好的，我们将对这份关于卤代烷和有机金属化合物的文档进行逐页、逐节的详细解释。

第1页：烷烃的自由基卤代

1. 已知的卤代烷合成方法：离子型机理

文档首先回顾了一个已知的卤代烷合成方法，即烯烃与卤化氢的亲电加成反应。

$$\text{环己烯} + HCl \rightarrow \text{氯代环己烷}$$

• 解释：这个反应是通过一个离子型机理（ionic mechanism）进行的。具体来说，是亲电加成反应。环己烯中的 $\pi$ 键电子（富电子）会进攻 $HCl$ 分子中带部分正电荷的氢原子。这会形成一个碳正离子（carbocation）中间体和一个氯离子 $Cl^-$。随后，氯离子 $Cl^-$ 进攻碳正离子，形成最终产物氯代环己烷。这个过程涉及带电荷的离子，因此称为离子型机理。

2. 烷烃的自由基卤代反应

这是本章介绍的新内容，是在烷烃上引入官能团的少数方法之一。

$$C_2H_6 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Cl + HCl$$

• 反应物：乙烷 ($C_2H_6$) 和氯气 ($Cl_2$)。乙烷是一个烷烃，通常反应活性很低。
• 反应条件：$h\nu$ 表示需要光照，通常是紫外光 (UV light)。光提供了引发反应所需的能量。
• 产物：氯乙烷 ($C_2H_5Cl$) 和氯化氢 ($HCl$)。
• 核心思想：这个反应通过打断烷烃的 $C-H$ 键，并用一个卤素原子（这里是 $Cl$）取代氢原子，从而在惰性的烷烃上引入了一个官能团（卤素）。

3. 多氯代问题及解决方案

反应并不会在生成一氯代物后就停止。

$$C_2H_5Cl + Cl_2 \rightarrow C_2H_4Cl_2 + HCl \\ C_2H_4Cl_2 + Cl_2 \rightarrow ... \rightarrow C_2Cl_6$$

• 问题：生成的一氯代产物 ($C_2H_5Cl$) 仍然有 $C-H$ 键，可以继续与 $Cl_2$ 反应，生成二氯代物 ($C_2H_4Cl_2$)、三氯代物，直至所有的氢都被取代，生成六氯乙烷 ($C_2Cl_6$)。这种生成多种卤代产物的现象称为多卤代（polychlorination）。这通常是我们不希望看到的，因为它会产生一个难以分离的产物混合物，降低目标产物的产率。
• 解决方案：使用大量的烷烃（a large excess of the alkane）。
  • 原因：这是一个概率问题。反应中的关键步骤是氯自由基 ($Cl\cdot$) 寻找一个分子进行反应。如果我们让烷烃（如 $C_2H_6$）的浓度远远高于一氯代产物（$C_2H_5Cl$）的浓度，那么氯自由基与 $C_2H_6$ 碰撞并反应的概率就会远远大于它与 $C_2H_5Cl$ 碰撞的概率。这样就可以有效地抑制多氯代反应的发生，使一氯代物成为主要产物。

4. 自由基卤代的机理：链式反应

这个反应不是一步完成的，而是通过一个链式反应（chain reaction）的机理进行的，包含三个主要阶段：

4.1 链引发 (Initiation)

这是链式反应的开始。

$$Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2 Cl\cdot$$

• 解释：在紫外光的照射下，$Cl_2$ 分子吸收能量。$Cl-Cl$ 键相对较弱，吸收的能量足以使其发生均裂（homolytic cleavage）。均裂意味着共价键中的两个电子平分，每个氯原子各带走一个电子，形成两个带有一个未成对电子的氯原子。这种带有未成对电子的、电中性的物种被称为自由基（radical）。这一步从非自由基物质生成了自由基，开启了整个链式反应。

4.2 链增长 (Propagation)

这是链式反应的核心，由一系列循环步骤组成，不断消耗反应物生成产物，并再生链式反应的载体（自由基）。

• 第一步：夺氢 (Hydrogen Abstraction)

  $$Cl\cdot + C_2H_6 \rightarrow HCl + C_2H_5\cdot \quad (\Delta H^\circ = -10 \text{ kcal/mol})$$

  • 解释：活性很高的氯自由基 ($Cl\cdot$) 从乙烷分子中夺取一个氢原子，形成非常稳定的 $H-Cl$ 键和一个新的自由基——乙基自由基 ($C_2H_5\cdot$)。这个过程是放热的（exothermic），反应焓变为负值。图示 $Cl\cdot \curvearrowright H-C_2H_5$ 展示了电子的移动：$Cl\cdot$ 的单电子与 $H-C$ 键的一个电子形成新的 $H-Cl$ 键，而 $H-C$ 键的另一个电子则留在碳原子上。

• 第二步：卤代 (Halogenation)

  $$C_2H_5\cdot + Cl_2 \rightarrow C_2H_5Cl + Cl\cdot \quad (\Delta H^\circ = -110 \text{ kcal/mol})$$

  • 解释：上一步生成的乙基自由基 ($C_2H_5\cdot$) 接着与一个 $Cl_2$ 分子反应。它从 $Cl_2$ 分子中夺取一个氯原子，形成产物氯乙烷 ($C_2H_5Cl$)，并重新生成了一个氯自由基 ($Cl\cdot$)。图示 $C_2H_5\cdot \curvearrowright Cl-Cl$ 也展示了电子的移动。

• 链式特性：注意，第二步重新生成的 $Cl\cdot$ 可以继续参与第一步反应，攻击另一个 $C_2H_6$ 分子。这样，一个自由基可以引发成千上万个反应分子循环，这就是“链式”的含义。

• 总反应：将两个增长步骤相加，并消去两边都出现的自由基 ($Cl\cdot$ 和 $C_2H_5\cdot$)，就得到了总的化学方程式：

  $$C_2H_6 + Cl_2 \rightarrow C_2H_5Cl + HCl \quad (\Delta H^\circ = -120 \text{ kcal/mol})$$

  总反应的焓变是两个增长步骤焓变之和 ($-10 + (-110) = -120$ kcal/mol)，这是一个强放热反应。

4.3 链终止 (Termination)

当两个自由基相互碰撞并结合时，自由基被消耗，链式反应停止。

$$2 Cl\cdot \rightarrow Cl_2 \\ C_2H_5\cdot + Cl\cdot \rightarrow C_2H_5Cl \\ 2 C_2H_5\cdot \rightarrow CH_3CH_2CH_2CH_3 (\text{丁烷})$$

• 解释：这些反应之所以能终止链式反应，是因为它们消耗了自由基，但没有产生新的自由基。在反应初期，自由基浓度很低，终止反应发生的概率也很低。随着反应进行或在某些条件下，终止步骤会变得越来越重要。任何一个终止反应都可以接受作为答案。值得注意的是，第三个终止反应会生成少量的副产物丁烷。

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第2页：自由基的结构、能量与选择性

5. 自由基的结构与能量 (Structure and Energetics of Radicals)

• 结构：
  • 杂化方式：自由基碳原子近似为 sp² 杂化。
  • 几何构型：接近平面三角形。三个与碳相连的原子（或基团）位于同一个平面上，未成对的电子占据在垂直于这个平面的 p 轨道中。
• 稳定性：
  • 自由基的稳定性顺序为：叔 (3°) > 仲 (2°) > 伯 (1°)。
  • 这个顺序与碳正离子（carbocations）的稳定性顺序完全相同。

6. 自由基与碳正离子的能量比较

图中比较了自由基和碳正离子的相对能量。

• 碳正离子：能量差 ($\Delta G^\circ$) 较大。叔碳正离子比仲碳正离子稳定得多，仲碳正离子又比伯碳正离子稳定得多。
• 自由基：能量差较小。虽然稳定性顺序相同 ($3^\circ > 2^\circ > 1^\circ$)，但不同级别自由基之间的能量差距没有碳正离子那么悬殊。

7. 乙基自由基与超共轭效应

图中展示了乙基自由基的结构和分子轨道。

• 超共轭效应 (Hyperconjugation)：自由基的稳定性可以用超共轭效应来解释。这是指含有单电子的 p 轨道与邻近的 $C-H$ $\sigma$ 键轨道发生重叠。这种重叠使得 $\sigma$ 键的电子可以部分地离域到 p 轨道中，从而分散了电子的密度，降低了体系的能量，使自由基更加稳定。
• 与碳正离子的比较：
  • 碳正离子：p 轨道是空的，$\sigma$ 键的两个电子可以离域到这个空轨道中，稳定化效果非常显著。
  • 自由基：p 轨道已经有一个电子，$\sigma$ 键的两个电子要进入一个已经部分占据的轨道。根据泡利不相容原理，这种相互作用的稳定化效果不如进入一个空轨道那么强。因此，超共轭效应对自由基的稳定化作用弱于对碳正离子的稳定化作用。这解释了为什么不同级别自由基之间的能量差比碳正离子小。

8. 自由基与碳正离子的关键区别

1. 形成能力：伯 ($1^\circ$)、仲 ($2^\circ$) 和叔 ($3^\circ$) 自由基都可以作为反应中间体形成。相比之下，伯碳正离子非常不稳定，通常难以作为反应中间体存在。
2. 重排：自由基不会发生重排（do not rearrange），例如 1,2-氢迁移或 1,2-烷基迁移。这是一个非常重要的区别！碳正离子则非常容易发生重排，以形成更稳定的碳正离子。

9. 反应选择性：丁烷的氯代

这个实验揭示了自由基反应的选择性。

$$CH_3CH_2CH_2CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3CH_2CH_2CH_2Cl \text{ (1-氯丁烷)} + CH_3CH_2CHClCH_3 \text{ (2-氯丁烷)}$$

• 反应物分析：丁烷 ($CH_3CH_2CH_2CH_3$) 有两种不同类型的氢原子：
  • 6个伯氢原子 (1° H)，位于两个末端的甲基 ($CH_3$) 上。
  • 4个仲氢原子 (2° H)，位于中间的两个亚甲基 ($CH_2$) 上。
• 统计产物比：如果氯自由基攻击所有 $C-H$ 键的概率完全相同（即没有选择性），那么产物比例应该只由氢原子的数量决定。
  • 生成 1-氯丁烷的概率 = $6 / (6+4) = 60\%$
  • 生成 2-氯丁烷的概率 = $4 / (6+4) = 40\%$
• 实验结果：
  • 1-氯丁烷 (1° 产物) 产率: 30%
  • 2-氯丁烷 (2° 产物) 产率: 70%
• 结论：实验结果与统计预测完全不符。这表明反应具有内在的选择性（intrinsic preference）。氯自由基倾向于从仲碳上夺取氢原子，因为这会形成一个更稳定的仲自由基。

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第3页：反应活性计算与实用合成

10. 产物决速步

$$\text{烷烃} + Cl\cdot \rightarrow \text{烷基自由基} + HCl \quad \text{(第一步增长)} \\ \text{烷基自由基} + Cl_2 \rightarrow \text{卤代烷} + Cl\cdot \quad \text{(第二步增长)}$$

• 解释：产物的种类和比例是在第一个增长步骤（夺氢步骤）中决定的。因为一旦形成了特定类型的烷基自由基（例如伯自由基或仲自由基），它会很快与 $Cl_2$ 反应生成相应的卤代烷。由于自由基不发生重排，所以最初在哪里夺走氢，最终氯原子就会加到哪里。因此，第一个增长步骤是产物决定步骤（product-determining step）。

11. 计算 C-H 抽象的相对反应活性

文档通过丁烷氯代的实验数据，计算了不同类型氢原子的相对反应活性。

• 计算方法：相对活性 = 产物百分比 / 该类型氢原子的数目
• 伯氢 (Primary H)：
  • 活性 = $30\% / 6 H = 5.0$ (每个伯氢的贡献)
• 仲氢 (Secondary H)：
  • 活性 = $70\% / 4 H = 17.5$ (每个仲氢的贡献)
• 活性比：
  • 将所有数值以伯氢的活性为基准进行归一化。
  • $1^\circ : 2^\circ = 5.0 : 17.5$
  • 两边同除以 5.0，得到 $1 : 3.5$
  • 结论：在氯代反应中，一个仲氢原子的反应活性是一个伯氢原子的 3.5倍。

12. 烷烃自由基卤代的相对反应活性总结

• 氯代 ($Cl_2$)：

  $$1^\circ : 2^\circ : 3^\circ = 1 : 3.5 : 5.0$$

  • 特点：氯代反应具有一定的选择性，但选择性不高。例如，叔氢只比伯氢快5倍。这意味着在含有多种氢的复杂烷烃中，进行氯代反应通常会得到一个产物混合物。

• 溴代 ($Br_2$)：

  $$1^\circ : 2^\circ : 3^\circ = 1 : 100 : 4800 \text{ (此处为常见值, 文档给的是1:100:4800, 也有写1:82:1600的，但都说明了极高的选择性)}$$

  • 特点：溴代反应的选择性极高！叔氢的反应活性比伯氢高出几千倍。这意味着溴自由基 ($Br\cdot$) 几乎只攻击最容易被夺取的氢原子（通常是叔氢）。

13. 反应活性与 C-H 键解离能

反应活性的差异根源在于 $C-H$ 键的强度。

• 键解离能 (Bond Dissociation Energy, BDE)：将一个化学键均裂成两个自由基所需的能量。BDE 值越低，键越弱，越容易断裂。
• 数据 (kJ/mol)：
  • 乙烷中的伯氢 ($Et-H$): 421
  • 异丙烷中的仲氢 ($iPr-H$): 410
  • 叔丁烷中的叔氢 ($t-Bu-H$): 400
• 结论：$C-H$ 键的强度顺序是 $1^\circ > 2^\circ > 3^\circ$。
  • 夺氢反应的趋势是优先断裂最弱的键。因此，自由基夺取氢的难易程度是 $3^\circ > 2^\circ > 1^\circ$，这与观察到的反应活性顺序完全一致。

14. 卤代烷的实用合成方法

基于以上选择性规则，我们可以设计更有效的合成策略。

• 合成一氯代烷：

  • 策略：为了避免得到混合物，最好选择只有一种类型 $C-H$ 键的烷烃。
  • 示例：环戊烷 ($C_5H_{10}$)。所有的10个氢都是等同的仲氢。因此，氯代反应只会生成一种产物：一氯环戊烷。

• 合成一溴代烷：

  • 策略：利用溴代反应的高选择性。
  • 示例：(CH₃)₃CH (2-甲基丙烷)。这个分子有9个伯氢和1个叔氢。由于溴代反应对叔氢有极高的选择性 (活性比约为 4800:1)，反应几乎只在叔碳上发生。

  $$(CH_3)_3CH + Br_2 \xrightarrow{h\nu} (CH_3)_3CBr \quad (96\% \text{ 产率})$$

  • 这是一个非常高效、专一地制备叔卤代烷的方法。

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第4页：化学反应中的选择性

本页通过能量图深入探讨了选择性的来源，对比了离子反应和自由基反应。

15. 马氏规则选择性的来源：碳正离子形成

• 背景：回顾烯烃与 $HCl$ 加成反应的马氏规则（Markovnikov selectivity）。该规则指出，氢原子加到双键中已经连有较多氢原子的碳上。
• 热力学解释：
  • 第一步（质子化形成碳正离子）是吸能的（endergonic）慢步骤，即决速步。
  • 根据哈蒙德假说（Hammond postulate），对于吸能反应，其过渡态（Transition State, TS）的结构和能量更接近于产物（这里是碳正离子中间体）。
  • 因此，形成更稳定的碳正离子（如 3° 碳正离子）的过渡态能量更低，反应速率更快。
  • 能量差异：叔碳正离子和仲碳正离子之间的能量差 $\Delta\Delta G^\circ_{int}$ 很大（约 63 kJ/mol）。
  • 速率差异：相对速率比可以通过公式 $k_{rel} = \exp(-\Delta\Delta G^\ddagger/RT)$ 计算。由于过渡态能量差 $\Delta\Delta G^\ddagger \approx \Delta\Delta G^\circ_{int}$，巨大的能量差导致了极高的选择性 ($6 \times 10^{10}$)，反应几乎只生成更稳定的碳正离子。

16. 自由基氯代反应的能量图

• 第一增长步：$R-H + Cl\cdot \rightarrow R\cdot + HCl$
• 能量特征：
  • 这是一个放能的（exergonic）步骤。从图中可以看出，产物（烷基自由基 + $HCl$）的能量低于反应物。
  • 根据哈蒙德假说，对于放能反应，其过渡态的结构和能量更接近于反应物。这被称为“早过渡态”（Early TS）。
• 选择性分析：
  • 因为过渡态更像反应物（$R-H + Cl\cdot$），此时 $C-H$ 键还没有被显著拉长，自由基的特征（伯、仲、叔）在过渡态中体现得不明显。
  • 因此，形成不同自由基（如伯自由基 vs 仲自由基）的过渡态之间的能量差 ($\Delta\Delta G^\ddagger$) 较小。
  • 图中 $\Delta\Delta G^\ddagger = 4$ kJ/mol (这是一个示例值)。
  • 较小的活化能差异导致了较低的选择性（Low selectivity）。

17. 自由基溴代反应的能量图

• 第一增长步：$R-H + Br\cdot \rightarrow R\cdot + HBr$
• 能量特征：
  • 这是一个吸能的（endergonic）步骤。产物（烷基自由基 + $HBr$）的能量高于反应物。这是因为 $H-Br$ 键不如 $H-Cl$ 键强。
  • 根据哈蒙德假说，对于吸能反应，其过渡态的结构和能量更接近于产物（$R\cdot + HBr$）。这被称为“晚过渡态”（Late TS）。
• 选择性分析：
  • 因为过渡态非常像产物（烷基自由基），$C-H$ 键已经基本断裂，碳原子已经具有了很强的自由基特征。
  • 因此，不同自由基（伯、仲、叔）本身的稳定性差异在过渡态中得到了充分的体现。
  • 形成更稳定的自由基（如叔自由基）的过渡态能量会显著低于形成不稳定自由基的过渡态。
  • 图中 $\Delta\Delta G^\ddagger \approx \Delta G^\circ = 21$ kJ/mol (示例值)。
  • 巨大的活化能差异导致了极高的选择性（High selectivity）。

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第5页：烯丙位溴代

18. 烯丙位溴代反应 (Allylic Bromination)

这是一个在烯丙位（allylic position）进行选择性溴代的反应。烯丙位是指与双键碳原子直接相连的饱和碳原子。

$$\text{环己烯} \xrightarrow{NBS, CCl_4, h\nu} \text{3-溴环己烯}$$

• 反应物：环己烯。
• 试剂：
  • NBS: N-溴代琥珀酰亚胺 (N-bromosuccinimide)。这是该反应的关键试剂。
  • $CCl_4$：四氯化碳，用作溶剂。
  • $h\nu$：光照或加热，作为引发剂。
• 产物：溴原子被选择性地加到了烯丙位上，而双键保持不变。

19. NBS 反应机理

这是一个自由基链式反应，NBS 的作用是提供一个持续、低浓度的 $Br_2$。

• 链引发 (Initiation)：痕量的 $Br_2$ 或 NBS 在光照下均裂，产生引发反应的溴自由基 ($Br\cdot$)。

• 链增长 (Propagation)：

  1. 夺氢: 溴自由基 ($Br\cdot$) 从环己烯的烯丙位夺取一个氢原子，形成一个烯丙基自由基（allylic radical）和 $HBr$。

  2. NBS 的作用: 上一步生成的 $HBr$ 立即与 NBS 反应，生成 $Br_2$ 和琥珀酰亚胺。

     $$NBS + HBr \rightarrow \text{琥珀酰亚胺} + Br_2$$

     这一步是关键，它使得体系中 $Br_2$ 的浓度一直维持在非常低的水平。

  3. 溴代: 第一步生成的烯丙基自由基与上一步新生成的 $Br_2$ 反应，得到最终产物 3-溴环己烯，并再生一个溴自由基 ($Br\cdot$)，继续链式反应。

• 为何使用 NBS：如果直接使用高浓度的 $Br_2$，会发生对双键的亲电加成反应（生成 1,2-二溴环己烷），而不是烯丙位取代。NBS 通过维持极低的 $Br_2$ 浓度，确保了自由基取代反应是主要途径。

20. 反应的选择性：C-H 键解离能

烯丙位取代的选择性源于烯丙位 C-H 键是所有烷基 C-H 键中最弱的之一。

• BDE 数据 (kJ/mol)：
  • 乙烯基 (Vinylic): 465 (双键碳上的氢，非常强)
  • 仲烷基 (2° Alkyl): 410 (普通仲氢)
  • 仲烯丙基 (2° Allylic): 370 (烯丙位上的氢，非常弱)
• 结论：由于烯丙位的 C-H 键能最低，它最容易被自由基夺取，因此反应高度选择性地发生在此处。

21. 烯丙基自由基的稳定性

烯丙位 C-H 键弱的原因是它断裂后生成的烯丙基自由基非常稳定。

• 共振稳定 (Resonance Stabilization)：烯丙基自由基是一个离域的 3 电子 $\pi$ 体系。未成对的电子并不是定域在某一个碳原子上，而是通过共振（resonance）分散在两个末端碳原子上。

  $$[ \dot{C}H_2-CH=CH_2 \leftrightarrow CH_2=CH-\dot{C}H_2 ]$$

  这种电子离域效应极大地降低了体系的能量，使得烯丙基自由基异常稳定。

22. 自由基稳定性排序

综合考虑各种效应，自由基的稳定性完整排序如下：

$$\text{乙烯基} < \text{甲基} < 1^\circ \text{烷基} < 2^\circ \text{烷基} < 3^\circ \text{烷基} < \text{烯丙基}$$

• 解释：
  • 乙烯基自由基 ($CH_2=\dot{C}H$)：单电子位于 sp² 轨道，非常不稳定。
  • 烷基自由基：稳定性由超共轭效应决定 ($3^\circ > 2^\circ > 1^\circ$)。
  • 烯丙基自由基：由于共振效应，其稳定性超过了所有烷基自由基。

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第6页：预测产物与有机金属化合物

23. 预测烯丙位溴代的产物

文档给出了一个预测产物的系统方法。

• 示例分子：2,3-二甲基-1-丁烯
• 预测步骤：
  1. 定位所有不等同的烯丙位：在这个分子中，只有一个烯丙位，即与双键相连的叔碳位置。
  2. 画出夺氢后形成的烯丙基自由基的共振结构：
     • 从叔碳烯丙位夺氢，得到一个叔烯丙基自由基。
     • 画出其共振结构，电子离域后，单电子转移到末端伯碳上，形成一个伯烯丙基自由基。
  3. 产物是溴原子取代自由基单电子位置的所有可能异构体：
     • 溴加到叔碳位置，得到一个产物。
     • 溴加到伯碳位置，得到另一个产物。
     • 因此，该反应会生成两种产物的混合物。

24. 有机金属化合物 (Organometallics)

这是一类含有碳-金属键的化合物。

24.1 格氏试剂 (Grignard Reagents)

• 制备：由卤代烷 ($R-X$) 与金属镁 ($Mg$) 在无水醚（ether or THF）溶剂中反应制得。

  $$R-X + Mg \xrightarrow{\text{ether}} R-MgX$$

  其中 $X = Cl, Br, I$；$R$ 可以是烷基、乙烯基、芳基等。

• 结构与性质：

  • 可以写作 $R-MgX$ 或 $R:^- MgX^+$。
  • $C-Mg$ 键是高度极化的共价键，碳原子带有显著的负电荷，表现出碳负离子（carbanion, $R:^-$）的性质。
  • 性质：它是一个极强的碱（ultra-strong base）和强亲核试剂（strong nucleophile）。它表现得像是相应烃类 ($RH$) 的共轭碱。

24.2 格氏试剂与质子性溶剂的反应

由于其极强的碱性，格氏试剂会与任何含有活泼氢（酸性质子）的物质剧烈反应。

• 与水和醇的反应：

  $$Me-MgBr + H-OH \rightarrow CH_4 + MgBr^+(OH)^-$$

  $$Ar-MgBr + D-OD \rightarrow Ar-D + MgBr^+(OD)^-$$

  • 解释：格氏试剂中的碳负离子 ($Me:^-$) 会夺取水分子中的质子 ($H^+$)，生成相应的烷烃 ($CH_4$)。这是一个非常迅速的酸碱反应。这也是为什么制备和使用格氏试剂时必须严格无水的原因。
  • 这个反应也可用于在特定位置引入氘（D）或氚（T）。

24.3 有机锂试剂 (Organolithium Reagents)

• 制备：由卤代烷 ($R-X$) 与金属锂 ($Li$) 在醚或戊烷中反应制得。

  $$R-X + 2Li \rightarrow R-Li + LiX$$

• 性质：
  • $C-Li$ 键的极性比 $C-Mg$ 更强，更接近于离子键。
  • 有机锂试剂 ($RLi$) 也是一个极强的碱和强亲核试剂，其反应性通常比格氏试剂更强。
  • 同样，它表现得像是烃类 ($RH$) 的共轭碱，并会与水、醇等质子性溶剂剧烈反应。

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第7页：吉尔曼试剂与合成应用

25. 吉尔曼试剂（锂二有机铜化合物）

• 名称：吉尔曼试剂 (Gilman reagents) 或锂二有机铜酸盐 (lithium diorganocuprates)。
• 通式：$R_2CuLi$
• 制备：由有机锂试剂 ($RLi$) 与卤化亚铜 ($CuI$) 在醚溶剂中反应制得。

  $$2 RLi + CuI \xrightarrow{\text{ether}} R_2CuLi + LiI$$

• 结构：可看作 $[R-Cu-R]^- Li^+$ 的络合物。

26. 吉尔曼试剂的偶联反应 (Coupling Reaction)

这是吉尔曼试剂最重要的应用：形成新的 C-C 键。

• 反应：吉尔曼试剂与卤代烷（或卤代乙烯、卤代芳烃）反应，形成一个由吉尔曼试剂中的 R 基团和卤代烷中的有机基团偶联而成的新分子。这个反应也被称为科里-豪斯合成 (Corey-House synthesis)。

  $$R_2CuLi + R'-X \rightarrow R-R' + RCu + LiX$$

• 要点：

  • $R_2CuLi$ 中的两个 R 基团只有一个会参与偶联。
  • $R'$ 可以是伯烷基、仲烷基、乙烯基、芳基等。注意：通常不用叔卤代烷，因为会主要发生消除反应。
  • 优势：格氏试剂和有机锂试剂通常不能与卤代烷发生这种高效的偶联反应（它们会倾向于发生消除或金属-卤素交换）。吉尔曼试剂在这方面是独特的。
  • 立体化学：如果反应物是乙烯基卤，其双键的立体化学构型（顺/反）会保持不变（stereochemistry is maintained）。

• 准机理 (Quasi-mechanism)：

  $$R'Br + [R_2Cu]^- \rightarrow [\text{中间体}] \rightarrow R-R' + RCu + Br^-$$

  这个机理比较复杂，通常被简化理解为一个取代过程。

27. 实践问题：逆合成分析

这里要求利用所学知识，从碳原子数不多于5的原料出发，合成一个更复杂的目标分子。

• 目标分子1：2,6-二甲基-2-庚烯
• 逆合成分析：
  1. 观察分子结构，寻找可以由 C-C 键形成反应构建的连接点。这个分子有一个异丁烯基部分和一个异戊基部分。
  2. 可以在双键旁边的 C-C 单键处断开。
  3. 合成路线1：将分子拆分为一个5碳的卤代烷和一个2碳的吉尔曼试剂。
     • 原料：(CH₃)₂CHCH₂CH₂Br (1-溴-3-甲基丁烷, 5碳) 和 [(CH₃)₂C=CH]₂CuLi (来自2-溴丙烯, 3碳)。这里2-溴丙烯原料不符合“5碳或更少”，但思路是正确的。
     • 正确思路应该是：
       • 断开为 4-甲基-1-戊烯基部分（6碳，太大）和甲基部分（1碳）。
       • 在图中，它断开为异戊基（5碳）和一个异丙烯基（3碳）。
       • 合成策略：用 (CH₃)₂CHCH₂CH₂Br (来自异戊醇) 和 [(CH₃)C=CH₂]₂CuLi (来自2-溴丙烯) 反应。
  4. 目标分子2 & 3：另外两个分子也是同样的思路，找到合适的断裂点，将分子拆成一个卤代烷部分和一个吉尔曼试剂部分，并确保原料都小于等于5个碳。

28. “不要这样做”的例子

这是一个非常重要的警示，指出了有机金属试剂使用的限制。

$$Br-CH_2CH_2-OH + Li \xrightarrow{\text{ether}} \text{???}$$

• 问题：试图在一个同时含有卤素和羟基 (-OH) 的分子上制备有机锂（或格氏）试剂。

• 结果：反应会失败。一旦生成了一点点的 $Li-CH_2CH_2-OH$，其强碱性的碳负离子端会立即夺取同一分子上羟基的酸性质子。

  $$Li-CH_2CH_2-OH \rightarrow H_2 (\text{气体}) + Li-O-CH_2CH_2\cdot (\text{这不是我们想要的})$$

  最终会得到一个复杂的混合物或者只是醇锂盐，而无法得到期望的有机金属试剂。

• 结论：不能在含有酸性质子（如 -OH, -NH₂, -SH, -COOH, 炔氢）的分子上制备或使用格氏试剂或有机锂试剂，除非这些官能团被预先保护起来。酸碱反应总是优先于其他反应发生。