《中级有机化学》章末总结1

看完基础有机后学点更深入的，不过考虑到物化还没上完，因此先把高等有机或现代物理有机之类的书放一放。来看一本吕萍老师的《中级有机化学》（第二版）。

本书作为中级教材，其实很多部分都是基础有机的补充，尤其是前三章讨论的预备知识在基础有机中已经学的七七八八。因此不累述重复部分，主要是挑基础有机中不太涉及的知识写。

第1章 有机反应机理

1.1 化学键的断裂方式与有机反应中的活泼中间体

化学键的断裂方式可以分为均裂和异裂，这一点我们已经很熟悉了，根据断键方式的不同会生成不同的反应中间体，例如碳正离子、碳负离子和碳自由基。

1.1.1 碳正离子

碳正离子是缺电子体系，随着中心碳原子 s 成分的增加，碳正离子的稳定性急剧下降。烷基碳正离子中，超共轭和给电子的诱导效应（主要是不同杂化类型的碳）可以稳定正离子。如果正离子和 $\pi$ 键或苯基相连，$p-\pi$ 共轭效应可以分散正电荷，因此可以稳定碳正离子。苄基碳正离子在共轭时需要牺牲苯环的芳香性实现离域，所以苄基正离子破环苯环芳香性的共振式结构的贡献其实很小，正电荷主要集中在苄位。

杂原子与碳正离子相连时，由于强共轭作用，所以能有效稳定碳正离子。例如 Friedel-Crafts 酰基化中的酰基正离子。

1.1.2 碳负离子

碳负离子属于富电子物种，故杂化轨道的 s 成分越多越稳定。简单的烷基碳负离子一般极不稳定，很难制备和研究，吸电子共轭效应能增加碳负离子的稳定性。硫和磷对碳负离子有特别的稳定化作用，碳负离子电子对所占据 p 轨道与硫或磷的 d 轨道重叠形成 $d-p \pi$ 配键，而氮叶立德则不行，所以硫/磷叶立德比氮叶立德更稳定。

（ 吐个槽，原书内容如下：

碳负离子电子对所占据的p轨道与硫或磷的空d轨道重叠，形成 $p\pi-d\pi$ 键。

”$p\pi-d\pi$键“，印象里这应该是很早的无机教材的说法，感觉吕萍老师虽然把本书第二版改了不少内容，但是还是有一些痕迹在啊。😃

另，$d-p\pi$ 键的解释有夸大共轭效应的作用之嫌，一些研究和计算已经指出：主族元素中的 d 轨道参与成键作用的贡献其实非常小，例如硫酸根在无机化学教材中往往写作包含硫氧双键的形式，但是硫的 $3d$ 轨道和氧的 $2p$ 轨道能差相当大，有效重叠因此其实很低。所以用电荷分离的极性形式来解释它们的结构或许更准确。

）

理论上，氟具有强吸电子诱导效应，含氟甲基负离子能获得氟的稳定作用，但是实验观察到的稳定顺序与预料恰恰相反：

$LiCF_3 < LiCHF_2 < LiCH_2F \ll LiCH_3$

氟原子对碳负离子中心的取代数目越多，碳负离子的热稳定性及其亲核活性就会越低，这一规律称为负氟效应（negative fluorine effect）。一个可能的原因是，氟取代的碳负离子容易形成卡宾。

负氟效应的存在为含氟分子的制备带来了困难，但是也催生了新的反应研究。例如对于上文的例子，$LiCF_3$ 的稳定性虽然很差，但是如果将对离子换成钾离子（或 $K^+/18-crown-6$），$KCF_3$ 的稳定性和反应性都显著提升。

1.1.3 碳自由基

碳自由基的稳定性比较与碳正离子类似，超共轭效应可以稳定自由基，共轭效应能明显增加自由基稳定性。

不过分子取代基的位阻有时会影响共轭，例如三苯甲基自由基的三个苯环由于位阻影响并非共面，而是各自偏转一定角度。根据这一点，三（2,6-二甲氧基苯）甲基自由基由于位阻存在，有效地抑制了自由基二聚。

因此可以看出，想要让自由基稳定存在，一方面需要共轭效应加以稳定，另一方面需要有一定立体位阻避免二聚。例如一些稳定存在的自由基固体，如 TEMPO 或 2,4,6-三叔丁基苯基氧自由基等。

1.1.4 卡宾

卡宾可以分为单线态和三线态两种，它们的区别是电子排布方式不同，单线态卡宾的两个电子填入一个轨道中，自旋方向相反；三线态卡宾的两个电子分别填入两个轨道，自旋方向相同，因此三线态具有顺磁性。这种电子排布上的区别导致了它们在光谱上产生不同的谱线，也正是它们名字的来源。三线态卡宾比单线态卡宾能量更低，（气相中）更加稳定。

除了二卤卡宾以及与氮、氧、硫原子相连的卡宾，大多数卡宾都处于非直线形的三线态基态。

单线态卡宾可以被一些具有给电子共轭效应的取代基稳定，如二氨基卡宾。氮杂环卡宾（N-heterocyclic carbene, NHC）非常稳定，可以被分离出来，常作为过渡金属配体使用。

1.1.5 乃春

氮烯（nitrene），音译是乃春，与卡宾相类似，也称氮宾，同样是一种活泼中间体。乃春通常由叠氮化物的分解得到。

有机合成中常用的磺酰基乃春就是由磺酰基叠氮热解或光解产生的，也可在过渡金属催化下温和地产生。

1.2 有机反应机理

有机反应机理的相关内容已经比较熟悉了，许多约定的记号如反应箭头和表示电子流动的箭头在此略去。

有机反应的基本类型也在基础有机中都已了解，包括加成反应、消除反应、取代反应、重排反应等，此处也不多提。

1.3 有机反应机理的研究方法

有机反应进程中，物种发生势能的变化，可以用反应进程图来描述这种变化。

图 1.2 中，第一步过程可逆，中间体回到反应物所需克服的能垒比变为产物的能垒要小，但产物比反应物稳定。因此中间体变回反应物是由动力学控制，而转变成产物是由热力学控制的。

1.3.1 过渡态

有机反应的过程涉及一个或多个过渡态，区别于有一定寿命的中间体，过渡态不能被分离或捕获。根据 Hammond 假说，过渡态和一种中间体之间通过连续的转变实现互相转化，且能量差别不大，则二者的结构也只有微小的变化。进一步延申，过渡态的结构与势能相近的物种（反应物或产物）相似，即“能量相近，结构相似”。对于一步反应，如果过渡态能量更接近反应物，那么称为前过渡态（early transition state）；如果过渡态能量更接近产物，那么称为后过渡态（late transition state）。

这些概念的引入主要是为了能让我们在无法分离过渡态络合物的情况下通过反应物/产物的结构推测过渡态的结构，进而通过量子力学等手段研究反应进程。

1.3.2 反应动力学

考察反应速率（reaction rate）是研究反应机理的重要手段之一，太快或太慢的反应都不适合用于研究反应速率，改变反应条件可以让反应速率落在可控范围内，称为反应动力学（reaction kinetics）研究。

根据碰撞理论，一个 $nX+mY$ 的反应，其反应速率方程式可以简化为：

$r=k[X]^n[Y]^m$

有机反应的历程中可以经历一步或多步，对于多步反应来说，反应的决速步（rate determining step, RDS）为所有步骤中最慢的一步，即活化能最大的一步。上式中 $k$ 为反应速率常数，根据碰撞理论，与分子间的有效碰撞、活化能及温度相关。

对于一个多步反应的机理，通常需要确定决速步骤，并了解决速步骤中参与形成过渡态的反应物的数目，以确定反应的反应动力学级别。对此，动力学同位素效应（kinetic isotope effect, KIE）实验是一种有效的研究方法。

最常用的同位素是氘（$D$），将分子中的 $C-H$ 键替换为 $C-D$ 键，然后分别测定反应速率得到 $k_H$ 和 $k_D$，二者的比值称为动力学同位素效应（KIE）：

$KIE = k_H / k_D$

在发生反应时 $C-H$ 键比 $C-D$ 键活泼，更易断裂，因此 KIE 若大于1，说明决速步中很可能涉及 $C-H$ 的断裂。当 $KIE=2 \sim 7$ 时，可以认为反应涉及 $C-H(D)$ 的断裂，具有一级同位素效应（primary isotope effect）。如下所示的取代反应涉及了 $C-H(D)$ 的断裂。

当 $KIE=0.7 \sim 1.5$ 时，意味着存在弱的同位素效应，此时 $C-H/D$ 键并未断裂，而是减弱/重新杂化，并且发生在决速步骤中。这将会导致 C-D 键震动频率发生变化，从而改变反应物和产物的零点能（zero-point energy, ZPE）差，进而影响反应速率。这样的效应称为二级同位素效应（secondary isotope effect）。

（ $C-H$ 键比 $C-D$ 键更活泼，所以反应速率更快，如果其速率常数比值达到一定程度，说明 $C-H(D)$ 的断裂对反应速率的影响很大，也就说明 $C-H(D)$ 断裂包含在决速步中；至于二级同位素效应较为复杂，本书写得不细，可以参考 Carey, F. A.; Sundberg, R. J. Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and Mechanisms , 5th ed.; Section 3.5, pp 333–335. 。 ）

1.3.3 中间体

很多有机反应通过多步完成，经过多个中间体和过渡态，过渡态没有寿命，无法分离，而中间体虽然一般不稳定，但是其有一定寿命，可以分离出来确认结构。

确认中间体结构可以用波谱的方法确认，或者外加试剂捕获并分离。如 George A. Olah 曾用超酸获得碳正离子：

捕获的中间体也可以用波谱分析结构和所经机理。

反应的选择性包括化学选择性（chemoselectivity）、区域选择性（regioselectivity）和立体选择性（stereoselectivity）。

化学选择性指的是试剂对底物中官能团的选择性。

区域选择性指的是反应在官能团的不同位点发生反应，生成两种或两种以上构造异构体，它们之间有产率差异，其中一种为主要产物。

立体选择性指的是反应生成两种或两种以上立体异构体，其中一种为主。立体选择性又可分为非对映选择性（diastereoselectivity）和对映选择性（enantioselectivity）。

总结

第一章都是基础知识，绝大多数和基础有机重合，只不过学基础有机的时候这些内容要么不提，要么被一笔带过了。

还有一个让人不爽的点，由于我没有本书第二版的电子版，所以所有图片都用的本书第一版的配图，导致有些图旧版上没有，我又懒得自己画，只好凑合凑合了。

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2026.10.03

修改、增添部分内容，校正格式。