氧化还原反应之氢负理论
在有机化学这门学科中，氧化还原反应尚存在诸多含混不清、似是而非的问题。氧化还原的机理尚不清晰，不少氧化还原反应归类为自由基反应，无形中增加了神秘色彩。氧化还原反应释放的能量巨大，安全生产管理压力山大。本文在笔者“化学反应的本质在于电子重新分配-从H说起”演讲稿基础上，从氧化还原反应机理角度，对以下问题进行探讨。
■ 氧化还原定义
■ 硼氢化钠（钾）
■ 其它金属还原剂
■ 氢气还原
■ 生物酶还原
■ 氧化反应
■ 氧化还原的本质
■ 卤化反应
结 论
01、氧化还原定义
氧化还原反应的概念有狭义和广义之分：
氧化（狭义）：一个化合物与氧反应，叫氧化反应。比如吡啶与活性氧反应得到氧化吡啶。
其机理为吡啶N原子上的孤对电子进入O原子的空轨道（笔者常常提醒机理解析初学人员，眼里要有孤对电子，也要看到空轨道）。
氧化（范围更广）：H被杂原子取代，或脱H反应也称为氧化反应。
还原（狭义）：双键加氢（氢化）或杂原子被H取代（氢解），称为还原反应。
这尚不是广义的氧化还原定义。欲知广义的氧化还原定义，且听下文分解。
02、 硼氢化钠（钾）
NaBH4和LiAlH4都是还原剂，但还原能力不一样。NaBH4可以还原酮和醛为醇，而LiAlH4活性高，可以还原酯、羧酸、酰胺等为醇，后者的缺点是易燃易爆、价格昂贵。
笔者仔细琢磨还原反应，有这样一种直觉：还原反应与负氢或氢负（H-）有关，但氢负不能太负！（注：本文为方便起见，统一用“氢负”表示）。这与笔者的经历有关：上世纪80年代，上海医药工业研究院王其灼先生指导研究生将硼氢化钠（钾）和路易斯酸（lewis acid）比如AlCl3组合，显著提高硼氢化钠（钾）的还原能力，其还原能力可以与LiAlH4媲美，给予本人深刻印象。
后来，有人利用硼氢化钠（钾）和质子酸比如硫酸、磷酸组合，也可以提高硼氢化钾的还原能力（因为质子酸为液体，加料方便），将手性氨基酸直接还原为氨基醇。
为何加lewis acid就能提高硼氢化钠（钾）的还原活性？我们来看硼氢化钠（钾）的其中一种制备方法：以下几个图片来自《有机化学结构与功能》（k. Peter et al，戴立信、席振峰、王梅祥等译）：
可以理解为，强碱负氢离子的电负性被分散到四个H上，形成氢负（H-），但不是太负，H-就是还原剂。理论上硼氢化钠（钾）四个氢可以利用三个。
03、 其它金属还原剂
其它金属还原剂：LiAlH4，Red-Al，DIBAL-H，Et3SiH
我们认为这些还原剂与元素的电负性有关（注意C左下方元素）。
经过计算，我们可以总结规律：碳元素左下方相邻的三个元素与H电负性差为负数（不是那么负），这几个元素与H化合就变成了还原剂。
笔者感叹，元素周期表真是一个伟大的发现（赶得上中国的八卦图吗？），掌握了其中规律就可以派上很多用场。
我们最近使用一种新还原剂
，其还原的道理与上述三乙基硅烷如出一辙，但反应收率更高。与之类似的还原剂还在不断增添新品种。
各种各样的还原剂之所以都有需求，我个人以为：化学反应需要挑选（筛选）一种合适的试剂。这种试剂的活性与底物所需能量适配，容易发生“共振”，一旦筛选到合适的试剂，反应收率高、副产物少，纯化简便（纯属个人猜想）
04、 氢气还原
一般认为氢化反应是自由基反应，但我们也可以用极性反应来解释。
如果H2瞬间极化为H+—H-，H-进攻双键一端，π键电子转移到双键另外一端，形成碳负离子。碳负离子从溶液中抓一个氢质子，那是分秒之间的事！
如果一个化合物结构中既有双键又有羰基，哪个基团优先被还原？稍有经验的同行对以下结论不会有异议：
猜想氢气形成的氢负（H-）极性更小（更靠近中性），烯烃优先反应，而NaBH4 形成的氢负（H-）极性相对来说略大，与羰基更加般配。
05、 生物酶还原
羰基还原酶催化还原酮为手性醇，也可以用“氢负理论”来解释。
氢负（H-）进攻羰基碳，得到氧负离子……如前所说，氧负离子从溶液中抓一个氢质子，那是分秒之间的事！
那么这个氢负从何而来？生物催化中的氢负（H-）通过辅酶（NAD+-NADH）转移。氢负进攻吡啶环对位碳，将NAD+转化为NADH。脱氢酶、还原酶、辅酶构建一个催化体系，源源不断将丙醇的H-转移到底物上。
06、 氧化反应
关于还原反应的讨论暂且告一段落，我们转向氧化反应。
本人根据中国传统文化之“阴阳理论”推演：H+是酸，-OH是碱；现在假定H-是还原剂，那么+OH就是氧化剂！
比如，过氧化氢的氧化作用与+OH有关
例如：乙酸与过氧化氢反应生成过氧乙酸的机理
推而广之，凡是涉及氧化还原反应，大多与H- 有关。《有机人名反应机理新解》列举了多个氧化还原反应案例，其中有一个共同的特点——氧化还原反应与“氢负”转移有关。比如Swern氧化反应：
这是以DMSO与草酰氯组合为氧化剂，将醇氧化为醛（酮）的案例。其中，氢负（H-）从与O相连的C上转移到S=C键上的C上。原文献机理解析之所以不合理，就是因为没有分清H-与H+的差别。
引入氢负理论，氧化反应的神秘面目就逐渐清晰了：
1）本人前一篇微信文章——“多才多艺的硝酸和亚硝酸”揭示了硝酸氧化反应，真正的氧化剂不是硝酸（HNO3）而是氧气（O2）。
2）在Udenfriend反应和Fenton反应中，Fe3+与Fe2+组成一个催化体系，加速氧化进程，这是制剂氧化降解和废水处理中经常遇到的重要问题。
3）双氧水的制备。百度了一下的H2O2制备过程：“乙基蒽醌法是工业制备过氧化氢的方法。其工艺为烷基蒽醌与有机溶剂配制成工作溶液，在压力为0.30 MPa，温度55－65℃、有催化剂存在的条件下，通入氢气进行氢化，再在40－44℃下与空气（或氧气）进行逆流氧化，经萃取、再生、精制与浓缩制得质量分数为20%-30%的过氧化氢水溶液产品”。
特别提醒读者不要将反应循环图与机理解析图混淆。机理解析如下：
07、 氧化还原的本质
广义的氧化还原反应：一个反应只要电子发生偏移，意谓发生了氧化还原反应。
比如CH4氯化为CH3Cl，氢原子被氯原子替换，由于氯元素电负性大，我们可以理解为成键的一对电子偏向于氯，这叫氧化。反之，当氯原子被氢原子替代（CH3Cl→CH4），成键的一对电子偏向于（恢复）原位，这叫还原。
我们不禁要问：电子不偏不倚、保持不动的反应有多少呢？
结论：我们认为，氧化还原是后天人为约定的一个概念，实质就是一般的极性反应。可以站在另一高度，统一用电子转移理论来解释：（见下表）
08、 卤化反应
行文至此，一个长期困惑本人的问题，现提出来与大家讨论：卤化反应是自由基反应吗？
关于卤化反应，《基础有机化学》认为是自由基反应，并列举了5个证据：
本人经过认真思考，有两个疑问：
1）如果卤化反应是自由基反应，还应该有两个苄基聚合的产物和H2生成才对啊？！
但实际上副产物仅仅HCl或HBr，并没有氢气和二聚体生成(图片来自于《基础有机化学》)
2）溴素参与的取代反应为极性反应，大家对此没有异议（如下图）。为什么与氯同一主族的氯气参与的取代反应就是自由基反应呢？
因此，笔者大胆假设：氯化反应也是极性反应！
我们假定C-H和Cl-Cl键在外部赋能（加热或光照）的情况下瞬间极化(与前文H2在催化剂表面还原烯烃类似)，可以用极性反应来解释氯化反应，没有必要将氯化认定为自由基反应（“自由基机理是个筐，解释不了就往里装”）：
但是问题来了：
仔细观察，貌似不对啊！与苄基相连的取代基明明是正（H+），怎么摇身一变就变成负（Cl-）了呢？
换句话说，碳原子刚才扮演的是“负”角色，怎么就变成“正”角色了呢？
看来用极性反应来解释氯化，确有“难言之隐”-所以教材用自由基机理来解释，一了百了。
本人一时也无法找到有说服力的证据，虽然“心有不甘”，只好就此作罢。
疫情期间，长期封闭在家，正好有时间重新阅读《西游真解》。
从小到大一直以为《西游记》是以玄奘法师西天取经为原型，是一本宣扬佛学的小说。认真读完《西游真解》-陈肯著，恍然大悟——《西游记》是一本“修道”的书，而且作者写作的目的不是为了宣扬佛学，而是“崇道贬佛”，出处都是比喻，文学化了而已。
简单来说，在五行中，孙悟空代表庚金，猪八戒代表壬水，因此“阴中有阳，阳中有阴”，必须经历角色互换，庚金丢掉“红孩儿”变辛金（肺以绝心之火），壬水去掉“黑水河”变甲木（肝以绝肾之水），然后“金木交并”……最后修道成仙（哈哈）。
这真是一本颠覆三观的书！笔者受此启发，提出氧化还原反应之“阴阳互换”假说。
接下来，笔者进一步提出更多“阴阳互换”的例证：
1）金属有机反应
在有机反应中，极性颠倒的例子并不罕见，比如Mg、Zn、Pd参与的反应就会发生极性颠倒的现象。笔者认为，“阴阳互换是氧化还原反应的普遍特征”，反过来说-“阴阳互换一定会发生氧化还原反应”。
比如，卤代烷R-X与Mg反应生成格氏试剂，烷基从正离子变成负离子。按照上述说法，我们预言Grignard反应会发生氧化还原反应。果然不出所料，醛或酮与Grignard试剂反应得到醇，发生了还原反应!
2）用H2O2可以将Br和Cl角色转换
Br- + +OH = Br-OH
Cl- + +OH = Cl-OH
大家看到，Br- 与 +OH结合，溴离子贡献一对电子用来成键，但是羟基（OH）的拉电子能力更强，两者的极性发生反转。
或许有人会问：你怎么知道OH拉电子能力比Br、Cl强呢?
Br、Cl的电负性不难从前面表格中查到，OH是一个基团而非一个元素，表格中没有OH的电负性数据。
笔者记得一本书里有OH的电负性数据，可惜疫情原因不在身边。情急之下，笔者想出一个估算基团电负性的简易办法：
我们用Chemdraw软件模拟CH3OH和CH3Cl、CH3Br的1H-NMR。
本人在“诱导效应和共轭效应辨析”已经说明：与碳相连的基团吸电子能力越强，与碳相连的H就朝低场方向移动(即核磁位移ppm值越大)。从下面三图可以推算-OH的电负性比Br、Cl更大。
因为氯气和溴素使用过程中有一定危险性，医药化工企业需要取得一定资质方可正常使用。缺乏条件的企业可以采用以下变通办法：
HCl + +OH = Cl+
HBr + +OH = Br+
由于溴素价格昂贵，生产的溴盐需要回收。采用HBr-H2O2溴代的好处在于：原子经济性好，避免了回收溴的麻烦。
结 论
机理解析是站在另外一个高度看问题。在这里，没有亲核反应、亲电反应之分，也没有什么“加成”规则、“消除”规则，氧化还原反应是一个“人为约定”的概念（广义的氧化还原反应就是极性反应，反之亦然，极性反应就是广义的氧化还原反应），大部分自由基反应也都可以用极性反应来解释。
在极性反应中，只要大家按照陈荣业老师总结的极性反应三要素（如下图所示），时时留心结构-活性的关系，时时留心反应位点的外层电子和空轨道，同时也不要忽视体积最小的氢原子，按照“机理解析基本规范”行事，我们就行走在机理解析的光明大道上。
补记
有人说“人与人的争吵，往往在于定义不同”。
笔者从机理解析出发，将以往的自由基反应比如氢化、氧化、氯化等与自由基聚合反应（链式反应是其特点）区分，并非一概否定所有的自由基反应。
笔者认为基于实验现象提出不同的观点，对已有机理解析进行补充、修正或换个角度进行理解，或许更直观形象、更有利于在现实生产中发挥指导作用，这也是科学发展的特点。
至于有人问我：“你的说法有相关报道吗？”本人只能勉强回答：“以上是我个人的看法，供大家讨论”。
一时记不得哪位前辈说过这样一句话，“少数人因为相信而看见，多数人是因为看见才相信”。谨以此言与诸君共勉！
张福利 2022-4-30
