八隅体

书写有机反应机理的艺术

an

肖艺能等译编

ForthowholoveChemistryandkeepaholycuriosity.

——YinengXiao

第一章基础知识

如果说科学是描述宇宙的语言，则由点、线和字母组成的表达有机物结构的Lewis结构

式则是有机化学的语言，反应机理是用这种语言讲述的故事。与任何一门语言一样，学习如

何运用有机化学的语言来进行交流是十分必要的。

有机化学的语言规则有时候看起来是很随意的。例如，你会觉得理解如下事情是很困难

的：为什么RCO

2

Ph是有一个端基氧原子的结构的简写，而RSO

2

Ph是有两个端基氧原子的

结构的简写？为什么书写共振体不用可逆符号而是双箭头号。但实际上有机化学与英文、法

文、中文一样，也只不过是有自己的词法和句法而已。而且，不管这些语法句法多么沉闷无

趣，为了更好的理解、讲述有关有机反应的故事，你也必须学习如何正确的使用它们。

本章第一部分将向你介绍一些有机化学“说话”的规则和约定。也许很多材料对你而言

在之前的有机化学课程中已经非常熟悉了，但重温它们是值得的。

1.1书写结构式的约定；Grossman规则

书写有机物结构时，连在C上的H往往被忽略不写，而连在杂原子上的H总是写出来

的。对你来说，不要忘记它们的存在是极为重要的！

*常见错误警告：不要跟丢这些没有写出的H原子。异丁烷、叔丁基自由基和叔丁基阳离子是既然不同的，

但如果你忘记H原子，你会容易混淆它们。因为这个原因，我提出了一个Grossman规则：总是画出反应

中心附近的所有原子和所有化学键。书写H原子虽然意味着在时间上你会有更多投入，但对培养你书写机

理的能力而言收益也是颇为丰厚的。

有机化学中经常使用缩写来表示取代基，其中一些已罗列在Table1.1.中。芳基可以是

苯基、取代苯基或杂芳环（例如呋喃基、吡啶基或吡咯基）。Tosyl是p–toluenesulfonyl（对

甲苯磺酰基）的缩写，mesyl是methanesulfonyl（甲烷磺酰基）的缩写，triflyl是

trifluoromethanesulfonyl（三氟甲烷磺酰基）的缩写。TsO

−

、MsO

−

、TfO

−

是常见离去基团对

甲苯磺酸根、甲烷磺酸根和三氟甲烷磺酸根的缩写。

*常见错误警告：不要把下列缩写搞混：Ac（只有一个O）和AcO（有两个O），Ts（有两个O）和TsO（有

三个O），Bz（benzoyl，苯甲酰基）和Bn（benzyl，苯甲基或苄基）。

有时教材里的这些书写规则让学生无所适从。更重要的表达法罗列如下：

*常见错误警告：把砜（sulfone，RSO

2

R）的结构与酯（ester，RCO

2

R）搞混是非常容易的一件事。

1/31

rteaching.

肖艺能译编

下面介绍立体化学中的表示方法。一根加粗的键说明一个取代基指向纸面外，而一根散

列的键说明一个取代基指向纸面内，有时候也用一根虚线来代替散列线，其到相同的作用，

但虚线的主流用法并不是用在立体化学中，而是表示部分成键（例如过渡态中的化学键）。

一根弯弯曲曲或者波浪形线说明手性中心两种不同手性的混合物，换言之就是取代基指向纸

面外的化合物与指向纸面内的化合物的混合物。一根普通的键用于立体化学情况不明或者不

重要的场合。

加粗线和散列线可以写成楔形的，也可以写成非楔形的。主流用法是：楔形线表示绝对

构型，而非楔形线表示相对构型。欧洲和美国的化学家在散列的楔形线窄的一端是连接R

基还是正相反这个问题上存在分歧。请注意：这里提到的规则并不是放之四海而皆准的，一

名教科书作者完全可以根据与标准相异的当地习惯进行书写。

1.1.2Lewis结构式；共振论

在你之前的课程中已经学习了有关Lewis结构式的概念和书写规则，因此在这里不再赘

述。但是在书写Lewis结构式时容易带来错误的步骤是形式电荷的放置。任一原子上的形式

电荷的计算方法如下：

形式电荷Q

F

=该元素的价电子数（亦即其族数）−该原子周围的键数（包括σ和π键）

−未参与成键的电子数=族数–原子周围短线数–原子周围点数

该计算法总是有效的，但显得有些呆板。实际操作中，往往只需一眼就能判断出正确的

形式电荷。正常情况下碳原子应当成4根键，氮是3根，氧是2根，卤素是1根，因此成正

常数目根键的原子不带形式电荷。只要你观察到一个原子成键数异常，则必须为其设置形式

电荷。例如，成2根键的氮原子形式电荷为−1。常见原子的形式电荷罗列在Table1.2和1.3

中。非金属元素出现≥±2的形式电荷是极为罕见的事情，只有硫原子偶尔会带+2个形式

电荷。

2/31

成4根键的硫原子的形式电荷让人疑惑。一个成2根单键和1根双键的硫原子（例如DMSO，Me

2

S

＝O）还有一个孤对，因此没有形式电荷，但成4根单键的硫原子没有孤对，形式电荷为+2。一个成

6根键的硫原子与一个成5根键的磷原子相似，没有孤对也没有形式电荷。关于硫和磷的Lewis结构

式的书写问题还会在本部分进行更深入讨论。

形式电荷之所以被冠以“形式”之名是有原因的。它们更多是为了配合有机化学的语言

描述有机物的结构，而不是为了阐述其化学实质，例如NH

4

+、H

3

O+、MeO＝CH

2

+这几个物

种带负电的元素N和O却带形式正电荷。形式电荷在书写反应的过程中可以保证不要增/

添原子，但对于描述化学反应性而言很不可靠。例如NH

4

+和CH

3

+的中心原子都带形式正电

荷，但它们的反应性截然相反。

为了理解化学反应性，你必须忽略形式电荷，考虑有机物的其他性质，例如电负性

（electronegativity）、缺电子性（electron-deficiency）和亲电性（electrophilicity），分别介绍

如下：

•电负性是元素的原子在共价键中争夺成键电子的能力的体现。它与原子实际成键情况

无关。（胡老师注：这种说法是错的，杂化类型不同的同种原子，电负性都会有显著差别）。

•缺电子性：一个原子的价电子层如果未达到八隅律就认为是缺电子的（对于H而言是

二隅律）。

•亲电性：具有亲电性的原子应当有一个能量相对较低的空轨道，可以容纳外来电子。

本章还会对亲电性进行深入讨论。

*常见错误警告：电负性、缺电子性、亲电性和形式电荷之间都是相互独立的关系，请不要混为一谈。NH

4

+

和CH

3

+的中心原子N和C都带形式正电荷，但C原子价层只有6电子，缺电子，而N原子满足八隅律不

缺。·CH

3

和BF

3

的中心原子C和B都缺电子，但它们都不带形式电荷。B电负性低而N电负性高，但BH

4

−

和NH

4

+都是稳定离子，中心原子B和N都不缺电子。CH

3

+、CH

3

I和H

2

C＝O的C原子都亲电，但只有

CH

3

+的C缺电子。MeO＝CH

2

+的O带形式正电荷，但实际上是C亲电。

3/31

对于一个用σ键连接的分子骨架，如何放置剩下的π键和未成键电子可以有多种方案，

这些不同的结构称为共振结构（resonancestructure）。共振结构是对同一个化合物的不同描

述。每一个共振结构对化合物的实际结构都有贡献，但没有一个是真实的图像。点、线、字

母是Lewis提出来的一种描述分子结构的语言，与任何一门语言一样，有时候一个词是不够

的，需要多个不同的词来描述一个分子的真实结构。

一个化合物的真实电子结构是该物质合理共振结构的加权平均，称为共振杂化体

（resonancehybrid）。每一个共振结构的权重取决于它描述该化合物真实结构的重要性，最

主要共振体也是权重最高的那个。两个共振体之间用双箭头“↔”来分割。

*常见错误警告：双箭头仅可用于表示共振结构，不要和表示化学平衡的可逆符号“”搞混。再次重申，

共振结构只是同一个物质的不同描述，在不同共振体之间不存在相互转化的问题！

低能量、稳定的共振结构相比高能量、不稳定的共振结构，能更好地描述化合物的电子

结构。评估一个共振结构稳定性的规则与任何其他Lewis结构式相同。

①第二周期元素B、C、N、O、F的价层电子不得超过8个。不过八隅律对第三周期

及更高周期的元素（例如P、S）来说不是那么管用，过渡元素根本不遵从八隅律。

②所有原子都达到八隅律的共振体比至少一个原子缺电子的共振体稳定得多。此外，

如果有缺电子的原子，它可以是低电负性的C和B，但不能是高电负性的N、O和

卤素。

③不带电的共振体比电荷分离的共振体稳定。

④如果电荷分离，高电负性的原子应当带形式负电荷，低电负性的原子应当带形式正

电荷。

上述规则按重要性由高到低的顺序排列。例如MeO—C

+

H

2

↔MeO

+

＝CH

2

，第一个共振

体低电负性的C带形式正电荷（规则4），第二个共振体所有原子都满足八隅律（规则2），

规则2比规则4重要，因此第二个共振体更重要。再举一例，比较Me

2

C＝O↔Me

2

C

+

—O

−

↔

Me

2

C

−

—O

+

。第三个共振式最不重要，可以忽略，因为它的O原子价层只有6个电子，缺电

子。第二个共振式不如第一个重要，因此它的电荷分离（规则3）且存在缺电子原子（规则

2）。但不管怎样，第二个共振式对描述丙酮的基态电子结构仍然或多或少的有贡献，所以不

能忽略。

共振结构是一种被有机化学家广泛使用的表达方式，同一种物质的共振体仅仅是π键和

未成键电子的摆放位置不同，通过σ键连接的分子骨架保持不变。如果有两种物质的分子骨

架不同，则它们互为异构体（isomer）而非共振体。

那么如何书写一个给定Lewis结构式的共振式呢？

•寻找一个与带孤对原子相邻的缺电子原子，则一对孤对电子可以与缺电子原子共用以

形成一根新键。在下面的例子中，O上的孤对与旁边6电子的C共用，注意此时形式电荷

会发生变化：给出孤对的原子，形式电荷加1，接受孤对的电子，形式电荷减1。还要注意

接受孤对形成新键的原子必须缺电子！

4/31

*常见错误警告：形式正电荷与原子是否能接受新键（换言之就是该原子是否缺电子）毫无关系。

弯箭头用于表示一对电子如何在一种共振结构中移动产生另一个共振结构的。当然，这仅仅只是一个形式

而已，电子不可能真的从一个位置移动到另一个位置的。这是因为化合物真实的结构是不同的共振结构的

加权平均，而不是它们的平衡混合物。弯箭头可以帮助你在书写不同共振式时不要遗漏或增加电子。

•寻找一个与π键相邻的缺电子原子，则π键电子移向缺电子原子，形成一根新的π键。

同时原π键远端的那个原子变成缺电子的。同样的，形式电荷也发生变化：π键远端的那个

原子，形式电荷加1；原来缺电子的原子，形式电荷减1。

•寻找一个与π键相邻的自由基，则2个π键电子中的1个与自由基的单电子结合，形

成一根新的π键。同时原π键远端的那个原子变成新的自由基。不过形式电荷没有变化。

半箭头（鱼钩箭头）用于表示一个电子的移动。

•寻找一个与π键相邻的带孤对的原子。将孤对推向π键，形成一根新的π键，同时原

π键远端的那个原子带上一对新的孤对。带孤对的原子可能带形式负电荷也可能不带。

由于书写有机物结构时往往忽略杂原子的孤对，此时可将形式负电荷看做孤对。因此弯箭头常常从形

式负电荷而非孤对出发。

•在芳香化合物中，π键可以绕环移动产生新的共振结构，总键数、未成对电子数、缺

电子原子和形式电荷均不发生变化。

•一对π键电子可平均地或不平均地划分给两个成键原子：A—B↔A

+

—B

−

↔A

−

—B

+

↔·A

—B·。该过程通常总是产生一系列高能量的不稳定物种。如果这种过程是在两个不同的原子

间进行，请把π键电子推向相对更高电负性的原子。

5/31

•一对孤对电子或一个空轨道不能和一个与它正交（垂直）的π键发生相互作用，不然

写出来的共振式看起来令人绝望地奇怪。

•两个共振结构必须含有同样多的原子和电子，形式电荷总数也必须相等。

*

常见错误警告：

•sp3杂化的C或N原子（也就是季铵盐中的N）没有孤对或π键，因此不参与共振。

•高电负性的O、N、卤素原子必须达到八隅律，至于它们是否带形式电荷不是问题。这就像钱和银行

的关系，高电负性的原子乐于提供电子共用，但它们不能容忍电子被拿走。

•如果你把一个或两个电子送给一个已经达到八隅律的原子，不要考虑它是否带形式正电荷，它与另一

个原子之间的一根键必须断掉。例如，在氮酮（nitrone，PhCH＝N

+

R—O

−

）中，N满足八隅律。也只有当C

＝Nπ键电子从N移向C时，O的一对孤对才可用于形成一根新的N—Oπ键，亦即：PhCH＝N

+

R—O

−

↔Ph

C

−

H—N

+

R＝O。第二种共振结构中，N保持了八隅体结构和形式正电荷。

•根据Bredt（布莱特）规则：在少于8个碳组成的桥环化合物中，由于张力的原因，桥头碳和相邻碳

原子之间禁止形成π键，具有这种结构的共振结构非常差。

Problem1.1.下面两个共振体中，哪个能更好地描述化合物基态电子结构？

Problem1.2.为下列化合物写出尽可能多的合理共振式。

对于一个有机物来说，尽管最稳定的共振式更接近该物质的真实结构，但第二好的共振式往往是理解

它的化学行为的关键。例如，丙酮第二好的共振体Me

2

C

+

—O

−

会告诉你：碳原子略缺电子，容易被富

6/31

电子物种进攻。这点在后面还会提到。

总之，一种化合物如果具有更多低能量的共振结构，它的能量就越低。观察一个结构，

找出它的共振式对书写有机反应机理是极为重要的。若你有这方面需求，所

著PushingElctrons3rded.(SaundersCollegePublishing,1998)第1~3章会给你提供必要的练习。

有机化学中，S或P原子带端基O的物种是很常见的。对于S和P这样带3d轨道的原子来说，它们

的价层轨道可以拓展，价层电子可以超过8个。但是这种具有扩层结构的共振结构是很有迷惑性的。

例如，DMSO看上去与丙酮非常相似，但DMSO的S有一对孤对，它是富电子物种，而丙酮的C是

缺电子物种。因此，书写极化的（亦即正负电荷分离的）共振结构对于DMSO这样的物种是更合适

的，但在有机化学家中间老的习惯还会存在很长时间。不管在何种情况下，只要看到S＝O或P＝Oπ

键，你应该知道S或P原子的价层电子被扩展到8个以上，你看到的不可能是一个通常的π键。

1.1.3分子的形状；杂化理论

分子是三维物体，因此具有自己的形状。书写反应机理时，你必须在脑中保存有机物的

三维形状，因为经常会出现这种情况：有些分子画成平面型的看来很合理，但考虑三维结构

时变得完全不合理，反之亦然。

有机化学家使用原子杂化的概念来理解和解释分子的形状。杂化的概念是Lewis理论和

分子轨道（MolecularOrbital，MO

）理论的奇怪杂糅，该理论实际上也存在很多问题。但不

管怎样，有机化学家广泛使用它来解释结构和反应性问题，因为它很容易理解和应用，而且

也确实管用！

在讨论杂化理论之前，简单回顾MO理论是很有必要的。下面的讨论是简单而定性的

概括，不是全面深入的讨论。

核外电子不是像行星围绕恒星公转那样，绕着原子核旋转，尽管早期的核型原子模型确

实是这么说的。一个更好的类比是夏天在人头上嗡嗡盘旋的一群小虫子。把这个类比深化一

下：精确定位一个小虫子的位置是不可能的；取而代之的是，你只能描述在距离嘴或鼻孔一

个特定距离找到一个虫子的可能性。同样地，一个电子的位置是无法界定的；取而代之的是

一个叫做“轨道”（orbital）的数学函数，用以描述在一个特定区域内找到一个电子的几率。

实际几率是在空间某处的轨道（波函数）的数值的平方。

有机化学家最关心的C、N、O原子都有4个价层原子轨道（AtomicOrbital，AO）：

1

个s轨道和3个p轨道，每个轨道可以容纳最多2个电子，s电子的能量低于p电子。s轨

道呈球形分布，而p轨道是哑铃型的，由两瓣组成，根据描述p轨道的波函数，一瓣取负值，

而另一瓣取正值。

7/31

每个p轨道描述沿x，y，z方向的电子分布情况，因此3个p轨道相互垂直（也称为“正

交”，换言之，它们相互不重叠）。当对3个p轨道做平方并叠加在一起后，你会发现电子实

际上呈球形分布。

更重的元素还有d和f轨道，这里你无需关注它们。

当两个原子在空间上相互靠近时，每个原子的电子由于受到其他原子的作用，其能量和

概率分布都会改变。描述电子概率分布和能量的原子轨道都仅仅是数学函数，因此两个能量

和对称性接近的原子轨道之间的相互作用可以表达为原子轨道波函数在数学上的加和减，从

而产生两个新的波函数，称为分子轨道。两个原子轨道的加法（in-pha，同相叠加）得到

一个成键（bonding）分子轨道，其能量比两个原子轨道中任何一个都要低，电子填充在成

键轨道时有利于化学键的形成和分子的稳定；两个原子轨道的减法（out-of-pha，反相叠

加）得到一个反键（antibonding）分子轨道，其能量比两个原子轨道中任何一个都要高，电

子填充在反键轨道时不利于化学键的形成和分子的稳定。实际上，反键轨道破坏稳定性的作

用比成键轨道的稳定作用更强。

为什么2个原子轨道必须同时进行成键和反键相互作用？两个原子轨道实际上描述了4个电子在空间

上的分布情况，它们相互作用的结果必须仍然描述4个电子的空间分布。因此两2个原子轨道作用产

生2个分子轨道，3个原子轨道作用产生3个分子轨道，以此类推。

如果每个相互作用的原子轨道都只有一个电子，则2个电子都进入成键分子轨道。因为

体系总能量比单独的两个原子要低，一根化学键就产生了。相反，如果每个原子轨道都充满

了，则2个电子进入成键轨道2个进入反键轨道，体系总能量升高了，原子间相互排斥，没

有形成化学键。

任一主族元素的价电子都位于4个价层轨道内。例如，1个C原子有4个价电子，每个

电子都可以填充在1个轨道中，则4个半充满的原子轨道与4个来自其他原子的轨道相互作

用，形成4根化学键。相反，1个O原子有6个价电子，它只有2个半充满轨道，只能形成

2根化学键。

但这种简单模型是不完整的。以CH

4

为例，如果C使用1个s轨道和3个p轨道与H

8/31

形成4根键，可以预期其中一根C—H键与其他3根是不同的。但这是不符合实际情况的，

大量实验测量表明CH

4

中的4根化学键是完全等效的。这是为什么呢？有机化学家们假设4

个原子轨道进行了“平均”或者说“杂化”（hybridized），产生了4个完全等效的原子轨道，

称为sp3杂化轨道。每个sp3轨道都有1/4的s轨道成分和3/4的p轨道成分。4个轨道共同

描述电子在空间的球形分布，所以当三维空间被划分为4个等效的方向时，4个轨道就呈正

四面体排列了。

原子轨道也可以按其他方式进行杂化。有机化学中常见的杂化类型有sp杂化、sp2杂化

和sp3杂化。分别总结如下：

•sp3杂化：1个s轨道和3个p轨道杂化产生4个简并轨道，分别指向正四面体的4个

顶点，相互间夹角为109°。每个sp3轨道含1/4的s轨道成分和3/4的p轨道成分。

•sp2杂化：1个s轨道和2个p轨道杂化产生3个简并轨道，分别指向正三角形的3个

顶点，位于同一平面上，相互间夹角为120°。每个sp2轨道含1/3的s轨道成分和2/3的p

轨道成分。还有1个p轨道未参与杂化，垂直于3个杂化轨道。

•sp杂化：1个s轨道和1个p轨道杂化产生2个简并轨道，夹角为180°。每个

sp3轨

道含1/2的s轨道成分和1/2的p轨道成分。还有2个相互垂直的p轨道未参与杂化，并垂

直于2个杂化轨道。

上述杂化轨道的画法是极为简化的。实际上sp、sp2和sp3轨道并没有不变的形状。你可以在Lowry

和Richardson所著MechanismandTheoryinOrganicChemistry,3rded.(AddisonWesley,1987)中找到对

这些轨道形状的更好的描述。

杂化轨道是用来形成σ键和容纳共振式中未用到的孤对电子的；而p轨道是用来形成π

键和容纳共振式中用到的孤对电子的，它们通常被当做空轨道。某个原子的杂化类型是这么

确定的：将共振式中未用到的孤对电子数和σ键数（换言之，就是该原子周围的其他原子数）

做加合，如果总数为4，该原子是sp3杂化的；如果总数为3，该原子是sp2杂化的；如果总

数为2，该原子是sp杂化的。

Problem1.3.确定下列化合物中C、N、O原子的杂化类型。最后一个化合物中的黑点代表

一个碳原子。

9/31

决定一个原子的杂化类型时，记住考虑它的p轨道和杂化轨道是非常重要的。记住一个

原子的杂化类型影响它的性质和反应性也是非常重要的。未来这一点会被多次证明。

1.1.4芳香性

一个具有沿环状结构持续进行“肩并肩”重叠的p轨道的化合物会具有额外的稳定性或

非稳定性。这样的环状化合物可能具有交替出现的单键和重键，也可能还存在带孤对或带空

轨道的原子。如果在环上的轨道中共有奇数对电子，则该化合物与具有同样碳数的链状化合

物相比，格外稳定，称之为具有芳香性（aromatic）；如果在环上的轨道中共有偶数对电子，

则该化合物与具有同样碳数的链状化合物相比，格外不稳定，称之为具有反芳香性

（antiaromatic）。如果分子内不存在垂直于环平面连续重叠的p轨道，不用考虑芳香性问题，

该物质称为无芳香性（nonaromatic）。

芳香化合物最简单的例子是苯（benzene）。苯的每个C原子都是sp2杂化的，都还剩下

1个垂直于分子平面的p轨道，因此6个p轨道形成了环状序列。每个C原子的p轨道内都

有1个电子，因此体系内有3对π电子，苯具有芳香性。实际上，苯的能量比它的链状类似

物1,3,5–己三烯低大约30kcal/mol。

除了苯还有很多具芳香性的烃。它们都有稠合的苯环。

萘菲苯并芘

呋喃、噻吩、吡咯、吡啶是常见的芳杂环化合物。呋喃、噻吩、吡咯的杂原子O、S、

N为芳香体系提供一对孤对，而吡啶的N原子不提供孤对。

你可以通过检查一个杂原子使用了多少孤对参与杂化来判断它为芳香体系贡献了多少

孤对。例如，如果吡啶的N原子动用孤对参与共振，它只能是sp杂化的（N＝Cπ键需要1

个p轨道，孤对需要1个p轨道），但sp杂化需要180°键角，对于吡啶来说是不可能的。因

此N原子只能是sp2杂化的，容纳孤对的p轨道必定位于环平面内，形成吡啶环的5个C

原子和1个N原子分别提供1个p电子，因此吡啶有芳香性。相反，如果吡咯的N原子动

用孤对参与共振，它必须是sp2杂化的，而这是合理的。形成吡咯环的4个C原子提供1个

p电子，1个N

原子提供1对孤对，因此吡咯也有芳香性。

Problem1.4.呋喃的O原子采取什么杂化？O的孤对位于什么轨道？共振式中用到了几对

10/31

孤对？

一些带电的化合物也具有芳香性。䓬（tropylium）和环丙烯鎓离子（cyclopropenium）

缺电子的C原子都采取sp2杂化，具有空的p轨道。䓬离子拥有7个垂直于环平面的p轨道，

填有3对电子，而环丙烯鎓离子则是3个p轨道和1对电子，因此它们都有芳香性。（注意

环丙烯本身无芳香性，因为它有1个sp3杂化的C原子，没有3个垂直于环平面的p轨道）。

环戊二烯负离子带孤对的C原子是sp2杂化的，孤对可以参与共振，于是环戊二烯负离子拥

有5个垂直于环平面的p轨道并填有3对电子，它也有芳香性。

反芳香性化合物与它们的链状类似物相比具有异乎寻常低的稳定性。环丁二烯必须在极

低温下才能在惰性介质中合成出来。二氢吡喃两个N的孤对与两个C＝Cπ键组合得到8电

子体系，能量非常高。环戊二烯正离子能量也非常高，因为只有4个π电子。但是看上去具

有反芳香性的环辛四烯为了避免这种情况，扭曲成澡盆的形状以避免p轨道的连续重叠。

某些化合物中因为一个次要的有芳香性或反芳香性的共振结构，含有部分芳香性或反芳

香性成分。环庚三烯酮因为它的C

+

—O

−

共振式，具有比一个高度不饱和的酮所能预期的高得

多的稳定性。另一方面，环戊二烯酮极其不稳定，因为它的C

+

—O

−

共振式是反芳香性的。

为了给你一个关于芳香性提供的稳定性的概念，请考虑一下1,3–戊二烯和1,3–环戊二烯。

这两种化合物都没有芳香性。1,3–戊二烯脱质子得到一个依然没有芳香性的阴离子，但1,3–

环戊二烯脱质子得到一个芳香化合物。因此1,3–环戊二烯的酸性（pK

a

=15）比1,3–戊二烯

高20个数量级，与水的酸性接近。芳香环的建立为很多有机反应提供了至关重要的驱动力。

芳香性提供的稳定性当π电子数小时会更高。萘，一个10电子的芳香体系，比苯这个6电子的芳香

体系更不稳定。全由碳组成的系统也比含N、O或S等杂原子的系统稳定得多。

1.2Brønsted酸碱理论

根据Brønsted酸碱理论，一个酸碱反应是质子H+从一种Brønsted酸转移到一种

Brønsted碱的过程。下面是一些酸碱反应的实例：

11/31

有几点需要注意：

①碱可以是阴离子或中性物种；酸可以是阳离子或中性物种；

②酸碱反应是可逆反应。尽管有的酸碱反应转化率非常高，但它依然是一个可逆反应；

③酸碱平衡反应的两侧都各有一种酸和一种碱；

④不要把化学平衡和共振搞混；

⑤质子转移反应通常极快，特别是当质子从一个杂原子转移到另一个时。

*常见错误警告：不要把质子H+和氢原子（或称氢自由基）H·和氢负离子H

−

搞混。

1.2.1pKa

值

物种的酸性用pK

a

值来度量。酸HX的pK

a

定义为：

pK

a

越大，化合物酸性越差。对你来说，记住Table1.4中打星号的数值，培养对不同类

型化合物pK

a

值的感觉以及理解结构变化如何影响pK

a

的原理是极为重要的。

有时你会看到某些特定化合物——尤其是烯烃——的pK

a

值。一种化合物的pK

a

值随溶剂、温度和测

量方法的不同显著变化。书写有机反应机理时，了解酸性差异是很必要的，这里给出的数值足以达到

这个目的。若想对酸性进行深入了解，可以查阅物理有机化学课本。

下面给出一些酸性变化趋势：

•当其他方面都相同时，同周期从左至右，化合物酸性增强，例如H

3

CH＜H

2

NH＜HOH，

因为中心原子电负性增加。

•当其他方面都相同时，同主族从上到下，化合物酸性增强，例如EtOH＜EtSH

，因为

中心原子体积增大，其价层轨道的能量越来越高，与H原子能量很低的1s轨道能量差越来

越大，轨道重叠越来越差。这一趋势与电负性变化恰相反。

*常见错误警告：只有当能电离的H原子与杂原子直接相连时，轨道重叠效应才发挥作用。另一方面，

诱导效应起决定性作用。

•当其他方面都相同时，给定原子带正电比不带电时酸性强，例如NH

4

+＞NH

3

。但并不

是所有带正电物种酸性都强于中性物种，例如R

3

NH+＜CH

3

COOH。此外，给定原子带负电

时比不带电时碱性强。

12/31

•A原子如果有吸电子基相连，则HA的酸性增强；如果有给电子基相连，则HA的酸

性减弱。例如CCl

3

COOH＞CH

3

COOH，HOH＞EtOH。

•对于不带电的酸而言，酸性随取代基体积增大而降低，例如EtOH＞t–BuOH。这是因

为当其共轭碱体积增大时，溶剂分子通过偶极效应和氢键包围共轭碱，部分中和其所带电荷

的能力被削弱，从而导致共轭碱的能量升高，对应酸的酸性变弱。

解释为何t–BuOH酸性弱于EtOH时，经常归因为t–Bu基的给电子诱导效应强于Et基。但实际上，

如果在气相条件下测定，由于溶剂化作用不存在，反而t–BuOH酸性更强。液相中溶剂效应发挥着关

键性作用，但因为很难被量化的缘故，它们经常被忽视。

*

常见错误警告：质子从酸转移给碱的速率不会被空间位阻显著降低。大取代基造成的酸性降低是一

种基态的、热力学效应。

•如果HA的共轭碱A

−

的孤对电子能被共振所分散，则HA的酸性增强。例如PhOH＞

EtOH，PhNH

3

+＞EtNH

3

+，CH

3

CH＝CH

2

＞CH

3

CH

2

CH

2

。当孤对电子可以被离域到一个羰基

里时，HA的酸性特别强（与烷烃相比），如果能离域到两个羰基里，则酸性更强，例如

CH

3

CH

2

CH

2

＜CH

3

COCH

3

＜EtO

2

CCH

2

CO

2

Et。除了羰基（C＝O）之外，硝基（NO

2

）、磺酰

基（SO

2

R）都是稳定酸根离子的好基团，尤以硝基为最，一个硝基对酸性的影响甚至强于

两个羰基，这是因为它的吸电子诱导效应和吸电子共轭效应都更强，例如CH

3

SO

2

CH

3

＜

CH

3

COCH

3

＜CH

3

NO

2

。

•对于给定原子A，HA酸性随A—H键中s成分增加而增强，也就是说A(sp)—H＞A(sp2)

—H＞A(sp3)—H。例如pyrH+＞R

3

NH+，炔烃＞苯≈烯烃＞烷烃。这是因为s成分越多，杂

化轨道能量越低，共轭碱的孤对位于这样的轨道时能量越低。

•无芳香性的HA，如果其共轭碱有芳香性，则HA的酸性显著增强。例如环戊二烯＞

戊二烯。相反，如果一种物质被质子化时会破坏芳香性，它的碱性极弱，例如吡咯。

你可以运用上述规则和表中数据来估计一种从未见过的物质的酸性。了解pK

a

值极为重

要，因为有机反应的第一步往往就是质子转移，而你必须明确反应物的哪个氢最先离去。

羰基化合物可能是最重要的酸性有机化合物，所以影响它们酸性强弱的因素应单独讨论。

一种羰基化合物的能量相当程度取决于共振体R

2

C

+

—O

−

的能量。R基通过诱导效应、共

轭效应或超共轭效应稳定该共振体的能力越强，该化合物的能量就越低。另一方面，电荷分

离的C

+

—O

−

型共振式对相关烯醇式而言很不重要，因此，大多数烯醇盐能量都很接近。因为

一种化合物的酸性取决于它的质子化和脱质子化形式之间的能量差，则羰基化合物的酸性与

它们的能量关系密切：一种羰基化合物能量越低，其酸性越弱。（这种相关性不是对所有化

合物都适用。）因此，常见羰基化合物的酸性排序为：羧酸盐（carboxylate）＜酰胺（amide）

＜酯（ester）＜酮（ketone）＜醛（aldehyde）＜酸酐（acylanhydride）＜酰氯（acylchloride）。

*常见错误警告：α,β–不饱和羰基化合物的α–C没有酸性。C＝O键倾向于和C＝C键保持共平面和共轭，

所以C—H键也在分子平面内，不可能与C＝O发生超共轭。如果要脱质子，必须先转化为一个能量很高

的构型。注意：α,β–不饱和羰基化合物的弱酸性是与饱和羰基化合物相比而言的，它与C(sp2)酸性高于C(sp3)

的普遍规律是相悖的。

很多时候讨论碱性比讨论酸性更方便。本书中一种碱的pK

b

被定义为它的共轭酸的pK

a

。

13/31

例如，按照这种定义，NH

3

的pK

b

为10（因为NH

4

+的pK

a

为10），pK

a

为35。一种碱有多强，

取决于其共轭酸有多弱。凡是能增强酸性的因素都会降低碱性，反之亦然。例如EtS

−

的碱

性弱于EtO

−

，因为EtSH的酸性比EtOH强。

该定义与标准定义pK

b

=14–pK

a

(共轭酸)有所不同（14来自于水的解离常数）。这是因为标准定义需

要学习为本质上相同的一个性质设计的两套不同的计数系统，在有机化学中很不方便。但是，不要把本书

的定义用到其他课程中去，不然你会误解。

1.2.2互变异构

丙酮（CH

3

COCH

3

）脱质子后，得到的阴离子有一个带孤对电子和形式负电荷的碳原子，

而且还可以写出一个孤对和形式负电荷都在氧上的共振结构。因此，阴离子的真实结构应当

是这两种共振结构的加权平均。如果阴离子和H+反应，H+可能与O

−

也可能与C

−

结合。如

果与C

−

结合，会重新得到丙酮，但如果与O

−

结合，会得到一种与丙酮不同的化合物——烯

醇（enol，词根–en代表“烯烃”，–ol代表“醇”）。酮和烯醇之间是互变异构体的关系（tautomer）。

互变异构体之间是异构体而非共振体的关系，因为它们有不同的σ键骨架。最重要的一

对互变异构体是羰基化合物–烯醇。互变异构化（tautomerization）是一个在酸性或碱性介质

中极快的化学平衡，而共振体之间根本不存在化学平衡的问题。

1.3化学热力学和化学动力学

能量和速率是化学反应机理非常重要的两个方面。一个化学反应可以被描述为自发的或

不自发的（favorableorunfavorable），快和慢的（fastorslow），可逆和不可逆的（reversible

orirreversible）。这些概念都代表什么意思呢？

一个自发反应是Gibbs自由能变（ΔG°）小于0的反应（即产物的自由能低于反应物的

自由能）；非自发反应正相反。而自由能变取决于反应的焓变（ΔH°，enthalpy）和熵变（ΔS°，

entropy），计算公式为ΔG°=ΔH°–TΔS°。实际操作中，通常用ΔH°而不是ΔG°来判断一个

反应是否自发，这是因为ΔH°更容易测定（一个反应的ΔH°在数值上等于它的恒压反应热），

而且TΔS°在通常温度（＜100℃）下比ΔH°小得多，可以忽略。ΔH°＜0的反应是放热的

（exothermic）；ΔH°＞0的反应是吸热的（endothermic）。

显而易见，反应物必须经过一个能垒（energybarrier）才能变成生成物，不然的话，反

应物根本就不存在！反应物到达能垒顶端所需能量称为活化能（activationenergy，ΔG‡）。

处于能垒顶端的反应物称为过渡态（transitionstate，TS）。一个反应的速率就取决于活化能

ΔG‡的高低——即过渡态和反应物的能量差——而非反应物和生成物的能量差ΔH°。ΔG‡越

14/31

高，反应越慢；ΔG‡越低，反应越快。

*常见错误警告：一个反应的速率（取决于ΔG‡）和自发性（取决于ΔG°）彼此之间相互独立。一个反应可

能自发但速率极慢（例如氢气和氧气混合，不加热则经历百万年都不会明显反应），也可能自发且速率极快

（例如氢气和氟气，在极低温度下混合依然爆炸式反应），当然不自反而极快（例如水对醛酮的π键的加成）、

不自发而极慢的反应也是存在的。这是因为产物的能量不会影响过渡态的能量。

一个反应的正反应速率和逆反应速率相等时，就说该反应达到了化学平衡（chemical

equilibrium）。这样的反应是可逆的（reversible）。从本质上讲，所有反应都是可逆的，但有

的反应是如此完全，以致于达到平衡后检测不到反应物存在。一条经验规则是：如果一个反

应的平衡常数K大于103，则该反应不可逆。根据LeChâtelier（勒夏特列）原理，反应也可

以通过从产物中移去一种气态的或难溶的或可蒸馏的物质来驱动平衡向生成产物的方向移

动。当反应物和产物或两种不同产物处于平衡中时，它们的物质的量之比由它们的自由能差

决定。但是，如果没有建立平衡，它们的物质的量之比可能与自由能差相关，也可能无关。

常见错误警告：如果一个反应能产生两种产物，则生成最快的产物（动力学产物，thekinetic

product）不一定是能量最低的产物（热力学产物，thethermodynamicproduct）。例如，马来

酸酐与呋喃发生双烯加成反应得到双环产物。如果监测反应进程，则会观察到最初的产物是

空间更拥挤、能量更高的内型（endo）产物，但随着时间推移，产物会转化为相对不那么拥

挤、能量更低的外型（exo）产物。动力学产物随时间流逝而减少的原因是：这是一个由起

始反应物和热力学产物组成的化学平衡，而化学平衡一旦建立就倾向于生成能量低的产物。

然后，在大量实例中动力学产物并不与热力学产物构成平衡，而后者并未被观察到。在其他

实例中，热力学产物也是动力学产物。有机化学的乐趣之一就是设计反应条件使反应只能得

到动力学或热力学产物。

一开始，得到了等量的动力学和热力学产物。但是，如果体系能量足够高，动力学产物会与热力学产

物达到一个平衡并最终转化为热力学产物。

很多反应会经历不稳定、高能量、短寿命的中间体（intermediate），例如碳正离子。不

15/31

要把中间体和过渡态混为一谈。中间体是反应坐标图上的一个低谷（valley），而过渡态是一

个高峰（peak）。过渡态寿命极短，甚至不能存在超过一个分子振动周期的时间，也因此不

能分离；中间体存在时间可以从5个分子振动周期到几毫秒甚至几分钟。所有反应都会有过

渡态，但有些反应不经历中间体，有些反应有很多中间体。

获取关于过渡态的信息是极为困难的，因为它们存在时间不超过10

−14

秒，但关于它们

的信息对于研究相对速率等又极为重要。Hammond（哈蒙德）假说认为，过渡态的结构接

近于在它之前和在它之后的两种物质（可能是反应物、中间体或产物）中能量更高的那个（换

言之就是能量与过渡态接近的那个）。例如，考虑异丁烯与HCl的加成反应，会经历一个高

能量的中间体Me

3

C+碳正离子。反应的决速步是形成碳正离子这一步。根据Hammond假说，

形成碳正离子的过渡态的能量与碳正离子相关，因此，反应速率取决于碳正离子的稳定性。

*常见错误警告：Hammond假说把过渡态及与之相邻的前后两个化合物的结构和能量联系起来。因为这个

原因，一个放热反应的过渡态不便于和产物进行比较，因为放热反应的产物能量比反应物低。

“稳定”（stable）在有机化学用语中是一个模糊的概念。说一个化合物“稳定”，有时

候意味着它能量（ΔG°）低，换言之“热力学稳定”；有时候意味着它转化为其他物种的能

垒（ΔG‡）高，换言之“动力学稳定”。例如，苯和四叔丁基四面体烷都异乎寻常的稳定。

前者是热力学和动力学双重稳定，而后者是热力学不稳定动力学稳定。还有一些化合物，例

如半缩醛（hemiacetal）是动力学不稳定而热力学稳定。总体而言，“稳定”通常意味着“动

力学稳定”，但你应当时常保证自己明白它的意思。如果有所怀疑，就大胆发问。

1.4开始书写反应机理

书写有机反应的方式存在三个特点，经常让学生难以弄明白发生了什么。

第一，写在箭头上方或下方的有时是计量反应物，有时是催化剂，有时候仅仅是溶剂。

第二，有机反应经常不配平，经常忽略方程式右侧的简单产物例如盐、水、气体等（不

过左侧的反应物一般不忽略）。配平一个这样的方程式经常会有助于你判断总反应式并缩小

机理的选择范围。

第三，写在方程式右侧的产物通常是经过后处理（aqueousworkup）。后处理会把离子

型产物转化为中性物种。

16/31

当试剂被分号分隔开时，它意味着第一种试剂先加入和反应，接着加入第二种试剂并反

应，以此类推。用数字对试剂进行连续编号，有时候是与分号同样的意思，有时候意味着每

一个单独反应进行后，反应混合物经过后处理，产物被分离出来。

一个化学反应涉及成键类型的改变，因此当你坐下来书写一个反应机理时，最重要的是

明确在反应过程中，哪些键断开而哪些键形成。你可以按如下方法非常容易地达到目的：对

起始原料的非氢原子尽可能按顺序编号，接着借助原子的连接顺序、成键类型和使键的改变

最小化这三种手段，找到产物中的相同原子。记得对羰基氧和酯中的两个氧进行编号，以及

遵守Grossman规则！关注起始原料和产物中特定碳原子上氢原子是数目，有助于你对其进

行编号。有时候配平方程式也能提供重要线索。

有些学生不愿意花费时间对原子进行编号，但做这件事的重要性怎么强调都不为过。如果你不进行编

号，你可能无法判定哪些键断开或形成，而如果你不能做到这点，你就不能写出一个合理的机理！不

编号也许会节省时间，却搞明白键的变化情况很可能会耗费更多时间。

Problem1.4.配平下列方程式，并对起始原料和生成物中所有非氢原子编号。

当你已经对原子完成编号后，对非氢原子之间需要断裂和形成的σ键进行列表，但不

要考虑与氢原子相连的σ键，也不要考虑所有的π键！该过程会使你的注意力仅仅集中在最

重要的事情上：从起始原料到产物的成键类型的变化。不要为起始原料和产物的不同形式而

担忧，真正重要的地方是键的变化。有时候即使是少数化学键发生变化，产物也可能与起始

原料看起来极为不同。

Problem1.5.对Problem1.4.中两个反应的非氢原子之间断裂和形成的σ键进行列表。

为什么不应把π键包括在成/断键列表中呢？这是因为随着σ键的断裂和形成，π键的位

置自然的也会随之而变。碱性条件下，丙酮向烯醇的互变异构过程能很好的说明这一点。

17/31

你可能会说最重要的变化是π键从反应物的C＝O键转移到了生成物的C＝C键。π键

确实是发生了迁移（migrate），但这一事实并不能告诉你经历了怎样的机理步骤。如果你只

考虑σ键，你会发现你需要断开一根C—Hσ键，形成一根O—Hσ键。因为在碱性条件下

反应，反应第一步很可能是碱使酸性的α–C脱质子得到碳负离子，该过程当然会切断C—H

σ键。碱性的氧原子脱去EtOH的质子，形成一根新的O—Hσ键。既然正确的σ键已经断

开和形成，π键也就很自然地迁移到正确的位置。

注意：遵守Grossman规则可以更清晰地找到哪些σ键发生了变化。

为什么不应把与氢原子之间的σ键包括在成/断键列表中呢？这是因为断开和形成与氢

原子之间的σ键比其他σ键都容易得多，尤其是在极性反应中，在断开和形成重原子之间的

键的过程中，与氢原子之间的σ键自然地发生变化。当你已经断开和形成重原子之间的键，

还没得到产物，再考虑涉及氢原子的σ键。

1.5常见总反应分类

如果不进行反应分类，有机化学会成为彼此矛盾的信息的大杂烩。一种分类方法是按起

始原料和产物的关系，对总反应进行分类。有机反应中有四种基本的分类：加成（addition）

反应，消除（elimination）反应，取代（substitution）反应和重排（rearrangement）反应。

•在加成反应中，两种起始原料组合为一种产物。通常一种原料中的一根π键会被产物

中的两根σ键所代替。

•在消除反应中，一种起始原料分解为两种产物。通常起始原料的一根σ键会被一根新

的π键所代替。

•在取代反应中，一个通过σ键连接在起始原料上的原子或基团被另一个通过σ键连接

的原子或基团所代替。

18/31

•在重排反应中，一种起始原料得到了一个结构不同的产物。

有些变化过程由多种反应组合而成。例如，酯和Grignard试剂得到醇的反应包括一步

取代反应和一步加成反应。记住分类都是人提出来的。在一个特定反应发生前，一个化合物

可不会顾忌该反应是否在人们给出的分类标准中并停下它的脚步。

1.6反应机理的分类

对反应分类的第二种方式是根据机理的类型来分类。本书的章节也是根据这种按机理分

类的方式来组织的。但是，不要因为树木（机理）丢了一整片树林（总反应）。这两种分类

法都各有优点，在它们之间自由转换是非常有用的。

最基本的有机反应机理共有四种：极性（polar），自由基（free-radical），周环（pericyclic）

和金属催化或协同（metal-catalyzedormediated）的。

•极性反应会经历电子对从电子密度高的区域（称为“亲核体”，Nu，nucleophiles）移

动到从电子密度低的区域（称为“亲电体”，E，electrophiles），或者从充满的（filled）轨道

移向空轨道。极性机理还可以进一步分为碱性条件下和酸性条件下发生的反应。

•自由基反应经历单个电子的移动。新键通常是由两个半充满（half-filled）轨道各自提

供一个电子形成的。自由基反应经常会经历一个链式反应，但并不总是如此。

•周环反应的特征是电子在环内移动。

•金属协同或金属催化的反应需要过渡金属。但是，有些特定的过渡金属化合物在有机

反应中仅仅是作为Lewis酸（例如TiCl

4

和FeCl

3

），有些是像Na、Li这样的碱金属一样作

为单电子还原剂（例如TiCl

3

和SmI

2

）。被这些物质促进的反应通常被算作极性酸性反应，

周环反应或自由基反应。

机理和总反应的分类是有交叉的。例如，取代反应可以通过极性酸性、极性碱性、自由基、周环或金

属催化机理，而在碱性条件下发生的极性反应可能得到加成、消除、取代或重排产物。但这两种分类

法都有助于排除掉一些机理，留下其他一些。例如，碱性条件下，芳香取代反应可能经历三种机理：

亲核加成–消除机理，消除–加成机理或S

RN

1机理。如果知道总反应和机理的分类，你的选择会更少。

1.6.1极性机理

在极性反应中，亲核体与亲电体反应。此外，大多数极性反应是在酸性或碱性条件下发

生的。

19/31

亲核体和亲电体的概念可用于指代整个化合物，也可指代化合物中的原子或官能团。这

种二义性有时候让人迷惑。

亲核体和亲电体的概念对于理解极性反应最为有用，但也可以用在自由基和周环反应中。

1.6.1.1

亲核体

亲核体是一种带有相对高能量的电子对，能形成新键的化合物。一个亲核体可能是中性

的，也可能是带负电的。有三种不同的亲核体：孤对型（lone-pair）亲核体，σ键型亲核体，

π键型亲核体。

把亲核体范围三类完全是人为的。自然不会在反应发生前停下它的脚步来思考一个亲核体是孤对型还

是σ键型。引入这种分类仅仅是为了训练你更容易地认出亲核性原子或官能团。

•孤对型亲核体包括带孤对的原子。孤对用于和亲电性原子形成新键。醇（alcohol，ROH），

醇盐（alkoxides，RO

−

），胺（amine，R

3

N），金属氨基化合物（metaladmide，R

2

N

−

），卤素

负离子（X

−

），硫醇（thiol，RSH），硫醚（sulfide，R

2

S）和膦（phosphine，R

3

P）都是常见

的孤对型亲核体，羰基氧也是。当这些化合物作为亲核体进攻时，产物中亲核原子的形式电

荷增1.

弯箭头用于表示电子从亲核体流向亲电体。箭头的尾端应当在形成新键的孤对上，尖端应该指向亲电

原子或者形成新键的两个原子间。

•σ键型亲核体包含金属与非金属原子间的一根σ键。该键的电子用于在非金属和亲电

体之间形成一根新键。亲核原子的形式电荷不变，而金属原子的形式电荷增1。亲核原子可

能是一个杂原子（例如NaNH

2

或KOH），碳原子（例如Grignard试剂RMgBr，有机锂试剂

RLi，Gilman试剂R

2

CuLi，分别含有C—Mg、C—Li、C—Cu键），或氢原子（例如复合金

属氢化物NaBH

4

或LiAlH

4

）

金属和非金属键的强极性键E—M，经常被看做离子键E

−

M+。因此，PhC≡C—Li，H

3

C—MgBr和LiAlH

4

有时被写作PhC≡C

−

，H

3

C

−

和H

−

。因此σ键型亲核体实际上可看做孤对型亲核体。

•π键型亲核体使用π键电子——通常是C＝C键——在原π键的一个原子（亲核原子）

和亲电原子之间形成一根新的σ键。π键亲核原子的形式电荷和总电子数都不改变，但π键

另一个原子会变得缺电子，形式电荷增1。简单烯烃和芳香烃的π键亲核性弱；直接与杂原

子相连的π键，例如烯醇盐（enolate，C＝C—O

−

）、烯醇（enol，C＝C—OH）、烯醇醚（enol

ether，C＝C—OR）和烯胺（enamine,，C＝C—NR

2

），亲核性强得多。

一般来说，烯烃的2个C(sp2)中的任何一个都可以做亲核原子，但如果它们的取代基不

同，则其中一个的亲核性更强。

常见错误警告：亲核烯烃与亲电体反应时，较不缺电子的碳形成新键。直接被带孤对的杂原

子取代的烯烃（烯醇，烯醇盐，烯醇醚，烯胺），其β-C（即不与杂原子相连的C）亲核，α-C

20/31

（即与杂原子相连的C）不亲核。如果烯烃的取代基仅仅是烷基，则取代基较少的C亲核

性更强，取代基较多的碳在π键与亲电体加成后变得缺电子。

不同化合物有不同的亲核性。一种化合物的亲核性是通过测定25°C时在水中与CH

3

Br

反应的活性来决定的。“亲核性”与“碱性”——与H+反应的活性——之间有一些联系，但

它们也存在重要的差异。CH

3

Br不带电，相对较大，有相对高能量的LUMO（Lowest

UnoccupiedMolecularOrbital，最低未被占据分子轨道）。而H+带电，体积小，有相对低能

量的LUMO。此外，亲核性（与CH

3

Br反应是的速率）是一种动力学性质，而碱性（质子

化与脱质子化物种之间的平衡常数）则是一种热力学性质。因为这些差异，有些强碱是弱亲

核体，反之亦然。增强碱性通常也会增强亲核性，只有下列情况例外：

•周期表越往下的物种，碱性减弱，亲核性增强。因此，I

−

是强亲核体而Cl

−

的亲核性中

等；Et

2

S亲核性很强，而Et

2

O很弱。在阴离子的例子中，出现这种变化趋势的原因是像

MeOH这样的质子溶剂（通常也是测定亲核性的介质）能与较小的阴离子形成更强的氢键，

导致其亲核性降低。这种解释的证据是：在非极性溶剂和气相中，Cl

−

的碱性和亲核性都比

I

−

略强。在中性物种的例子中，Et

2

S的S具有更低的电负性，更大的体积也更有利于接近亲

电体。

•亲核性随亲核原子周围的空阻增大而急剧降低，而碱性略微增强。因此，尽管EtO

−

既

是强碱（pK

b

=17）也是强亲核体，t-BuO

−

是更强碱（pK

b

=19）但亲核性极差。

•电荷离域会大大降低碱性，但只是稍微降低亲核性。例如EtO

−

（pK

b

=17）与s-BuBr

在低温下反应比AcO

−

（pK

b

=4.7）更容易，但EtO

−

大都作为碱使s-BuBr发生E2消除反应

（参见第二章）得到2–丁烯，而大都作为亲核体使s-BuBr发生S

N

2取代反应得到s-BuOAc。

AcO

−

的碱性和亲核性都弱于EtO

−

，因此它需要更高温度来反应，但一旦它真正反应，产物

中，取代产物的比例更大，这是因为AcO

−

的碱性大大弱于EtO

−

，而亲核性只是略低。类似

的，简单酯的烯醇盐（pK

b

=25）与二级卤代烃（例如i-PrBr）在低温下反应主要得到消除

产物，而丙二酸酯阴离子（pK

b

=14）需要更高温度才与i-PrBr反应，但主要得到取代产物。

•偶极溶剂（极性非质子溶剂，是有极性、液态、非粘性、难以电离出质子的化合物）

21/31

中缺乏氢键，使溶剂在其中的阴离子不受束缚，活性尤其高，从而导致阴离子的碱性和亲核

性都增强，但亲核性增强得更明显。例如，F

−

在水溶液中因为强氢键作用，极其不活泼，但

在DMSO中可以与卤代烃反应。常见的偶极溶剂有DMSO（二甲亚砜，Dimethylsulfoxide

），

HMPA（六甲基磷酰三胺，Hexamethylphosphoramide），DMF（N,N–二甲基甲酰胺，

N,N-Dimethylformamide），DMA（N,N–二甲基乙酰胺，N,N-Dimethylacetamide），NMP

（N–甲基吡咯烷酮，N-methyl-2-pyrrolidone），DMPU（N,N’–二甲基丙烯基脲，

N,N'-Dimethylpropyleneurea）和吡啶（pyridine），但不包括EtOH和H

2

O。注意：为了书写

机理，对你来说意识到一种特定的溶剂是偶极溶剂比知道它的结构更重要。

无亲核性的碱在有机化学中扮演中特殊的角色，因此认识广泛应用的那些碱是非常重要

的：t-BuOK，LiN(i-Pr)

2

（LDA，二异丙基氨基锂，Lithiumdiisopropylamide），LiN(SiMe

3

)

2

（LiHMDS，六甲基二硅基氨基锂，LithiumHexamethyldisiazide），KN(SiMe

3

)

2

（KHMDS，

六甲基二硅基氨基钾，PotassiumHexamethyldisiazide），NaH和KH，EtN(i-Pr)

2

（Hünig’sba，

休尼希碱）和DBU（1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯，1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-1-ene）。

这些碱大都有很大的空阻，除了DBU对1°卤代烃也有一定亲核性，而金属氢化物因为动力

学原因没有亲核性。再次重申，记住这些化合物的性质比记住它们的结构更重要！

有时候确定一个化合物的亲核性和亲电性位点是很困难的。在这种情况下，请遵守Meier

规则：如果有疑问，画出所有的孤对和共振结构，直到问题解决。

一个化合物第二好（cond-best）的共振结构能给出亲核位点和亲电位点。例如，如果

画出苯甲醚（anisole）的共振结构，你会很容易明白为何亲电体总是进攻邻位（ortho）或

对位（para），而不是间位（meta）。如果画出丙酮（Me

2

C＝O）第二好的共振结构，很容易

看出羰基碳有亲电性。

在酸性和碱性条件下可以看到不同种类的典型亲核体。

•孤对型亲核体，如果是强碱（RC≡C

−

，R

2

N

−

，RO

−

，RS

−

），则只能存在于碱性条件下；

弱碱（卤素负离子，RCOO

−

，RSO

3

−

，R

2

S，R

3

P）可以在碱性或酸性条件下存在。水和醇也

可以存在与碱性或酸性条件下，但在碱性条件下它们在与亲电体反应前会被脱掉质子，酸性

条件下就不会。胺（amine）在酸性条件下会被质子化为铵盐（R

3

NH+），后者没有任何孤对，

不具备亲核性，因此它们必须先经过一个脱质子化过程再作为亲核体进攻。

•大多数σ键型亲核体（PhMgBr，CH

3

Li，LiAlH

4

，NaBH

4

）碱性都极强，所以它们都

只能在碱性条件下使用。只有少数σ键型亲核体可以在酸性条件下存在：Lewis酸型亲核体，

例如AlMe

3

，ZnEt

2

和i-Bu

2

AlH；少数非Lewis酸型H

−

源，例如NaBH(OAc)

3

和NaBH

3

CN。

•大多数π键型亲核体（烯醇，烯醇醚，烯胺，简单烷基取代的烯烃和芳香烃）可以在

22/31

酸性和碱性条件下存在，但烯醇盐只能在碱性条件下存在。不过，在碱性条件下，π键型亲

核体中只有烯醇盐和烯胺有足够强活性进攻亲电体。

1.6.1.2

亲电体和离去基团

亲电体是一种带有相对低能量的空轨道，能接受外来电子形成新键的化合物。一个亲电

体可能是中性的，也可能是带正电的。有三种不同的亲电体：Lewis酸型亲电体，π键型亲

电体，σ键型亲电体。

•Lewis酸型亲电体有一个未达到八隅律的E原子和一个低能量的非键轨道——通常是

p轨道。来自亲核体的一对电子使之达到八隅律，在亲核位点和E之间形成一根新键。反应

后E的形式电荷减1。碳正离子，硼和铝的化合物是常见的Lewis酸型亲电体。

•在π键型亲电体中，亲电原子E满足八隅律，但它通过一个π键与一个能接受外来电

子的原子或原子团相连。π键型亲电体通常有C＝O，C＝N或C≡N键，在这些键中电负性

较低的原子是亲电原子。C＝C和C≡C键与亲电原子相连时，也是亲电的。SO

3

和RN＝O

也是亲电体。某些阳离子型亲电体可被划分为Lewis酸型的，也可算作π键型的，取决于使

用最好的还是第二好的共振结构。例如，R

2

C＝O

+

H↔R

2

C

+

—OH，H

2

C＝N+Me

2

，RC≡O，O

＝N＝O，N≡O也同理）。当一个亲核体进攻一个π键型亲电体时，π键断裂，π键电子移

到π键的另一个原子上（即没被亲核体进攻的原子），导致其形式电荷减1。

•σ键型亲电体有E—Xσ键。亲电原子E满足八隅律，但它通过一根σ键与一个原子或

原子团相连。后者称为离去基团（

leavinggroup），离去时会带走E—X键的一对电子，形成

独立的X

−

，形式电荷减1。亲核体与σ键型亲电体反应时，一对电子与亲核原子E形成一

根新键，自身的形式电荷增1。E的总电子数没有变化。

σ键型亲电体还可进一步分为三类：E为碳原子的，E为杂原子的，E为H原子的（Brønsted

酸型）。第一类包括卤代烃（alkylhalide），烷基磺酸酯（alkylsulfonate

）和其他的拟卤素代

物（pudohalide），