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碳負離子
鎖定
碳負離子(Carbon anion)是三個基團,有一對孤對電子的碳的活性中間體,一個單位負電荷。四面體構型。孤對電子佔一個雜化軌道。比較相應酸的酸性大小,判斷負離子穩定性大小。
- 中文名
- 碳負離子
- 外文名
- Carbon anion
碳負離子定義
碳負離子構型
一般碳負離子
碳負離子帶有負電荷,中心碳原子為三價,價電子層充滿八個電子,具有一對未共用電子。中心碳原子的可能構型有兩種:一種為雜化的平面構型,另一種雜化的稜錐構型。
不同的碳負離子由於中心碳原子連接的基團不一樣,其構型不盡相同,但一般簡單的烴基負離子是雜化的稜錐構型,未共用電子對處於雜化軌道。這主要因為雜化軌道與p軌道比較,軌道中包含更多的s軌道成分,而軌道中成分的增加意味着軌道更靠近原子核,軌道的能量降低。當碳負離子的未共用電子對處於雜化軌道時,與處於p軌道比較,未共用電子對更靠近碳原子核,因此,體系能量較低,比較穩定。同時,在碳負離子體系中,未共用電子對與其他三對成鍵電子之間也存在斥力,當未共用電子對處於雜化軌道時,與其他三對成鍵電子所處的軌道之間近似,而處於p軌道時,則與三個雜化軌道之間為垂直。因此,處於雜化狀態的稜錐構型,電子對的排斥作用較小,比較有利。所以與碳正離子不同,一般簡單的烴基碳負離子是處於雜化狀態的稜錐構型,未共用電子對處於四個雜化軌道中的一個,這是碳負離子通常的合理結構。
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特殊的碳負離子
雖然環丙基正離子由於環張力不利於平面構型而很不穩定,但環丙基負離子確是存在的,因為稜錐構型對碳負離子是相對有利的。在橋環化合物中,橋頭碳正離子是很不穩定的,因為環的幾何形狀的限制,不利於平面構型的存在,所以很少有橋頭碳正離子生成。但對橋頭碳負離子説,稜錐構型則是相對有利的,所以橋頭碳負離子是穩定的,可以存在的。正因如此,橋頭有機鋰化合物容易生成,例如下面通過橋頭碳負離子進行的反應是很順利的。這也為碳負離子的稜錐構型提供了進一步的證據。但當帶負電荷的中心碳原子與鍵或芳環相連時,由於未共用的電子對能與鍵發生共軛離域而穩定,這時碳負離子將取雜化的平面構型,以達到軌道最大的交蓋,更好地離域,使體系能量最低最穩定。
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碳負離子影響因素
碳負離子雜化效應
雜化軌道電負性大小順序是
。電負性越大,其拉電子能力越強,所以碳負離子的穩定性有如下順序:
。
根據反應式:
,如果碳負離子穩定性越強,它的R-H酸性越強。通過比較相應酸的酸性大小,可以大致判斷碳負離子的穩定性大小。一般地,具有能穩定負電荷的基團的碳負離子具有較高的穩定性。這些基團可以是苯基、電負性較強的雜原子(如O,N,基團如
、-C(=O)-、
、
、
和
等)或末端炔烴(也可看作電負性的緣故),例如,三苯甲烷、三氰基甲烷、硝基甲烷和1,3-二羰基化合物具有較強的酸性。除此之外,不同於縮酮,縮硫酮的α氫也具有較強的酸性。這可以用硫的3d軌道與C-S鍵σ*軌道的超共軛效應來解釋。硫代硝基苯基甲烷的去質子化表明,硫的可極化性起主要作用。
碳負離子芳香性
具有芳香性的物質在結構上具備:是閉合的共軛體系;參加共軛的原子在一個平面上;參與共軛的p電子數符合如4n+2規則。同樣,具備上述三條件的環狀共軛碳負離子也具有芳香性,很穩定。
碳負離子共軛效應
當碳負離子與碳碳雙鍵或苯環直接相連時,由於共軛作用可使負電荷得到分散。因此碳負離子上連接的雙鍵(或苯環)越多,碳負離子越穩定。共軛效應不僅使碳負離子的穩定性增加,而且使碳負離子構型也發生變化:一般碳負離子的構型為角錐型,而有共軛效應的碳負離子可為平面構型。另外碳—氮、碳—氧、氮—氧重鍵對碳負離子也同樣有穩定作用。由於氮、氧比碳原子有較大的電負性,能更好分散負電荷,所以更能使碳負離子穩定,其碳—質酸酸性更大。
碳負離子溶劑效應
一般來説,極性的質子溶劑能夠使正、負離子溶劑化,而極性非質子溶劑如二甲基亞碸不能夠使負離子溶劑化,因此溶劑不同,碳負離子的活性和穩定性是不同的。