关于有机化学教学中几个问题的探讨（一）
南京大学化学化工学院 冯骏材
编者按：2019年7月，南京大学冯骏材教授在“第五届全国高等学校有机化学（含实验）教学与课程建设研讨会”上作了题为“关于有机化学教学中几个问题的探讨”的大会报告。报告共探讨了7个有机化学教学中的具体问题。编者整理了冯教授的报告文稿，分三期推出，以期对有机化学教学工作有所裨益。
关于有机化学教学中几个问题的探讨：
1. 关于有机化合物的结构问题（结构的阐述，起点与终点）
2. 关于对烯烃离子型亲电加成反应中的区域选择性规律的认识问题
3. 关于对硼氢化-氧化的区域选择性规律的认识
4. 关于卤素鎓离子与α-溴代碳正离子问题
5. 正确书写环己烷的椅式构象的技巧
6. 在苯炔机理中，原有取代基对亲核取代反应区域选择性的影响
7. 关于在反应机理中慎写或不再书写伯碳正离子的建议
一、关于有机化合物的结构问题（结构的阐述，起点与终点）
有机化学的核心内容主要包括结构、基本反应和合成三部分。而反应和合成实际上是一个问题的两个方面。各类化合物的化学性质是在结构的基础上通过该类化合物官能团的反应来叙述的，在反应的讨论中一定会涉及官能团的转换、碳架的变化、构型的建立和转变等内容。而合成则是寻求用最合理的方法，利用各类化合物的反应特征构建成具有特定碳架、构型和官能团的目标分子。因此，从这个意义上讲，无论各学科对有机化学有什么不同要求，其有机化学教学的核心内容应该紧紧扣住各类化合物的结构和反应这是一致的，但内容的侧重、深浅、宽度、要求和结合的实例可以不同。
结构决定性质，结构除包括各类官能团化合物的结构外，还必须包含反应过程中的活泼中间体的结构。只有掌握了这些结构特征，才能理解反应的过程，理解结构对反应的影响，理解反应条件对反应的影响和产物的特征，才能在举一反三方面有所提高。
有机化学是一门实验科学，一切理论都是建立在实验的基础上的。因此，在教学中对底物结构的讨论也应该遵循这个原则。我们以对烯烃结构的讨论为例，简单讨论如下：
对烯烃结构的讨论应该是：键角(实验测定出来的结果)—碳原子的sp2杂化状态—p轨道与三个sp2轨道所在平面垂直—p轨道侧面交盖组成π键—烯烃平面结构—π键垂直于该平面且分布在此平面的上下，而不是无序地、随意地给出结果。否则，就算知道了烯烃结构的各项结果，却还不知道或说不清烯烃为什么是平面结构。
在乙烯分子中，∠HCH为117.2°，∠HCC为121.4°，接近120°，因此可以认为乙烯及其他烯烃的碳碳双键中两个碳原子都是sp2杂化的。
双键的两个碳原子各用一个sp2杂化轨道沿轴向互相交盖重叠形成碳碳σ键，每个碳原子再各用两个sp2杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道交盖重叠形成两个碳氢σ键，共生成四个碳氢σ键。每个sp2杂化碳原子上还有一个未参加杂化的p轨道，它垂直于三个sp2杂化轨道所在的平面。当两个碳原子上p轨道的对称轴互相平行时，可以最大限度地从侧面互相重叠，从而形成π键，因此碳碳双键是由一个σ键和一个π键组成的（图1）。
图1 乙烯分子中的σ键（a）和π键（b）示意图
《有机化学原理》（冯骏材等，科学出版社，2015）图5-1
在乙烯分子中，一个碳碳σ键和四个碳氢σ键在同一平面内，因此乙烯分子为平面结构。而由p轨道从侧面重叠形成的π键则垂直于分子平面，π电子云分布在分子平面的上下[图1(b)]，电子云较集中的区域在碳碳双键之间。碳碳双键上的结构决定了两个碳原子不能再以碳碳σ键为轴自由旋转，否则将引起构成π键的两个p轨道的重叠程度降低，导致π键的断裂。然后在结构的基础上再讨论性质。
醇、醚和酚的结构，苯的结构，羰基的结构和胺的结构等都是从键角出发讨论相关原子的杂化状态后才得出相应化合物结构特征的，然后在此基础上讨论它们的物理和化学性质。只有掌握了分析问题的方法才能取得真正的教学效果。
中间体的结构是从反应机理的角度能有效地判断反应的主要产物、反应的区域选择性、产物的构型等的关键。因此，碳正离子中间体、自由基中间体、苯环上取代反应的络合物、苯炔中间体等在教学中必须交代清楚。
二、关于对烯烃离子型亲电加成反应中的区域选择性规律的认识问题
1857年：F. A. Kekulè和A. S. Couper先后提出了碳原子的四价理论。Kekulè建立了苯的结构学说。1874年：J. H. van’t Hoff和J. A. Le Bel分别提出了碳的四面体结构学说。
如何认识Markovnikov规则和反Markovnikov规则？(Markovnikov，俄国化学家，1870年在他的博士论文“化合物中原子相互影响的一些材料”的注脚中提到此事，但直到60年后才被认可。即Ingold在1930年研究了烯烃的亲电加成的过程，提出了碳正离子稳定性的概念，从而得到合理的解释)
对于结构不对称烯烃与卤化氢加成时，可以生成取向不同的产物。具体的大概可以有下列几种情况：
1．对于碳碳双键上具有一烷基取代或二烷基取代的链端烯烃
大量的实验事实说明，当这种类型的不对称烯烃与卤化氢发生亲电加成反应时，氢原子加在含氢较多的双键碳原子上的产物是主要产物。例如
烯烃的这种区域选择性反应规律称为Markovnikov规则。
这种区域选择性反应规律可以从加成反应机理进行解释。烯烃与卤化氢的加成反应分两步进行：首先，卤化氢中带正电荷的质子作为亲电试剂进攻碳碳双键上的π电子云，π键断开，形成中间体碳正离子，然后碳正离子中间体与溶液中的卤素负离子结合，生成卤代烷。
由于在第一步反应中要发生π键的断裂，因此第一步反应是反应慢的一步，为反应速率的决定步骤。其反应的势能曲线示意图如图2所示。
图2 烯烃加卤化氢的势能曲线示意图
《有机化学（第二版）》（冯骏材等，科学出版社，2021）图5-2
质子在进攻结构不对称的烯烃时，可能生成两种不同的碳正离子中间体。例如
前者是伯碳正离子，其稳定性小于后者的仲碳正离子，根据Hammond假说，经过渡态生成仲碳正离子中间体所需的反应活化能比生成伯碳正离子中间体所需的反应活化能小(见图3)，即ΔE2 < ΔE1，则生成仲碳正离子中间体的反应速率也较快。因此，经仲碳正离子中间体得到的相应卤代烃在反应混合物中所占的份额也大，即主要得到符合马氏规则的产物。在有些情况下可能是唯一产物，表现为不对称烯烃与卤化氢加成反应的区域选择性。
图3 不对称烯烃加卤化氢的势能曲线示意图
利用碳正离子的稳定性顺序可以预测离子型亲电加成反应的主要产物。例如，异丁烯与溴化氢加成的主要产物应是2-溴-2-甲基丙烷。
上面的反应实例都是选择碳碳双键上含氢原子不等且仅含烷基的烯烃，因此就把Markovnikov规则简单化为氢加在含氢较多的双键碳原子上。然而，其实质是中间体碳正离子的稳定性问题。
2. 对于碳碳双键上直接连有X、O、N等具有孤电子对原子的链端烯烃
这些烯烃加卤化氢时，产物也符合Markovnikov规则的氢加在含氢较多的双键碳原子上。
这个结果也是从碳正离子的稳定性来解释的。其中，氯乙烯加卤化氢时会得到以下两个不同的碳正离子中间体(I)和(II)：
中间体(I)中因带孤电子对的p轨道和带正电荷的p轨道共轭，所以(I)的稳定性大于(II)。另外两个例子中也是因O和N原子上有未共用电子对，其作用与氯原子相似，所以这种链端烯烃与卤化氢加成产物也符合氢加在含氢较多的双键碳原子上的Markovnikov规则，但实质也是中间体碳正离子的稳定性问题。例如
3. 对于碳碳双键上直接连有强吸电子基团的链端烯烃
例如，当碳碳双键上直接连有+N(CH3)3、CF3、CN、COOH、NO2等吸电子取代基时，其反应结果分别为
上面的反应实例都是选择碳碳双键上含强吸电子基团的一取代链端烯烃。由于产物不是氢加在含氢较多的双键碳原子上，因此对这些反应结果有了不同的描述，有称违反马氏规则的，有称不符合马氏规则的，也有称是反Markovnikov规则的。这些提法有一个共同特点，即仍然是停留在反应机理还不清楚之前的氢加在含氢较多的双键碳原子上的马氏规则的基础上。另外，奇怪的是在老版本的教科书中并没有这种提法，反而在反应机理十分清楚的这几年出现这种提法。因此，我认为有必要讨论和认识一下这个问题，这种提法对教学是有利还是有弊。
上面这些反应例都是属于离子型的亲电加成反应，都经过碳正离子中间体，其主要产物也都是从比较中间体碳正离子稳定性而得到的结果。显然，在同是烯烃的离子型亲电加成反应中，用截然不同的经验规律去解释反应结果是不合理的，必须对规则进行适当修正。
所谓反Markovnikov规则是指烯烃与溴化氢的自由基加成的结果，反应时溴原子作为自由基总是加到结构不对称烯烃中含氢较多的碳原子上，生成相对比较稳定的自由基，然后与氢原子结合，加成的区域选择性与离子型的亲电加成反应相反，称为反Markovnikov规则的加成产物。这个反Markovnikov规则的现象是由美国化学家卡拉奇（M. S. Kharasch）于1933年首先发现的，因此又称卡拉奇效应。
这一反Markovnikov规则的现象仅限于烯烃与溴化氢的自由基加成中，不适用于除溴化氢以外的其他卤化氢，更不适合将它随意扩延到不同反应机理的其他加成结果中。
为了说明氢加在含氢较多的双键碳原子上的经验规则，在上述的反应例子中都采用了碳碳双键上含氢不等的烯烃来讨论。显然，只掌握氢加在含氢较多的双键碳原子上，对讨论碳碳双键上含氢相等的不对称烯烃发生离子型亲电加成反应时其区域选择性规律是不利的。例如
上述这些烯烃的离子型亲电加成产物就不能用氢加到含氢较多的碳原子上进行判断。因为反应的核心是中间体碳正离子的稳定性问题，如果把原先按照烯烃表面现象叙述的Markovnikov规则改用突出反应机理来叙述，即当不对称烯烃发生离子型亲电加成反应时，总是亲电试剂先加到碳碳双键上经过相对比较稳定的碳正离子中间体，且以相应的加成产物为主要产物。因此，从这个角度出发，上面列举的离子型亲电加成反应的例子都可以认为是遵循Markovnikov规则的。
5. 烯烃的离子型加成反应中会发生碳正离子重排的问题
在离子型亲电加成中，由于碳正离子的稳定性不同，在加成产物中往往可以观察到碳正离子的重排，由不太稳定的碳正离子重排成相对较稳定的碳正离子，然后得到相应的产物。例如
实际上，不仅要考虑伯、仲、叔碳正离子的稳定性，还要考虑中间体碳正离子体系的稳定性。
从以上的分析不难看出：在烯烃的离子型亲电加成反应中，能掌握比较中间体碳正离子稳定性的方法对写出正确的区域选择性产物是至关重要的。在教学中，如果把烯烃亲电加成中的碳架重排现象也与Markovnikov规则相关联，即把这些也归属到Markovnikov规则这个大箩筐里，无疑将对学生能准确给出主要加成产物和提高举一反三的能力有促进作用。
Solomons G. : Organic ChemistryModern statement of Markovnikov’s rule: In the ionic addition of an unsymmetrical regent to a double bond, the positive portion of the adding regent attaches itself to a carbon atom of the double bond so as to yield the more stable carbocation as an intermediate.
冯骏材 郑文华 王少仲 编
ISBN：978-7-03-063604-1
定价：98.00元
全书化合物采用2017年12月中国化学会和有机化合物命名审定委员会发布的《有机化合物命名原则（2017）》命名。将新命名法分散在各类化合物的相应章节中讨论，在新命名法允许的前提下作最小的变动。
在内容编排上主要遵循官能团与反应机理相结合的原则，突出反应类型的内在联系，反应过程中过渡态、中间体的特征，以及反应区域选择性及立体选择性的必然结果，有利于学生举一反三。
最后一章总结了各类化合物官能团的转换，不仅有利于学生系统复习和知识的巩固，也给不同的教学要求留下拓展的空间。
全书约65万字，参考学时64~90，适合作为高等学校应用化学、生命科学、环境、材料、能源及相关专业有机化学课程的本科生教材。
全书的反应式和结构式均采用ChemDraw的ACS标准模式绘制，并采用双色印刷，突出反应式和结构式中的重点部分。
可为授课教师提供教材中全部问题和习题的参考答案，以及可供参考的电子教案。
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