怎样学好有机化学?

无论你在研究化学还是生物,无论你是踌躇满志的研究人员,还是羽翼未丰的研究生,更无论你学习有机化学的时间有多长,抑或是还没有接触过这门学科,你内心一定是想要学好你所爱的领域,并且想要在这片领域有所建树的。

下面,我将就我个人的理解和前辈的一些经验,谈一下怎样学好有机化学。

对于初学者,有机化学最大的挑战在于它“另类”的语言体系——天下学问,莫过于记问,因此,入门需要熟悉有机化学的研究内容和叙述方法。肖莱马定义有机化合物是碳氢化合物及其衍生物,因此,常常用一根线代表化学键,简化结构。

简化的化学键使我们不必写冗长的-CH2-,但是,也使得分子变得抽象。  因此,学一些群论的知识就显得比较重要,这对手性的理解有相当的帮助。由于大多数化合物都是手性化合物,这需要我们有相当的想象力来想象分子的空间结构——而不是每次都要用Gaussian算一下或者用Chemdraw画图(当然,用经验解决不了的东西只能交给计算机了,比如势能面之类的问题)。

另外,在做分子模拟和化学计算的过程中,往往不需要标明化学键,这里最主要考虑的是电子云密度与势能。这种理解方式将在后面详细说明。下面是一个原子轨道的电子云密度图,可见电子是在整个空间弥散的,只是认为电子在键中固定的想法将在实际应用中遇到很多困难。

当然,如果只考虑电子的弥散未免过于宽泛——看到的分子将会是这样的:

前线轨道理论是有机化学中较为复杂的理论,结合分子轨道,我们可以简化分子的电子结构,从而预估可能的反应位点。简单地讲,我们常常只关注前线轨道(HOMO,LUMO,SOMO)而不是所有的分子轨道。

有机化学水平的提升是认知层面的提升。举个最浅显的例子,亲核取代反应的种类很多,如果从最简单的角度理解,一个具有正电性的碳原子上面,取代基从一个变成另一个,发生Walden转换的称为SN2(有时候SN2反应反应级数不一定是二级),外消旋就成为SN1, 部分消旋介于二者之间……当然,还有内返机理,邻基参与,烯丙位重排,非经典碳正离子,SET机理,加成消除机理之类。

从过渡态的角度分析,势能面的形状是由分子的形状、溶剂等诸多因素决定的,具体数据需要计算化学辅助。(关于势能面可以瞥一眼本公众号的头像~)如果鞍部只有一个,就成为SN2机理  ,当然,势能面也可以出现两个低谷,预示着离子偶极络合物的形成,这在溶剂化过程中常常出现。

考虑分子轨道理论,SN2反应可以认为是亲核试剂的孤对电子轨道和亲电试剂的σ*轨道发生线性组合。在极性相当强的条件下,会出现碳正离子的强烈溶剂化,偶极矩大的分子容易裂解产生碳正离子。实质上,邻基参与过程本身即是SN2反应的过程,伴随着立体构型的保持。

余金权教授是国际上C-H键活化领域最为活跃的华人学者,他认为:“现代科研竞争,不在于智力,而在于超常想象力。”对分子结构的想象力是他成功的重要一环。
综上所述,想要学好有机化学,首先,你需要整理基础知识,形成知识网络——直到你遇到瓶颈期,这时,你需要提升认知能力,从更高的层次去理解化学反应,可以通过阅读文献、书写复杂的反应机理和与别人交流来完成。另一方面,想要在科研领域更进一步,需要保持创造力,保持一种新鲜感。固然,前人走过的路平坦,但是熟悉的地方没有风景,我们需要独自开拓新领域,筚路蓝缕,以启山林。
最后,希望各位读者在学术领域砥砺前行,前途无量!
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