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第六章 Wade规则
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有机化学中的三种基础分析理论的经验化运用方法与有机合成.doc 79页
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有机化学中的三种基础分析理论的经验化运用方法与有机合成的关系介绍
在基础有机化学中,VB映射出的经验化理论--共振,被广泛,深入地熟悉且使用。共振利用明显的价键概念和极限的思想来处理有机化学中的化合物结构表达; 动力学角度对中间体进行共振分析--这相当于近似分析过渡态(Hammond假说);以及分析几组类似化合物的相对稳定性等问题。共振也被用来进行酸碱性,反应性,甚至用在我之前所提到的D-A反应区域选择问题中去进行解释。在无机化学里,共振也是很常见的经验化处理问题的手段。共振是简单有效的前提是要符合共振论的使用范围--共振对应的是单一化合物或者中间体(近似过渡态)。而对于比如烯醇和酮原子位置变化了,或者环丁二烯的两种结构等一些例子里,共振显然是不合适的。环丁二烯的两种结构并非共振,因为都是长方形的,基本的sigma骨架势必变化了,共振也就失去了效应(实际上环丁二烯两组π键重叠度不高)。
在现代有机化学中,人们对产物的立体构型判断和预测加大了重视并且切实掌握了很多新理论和实验方法。这部分研究起始于周环反应和一些协同反应。人们通过研究反应关键步骤的发生条件以及对这些条件下反应产物立体构型进行分析,开始获得一些规律。其中最为著名的原理就是由R B伍德沃德和霍夫曼 R提出的分子轨道对称守恒原理。即认为控制周环反应的产物立体构型的核心因素是分子轨道的对称性。
我们先来复习一下分子轨道对称守恒的基本思想:“化学反应是分子轨道进行重新组合的过程,在一个协同反应中,分子轨道的对称性是守恒的,即由原料到产物,轨道的对称性是始终不变的,因为只有这样,才能用最低的能量形成反应中的过渡态。因此分子轨道的对称性控制着整个反应的进程。”而分子轨道对称守恒原理也帮助发展了两种经验化理论:前线分子轨道理论和能级相关理论,这两种理论也帮助了化学家们从根本上了解和预测周环反应,以及其他的一些协同反应。这两种理论本身都是从波函数出发,只是做出了不同假设而已(因此都可以涉及精确计算)。我们要学习的是如何在非计算化学的角度去使用这些理论,就像用共振理论一样。
先来谈谈反应条件,如同我们在基础有机中所学习的,两种主要的反应条件:加热和光照是最重要的。问及区别:加热时,体系受热辐射的影响,但由于热辐射光子能量低,底物分子并不受激发,所以只要温度不是太高,反应一般是基态发生的。在高温和光照条件下,底物分子收激发处于激发态(光照能做到这一点是因为光子的能量很高)。反应也往往是激发态时发生的。(这部分内容实际上非常复杂,并不是如上述所说的那么简单的。有兴趣的同学可以额外学习下有机光化学。)
-共价键的性质和这些性质与反应活性的关系等问题(笔者会在每一个涉及这些概念的小节中重新强调)
--键的强度(由断键所需能量体现)由什么因素影响?
由共价键成分和离子键成分共同影响。
因此:由于每一个键被共价成分和离子成分影响的程度都不同,所以多数键的强度都是难以根据经验判断的。
--对于共价键而言,有什么因素会影响键的强度?
1)组成的原子轨道的能量差异,如果两个能量相近的原子轨道组成共价键,那么成键也就比较有效。
2)重叠度和原子轨道重叠时的方向也会影响共价键的强弱。重叠度大的共价键成键效果相对好。比如
前者产生的共价键就要比后者强一点。对于相同原子轨道(有机化学中往往是p轨道)组成的π键而言也是如此。
3)对称性匹配。这点在后面的章节中会被详细得讨论。
--相对弱的共价键会在反应中有什么特点?
反应活性会相对地较高。比如C-C键与C-Si键相比较
C-Si键比C-C键要弱,C-Si反键轨道能量更低而成键轨道能量更高—这两者的能量都较C-C键的反键与成键轨道更接近组成的原子轨道的能量,也就是说,根据原子轨道(或者分子轨道,概念是一样的)之间能量相近,其组成分子轨道也就越有效的角度来看,C-Si键的反应活性是比C-C键要高的。而事实证明确实如此。C-Si键不管对亲电反应还是亲核反应都要比C-C键具有更高活性。
在正式开始话题之前,我们不妨再来复习一下基础的分子轨道理论的概念。
由于本文的目的是培养读者具有经验化判断的能力,所以我们的讨论应该尽量避免数学和复杂的量化术语。因此只需要明确几个重要概念和规则即可。
什么是分子轨道?
“分子中每个电子都是在各个原子核和其余电子组成的平均势场中运动,第i个电子的运动状态可以用波函数Ψi描述,Ψi称为分子中的单电子波函数,又称分子轨道。”简单来说,某电子在分子中运动的状态就是分子轨道。
--分子轨道理论的主要用途?
分子轨道理论也是几个重要基础的结构化学理论之一 ,其用途基本是用来描述分子结构和电子云密度的。
--分子轨道如何产生?
能量相近的原子轨道的线性组合(LCAO)产生分子轨道。
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