概述有机分子电位图在教学的应用

在本科有机化学理论课的教学中,各类化合物的反应既是教学内容中的重点,也是教师讲授和学生理解上的难点。如何在教学中,把这些反应历程、原理向学生解释清楚,让学生掌握其本质,将是解决学生是否完全掌握这些内容的一个关键。而纵观本科有机化学理论课中各类化合物的反应,不难发现所有反应可归为四大类型:亲核反应(包括取代和加成)、亲电反应(包括取代和加成)、自由基反应和电环化反应。在这四大类反应中,电子永远是反应中的主角。因此,掌握有机化学中各类化合物分子中电子云分布情况,将更容易找出反应中试剂进攻的靶点,更容易理解各类反应的反应历程和反应本质。同时对一些现象,如芳香烃中取代基对苯环的活化钝化现象等,会有更直观的认识。

然而,目前各大中使用的众多有机化学教材中,基本上没有对各类有机化合物的电子云分布情况进行说明。而反观国外的有机化学教材中,在每一类化合物的简介中,都会用一个典型化合物的电位图(Electrostatic Potential Map,简称EPM)来说明这一类化合物中电子云的分布情况。而在电位图中,用不同颜色来表示分子中根据计算得到的电荷分布情况。红色表示“富电子”区,蓝色或紫色表示“缺电子”区。(图1)。

在图1中蓝紫色的“缺电子”区,可认为是原子核裸露的区域。该区域正是卤代烃的亲核取代反应中亲核试剂进攻的靶位,卤代烃的亲核取代反应也由此而冠名。

当然,按照国外书籍的高成本印制方式,不适合我国目前的国情。但在高校已经普及的多媒体教学中,引入电位图的彩色图像来描述各类反应的反应靶位,能够很好地帮助学生理解一些学习过程的重点和难点,同时也方便教师对相关知识点的讲解。

下面将叙述电位图在卤代烃SN2亲核取代反应、烯烃E1亲电加成反应、醛酮的亲核加成反应和芳烃上取代反应的定位规律的应用。

1 卤代烃SN2亲核取代反应

EPM不仅可以说明卤代烃的化学性质与其结构的关系(图1),还可以形象地描述反应底物与反应试剂进行反应的历程中。双分子亲核取代反应(SN2)是卤代烃的一个典型反应之一,这里用碘甲烷的水解来说明电位图在这个方面的应用。

图2说明了碘甲烷的水解经历的两个阶段:首先,亲核试剂(OH-)进攻底物,形成过渡态分子。在这个阶段,亲核试剂用红色的“富电子”端(也就是羟基中的氧),去进攻底物中蓝绿色的“缺电子”区(也就是碘甲烷的“背面”。以碘所在一侧为前面)。第二阶段,碳—碘键断裂,离去基团从过渡态分子离去,同时碳—氧键生成。甲基上的三个氢从左侧翻转到原来碘原子所处的右侧。

2 烯烃亲电加成反应(E1)

图3是乙烯的电位图。从图中可以看出,乙烯分子中两个碳原子间的上、下方区域是“富电子”区(红色区),是亲电加成的靶位;而氢原子所处的侧面为“缺电子”区。

因此,烯烃的E1亲电加成反应中的第一阶段,即是亲电试剂(缺电子基团,为蓝紫色)进攻图3中的红色区域,生成碳正离子(如图4)。之后,体系中的负离子与碳正离子结合,完全整个亲核反应。

3 醛酮的亲核加成反应

从甲醛的电位图(图5)可见醛酮类化合物中羰基碳或酮基碳是严重缺电子,整个区域已经成蓝紫色。这正是醛酮亲核加成的定向靶位。

以甲醛与有机锂试剂(甲基锂)的亲核加成为例。图6中,作为亲核试剂的甲基锂中,碳原子上的电子云密度很高,带有明显的负电荷。因此,在反应中进攻甲醛中缺电子而带部分正电荷的碳,生成乙氧基锂化合物。

4 芳烃上取代基对苯环的活化钝化现象

在一取代苯的亲电取代反应中,新导入的取代基进入的位置,是由原来在苯环上的取代基性质决定的,可以为原取代基的邻、间或对位上。使苯环活化或弱钝化的取代基,被称为邻、对位定位基;而使苯环强烈钝化的基团,则称为间位定位基。氨基(-NH2)和硝基(-NO2)同为含氮的取代基,但分别属于不同的定位基团。前者使苯环活化定位基的代表;而后者则为钝化定位基。图7是苯胺和硝基苯的电位图。对比两个化合物中苯环的颜色,不难发现,苯胺中苯环的电子云密度明显比硝基苯中的高。而硝基苯中苯环上流失的电子都到硝基上两个氧上,因此这两个区域显现明显红色,而苯环上的碳则为黄绿色。而硝基的间位上的颜色比其邻、对位上的略为偏黄一些。而这正好说明硝基苯上发生苯环亲电取代反应很难,条件苛刻。

使苯环活化的取代定这所以也被告称为邻、对位定位基,可以从图8苯氧负离子电位图找到答案。图8中,苯环上在氧负离子邻位和对位的区域已经显现富电子区的红色,而其间位则是缺电子蓝绿色。

在其它领域,电位图也有广泛的用途。例如药物化学中,用电位图表示药物与蛋白质的作用后的结构,可以分析出药

物中活性必须官能团以及药物与蛋白质作用的靶点。 参考文献

[1] Wade,L.G.JR.Organic Chemistry, 7th Edition[J].Pearson:Upper Saddle River, NJ,2010.