C1p轨道上的唯一一个电子转移到C2p轨道上, 结果C1仍为1°C+、C2变为C·，H+变为H·，最后，C2与H·按“点-点”形成C-H键，C1与Br-按“正-负”形成C-Br键。这条反应路径中间体为1°C+并且无法形成八隅体结构，因此，反应按第一条反应路径进行。能量最低原理不但适用于烯烃的亲电加成，也适用于烯烃的自由基加成。

(2)自由基

自由基是一个带有独电子的原子或基团，它是有机反应中常见的活性中间体。碳自由基为sp2杂化，三个sp2杂化轨道呈平面三角形结构，一个p轨道垂直于此平面，p轨道有一个电子。碳自由基的稳定性顺序：3°C·>2°C·>1°C·>H3C·[8]。在H2C1·-·C2H-C3H3与HBr的自由基加成反应中，当Br·靠近H2C1·-·C2H-C3H3时，Br·可与C1、C2以“点-点”方式成C-Br键。当Br·与C1以“点-点”方式成C-Br键时，形成2°的H2C1Br-·C2H-C3H3自由基中间体比较稳定。相反，当Br·与C2以“点-点”方式成C-Br键时，形成1°的H2C1·-C2BrH-C3H3自由基中间体不如2°的H2C1Br-·C2H-C3H3自由基中间体稳定。由此可见，能量最低原理可以把烯烃的亲电加成、自由基加成统一起来，不需要再记忆马氏规则、反马氏规则。

文章来源：《华西药学杂志》 网址: http://www.hxyxzz.cn/qikandaodu/2021/0726/873.html