枣庄罐体保温工程 有机化学基础（三）

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有机化学的大部分内容是关于反应、机理和产物的，学习如何命名有机化物是您整个有机化学知识的基础。在反应原理上，有机化学实际上只有几个基本的机制过程，其他“更”复杂的机制通常是这个基本机制的组，大多数这些反应“类”可以根据事件的确切顺序进行细分(例：SN1或 SN2)。

IUPAC有机命名法

IUPAC（国际纯粹与应用化学联会）命名法是一种用于命名有机化物的标准化方法，它包括一系列规则和约定，以便于描述化物的结构，从而使人们能够理解和识别化物。

IUPAC命名法基本原则：

1. 主链：

包含主要官能团的长连续链定义为根名称。

连接到该链上的其他基团称为取代基。

如果有两条长度相等的链，则选择给出简单取代基的选择。

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图1：根名称

2. 主要官能团：

主要官能团用于定义化物所属的类别，例如：醇（ROH）。

主要官能团是高优先级的官能团。官能团优先级详见下图2。

主要官能团通常被赋予尽可能低的位置。

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图2：主要官能团优先级（降序，由高到低）

3. 编号（分配位置）：

定义主要官能团和取代基位置的数字称为定位符。

化物从长连续链的一端开始编号。

分配位置时应使主要功能组获得尽可能低的位置。

如果这导致“平局”，则使用一差异点规则，以便找出一次出现编号差异。

如果没有一点差异，则使用字母顺序。

一点差异规则：

主要功能组被给予尽可能低的位置。

然后根据该编号方案为取代基分配位置，以便在一个差异点给出低的位置编号。

如果位置中没有一点差异，则根据字母顺序对取代基进行编号，为名称中的一个取代基提供尽可能低的位置编号。

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图3 ：规则示例1

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图4：规则示例2

按字母顺序排列：

在构建名称时，取代基按字母顺序列出，例如乙基在甲基之后。

仅当一个差异点规则未给出结果时，才使用字母顺序来定义编号。

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图5：规则示例3

IUPAC名字组成：

有机分子的IUPAC名称由描述分子各种特征和部分的组件组而成。

官能团后缀（Functional Group Suffix）

一部分取决于烃官能团，后缀对于烃官能团，烯烃和/或炔烃（如果有）包含在“根”名称之后。

二部分取决于其他官能团，主要官能团的后缀添加到名称末尾。

根（Root）

包含主要官能团的长连续链中的原子数（通常是碳原子）。

取代基前缀（Substituent Prefix）

除了附加到根链上的主要官能团之外的任何基团都称为取代基，即它们取代了该根链上的H原子。

取代基添加到名称的开头并按字母顺序列出。

乘数（Multiplier）

如果某个官能团或取代基出现多次，则使用简单的乘数（例如二、三、四等）来指示它出现的次数。

位次（Locants）

是定义官能团和取代基位置的数字（或有时是字母，例如N-），通常，每个官能团和每个取代基都需要有一个位置。

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图6：IUPAC名称的基本结构

IUPAC名称的基本结构：

主要官能团是醇，因此需要后缀-ol。

带有-OH的长连续链是C5和烷烃，所以我们有一个戊烷系统。

有两个取代基，都是甲基，因此是二甲基。

-OH在C2上，因此我们有一个-2-ol。

甲基位于C3和C4上，因此我们有3,4-二甲基。

        因此名称为：3,4-二甲基戊-2-醇

机制分类

电子带负电荷，原子核质子带正电荷；亲核试剂（Nucleophile）衡量一个试剂给电子能力的强弱，为路易斯碱，可用:Nu-或Nu:表示。亲电试剂（Electrophile）衡量一个试剂接受电子能力的强弱，为路易斯酸，大多为正电。

1. 亲核取代（Nucleophilic Substitution）

当富电子物质（亲核试剂）与附有电负基团（离去基团）的亲电子饱和C原子发生反应时，就会发生亲核取代反应。

由于存在电负取代基（例：C-Cl、C-Br、C-I和C-O），因此可以通过寻找σ键来识别亲电C，亲核取代反应是一类重要的允许官能团相互转化的反应，特别重要的是卤代烷(R-X)和醇(R-OH)的反应。

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图7：亲核取代示意图

可以利用甲苯磺酸酯(R-OTs)来增加可能的取代反应范围，这是将-OH转化为更好的离去基团的替代方法）：

醇本身是弱离去基团，因为氢氧根离子(HO-)是强碱。

OH基团可以通过转化为磺酸基团而转化为更好的离去基团，例如对甲苯磺酰基（“甲苯磺酰基”，缩写为Ts）或甲磺酰基（“甲磺酰基”，缩写为Ms）。

这些基团不会影响醇的立体化学。

OTs和OMs基团可以参与取代和消除反应。

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图8：利用甲苯磺酸酯(R-OTs)将-OH转化为更好的离去基团[1]

根据机制事件的相对时间，有两种不同机制：

1. 键断裂形成碳正离子，然后形成σ键，称为SN1反应。一步是原化物的解离生成碳正离子和离去基团，然后亲核试剂与碳正离子结。由于速控步为一步，只涉及一种分子，故称SN1反应。反应速率决定步骤在于离解一步（一步），所以根据动力学理论断该反应为一级速率反应=k[反应物]。

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图9：SN1反应示意图

2. 同时成键和断键，称为SN2反应。速率决定步骤涉及两种物质（亲核试剂和有机底物）之间的相互作用，该途径是一个协同过程（单步），其中同时发生亲核试剂的攻击和离去基团的置换，较强亲核剂直接由背面进攻碳原子，铁皮保温施工并形成不稳定的一碳五键的过渡态，随后离去基团离去，完成取代反应。

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图10：SN2反应示意图

影响因素：

元素周期表中同一周期依次降低，即C->N->O->F-，因为增加电负会降低孤对电子的可用。

如果比较相同的中心原子，较高的电子密度会增加亲核，例如阴离子比中原子（例如HO->H2O）是更好的Nu-（孤对供体）。

在元素周期表中的一个族内，随着族的下降，亲核试剂的化增强，从而增强了形成新CX键的能力并增加了亲核，因此I->Br->Cl->F-。较大原子的电子密度更容易扭曲，即化，因为电子距离原子核更远。（这是与碱相反的顺序）。

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图11：亲核试剂比较

离去基团（Leaving Groups）：

对于酸（HA），酸共轭碱（A-）越稳定，平衡就越有利于解离和质子的释放这意味着HA的酸更强。对于离开群体来说，LG-越稳定，就越倾向于“离开”，因此，稳定A-的因素也适用于LG-的稳定。

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图12：离去基团比较

2. 亲电芳香取代

（Electrophilic Aromatic Substitution）

芳烃系统包含富电子C=C系统，该系统通过所谓的亲电芳香取代(EArS)的取代途径（以保留芳香）与亲电子试剂发生反应，亲电芳族取代反应是非常重要的一类反应，可以在芳烃上引入取代基。

亲电芳香取代机制：

从芳烃亲核试剂中的C=C形成新的σ键。

通过破坏CH的σ键去除质子H+。

重整C=C以恢复芳香。

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图13：亲电芳香取代示意图

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图14：亲电子试剂E+与芳烃反应示意图

3. 亲核酰基取代

（Nucleophilic Acyl Substitution）

亲核试剂是一种富电子物质，它将与贫电子物质（Nu-）发生反应，酰基是RC=O，离去基团(LG)被亲核基团(Nu-)取代。

亲核酰基取代机制：

与亲核试剂Nu-形成新的σ键。

与离去基团LG的σ键断裂。

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图15：亲核酰基取代示意图

亲核酰基取代与亲核取代的区别在于，当亲核试剂加到亲电子C上时，它变成四面体并形成中间体，然后离去基团离开。

4. 消除（Elimination）

消除反应作为制备烯烃的重要方法，1,2-消除或β-消除表明失去的原子来自相邻的C原子，消除反应作为制备烯烃的重要方法。

消除机制：

质子的去除

CC π键的形成

与离去基团的键断裂

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图16：消除反应示意图

根据事件的相对时间，可能有不同机制：

1.去LG以形成碳正离子，然后除去H+并形成C=C键（两步），称为E1反应。

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图17：消除E1反应示意图

2.同时去除H+、C=C键形成和LG损失（一步）称为E2反应。

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图18：消除E2反应示意图

取代和消除反应经常相互竞争，如下：

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图19：取代和消除

5. 亲电加成（Electrophilic Addition）

亲电加成反应是一类重要的反应，它允许C=C和C≡C相互转化为一系列重要的官能团，包括烷基卤和醇，从概念上讲，加法是消除的逆过程。

亲电子试剂E+是一种贫电子物质，它将与富电子物质（C=C）发生反应，加法意味着两个系统结成一个整体。

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图20：亲电加成反应示意图

根据事件的相对时间，存在略有不同的机制：

1.C=C与E+反应生成碳阳离子（或另一种阳离子中间体），然后与Nu-反应。2.同时形成两个新的σ键。

6. 亲核加成（Nucleophilic Addition）

亲核加成反应是一类重要的反应，它允许C=O相互转化为一系列重要的官能团，亲核试剂Nu-是一种富电子物质，它将与贫电子物质（此处为C=O）发生反应，加成意味着两个系统结成一个整体。

亲核加成机制：

亲核试剂Nu与C=O基团的亲电子C之间形成新的σ键

π键与O的断裂导致形成中间体醇盐

中间体醇盐质子化得到醇衍生物

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图21：亲核加成反应示意图

根据亲核试剂的反应，有两种可能的情况：

1. 强亲核试剂（阴离子）直接与C=O加成，形成中间体醇盐。然后用稀酸处理将醇盐质子化。

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图22：强亲核试剂亲核加成反应

2. 较弱的亲核试剂（中）要求在攻击Nu-之前激活C=O，提前使用酸催化剂完成，该催化剂在路易斯碱O上质子化并使系统更具亲电。

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图23：弱亲核试剂亲核加成反应

作者结语

有机化学基础这个系列已有三个篇章，该篇迎来了该系列终章，后续考虑多一些学习分享编程方面。该系列目的是对于非化学业背景的伙伴们在化学基础有一定的了解，可以应用并解决一些简单的问题，我想对于一个医学检验背景的作者可以浅显理解，相信大家可以“走”的更远。

手机：18632699551（微信同号）

后的后祝大家中秋国庆快乐鸭！

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参考资料

[1] masterorganicchemistry.https://www.masterorganicchemistry.com/

[2] Organic Chemistry On-Line Learning Center.http://www.chem.ucalgary.ca/

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