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我们为什么要学反应机理?反应机理能指导我们干什么?

2024-08-28科学

实验室的大老板最喜欢给研一研二的学生培训反应机理的书写,每天下午六点半准时开始,理论每次半小时,但实际结束时间常常未知。

去听过,但是内心非常质疑,因为 说的讲机理竟然真的只讲机理!

太干了,咽不下去。

平常也能遇到这些研究生拿反应问我:

「师兄,我这个反应该怎么投料?先投什么后投什么?各自投多少?要不要无水无氧?多少度反应?要不要………」

于是明白,他们的反应机理大概是白学了。也于是有了这篇分享—— 反应机理究竟能指导我们干什么?!

本文做一些简单的举例,我觉得最起码有以下几点:

1、知道应该怎么投料

比如一个简单的酰胺缩合反应,机理上看,肯定是先将酸溶解在溶剂中,加入HATu活化半小时,然后再加入胺反应

另外,在一些杂环芳胺进行酰胺化时,通常会得到M+99的副产物(下图),所以建议的做法,一是HATu用量要控制,二是设计微通道连续流的反应条件(让底物与HATu保持相当,或底物过量)

2、知道要不要忌讳水氧

首先要明白为什么要忌讳水氧,忌讳水氧的本质是水或氧会参与反应而造成目标反应的中断或淬灭。净结果是得到杂质。 比如:

Suzuki反应要严格除氧 ,因为起作用的是Pd(0),变成Pd(+2)就会失活,很多时候用二价钯会加还原剂,将二价钯还原为0价钯;

然后进行催化循环:

忌讳水的反应则更多,涉及到活性中间体的(如碳正离子,碳负离子,酰氯,亚胺等等 )基本上都怕,否则就会淬灭掉。

大多数情况下,无水无氧不是单独的概念,如无水反应大多数在惰性气体保护下进行,惰性气体给与体系一个正压,防止环境水分进入

3、知道怎么控制反应正向进行

这个我们之前也聊过,化学反应都是存在化学平衡的,我们只有知道产物和by-产物是什么,才能控制反应的正向进行。如:

酯化反应通常靠移除by-产物——水,让体系正向进行。

某些by-产物不好移除的,也可以控制条件让产物移除来使反应正向进行,一个之前的分享见:选择合适溶剂辅助反应正向进行的一点思路?即:如果控制原料在体系中溶解,控制产物在体系中析出,体系便会不断正向进行。

4、知道副产物有什么?

继续上面描述,显然,掌握了反应机理能帮助我们推导出反应的副产物有什么。个人发现, 对于副产物的概念很多研究生选择性忽略,这是极度让人痛心的,所谓的「一知半解」也大概如此。

并不是所有反应的副产物都是水,很多有毒,有害,甚至致命!

如用氯化亚砜做酰氯,后续必然会产生酸性的HCl和SO2气体,如果直接进行下一步没注意体系PH,可能直接不反应: 有机合成中常用中间体——酰氯的最强总结,一文探究其来源、性质、制备、监测、反应示例

用三光气做氯化,后处理可能遇到光气,来一口人可能就没了,所以反应过程最好接尾气吸收装置:三光气参与的氯化反应——反应机理、投料的几种方式、碱种类、如何后处理……

另外一些,如氰化钠之类,后处理不谨慎遇到HCN,也会很快送你走!

……

所以说如果你在做这一行,或者还要做一阵子,你每次投一个反应都要问问自己:

反应都生成了什么!

6、知道反应要不要淬灭,用什么淬灭,哪种淬灭方式最好;

像一些方法学那样旋干直接过柱子的反应还是太低级了,大部分有机反应都是要淬灭的,包括不限于酸碱反应,氧化还原反应,自由基反应,聚合反应; 选择合适的淬灭方法可以有效地终止反应,避免不必要的副反应,并确保产物的纯度和质量。

如,酯的水解反应,碱一般是过量的,且产物为羧酸盐,所以后处理需要用酸淬灭,生成的盐溶于水,被从有机溶剂中洗掉

又如三溴化硼对甲醚甲基的脱除,未经淬灭前的反应中间体如下图:

如果用水淬灭,生成的产物如下:

硼酸是固体,在水中溶解度一般,溶于醇类,针对上述这个反应还好,但如果产物的极性比较大,用这种方法淬灭,完全是给自己添堵;

所以用甲醇淬灭会是更好的选择,因为生成的硼酸三甲酯沸点比较低,只需要旋蒸淬灭体系就可以得到粗产物。

为了防止淬灭过程太剧烈,推荐的淬灭方式是低温反应液往冰甲醇中滴加淬灭。 事实上很多淬灭过程菜籽都推荐这么做。

7、做研究分享的需要

做科学研究,特别是是合成方法学的科学研究,无论你是传统的,还是你是光,你是电,你是唯一的「神话」

在文章中都免不了搞一个类似Proposed Mechanism东西。

虽然有些老板会告诉学生说:「这个实验要是能发生我能找出100个机理去解释,如果不反应我能找出101个机理解释为什么不反应」

但是听听就好了,

100个?

太装了,我不信。

最多不超过10个。

不能再多了!

8、掌握反应的本质,发现新的反应

对现有反应机理的深入理解有时会启发科学家发现新的反应类型。不知道大家会不会经常看人名反应,反正我有时候迷了一看就是半天,因为有些人名反应你会觉得很有意思,比如偶联反应,有玩钯的,有玩铜,有玩镍的,搞了各种试剂,但是细细想来,好像机制都差不多,修饰而已。

图源:https://cheminfographic.wordpress.com/

但是换个方向讲,如果你能不清楚反应的底层逻辑,你怎么去修饰呢?

单纯的模仿不可取。

「学我者生,似我者死!」

以上,一点拙见,欢迎留言补充!