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》。

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。

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。

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。

中有1-1

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稳定性，共轭效应能明显增加自由基稳定性。

立体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，而是均与中间平面有一定夹角，由此产生的空间位阻可以有效抑制自由基二聚。

中有1-2

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。

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。单线态的两个电子填入一个轨道中，三线态的两个电子分别填入两个轨道，因此三线态具有顺磁性。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。

中有1-3

氮烯（nitrene），音译是乃春，与卡宾相类似，也是一类活泼中间体。乃春通常由叠氮化物的分解得到。

中有1-4

有机合成中常有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。

中有1-5

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。

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，过渡态不可以被分离或捕获。根据Hammond假说，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”。

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。

（不少有机书还是很喜欢碰撞理论的，经常会在动力学部分拿出来定性分析分析，不过分子轨道理论可以说是碰撞理论的上位替代，在一些比较“现代”的有机教材中会有更多的应用。）

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。

中有1-6

当$KIE=0.7 \sim 1.5$时，意味着存在弱的同位素效应，此时$C-H$键并未断裂，而是减弱或重新杂化，并且发生在决速步骤中。这样的效应称为二级同位素效应（secondary isotope effect）。产生二级同位素效应的主要原因在于$C-H$键比$C-D$键更长，前者弯曲状态自由度更大，二者面外弯曲振动在过渡态和基态所受影响不同，因此产生了不同的比例。

（ $C-H$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，书上写得不细，可以参考高等有机等书。）

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：

中有1-7