这是一个非常详细、极度深入、缓慢且全面的解析。我将为您逐行、逐个反应、逐个化学符号地拆解这份文档。我们的目标是把每一个化学变化都翻译成最直观的“积木构建”过程,使用您要求的浅显元素语言(C,H,O 等)来讲解,确保没有任何遗漏。
这份文档是 Exam 3 Review Sheet(第三次考试复习表),它是一张非常有价值的“有机化学反应地图”。它告诉我们:如果你手里有一个什么样的分子(Starting material),你加入什么药水(Reagents),它会变成什么样的新分子(Product),以及在这个过程中要注意哪些特殊的几何形状变化(Special notes)。
下面我们将按照文档的顺序,从第1页开始,一直讲到第4页结束。
第一部分:基础碳氢链的加氢与消除(第1页)
这一页主要集中在如何改变碳原子之间的连接方式:如何把双键变成单键,或者如何把单键变成双键、三键。
1. 烯烃变成烷烃 (Alkene → Alkane)
这是表格的第一行。
- 反应概览:这是一个“吃饱”的过程。原本碳原子之间手拉手(双键),现在它们松开一只手,去抓外界飞来的氢原子(H)。
- 原料 (Starting material):
- 图像描述:你看图中的原料是一个折线,中间有两根平行线,这代表 C=C 双键。这是一个烯烃。
- 结构含义:双键处的两个碳原子,每个只连了3个东西(1个对方,2个其他),它们是不饱和的,想要更多的伙伴。
- 产物 (Product):
- 图像描述:图中的产物是完全一样的折线骨架,但是中间的双键线不见了,变成了单根线。并且,画出了两个朝上的虚线/楔形线连着 H。
- 结构含义:这是 C−C 单键(烷烃)。碳原子现在连了4个东西,处于饱和状态。
- 试剂 (Reagents):
- H2:氢气。这是提供 H 原子的源头。
- Pd/C 或 PtO2:这是催化剂。Pd 是钯,Pt 是铂,C 是碳载体。想象它们是一个巨大的金属平台,氢气和烯烃都要落在上面才能反应。
- THF 或 alcohol:这是溶剂,四氢呋喃或醇,用来溶解反应物,给它们提供游泳的场所。
- 特殊细节与详细解释 (Special notes):
- Stereospecific(立体特异性):这是一个极其重要的概念。
- Cis to each other(彼此顺式):
- 微观过程:想象金属催化剂(Pd)是一张平坦的桌子。氢气(H2)先吸附在桌面上。然后,扁平的烯烃分子(C=C)像一张纸一样平着落到桌面上。
- 结果:因为烯烃是平着趴在全是氢原子的桌子上的,所以两个 H 原子只能从同一侧(比如都是从下面)插进双键里。
- 结论:不管原来的分子长什么样,这两个新加进去的 H,一定位于碳链平面的同一边。在图示中,用两个朝下的虚线或朝上的楔形线表示。如果原本双键两边有基团,这些基团会被挤到另一边去。
2. 炔烃变成烷烃 (Alkyne → Alkane)
这是表格的第二行。
- 反应概览:这是彻底的“暴饮暴食”。三键比双键更饿,它会连续吃两轮氢气,直到完全变成单键。
- 原料 (Starting material):
- 图像描述:折线中间有三根平行线,代表 C≡C 三键。这是一个炔烃。
- 产物 (Product):
- 图像描述:三根线全没了,变成了普通的单根折线 C−C 单键。虽然图上画了两个 H,但实际上每个碳原子加了2个 H,一共加了4个 H。
- 试剂 (Reagents):
- H2,Pd/C:同样的氢气和钯催化剂。
- 特殊细节与详细解释 (Special notes):
- Stereospecific:笔记中写了“Two H's added are cis...”,这其实主要是指第一步变成烯烃的过程。但因为反应很难停在烯烃阶段,通常会直接一路反应到底变成烷烃。
- 饱和化:只要给够了氢气(通常是过量的),三键就会完全被打断,变成最普通的、最稳定的单键长链。所有的 π 键(不稳定的键)都被破坏了。
3. 制备烯烃:消除反应 (Alkene via Elimination)
这是表格的第三行。这是把“熟饭”变回“生米”的过程,也就是从单键变回双键。
- 反应概览:从分子里扔掉两样东西:一个卤素(X)和一个氢(H),然后在它们留下的空位之间形成一个 C=C 双键。
- 原料 (Starting material):
- 图像描述:一条折线,其中一个顶点上挂着一个 X。X 代表卤素,如 Cl(氯)、Br(溴)、I(碘)。这叫卤代烷。
- 隐含结构:在连着 X 的碳的隔壁碳上,必须连着至少一个 H,否则反应没法进行。
- 产物 (Product):
- 图像描述:X 不见了,隔壁的 H 也不见了。两个碳之间多了一根线,变成了 C=C 双键。
- 试剂 (Reagents):
- KOH,EtOH:KOH 是氢氧化钾(强碱),EtOH 是乙醇(溶剂)。
- Key Concept:这里需要的是碱 (Base)。碱的作用就像一个小偷,它专门去偷碳上的 H(质子)。
- 特殊细节与详细解释 (Special notes):
- E1 or E2:这是两种具体的作案手法(机理)。E2是“一手交钱一手交货”(碱偷H的同时X滚蛋),E1是“分步进行”(X先自己离开,然后碱再来偷H)。强碱(如 KOH)通常走 E2。
- Most substituted alkene (Zaitsev's Rule 扎伊采夫规则):
- 意思:双键生成在哪儿是有讲究的。双键更喜欢生成在连接碳原子更多的地方,而不是连接氢原子更多的地方。
- 比喻:双键喜欢“热闹”,不喜欢“冷清”。如果双键一边连着2个碳,另一边连着2个氢,它就更稳定。
- Unless bulky bases are used:如果你用的碱是个“大胖子”(体积很大,比如叔丁醇钾 t−BuOK),它挤不进热闹的地方,只能去偷边缘的、空旷地方的 H,那样就会生成“人少”的双键(Hofmann产物)。但默认情况下(用 KOH),生成“人多”的那个双键。
4. 制备炔烃:双重消除 (Alkyne via Double Elimination)
这是表格的第四行。
- 反应概览:如果你想造一个三键,你需要进行两次消除。意味着你要扔掉两个 X 和两个 H。
- 原料 (Starting material):
- 图像描述:折线上有两个 X,它们连在相邻的两个碳上(邻二卤代物),或者连在同一个碳上(同碳二卤代物)。图示中是相邻的。
- 产物 (Product):
- 图像描述:两个 X 都没了,单键变成了 C≡C 三键。
- 试剂 (Reagents):
- 2 eq NaNH2:NaNH2(氨基钠)是一个超级强碱,比上面的 KOH 还要强得多。
- 2 eq:意思是用量是两倍,因为要进行两次消除。
- Or KOH:有时候高温下的 KOH 也能做到,但 NaNH2 更常用。
- 特殊细节与详细解释 (Special notes):
- E2 mechanism:这依然是双分子消除机理。
- 过程:
- 第一个碱分子过来,偷走一个 H,踢走一个 X,形成双键(烯烃)。
- 第二个碱分子再过来,从双键上再偷走一个 H,踢走第二个 X,双键升级为三键(炔烃)。
5. 卤代烷的制备 (Haloalkanes)
这是表格的第五行。现在我们要把卤素装到碳链上去。
- 反应概览:把 C=C 双键打开,一边装个 H,一边装个 X(如 Br)。
- 原料 (Starting material):
- 产物 (Product):
- 图像描述:双键没了,碳链上多了一个 Br(或者 Cl,I)。
- 试剂 (Reagents):
- Xr,ether:这里OCR识别有误,应该是 HX(比如 HBr,HCl)在 ether(乙醚)溶剂中。
- 特殊细节与详细解释 (Special notes):
- Regiospecific: X on more subst C (Markovnikov's Rule 马氏规则):
- 核心规则:这是有机化学最著名的规则之一。“富者越富”。
- 解释:原本连着 H 多的那个碳,会得到新的 H。而连着碳多的(更高级的)那个碳,会得到 X。
- 例子:如果双键一边是 CH2,一边是 C−CH3。H 会加在 CH2 上变成 CH3,而 Br 会加在 C−CH3 上。
- Racemic (外消旋):如果在反应过程中生成了一个手性碳(连了4个不同基团的碳),产物通常是一半左旋一半右旋的混合物,没有光学活性。这是因为反应中间经历了一个平面的碳正离子阶段,X 可以从上面打,也可以从下面打,概率均等。
6. 邻二卤代烷的制备 (Vicinal Dibromoalkane)
这是第1页最后一行,并延伸到了第2页。
- 反应概览:双键打开,两个碳每人分到一个 X。
- 原料 (Starting material):
- C=C 双键。特别注意图示中标注了 Cis alkene(顺式烯烃,两个大尾巴在同一侧)。
- 产物 (Product):
- 图像描述:双键变成单键,两个相邻的碳上各有一个 Br。
- 试剂 (Reagents):
- X2:纯卤素单质,如 Br2(液溴)或 Cl2(氯气)。
- CH2Cl2 或 CCl4:这些是惰性溶剂(二氯甲烷、四氯化碳),不参与反应,只是用来溶解。
- 特殊细节与详细解释 (Special notes):
- Regio- & Stereospecific:
- Anti-addition (反式加成):这是重点!两个 X 绝不会从同一边加上去。
- 直观机理:第一个 Br 原子由于个头大,会先骑在双键上形成一个“三角形”的桥(溴鎓离子)。这就挡住了这一侧的路。第二个 Br 只能从背面(Backside attack)绕过去进攻。
- 结果:一个 Br 最终朝上,另一个 Br 最终朝下。它们是 Trans(反式)关系的。
- 立体化学结果 (结合第1页末尾和第2页开头):
- 如果原料是 Cis alkene(顺式):由于反式加成,产物会是 Racemic(外消旋体,一对对映异构体)。
- 如果原料是 Trans alkene(反式):(第2页开头文字)由于反式加成,产物会是 Meso(内消旋体)。这意味着分子虽然有手性中心,但整体是对称的,就像把左右手合十一样,没有光学活性。
- 记忆口诀:Cis + Anti = Racemic; Trans + Anti = Meso (CAR / TAM)。
第二部分:炔烃反应与特殊的卤化(第2页)
这一页继续讨论炔烃的变化,以及如何在特定位置加上卤素。
7. 乙烯基卤素 (Vinylic Halogen)
- 原料:C≡C 三键(炔烃)。
- 产物:保留一个 C=C 双键,碳上连着一个 X。这叫乙烯基卤化物。
- 试剂:HX(1当量,不过量)。
- 细节:
- Regiospecific:遵循马氏规则。X 加在连碳更多的那个碳上。
- Stereospecific (Anti-addition):H 和 X 是从两侧加进去的。如果三键变成了双键,H 和 X 通常处于双键异侧。
8. 同碳二卤代烷 (Geminal Dibromoalkane)
- 原料:C≡C 三键。
- 产物:C−C 单键,其中同一个碳原子上连着两个 X(如两个 Br)。这叫同碳(Geminal)。
- 试剂:HX−excess(过量的 HX)。
- 细节:
- 第一步:三键变双键,加了一个 H 和一个 X(如上一个反应)。
- 第二步:双键变单键,再加一个 H 和一个 X。
- 位置:根据马氏规则,第二次加的 X 依然喜欢去那个已经有一个 X 的、取代基更多的碳上。所以两个 X 挤在了一起。
9. 烯丙位溴化 (Allylic Bromination)
这是一个非常特殊的反应,它不动双键,只动双键旁边的“邻居”。
- 原料:
- 图像描述:一个 6C环(六边形),里面有一个双键(环己烯)。
- 产物:
- 图像描述:双键还在原处,没变。但是在双键隔壁的那个碳上,多了一个 Br。这个位置叫 Allylic position(烯丙位)。
- 试剂:
- NBS:N-溴代琥珀酰亚胺。这是一种特殊的试剂,它能维持反应体系中极低浓度的 Br2。
- CCl4,hν:hν 代表光照。这是自由基反应的标志。
- 细节:
- Regioselective:反应只发生在烯丙位。为什么?因为当这里的 H 被拿走后,剩下的未成对电子(自由基)可以和旁边的双键发生共振(Resonance),这种共振让中间体非常稳定。普通位置的 C−H 键很难断裂,只有这个位置最容易。
10. 甲基酮的制备 (Methyl Ketone)
这是炔烃的水合反应(加水)。
- 原料:末端炔烃(Terminal Alkyne)。即三键在碳链的尽头,一端是 C−H。
- 产物:
- 图像描述:三键变单键。原来的内部碳变成了 C=O(酮基),末端的碳变成了 CH3(甲基)。这就是“甲基酮”。
- 试剂:
- H2O,H2SO4:水和硫酸(酸性环境)。
- HgSO4:硫酸汞。这是专门用于炔烃水合的催化剂。
- 细节:
- Regioselectivity (Markovnikov):OH(来自水)先加在取代基更多的那个内部碳上。
- Tautomerization (互变异构):最初生成的是 C(OH)=CH2(叫烯醇 Enol)。这个结构很不稳定,H 会跳到隔壁碳上,双键会转移到 C 和 O 之间,瞬间变成更稳定的 C(=O)−CH3(酮 Keto)。
11. 内部酮的制备 (Internal Ketones)
- 原料:对称的内部炔烃(Symmetric Internal Alkyne),即 R−C≡C−R。三键在中间,两边基团一样。
- 产物:C(=O) 在链的中间。
- 试剂:
- 可以用上面的汞试剂 (HgSO4),也可以用下面第3页会讲的硼氢化试剂 (BH3)。
- 细节:
- No regioselectivity:因为原料是对称的,三键左边的碳和右边的碳一模一样。不管 O 加在哪个碳上,得到的产物翻转一下就是同一个东西。所以没有选择性问题。
第三部分:官能团转化与立体化学控制(第3页)
这一页展示了更多精细的控制:如何把 O 加在不想加的位置(反马氏),如何控制加氢的形状(顺式/反式)。
12. 醛的制备 (Aldehyde)
这也是炔烃加水,但是加的位置反了。
- 原料:末端炔烃(三键在尽头)。
- 产物:
- 图像描述:末端的碳变成了 CH=O(醛基)。注意 C=O 双键在链的最尾端。
- 试剂:
-
- BH3,THF:硼氢化。
-
- H2O2,H2O,pH8:碱性过氧化氢氧化。
- 细节:
- Regioselectivity (Anti-Markovnikov):这叫反马氏规则。因为硼 (B) 比较大,它不喜欢挤在内部,它喜欢去空旷的末端碳。氧化后,OH 就出现在了末端。
- Tautomerization:生成的末端烯醇 CH=CH−OH 会自动异构成醛 CH2−CH=O。
13. 顺式烯烃的制备 (Cis-Alkene)
如何把三键停在双键,而且要顺式?
- 原料:内部炔烃 (R−C≡C−R′)。
- 产物:
- 图像描述:C=C 双键。两个大的 R 基团在双键的同一侧(Cis)。
- 试剂:
- H2:氢气。
- Lindlar Catalyst:林德拉催化剂。这是一种“中毒”的钯催化剂(加了铅和喹啉)。它活性变差了,只能把三键加氢成双键,没力气继续加成单键了。
- 细节:
- Syn-addition:原理和普通加氢一样,两个 H 从金属表面同一侧加上去,所以大的基团被迫留在另一侧(同一边),形成顺式。
14. 反式烯烃的制备 (Trans-Alkene)
如何把三键变成反式双键?
- 原料:内部炔烃。
- 产物:
- 图像描述:C=C 双键。两个大的 R 基团在双键的对侧(Trans)。
- 试剂:
- Li 或 Na:金属锂或钠。
- liq. NH3:液氨(注意不是氨水,是纯液氨,温度很低)。
- −33∘C:低温条件。
- 细节:
- Mechanism (Dissolving Metal Reduction):这是一个完全不同的机理(自由基机理)。金属溶解在液氨中释放出电子。电子一个个打到三键上。为了让电子之间斥力最小,中间体倾向于采取反式构型(两个基团离得最远)。
- 结果:两个 H 加在相反的两侧。
15. 卤代醇的制备 (Halohydrin)
- 原料:C=C 双键。
- 产物:
- 图像描述:双键打开。一个碳连 OH,另一个碳连 Br(或 Cl,I)。
- 试剂:
- X2,H2O:卤素和水。
- 或者 NBS,aqDMSO(含水的二甲基亚砜)。
- 细节:
- Regiospecific:OH 去连碳多的地方。为什么?因为反应中间形成了一个带正电的三角形(卤鎓离子)。连碳多的那个碳能更好地分担正电荷,所以它更“招引”水分子(OH 的来源)去进攻。
- Stereospecific (Anti):X 先搭桥,水从背面进攻。所以 OH 和 X 最终在异侧(Trans)。
16. 醇的制备:羟汞化-还原 (Alcohol: Oxymercuration)
这是制备醇最可靠的方法之一。
- 原料:C=C 双键。
- 产物:C−C 单键,带有 OH。
- 试剂:
-
- Hg(OAc)2,H2O,THF:醋酸汞。
-
- NaBH4:硼氢化钠(还原剂,把汞换成氢)。
- 细节:
- Regiospecific (Markovnikov):OH 加在连碳多的碳上。
- No Rearrangement:这比直接加酸(下一种方法)好,因为不会发生碳骨架乱变(重排)。
17. 醇的制备:酸催化水合 (Acid Catalyzed Hydration)
- 原料:C=C 双键。
- 产物:带有 OH 的烷烃。
- 试剂:H3O+(代表酸性水溶液,如稀硫酸 H2SO4+H2O)。
- 细节:
- 图表中虽然没写太多,但这是最基础的反应。
- Markovnikov:OH 加在连碳多的碳上。
- Warning:中间体会生成碳正离子(Carbocation)。如果旁边有更稳定的位置,正电荷会跑过去(重排),导致产物很杂乱。
18. 醇的制备:硼氢化-氧化 (Hydroboration-Oxidation)
这是反马氏加水的方法。
- 原料:C=C 双键。
- 产物:带有 OH 的烷烃。
- 试剂:
-
- BH3,THF。
-
- H2O2,NaOH,H2O。
- 细节:
- Regiospecific (Anti-Markovnikov):OH 加在连碳少的碳上(不拥挤的一端)。
- Stereospecific (Syn-addition):H 和 OH 是同侧加上去的。这在环状分子中特别明显,它俩会同时朝上或同时朝下。
19. 环氧化物的制备 (Epoxide)
- 原料:C=C 双键(图示为 Cis 烯烃)。
- 产物:
- 图像描述:双键位置变成了一个三元环(两个 C 和一个 O 组成的三角形)。这叫环氧乙烷环。
- 试剂:
- 方法1:RCO3H 或 MCPBA(间氯过氧苯甲酸)。这是一种携带了“多余”氧原子的酸,它会把这个氧原子硬塞进双键里。
- 方法2:先用 NBS,H2O 做成卤代醇,再用 NaOH(此部分文字延伸到了第4页)。
- 细节:
- Stereospecific (Syn):反应是一步完成的(Concerted)。原本烯烃如果是顺式的(两个基团在同侧),生成的环氧化物里,这两个基团依然在三元环的同一侧。结构保持不变。
第四部分:二醇、氧化断裂与环丙烷(第4页)
这一页是关于如何进一步氧化烯烃,或者把烯烃变成小环。
20. 环氧化物制备的后续(第4页第一行)
- 承接上一页的方法2:2. aq NaOH(氢氧化钠水溶液)。
- 机理:碱夺走 OH 上的 H 变成 O−,O− 从内部进攻旁边的 C,踢走 Br,形成三元氧环。这也是立体专一的。
21. 反式二醇的制备 (Glycol - trans)
- 原料:6C环烯烃(环己烯) → 环氧化物。
- 产物:
- 图像描述:6C环上相邻两个碳各连一个 OH。一个是实楔线(朝上),一个是虚线(朝下)。这是 Trans(反式)。
- 试剂:
-
- MCPBA(先变成环氧化物)。
-
- H3O+(酸性水解)。
- 细节:
- 机理:酸性条件下,水分子必须从环氧化物的背面进攻来打开环(Backside attack)。所以新加进去的 OH 和原来的 O 必然在异侧。
- Anti-addition:这就是反式二羟基化。
22. 顺式二醇的制备 (Glycol - cis)
- 原料:6C环烯烃。
- 产物:
- 图像描述:6C环上相邻两个碳各连一个 OH。两个都是实楔线(都朝上)。这是 Cis(顺式)。
- 试剂:
- OsO4:四氧化锇。这是一种非常昂贵且有毒的试剂。
- NMO:N-甲基吗啉-N-氧化物(共氧化剂,用来再生 OsO4)。
- aq.acetone:丙酮水溶液。
- 细节:
- Syn-addition:OsO4 像一个巨大的夹子,同时从双键的同一侧加上两个 O。所以两个 OH 最终在同一侧。
23. 羰基化合物:臭氧氧化 (Ozonolysis)
这是“剪刀”反应。
- 原料:C=C 双键。
- 产物:
- 图像描述:双键被剪断,断口处各封上一个 O,变成两个 C=O。
- 试剂:
-
- O3:臭氧。−78∘C(极低温)。
-
- Zn,H3O+:锌和酸(还原性后处理)。
- 细节:
- 保留 H:这是关键!如果双键碳上原本连着 H,这个 H 会被保留下来。所以,如果末端是 =CH−R,产物就是 醛 (Aldehyde, R−COH)。它不会被氧化成酸。
24. 羰基化合物:高锰酸钾氧化 (Oxidative Cleavage with KMnO4)
这是“火焰喷射器”反应,比剪刀更猛烈。
- 原料:C=C 双键。
- 产物:
- 图像描述:双键剪断,封上 O。而且,原本的 H 被氧化成了 OH。
- 试剂:
-
- KMnO4:高锰酸钾(强氧化剂)。
-
- H3O+。
- 细节:
- 醛变成酸:如果碳上连着 1 个 H,它不仅变成 C=O,那个 H 还会变成 OH。产物是 羧酸 (COOH)。
- 末端变成二氧化碳:如果碳上连着 2 个 H(即 =CH2),它会被彻底烧成 CO2(二氧化碳)。这是臭氧氧化做不到的。
25. 环丙烷的制备:二氯卡宾 (Cyclopropane via Carbene)
- 原料:C=C 双键(图示为顺式)。
- 产物:
- 图像描述:双键处长出一个三角形,顶点是 C,上面连着两个 Cl。
- 试剂:
-
- CHCl3:三氯甲烷(氯仿)。
-
- KOH 或 t−BuOK:强碱。
- 细节:
- Carbene:反应产生一种叫“二氯卡宾”(:CCl2) 的中间体。它缺电子,非常活泼。
- Syn-addition:它直接扑到双键上,保持原有的立体构型。顺式烯烃生成顺式环丙烷。
26. 环丙烷的制备:西蒙斯-史密斯反应 (Simmons-Smith)
- 原料:C=C 双键。
- 产物:
- 图像描述:双键处长出一个三角形,顶点是普通的 CH2。这是最简单的环丙烷化。
- 试剂:
-
- CH2I2:二碘甲烷。
-
- Zn(Cu):锌铜偶(活化的锌)。
- Ether:乙醚。
- 细节:
- Stereospecific (Syn):同样是顺式加成。这是在实验室制备环丙烷环最常用的温和方法。
- 文档在这里只有标题 "Organometallics - ",后面没有内容了。这通常预示着下一章复习的内容,涉及碳和金属(如 Mg,Li,Cu)直接相连的试剂(如格氏试剂 Grignard reagents),但这部分不在当前的截图内容中。
总结:
这份复习表的核心逻辑就是电子的流动。
- 富电子的双键/三键(烯/炔)倾向于去抓缺电子的试剂(如 H+,Br+,B,Os,O)。
- 试剂的大小和性质决定了加在哪个位置(马氏 vs 反马氏)。
- 试剂进攻的方式(同时进攻 vs 分步背面进攻)决定了产物的形状(顺式 Syn vs 反式 Anti)。
希望这个逐字逐句的拆解能帮助您完全掌握这份化学复习资料!