什么是有机反应机理？—有机反应机理系列1

有机化学是研究有机化合物及有机物质的结构、性质、反应的学科，是化学中极重要的一个分支，而其中有机化学反应是有机化学的核心，也是有机合成的基础。那一个有机反应是如何发生的呢，中间有经历了哪些复杂的变化？带着这些疑问，化学家开始研究反应过程中的变化，并提出了有机反应机理的概念。1903年，亚瑟·拉普沃斯（Arthur J. Lapworth）通过研究安息香缩合反应，提出了第一个有机反应机理。

现在我们对于一个复杂化学反应机理的理解主要包括：（1）反应由哪些基元步骤构成？（2）每一步的产物是什么？（3）从反应物到产物经过什么样的中间状态（中间体；过渡态,transition state, TS）？（5）哪一步是速控步(rate determining step, rds)？（6）反应条件对反应速率有何影响？如果我们可以了解所有这些信息，那么就认为我们已经掌握了这个反应的机理。

以环己烯与溴素反应为例：

反应基元过程：两个，R到int，int到P

产物：P

中间体：int；过渡态：TS1，TS2

控速步：R到int

反应条件对反应速率影响：温度、浓度、溶剂、催化剂和酸碱性等

为了便于理解，我们可以打一个不太恰当的比方。假设环己烯与溴素的反应过程是两个城市R和P之间的一条高速公路；TS1和TS2是这条高速公路上的两个收费站；Int则是海关（因为反应中间体int比TS1和TS2要更加稳定）。只有汽车通过了收费站（TS1和TS2）和海关（Int），才能从R城市到达P城市。换个说话，只有驾驶员了解了TS1、TS2和Int三个地点，驾驶员开车从R城市到P城市才不会迷路（我们就认为驾驶员是认路的）。

因此，目前而言我们可以将有机反应机理定义为:有机反应机理是对组成一个化学反应的全部基元过程、全部中间体（Int.）以及与中间体、反应物（R）和产物（P）相关联的过渡态（TS）的总体描述。

然而目前对于有机反应机理的理解是存在局限性的。回到刚才打个比方，你会发现如果是驾驶员在高速公路上开车，沿途所有的风景他都是可以看见的，但我们对于反应过程中除去TS1，TS2和Int以外的认知实际上是缺失的，也就是说我们并不知道在这期间分子间发生了什么变化，还是否存在其他反应路径。此外，由于过渡态和中间体的存在时间较短，我们对于有的反应过渡态和中间体的认知也是十分有限的。所以，现在所有的有机反应机理都是相对的，现有的机理可以解释我们现在已知的所有结果与现象，我们就认为这个反应机理是合理的。

理想的有机反应机理定义为：有机反应机理是建立反应体系中所有原子空间位置与时间的函数关系，可以求任意时刻体系中所有原子的空间位置。当然，由于技术的限制，我们现在并不能做到这一点。然而，量子化学和计算机技术的进步以及飞秒化学（10^-15 s）的发展从理论上和实验上为此提供了可能。

1952年日本化学家福井谦一提出了前线轨道理论，1965年美国有机化学家罗伯特·伯恩斯·伍德沃德和量子化学家罗阿尔德·霍夫曼联手提出了有机反应中的分子轨道对称守恒原理。福井和霍夫曼凭借他们这一贡献获得了1981年度的诺贝尔化学奖。

量子化学计算方法也飞速发展，在1920年代至今的数十年内，涌现出了组态相互作用方法（CI）、多体微扰理论（MP）、密度泛函理论（DFT）以及数量众多形式不一的旨在减少计算量的半经验计算方法，由于量子化学家们的工作，现在已经有大量商用量子化学计算软件出现，其中很多都能够在普通PC机上实现化学精度的量化计算，昔日神秘的量子化学理论，已经成为化学家常用的理论工具。约翰·波普与瓦尔特·科恩分别因为发展首个普及的量子化学软件（Gaussian）和提出密度泛函理论 （Density Functional Theory）而获得1998年诺贝尔化学奖。

飞秒化学（femtochemistry）是物理化学的一支，研究在极小的时间内化学反应的过程和机理。1999年，艾哈迈德·泽维尔（Zewail A）因他在这一领域的开创性的研究而获得诺贝尔化学奖。现在，运用飞秒化学技术可以观察到，反应过程中生成的中间产物与起始物和最终产物都不同。可以预见，运用飞秒化学和量子化学，我们对于反应机理的了解会更加深入和全面，同时化学反应将会更为可控，新的分子将会更容易制造。