第1章反應機理解析的基本概念與方法1

1.1有機反應的分類1

1.1.1獨對電子轉移的反應1

1.1.2單電子轉移的反應4

1.2反應機理的表達與改進6

1.2.1電子轉移標注的意義6

1.2.2彎箭頭及其彎曲方向9

1.2.3設定虛線彎箭頭的意義11

1.3共振中間體的簡化處理13

1.3.1中間體穩定狀態的共振論14

1.3.2烯醇式與酮式共振體繫的機理簡化14

1.3.3碳正離子在共軛烯烴分子內的共振狀態15

1.3.4芳烴為親核試劑的反應機理簡化16

1.3.5取代芳烴為親電試劑的反應機理簡化16

1.4極性反應機理解析要點17

1.4.1遵循三要素的基本規律18

1.4.2π鍵上的三要素特征19

1.4.3多步串聯的極性反應22

1.4.4極性反應的中間狀態24

1.4.5極性反應三要素的動態觀察30

參考文獻32

第2章反應機理解析的理論基礎33

素電負性與基團電負性33

2.1.1負離子的電負性顯著減小35

2.1.2正離子的電負性顯著增大37

2.1.3基團電負性的動態觀察40

2.2誘導效應與共軛效應42

2.2.1誘導效應的孤立觀察42

2.2.2共軛效應的孤立觀察43

2.2.3誘導效應、共軛效應的疊加44

2.3共軛體繫內的共振狀態47

2.3.1化學鍵上的共振狀態48

2.3.2分子內的空間共振52

2.4極性反應過程中三要素及其電荷的動態變化54

2.4.1三要素的電荷動態變化趨勢54

2.4.2電荷分布與反應機理的關繫57

2.5分子內空間誘導效應60

2.5.1分子內空間誘導效應的起源、特點、作用與形式61

2.5.2分子內空間誘導效應與分子內氫鍵62

2.5.3分子內空間誘導效應與場效應63

2.5.4分子內空間誘導效應對於反應活性的影響65

參考文獻67

第3章極性反應的基本規律69

3.1遵循電子轉移規律解析反應機理69

3.1.1以往的極性反應機理解析之概念69

3.1.2極性反應機理的簡化與改進72

3.2分子結構、反應機理、反應活性與催化作用之間的對應關繫79

3.2.1三要素中同一要素的活性比較79

3.2.2同類試劑催化作用原理80

3.2.3結構、機理、活性、催化之間的一一對應關繫82

3.3應用物理化學理論解析極性反應機理85

3.3.1結活關繫排序的難度與障礙85

3.3.2用物理化學理論解析反應的活性中間狀態86

3.3.3反應動力學、反應熱力學與極性反應三要素的對應關繫88

3.3.4離去基離去後的三種狀態94

參考文獻96

第4章親核試劑98

4.1雜原子親核試劑及其反應活性98

4.1.1所帶電荷對親核試劑反應活性的影響98

4.1.2不素、不同堿性基團親核試劑的反應活性99

4.1.3可極化度對親核活性的影響99

4.1.4空間位阻對親核活性的影響99

4.2π鍵親核試劑100

4.2.1烯烴親核試劑的結構、反應活性、反應機理與定位規律100

4.2.2芳烴親核試劑的結構、活性與定位規律102

4.2.3烯醇結構親核試劑及其共振狀態106

4.2.4其他π鍵親核試劑108

4.3碳負離子親核試劑111

4.3.1金屬有機化合物111

4.3.2共軛狀態的碳負離子112

4.3.3其他碳負離子116

4.4負氫親核試劑的結構與活性119

4.4.1與低素成鍵的氫化物119

4.4.2與親核試劑成鍵的氫化物123

4.4.3按周環反應機理進行的負氫轉移125

4.5親核試劑的催化與共振126

4.5.1兩可親核試劑127

4.5.2親核試劑的堿催化過程132

4.6親核活性與堿性的異同138

4.6.1堿催化親核試劑過程中的堿性變化138

4.6.2堿催化親核試劑過程中的親核活性變化139

參考文獻139

第5章親電試劑141

5.1空軌道型親電試劑141

5.1.1路易斯酸親電試劑141

5.1.2缺電正離子親電試劑144

5.1.3碳正離子親電試劑146

5.1.4質子親電試劑150

5.2帶有離去基的親電試劑151

5.2.1具有獨立離去基的親電試劑151

5.2.2缺電的不對稱π鍵親電試劑151

5.3酸催化生成的親電試劑155

5.3.1酸催化產生親電試劑的基本原理155

5.3.2非親電試劑在酸性條件下的轉化155

5.3.3弱親電試劑的酸性催化158

5.4親電試劑的結構與活性161

5.4.1羰基化合物的親電活性161

5.4.2不同種類親電試劑的活性比較163

5.5以碳正離子為親電試劑的反應168

5.5.1直接與親核試劑成鍵168

5.5.2吸引鄰位σ鍵成鍵169

5.6碳氫親電試劑的差別170

5.6.1碳氫親電試劑的活性比較170

5.6.2多位親電試劑的選擇性171

參考文獻172

第6章離去基174

6.1離去基是化學反應方向的決定因素175

6.1.1離去基的相對活性175

6.1.2離去基的平衡轉移180

6.2離去基的離去活性比較184

6.2.1堿性越弱的基團越容易離去184

6.2.2酸催化的基團容易離去185

6.2.3可極化度大的基團容易離去189

6.3離去基的催化與衍生化192

6.3.1離去基的酸催化離去192

6.3.2幾個典型的離去基催化劑194

6.3.3離去基的衍生化催化196

6.4幾種常見的離去基198

6.4.1負氫的離去與轉移198

6.4.2碳原子離去基204

6.4.3π鍵離去基206

參考文獻209

第7章三要素之間的相互關繫211

7.1親核試劑與親電試劑的關繫211

7.1.1同一分子內，兩者相互依存，不可分割211

7.1.2同一分子內，兩者活性不同，主次分明212

7.1.3兩者成鍵的反應活性互補212

7.1.4兩者均有較強活性，在分子內不能共存214

7.1.5兩者反應活性的影響因素截然相反216

7.1.6兩者的催化作用相反，且一一對應218

7.1.7兩者之間隨電子雲密度的量變而相互轉化220

7.2親核試劑與離去基的關繫223

7.2.1兩者結構類同，可相互轉化223

7.2.2兩者在相互競爭中共處平衡224

7.2.3兩者難以共存於同一分子內225

7.2.4兩者的催化作用方向截然相反229

7.2.5碳氫離去基轉化為親核試劑的規律與特點232

7.3親電試劑與離去基的關繫234

7.3.1兩者互為存在條件，相輔相成234

7.3.2兩者互帶異電，容易處於離解平衡狀態236

7.3.3兩者均為酸催化作用機理238

7.3.4路易斯酸及其絡合物的性質240

參考文獻242

第8章分子內的電荷分布與反應活性243

8.1分子內電荷分布的動態觀察243

8.1.1π鍵化合物電荷分布與定位規律243

8.1.2反應活性中間體上電荷的動態變化247

8.2分素的外層電子排布規律與特點249

8.2.1八隅律規則及其適用範圍249

8.2.2pπ-dπ鍵的結構與共振251

8.2.3葉立德試劑的結構與性質252

8.3雜原子基團內的電荷分布與性質256

8.3.1帶正電荷的雜原子基團隻可能成為親電試劑256

8.3.2帶負電荷的雜原子基團隻可能成為親核試劑258

8.4碳原子的活性中間狀態及其性質260

8.4.1碳正離子的生成與性質260

8.4.2碳負離子的生成與湮滅262

8.4.3自由基的生成與自由基反應機理267

8.4.4卡賓的產生與化學性質271

8.5分子結構變化的動態平衡275

8.5.1不同酸堿性條件下基團的功能或屬性275

8.5.2芳烴的定位效應與異常情況276

8.5.3Friedel-Crafts反應的絡合平衡276

8.5.4烯酮共軛體繫內的親電試劑活性對比277

8.5.5苯酚親核試劑的定位規律及其變化277

8.5.6苯磺酸堿性水解反應機理278

8.5.7芳胺與親電試劑的反應及其定位規律278

參考文獻279

第9章反應機理解析的應用281

9.1根據反應機理構思合成工藝281

9.1.1反式-4-丙基環己基乙腈的合成路線改進281

9.1.2杜塞酰胺合成新工藝構思282

9.1.3羰基α-位的單鹵取代物的合成路線構思284

9.2中間體識別與反應轉化率問題285

9.2.1糠醛催化溴化反應的轉化率問題285

9.2.2羥基鹵代反應的中間體識別286

9.2.3氰基取代反應的中間狀態識別288

9.2.4中間狀態結構的識別和利用289

9.2.5羰基加成-消除反應中間體的識別291

9.3根據反應機理解析認識和解決反應選擇性問題292

9.3.1異構重排副反應的抑制293

9.3.2異氰酸酯合成過程中的副反應抑制293

9.3.3糠醛溴化副反應的抑制295

9.3.4烷基化反應異構體的抑制297

9.4根據反應機理解決產品質量問題298

9.4.1異構重排副產物的抑制298

9.4.2副產物的結構、生成機理與控制300

9.4.3溶劑參與副反應的抑制304

9.5根據反應機理選擇工藝路線307

9.5.1制備芳酮的合成路線比較307

9.5.2醇羥基溴代反應的合成路線比較310

9.5.3羧酸的酯化與羧酸酯水解反應的機理選擇310

9.5.4取代硼酸的合成工藝與路線選擇312

9.6副產物的回收與綜合利用314

9.6.1副產磷酸的回收與綜合利用314

9.6.2亞磷酸的回收與綜合利用316

9.6.3廢硫酸的綜合利用317

9.6.4二氧化硫的回收與循環利用317

參考文獻319

人們對有機反應規律的認識，是一個逐步深化的漸進過程，對其理解的深度與境界，體現在對反應機理解析的正確把握。反應機反應的集成，更是對化學反應原理的抽像概括。將化學反應原理貫反應解析的全過程，是化學反應機理解析的客觀要求。正是基於反應原理的目的，作者以此書與同行專家學者交流。

對於一個具體的化學反應，人們容易知其原料組成與主副產物，而若干不穩定的中間狀態往往未知且又難以檢測，這就為反應機理解析帶來了難度，同時也預留了較大的想像空間。然而，反應機理不可任意推測，它必須符合經典的數學、物理學和化學的基本原理，必須符合分子結構與反應活性關繫的客觀規律。大量反應的機理是人為地解析出來的，因而受到學者所掌握的理論基礎的限制且帶有個人學術觀點，而隻有符合化學反應客觀規律且與實驗條件、實際完全吻合的反應機理纔是正確的和客觀的。“新陳代謝是宇宙間永恆的、不可抵抗的運動，”基於如上觀點，作者以本書的若干新論點、新概念、新方法與讀者研究、討論、比較、鋻別。

化學反應過程無一不是電子有序轉移的過程。正是依據電子運動規律，本書抽像化地簡化了極性反應機理解析過程，將所有極性反應歸一化為同一種；正是依據電子運動規律，本書揭示了極性反應各要素的分子結構、反應機理、反應活性與催化作用之間客觀存在著的一一對應關繫；正是依據電子運動規律，本書揭示了影響化學反應的物理化學規律，次揭示了無產物化學反應過程。正是這些論點的提出和應用，使得反應機理解析過程理論化、簡單化、實用化了，便於讀者比較、鋻別、掌握和運用。

有些化學反應機理確實相當復雜，這從反應的立體專一性和區域選擇性就能證明。人們之所以對於反應機理解析感到困惑和無奈，並非是反應機理有多麼復雜難解，而是缺乏這種反應解析繫統的理論和若干反應機理無理解析的干擾。考慮到廣大化學工作者的實際需求，本書從基本的原理出發，不過多關注信息量的廣度，主要關注反應原理的深度。簡化反應機理解析過程，揭示反應發生的內在原因，是本書的主要目的。

反應機理解析不是終極目的。人們學習、研究客觀規律的目的是希望能利用對客觀規律的認識去改造世界。作者曾與化學界的諸多專家、學者討論反應機理，深切地感受到反應機理解析對於解決化學反應實際問題很有意義，也確實解決了若干有機合成領域中的若干實際問題，機理解析理論的實用性也得到了同行專家、學者的普遍認同。解決化學品研究開發、生產過程的實際問題，是本書寫作的初衷。

在本書撰寫過程中，得到了若干專家學者的支持和幫助，在此深表感謝。感謝上海醫藥工業研究院張福利研究員、中國科學院大連化學物理研究所周業慎研究員對於本書的審核，感謝楊曉格博士、吳東輝碩士、王洋碩士、範莉莉碩士、張綏英碩士、孫立芹碩士對於本書的編輯和整理。

受作者理論水平與實踐經驗所限，本書一定會存在若干不足，懇請各位同行及讀者給予批評指正。



陳榮業

2017年5月 於大連