[从0开始学有机—3]有机“三大效应”的理解

作者: 星狮艾迪克斯小轩

从这一单元开始就要正式进入有机化学素养培训了,就当做在有机化学边缘试探.jpg好了hhh。前面讲的一些分子结构只是笼统的认识到分子长啥样,但是具体有什么性质还是得从今天开始~

好了废话不多说,下面的介绍我尽量用最直白的话叙述也好给入门的旁友看的明白。

三大效应的理解

从这里开始就是你有机素养培养的第一步,通过三大效应来解释有机里面的问题~

那么是哪三大效应呢?

—1.诱导效应(电子效应)

—2.共轭效应(含超共轭效应)

—3.体积效应(或者叫空间立体效应)

在这里我给大家一个个用自己直白的理解给大家解释。

首先是诱导效应

我们都知道分子是由各个原子通过化学键连接起来的,而化学键又是由两个原子各提供一个电子形成的。在有机分子中常出现的原子是碳,氢,氧,氮,磷,硫和四个卤原子(氟氯溴碘)。当然不同原子就有不同的抢夺成键电子的能力,这个在高中我们就知道叫做“电负性”,而诱导效应就是由电负性所引起的一场关于成键电子争夺的“拔河比赛”,谁力气更大谁就能部分获得那一对电子。

简单版的电负性比较
简单版的电负性比较

这样导致的结果就是一个分子“仔细”来看就不是中性的,而是出现了部分电荷,产生了“脆弱点”,这就使得其他的分子有机可乘,从而发生了有机反应。这个分子内的“不和谐”可以说是有机反应的核心之一了。

举个例子,只含碳氢元素的烷烃由于碳和氢原子的电负性十分接近(默认为相等就好了啦),导致了烷烃分子是看不出“脆弱易进攻点”的,他们很团结(x,所以这也是为什么烷烃很难发生有机反应。当然除了带着刀的自由基,那就另当别论了。

重新理解部分反应的实质
重新理解部分反应的实质

所以把这种出现“非平衡”化学键的原子或者原子团就称为“官能团”了

从诱导效应重新理解给电子&吸电子基团

首先明确一个最根本的道理就是“基团都想着让自己处于电中性这个稳态”

因为诱导效应而出现部分正电荷的原子,想着从旁边再夺取电子使自己变成电中性,所以这类基团就是吸电子基团,它对相邻的化学键都有着吸电子的趋势;相反的,如果这个原子出现了部分负电荷,它就想方设法把电子给隔壁原子,所以这类基团就是给电子基团。

几个常见吸电子基团的举例
几个常见吸电子基团的举例

羧基则是一个很有意思的基团,电离前后诱导效应正好相反,这也解释了为什么二元有机酸两个羧基酸性差别大的原因之一(后一章还会讨论)

羧基电离前后诱导效应的对比
羧基电离前后诱导效应的对比

最后也是比较重要的一点是,原子杂化轨道方式也影响了原子电负性,而且sp>sp2>sp3,即s成分越多电负性越大

第二,是共轭效应

这个大家原谅我,你们还是看书理解比较透彻,我也讲不出啥花样。但是记住这句话“共平面,有孤电,相邻原子才出现”

再举几个比较有意思的例子理解一下~

两个烯烃稳定性明显不同
两个烯烃稳定性明显不同

因为氯原子电负性大,但是又有孤对电子,所以是存在诱导效应和共轭效应竞争的关系。但是第一个烯烃氯原子和sp2碳直接相连,可以理解为sp2碳电负性和氯原子相当所以只接受了氯原子的共轭效应使得这个烯烃比一般烯烃稳定。而第二个烯烃,由于和sp2碳直接相连的是没有孤对电子的sp3碳原子,没有共轭效应,但是却强烈的受到了相隔一个碳原子的氯原子诱导效应影响,π电子云严重偏离,导致该烯烃肯定不稳定。

最后,是体积效应

一句话来说就是“你太胖了,我挪会,不然难受”

分子里的基团之间,分子和分子之间这种思想也是根深蒂固的。它们真的都挺傲娇的,除非是产生爱情的氢键,不然是不会轻易靠近的。比如很多理论上行得通的反应,实际操作起来就是不反应或者反应慢,原因就是因为反应位点虽然十分完美,但是左右,上下被其他基团挤得严严实实的,进攻分子根本挤不进去,所以导致了上述结果。例如:

因为叔丁基过大的体积阻止了亚硫酸根进攻
因为叔丁基过大的体积阻止了亚硫酸根进攻

还例如第一节讲的crem法则,选择了小基团方向进攻其实也是体积效应导致的。

所以考虑一个反应或者审视一个分子,一定要全面立体的去观察考虑,这就得用上前面讲的立体化学基础了。

最后就是综合三个因素一起考虑,得出最优进攻位点是最终目的。

多进攻位点的选择
多进攻位点的选择

首先可以看出这个分子有三个进攻位点(因为都拥有“非平衡”化学键),那么具有亲核能力的氰酸根更喜欢哪一个呢?

首先1号碳(若只发生SN2反应)由于隔壁左右都连有体积较大的基团,氰酸根不太喜欢;2号羰基碳也可以用体积效应解释,并且由于隔壁氯原子的诱导效应使得羰基氧不易质子化;只有3号碳原子看起来最满足要求,所以可以初步判断3号碳原子是最优的反应位点。

综上小结,有机反应、有机分子几乎都可以从这三大效应考虑解答,而且绝对有理有据而且富有灵性

当然我举出来的例子也许比较简单但理性地分析才是重点吼~​​​​

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