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1. 标题：第九章 - 炔烃 ($Alkynes$)

本章的主题是炔烃，这是一类分子中含有至少一个碳-碳三键（$C \equiv C$）的不饱和烃。碳-碳三键是炔烃的官能团，决定了其独特的化学性质。

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2. 炔烃的基本结构与性质

$$R-C \equiv C-R'$$

• 通用结构：上述通式代表了一个炔烃分子。$R$ 和 $R'$ 可以是氢原子 ($H$)、烷基（如 $-CH_3$, $-CH_2CH_3$）或其他官能团。

  • 末端炔烃 (Terminal Alkyne)：当 $R$ 或 $R'$ 中至少有一个是氢原子时，该炔烃被称为末端炔烃。例如，丙炔 ($CH_3-C \equiv C-H$)。末端炔烃上的氢原子（称为炔氢）具有一定的酸性。
  • 内部炔烃 (Internal Alkyne)：当 $R$ 和 $R'$ 都不是氢原子时，该炔烃被称为内部炔烃。例如，2-丁炔 ($CH_3-C \equiv C-CH_3$)。

• sp 杂化 ($sp$ hybridization)：构成碳-碳三键的两个碳原子都采用了 sp 杂化。

  • 细节解释：每个碳原子将其价层的一个 $2s$ 轨道和一个 $2p$ 轨道进行线性组合，形成两个能量相同、方向相反（夹角 $180^\circ$）的 sp 杂化轨道。同时，该碳原子还剩下两个未参与杂化的、相互垂直的 $2p$ 轨道（我们可称之为 $p_y$ 和 $p_z$）。
  • s-轨道成分：在 sp 杂化轨道中，s 轨道的贡献占 50%，p 轨道的贡献占 50%。相比之下，$sp^2$ 杂化轨道有 33.3% 的 s-成分，$sp^3$ 杂化轨道只有 25% 的 s-成分。更高的 s-成分意味着电子更靠近原子核，使得 sp 杂化的碳原子具有更高的电负性。

• 成键方式：碳-碳三键是由一个 $\sigma$ 键和两个 $\pi$ 键构成的。

  • $\sigma$ 键：一个碳原子的 sp 杂化轨道与另一个碳原子的 sp 杂化轨道沿键轴方向“头对头”重叠，形成一个非常强的 $\sigma$ 键。
  • $\pi$ 键：一个碳原子的 $p_y$ 轨道与另一个碳原子的 $p_y$ 轨道“肩并肩”重叠，在 $\sigma$ 键的上方和下方形成第一个 $\pi$ 键。同样，一个碳原子的 $p_z$ 轨道与另一个碳原子的 $p_z$ 轨道“肩并肩”重叠，在 $\sigma$ 键的前方和后方形成第二个 $\pi$ 键。这两个 $\pi$ 键相互垂直，共同形成一个圆柱形的电子云，包裹着 $\sigma$ 键。

• 线性几何构型 ($linear$ $geometry$)：由于 sp 杂化轨道之间的夹角为 $180^\circ$，因此，构成 $R-C \equiv C-R'$ 骨架的四个原子（即 $R$ 中的第一个原子、两个三键碳原子、$R'$ 中的第一个原子）必然位于同一直线上。

  • 示例：在 2-丁炔 ($CH_3-C \equiv C-CH_3$) 中，六个原子中有四个（$C1-C2 \equiv C3-C4$ 中的 $C1, C2, C3, C4$）是在一条直线上的。

• 无立体异构 ($no$ $stereoisomerism$)：立体异构（如顺反异构）要求分子中存在一个受阻旋转的结构（如双键）并且每个参与成键的原子上连接有两个不同的基团。由于炔烃的三键部分是线性的，它不存在“双键平面”的“同侧”或“异侧”之分，因此无法形成顺式 (cis/Z) 或反式 (trans/E) 异构体。

• 错误画法：讲义中特别强调 "(Don't write R-C≡C-R' with a bent structure)"。画出折线结构的炔烃是化学结构表述中的一个严重错误，因为它完全歪曲了分子真实的 $180^\circ$ 键角和线性构型。

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3. 烯炔 ($enynes$) 的命名法

烯炔是分子中同时含有碳-碳双键（官能团后缀 -en）和碳-碳三键（官能团后缀 -yne）的化合物。

• 命名规则 1：优先编号给最近的多重键。从主链的两端开始试编号，选择能使第一个遇到的多重键（无论是双键还是三键）的位次号最小的那种编号方式。

• 命名规则 2：出现平局时，双键优先。如果从两端编号，第一个多重键的位次号相同时，则选择给予双键更小编号的编号方式。

• 示例 1：(Z)-hex-4-en-1-yne

  • 结构：$CH_3-CH=CH-CH_2-C \equiv CH$
  • 主链：含有6个碳原子，所以母体是 "hex"。
  • 编号分析：
    • 从左到右编号：双键在2号位，三键在5号位。第一个多重键位次是 2。
    • 从右到左编号：三键在1号位，双键在4号位。第一个多重键位次是 1。
  • 应用规则 1：由于 1 < 2，我们必须采用从右到左的编号方式。
  • 命名组合：双键位于4号位（4-en），三键位于1号位（1-yne）。组合起来是 hex-4-en-1-yne。
  • 立体化学：双键（C4=C5）的 C4 上连接了 $H$ 和 $-CH_2C \equiv CH$，C5 上连接了 $H$ 和 $-CH_3$。根据 Cahn-Ingold-Prelog 规则，$-CH_2C \equiv CH$ 的优先级高于 $H$，$-CH_3$ 的优先级高于 $H$。两个高优先级的基团位于双键的同一侧，因此构型为 Z (源自德语 zusammen，意为“在一起”)。
  • 完整名称：(Z)-hex-4-en-1-yne。

• 示例 2：pent-1-en-4-yne

  • 结构：$CH_2=CH-CH_2-C \equiv CH$
  • 主链：含有5个碳原子，母体是 "pent"。
  • 编号分析：
    • 从左到右编号：双键在1号位，三键在4号位。第一个多重键位次是 1。
    • 从右到左编号：三键在1号位，双键在4号位。第一个多重键位次是 1。
  • 应用规则 2：这是一个平局（tie）。在这种情况下，双键的优先级更高，应给予双键更小的编号。因此，我们采用从左到右的编号方式。
  • 命名组合：双键位于1号位（1-en），三键位于4号位（4-yne）。组合起来是 pent-1-en-4-yne。

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4. 炔烃的制备

• 9.2节 - 通过消除反应制备炔烃：讲义简要提及，详细内容将在第11章讨论。这通常是指二卤代烷在强碱作用下发生两次消除反应（双脱卤化氢反应）。
  • 示例：1,2-二溴丙烷 ($CH_3-CHBr-CH_2Br$) 在过量的强碱，如氨基钠 ($NaNH_2$)，作用下，会连续失去两个 $HBr$ 分子，生成丙炔 ($CH_3-C \equiv C-H$)。

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5. 炔烃的反应

5.1. 卤化氢 ($HX$) 的亲电加成

$$R-C \equiv C-H \xrightarrow{1 \text{ eq. } HX} R-C(X)=CH_2 \xrightarrow{1 \text{ eq. } HX} R-C(X_2)-CH_3$$

• 反应概述：炔烃的 $\pi$ 键可以与亲电试剂 $HX$（其中 $X = Cl, Br$）发生加成反应。由于有两个 $\pi$ 键，该反应可以分两步进行，最多可加成两分子的 $HX$。
• 第一步产物：加入1当量（1 equivalent）的 $HX$ 后，生成一个乙烯基卤（vinylic halide），即卤素原子直接连接在双键碳上的化合物。
• 第二步产物：如果存在过量的 $HX$，乙烯基卤的双键会继续与第二分子的 $HX$ 反应，生成一个偕二卤代烷（geminal dihalide），即两个卤素原子连接在同一个碳原子上的化合物。
• 区域选择性 - 马氏规则 (Markovnikov's rule)：该反应严格遵循马氏规则。
  • 在第一步中，质子（$H^+$）加成到三键中连接有更多氢原子的碳上（对于末端炔烃，就是末端碳），而卤素负离子（$X^-$）加成到另一个碳上。
  • 在第二步中，质子再次加成到双键中连接有更多氢原子的碳上，卤素负离子加成到已经带有一个卤素的碳上。

5.2. 反应机理 (Mechanism)

第一步：炔烃生成乙烯基卤

1. 亲电进攻：炔烃三键的圆柱形 $\pi$ 电子云是富电子区域，表现为亲核性。它会进攻亲电试剂 $HX$ 分子中带部分正电荷的氢原子。$H-X$ 键发生异裂，生成卤素负离子 $X^-$。

2. 形成乙烯基碳正离子：质子加成到末端碳上，使得内部碳原子上形成一个正电荷，生成一个仲乙烯基碳正离子 ($2^\circ$ vinylic cation)。

   $$R-C \equiv C-H + H^+ \rightarrow R-\overset{+}{C}=CH_2$$

   这是一个关键的中间体。正电荷位于一个 sp 杂化的碳原子上（讲义图中标记为 $sp^2$ 是指产物双键碳的杂化，但形成正离子时，该碳原子更接近于 sp 杂化，因为它只有两个成键电子对，几何构型是线性的）。

3. 亲核捕获：卤素负离子 $X^-$ 作为亲核试剂，迅速进攻带正电的碳原子，形成最终产物乙烯基卤。

碳正离子稳定性 (Carbocation stability) 讲义给出的稳定性顺序是：$1^\circ$ 烷基 < $2^\circ$ 乙烯基 < $2^\circ$ 烷基 < $3^\circ$ 烷基。

• 深度解释：乙烯基碳正离子 ($R-\overset{+}{C}=CH_2$) 的稳定性远低于类似取代程度的烷基碳正离子 ($R_2\overset{+}{C}H$)。原因在于电负性。正电荷所在的碳原子杂化方式是 sp，s-成分高达50%。高 s-成分使得该原子核对电子的吸引力更强，即电负性更强。在一个电负性强的原子上放置一个正电荷，是能量上非常不利的。因此，乙烯基碳正离子非常不稳定，反应活化能很高。

第二步：乙烯基卤生成偕二卤代烷

1. 亲电进攻：乙烯基卤 ($R-C(X)=CH_2$) 的双键作为亲核试剂，进攻第二分子的 $HX$。

2. 形成更稳定的碳正离子：根据马氏规则，质子加成到含氢较多的碳上（即 $CH_2$ 基团），生成 $CH_3$。这使得正电荷形成在内部碳上。

   $$R-C(X)=CH_2 + H^+ \rightarrow R-\overset{+}{C}(X)-CH_3$$

3. 共振稳定效应：这个新形成的碳正离子 ($R-\overset{+}{C}(X)-CH_3$) 旁边连接着一个带有孤对电子的卤素原子 $X$。卤素的孤对电子可以通过共振效应来离域化碳上的正电荷，形成一个类似卤鎓离子的共振结构。

   $$R-\underset{\huge :}{\overset{\huge \cdot\cdot}{\ddot{X}}}-\overset{+}{C}H-CH_3 \leftrightarrow R-\underset{\huge :}{\overset{\huge \cdot\cdot}{\ddot{X}}^+}=CH-CH_3$$

   这种共振稳定效应使得这个中间体比第一步中的乙烯基碳正离子稳定得多，因此第二步加成通常比第一步更快。

4. 亲核捕获：卤素负离子 $X^-$ 进攻碳正离子，形成最终的偕二卤代烷产物。

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6. 其他亲电加成反应及其立体化学

• $HBr$ 与 3-己炔 ($Et-C \equiv C-Et$) 的加成：

  • 反应：对称的内部炔烃 3-己炔与 $HBr$ 在乙酸 ($AcOH$) 溶剂中反应。
  • 产物：产物是 (E)-3-溴-3-己烯，其中 $H$ 和 $Br$ 分别加成在三键的两侧，形成反式加成 (trans addition) 产物。
  • 机理推测：简单的乙烯基碳正离子机理无法解释这种高度的立体选择性。讲义推测反应可能通过一个桥环中间体。一种可能的机理是：炔烃的 $\pi$ 键首先与 $H^+$ 或 $Br_2$ 中的 $Br^+$（如果溶剂中有痕量 $Br_2$）形成一个三元环的桥式氢鎓离子或溴鎓离子。随后，亲核试剂 $Br^-$ 必须从对侧（即“背面”）进攻这个环，导致环打开，从而固定了产物的反式立体化学。

• $Br_2$ 与 3-己炔的加成：

  • 反应：3-己炔与 $Br_2$ 在非亲核性溶剂二氯甲烷 ($CH_2Cl_2$) 中反应。
  • 产物：产物是 (E)-3,4-二溴-3-己烯，两个溴原子位于双键的相对两侧，同样是反式加成产物。
  • 机理：这个机理与烯烃的卤代反应非常相似。
    1. 炔烃的 $\pi$ 键进攻 $Br_2$ 分子，形成一个环状的溴鎓离子中间体和一个 $Br^-$ 离子。
    2. $Br^-$ 离子从对侧进攻溴鎓离子环上的一个碳原子。
    3. 环状中间体打开，导致两个溴原子最终处于反式位置。

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7. 炔烃的水合反应 (Hydration of alkynes)

7.1. 末端炔烃的水合：汞催化的马氏规则加成

$$R-C \equiv C-H \xrightarrow{H_2O, H_2SO_4, HgSO_4} R-C(=O)-CH_3$$

• 反应条件：水 ($H_2O$)、强酸催化剂（如硫酸 $H_2SO_4$）和汞盐催化剂（如硫酸汞 $HgSO_4$）。
• 反应结果：水分子 ($H_2O$) 加成到三键上，遵循马氏规则。最终，氧原子加成在内部碳上，氢原子加成在末端碳上，生成一个甲基酮 (a methyl ketone)。
  • 数值示例：1-戊炔 ($CH_3CH_2CH_2-C \equiv C-H$) 进行水合反应，产物是 2-戊酮 ($CH_3CH_2CH_2-C(=O)-CH_3$)，而不是 1-戊醛。

7.2. 反应机理 (Mechanism)

这是一个精巧的催化过程，其中 $Hg^{2+}$ 离子是关键的亲电催化剂。

1. 汞鎓离子的形成：亲电的 $Hg^{2+}$ 离子与炔烃的 $\pi$ 电子云作用，形成一个环状的汞鎓离子 (mercurinium ion) 中间体。这个中间体类似于前面讨论的溴鎓离子，使得三键被“活化”以接受亲核进攻。
2. 水分子的亲核进攻：水分子 ($H_2O$) 作为亲核试剂，进攻汞鎓离子环中正电荷性质更强的碳原子（即取代基更多的内部碳原子）。进攻方向是反式的。
3. 去质子化：溶剂水分子作为弱碱，从新加上的水基团上夺取一个质子，形成一个含汞的氧官能团。
4. 质子解（去汞化）：在酸性条件下，首先双键上的末端碳被质子化。然后，C-Hg 键被质子取代，释放出催化剂 $Hg^{2+}$，同时生成一个烯醇 (enol) 中间体。烯醇是指分子中含有 $C=C-OH$ 结构的化合物。

   $$R-C(OH)=CH_2$$

5. 酮-烯醇互变异构 (Keto-enol tautomerism)：烯醇是不稳定的。它会迅速发生分子内重排，转变为其结构异构体——酮 (keto form)。
   • 互变异构体 (Tautomers)：是两种可以相互转化的、处于快速平衡中的结构异构体。
   • 稳定性：通常情况下，酮式比烯醇式稳定得多，因为碳-氧双键 ($C=O$) 的键能（约 745 kJ/mol）远大于碳-碳双键 ($C=C$) 的键能（约 611 kJ/mol）。因此，平衡极大地偏向于生成酮。
   • 酸催化机理：烯醇的双键被 $H_3O^+$ 质子化，形成一个共振稳定的碳正离子，然后水分子夺去氧上的质子，得到酮。

7.3. 内部炔烃的水合反应

• 不对称内部炔烃 (unsymmetric, R ≠ R')

  $$R-C \equiv C-R' \xrightarrow{H_2O, H_2SO_4, HgSO_4} R-C(=O)-CH_2-R' + R-CH_2-C(=O)-R'$$

  • 问题：对于不对称的内部炔烃，如 2-戊炔 ($CH_3-C \equiv C-CH_2CH_3$) ，三键两端的碳原子化学环境不同。水分子进攻这两个碳原子的几率相近，因此会得到两种不同的酮的混合物：2-戊酮 ($CH_3-C(=O)-CH_2CH_2CH_3$) 和 3-戊酮 ($CH_3CH_2-C(=O)-CH_2CH_3$)。
  • 合成意义：在有机合成中，产生难以分离的混合物是需要极力避免的。因此，这个反应对于不对称内部炔烃来说，合成价值很低。

• 对称内部炔烃 (symmetric, R = R')

  $$R-C \equiv C-R \xrightarrow{H_2O, H_2SO_4, HgSO_4} R-C(=O)-CH_2-R$$

  • 优势：对于对称的内部炔烃，如 3-己炔 ($CH_3CH_2-C \equiv C-CH_2CH_3$) ，三键两端的碳原子是完全等价的。无论氧原子加成到哪一个碳上，经过互变异构后，都只会得到唯一的一种产物：3-己酮 ($CH_3CH_2-C(=O)-CH_2CH_2CH_3$)。这是一个具有合成应用价值的反应。

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8. 炔烃的反马氏规则水合反应 (Anti-Markovnikov hydration)

这是一个与汞催化水合反应区域选择性完全相反的方法。

• 对于末端炔烃 ($R-C \equiv C-H$)

  $$R-C \equiv C-H \xrightarrow{1) BH_3, THF \quad 2) H_2O_2, OH^-} R-CH_2-CHO$$

  • 反应概述：这是一个两步法，称为硼氢化-氧化反应 (hydroboration-oxidation)。它能够将末端炔烃转化为醛 (aldehyde)。
  • 第一步：硼氢化 (Hydroboration)：将炔烃与硼烷 ($BH_3$) 在四氢呋喃 ($THF$) 溶剂中反应。由于硼原子体积相对较大，而氢原子体积很小，空间位阻效应主导了加成的区域选择性。体积大的硼原子会加成到空间位阻较小的末端碳原子上，而氢原子则加成到内部碳原子上。这个加成过程是顺式加成 (syn-addition)。
  • 第二步：氧化 (Oxidation)：用过氧化氢 ($H_2O_2$) 在碱性条件（如 $NaOH$ 溶液，pH 8）下处理第一步得到的有机硼中间体。在这个过程中，C-B 键断裂，B 被 $OH$ 基团取代，并且这个取代过程是保持原有立体构型的。
  • 产物形成：氧化步骤的直接产物是一个烯醇 ($R-CH=CH-OH$)，其中 $OH$ 基团位于末端碳上。这个烯醇同样会发生酮-烯醇互变异构，迅速转化为更稳定的醛 ($R-CH_2-CHO$)。

• 对于内部炔烃 ($R-C \equiv C-R$)

  • 该反应同样适用于内部炔烃，产物是酮。对于对称内部炔烃，产物是唯一的。

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9. 炔烃的还原反应 (Reduction of alkynes)

炔烃的两个 $\pi$ 键可以被还原。通过选择不同的反应条件，可以控制还原的程度和产物的立体化学。

9.1. 完全还原：催化氢化 (Catalytic hydrogenation)

$$R-C \equiv C-R' \xrightarrow{H_2, Pd/C} R-CH_2-CH_2-R'$$

• 反应条件：在催化剂（如负载在活性炭上的钯 $Pd/C$，或铂 $PtO_2$，或阮内镍 $Raney-Ni$）表面，通入氢气 ($H_2$)。
• 反应过程：这是一个非常剧烈的还原反应。炔烃首先被还原成烯烃，但生成的烯烃会立即在同样的条件下被进一步还原。
• 产物：最终产物是完全饱和的烷烃 (alkane)。这个反应无法选择性地停留在烯烃阶段。

9.2. 部分还原生成顺式烯烃：Lindlar 催化剂

$$R-C \equiv C-R' \xrightarrow{H_2, \text{Lindlar catalyst}} \text{cis-}R-CH=CH-R'$$

• Lindlar 催化剂：这是一种“减活”或“中毒”的催化剂。其组成为：负载在碳酸钙 ($CaCO_3$) 上的钯 ($Pd$)，并加入醋酸铅 ($Pb(OAc)_2$) 和喹啉 (quinoline) 作为“毒剂”。
• 作用原理：毒剂会部分覆盖催化剂的活性位点，显著降低其催化活性。这种减活的催化剂仍然足以将反应性更强的炔烃还原为烯烃，但其活性已经不足以再将生成的烯烃还原为烷烃。
• 立体化学：在催化剂金属表面，氢分子被吸附并解离成氢原子。炔烃分子也吸附在表面上。然后，两个氢原子从金属表面的同一侧加成到三键上。这个过程称为顺式加成 (syn-addition)，因此产物是顺式烯烃 (cis-alkene or Z-alkene)。

9.3. 部分还原生成反式烯烃：溶解金属还原 (Dissolving metal reduction)

$$R-C \equiv C-R' \xrightarrow{\text{Li or Na, liquid } NH_3, -33^\circ C} \text{trans-}R-CH=CH-R'$$

• 反应条件：将碱金属（通常是锂 $Li$ 或钠 $Na$）溶解在液氨 ($NH_3$) 中。液氨的沸点为 $-33^\circ C$，因此反应需要在低温下进行。金属溶解后会产生深蓝色的溶液，这是由溶剂化电子 $e^-(NH_3)_x$ 引起的。
• 产物：该方法同样将炔烃还原为烯烃，但产物的立体化学与 Lindlar 还原完全相反，得到的是反式烯烃 (trans-alkene or E-alkene)。

9.4. 溶解金属还原的详细机理

这是一个分步的、非催化的自由基机理，立体化学是在热力学控制下决定的。

1. 单电子转移：一个溶剂化电子（一个极强的亲核试剂和还原剂）进攻炔烃的一个 $\pi$ 反键轨道 ($π^*$)，形成一个自由基负离子 (radical anion)。
2. 质子化：这个中间体中的碳负离子部分是一个非常强的碱，它会迅速从溶剂分子（液氨 $NH_3$，一个弱酸）中夺取一个质子。
3. 构象平衡：质子化后得到一个乙烯基自由基 (vinylic radical)。这个中间体可以快速地进行构象翻转。为了最大限度地减小两个较大取代基 $R$ 和 $R'$ 之间的空间排斥，该自由基会优先采取能量更低的反式构象。这是决定产物立体化学的关键步骤。
4. 第二次单电子转移：第二个溶剂化电子加成到自由基所在的碳原子上，形成一个乙烯基负离子 (vinylic anion)。
5. 第二次质子化：这个乙烯基负离子再次作为强碱，从另一个氨分子中夺取质子，形成最终稳定的反式烯烃产物。

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10. 烃的酸性；乙炔负离子的制备与烷基化

10.1. 烃的酸性与杂化轨道

化合物	名称	pKa	共轭碱中孤对电子的杂化轨道	s 轨道成分
$C_2H_6$	乙烷	~55	$sp^3$	25%
$C_2H_4$	乙烯	44	$sp^2$	33.3%
$C_2H_2$	乙炔	25	$sp$	50%

• pKa 与酸性：pKa 是衡量酸强度的指标，pKa 值越小，酸性越强。从表中数据可以看出，酸性强弱顺序为：乙炔 >> 乙烯 > 乙烷。乙炔的酸性比乙烯和乙烷高出许多个数量级。
• 酸性的根源：酸的强度取决于其共轭碱的稳定性。当烃失去一个质子后，会形成一个碳负离子（carbanion）。这个碳负离子的稳定性决定了相应烃的酸性。
• s-轨道成分与稳定性：负电荷（孤对电子）位于一个杂化轨道中。s 轨道比 p 轨道更靠近带正电的原子核。因此，杂化轨道中的 s-轨道成分越高，电子云就越靠近原子核，受到的束缚就越强，能量就越低，从而使负离子的体系更加稳定。
  • 乙炔的共轭碱（乙炔负离子，$HC \equiv C:^-$）中，孤对电子位于 sp 杂化轨道（50% s-成分），稳定性最高。
  • 乙烯的共轭碱（乙烯基负离子，$H_2C=CH:^-$）中，孤对电子位于 sp² 杂化轨道（33.3% s-成分），稳定性次之。
  • 乙烷的共轭碱（乙基负离子，$CH_3CH_2:^-$）中，孤对电子位于 sp³ 杂化轨道（25% s-成分），稳定性最差。
• 结论：sp 杂化碳原子的高电负性是末端炔烃具有显著酸性的根本原因。

10.2. 能量图解

讲义中的能量图直观地展示了上述关系。从烃分子中移去一个质子所需的吉布斯自由能变化 ($\Delta G^\circ$)，乙炔是最低的，乙烷是最高的。$\Delta G^\circ = -RT \ln K_a = 2.303 RT \cdot pK_a$，因此 $\Delta G^\circ$ 与 $pK_a$ 成正比。

10.3. 乙炔负离子的制备

$$\underset{\text{pKa = 25}}{\boldsymbol{RC \equiv CH}} + \underset{\text{强碱}}{\boldsymbol{Na^+NH_2^-}} \overset{K_{eq}}{\rightleftharpoons} \underset{\text{炔化物盐}}{\boldsymbol{RC \equiv C:^-Na^+}} + \underset{\text{pKa = 35}}{\boldsymbol{NH_3}}$$

• 反应：由于末端炔烃具有一定的酸性，它们可以与一个足够强的碱反应，失去末端的炔氢，形成一个炔化物阴离子 (acetylide anion)。

• 碱的选择：必须选择一个比炔化物阴离子更强的碱。氨基钠 ($NaNH_2$) 是一个非常理想的选择，因为它的共轭酸是氨 ($NH_3$)，而氨是一个极弱的酸 ($pKa \approx 35$)。相比之下，常用的碱如氢氧化钠 ($NaOH$)（共轭酸 $H_2O$, pKa=15.7）或乙醇钠 ($CH_3CH_2ONa$)（共轭酸 $CH_3CH_2OH$, pKa=16）的碱性都不够强，无法将炔烃完全去质子化。

• 化学平衡：酸碱反应的平衡总是倾向于生成更弱的酸和更弱的碱。在这个反应中，反应物酸是炔烃 ($pKa=25$)，产物酸是氨 ($pKa=35$)。因为氨是比炔烃弱得多的酸，所以平衡会极大地偏向产物方向。

• 平衡常数 ($K_{eq}$) 的估算：

  $$K_{eq} = \frac{[Products]}{[Reactants]} = 10^{(pKa_{\text{product acid}} - pKa_{\text{reactant acid}})} = 10^{(35 - 25)} = 10^{10}$$

  这个巨大的平衡常数（一百亿）意味着反应是定量的，几乎所有的末端炔烃都会被转化为炔化物盐。

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11. 通过炔化物离子的烷基化连接碳链

炔化物离子 ($RC \equiv C:^-$) 不仅是一个强碱，还是一个优秀的碳亲核试剂。它可以用来攻击亲电体，形成新的碳-碳键，这是有机合成中延长碳链的极其重要的方法。

11.1. 两步合成法：从 1-丁炔合成 3-庚炔

• 第一步：制备亲核试剂

  $$\underset{\text{1-butyne}}{CH_3CH_2C \equiv CH} \xrightarrow{NaNH_2, \text{ liq. } NH_3} \underset{\text{sodium butynide}}{CH_3CH_2C \equiv C:^-Na^+} + NH_3$$

  用强碱氨基钠 ($NaNH_2$) 在液氨溶剂中处理 1-丁炔，定量地生成亲核试剂——丁炔化钠。

• 第二步：亲核取代反应 (烷基化)

  $$\underset{\text{nucleophile}}{CH_3CH_2C \equiv C:^-Na^+} + \underset{\text{electrophile}}{CH_3CH_2CH_2Br} \rightarrow \underset{\text{3-heptyne}}{CH_3CH_2C \equiv CCH_2CH_2CH_3} + NaBr$$

  将亲电试剂 1-溴丙烷加入到丁炔化钠溶液中。丁炔负离子进攻 1-溴丙烷中与溴相连的碳原子（$\alpha$-碳），溴离子作为离去基团 (leaving group) 被取代。这个过程形成了一个新的 C-C $\sigma$ 键，将一个丁基片段和一个丙基片段连接起来，得到了 3-庚炔。

11.2. 步骤 2 的机理：$S_N2$ 亲核位移

这是一个典型的双分子亲核取代反应 ($S_N2$)。

• 机理特点：亲核试剂（炔化物）的进攻和离去基团（$Br^-$）的离去是一步完成的（协同反应）。亲核试剂从与离去基团相对的背面 (backside) 进攻，导致被进攻碳原子的构型翻转（如果该碳是手性中心的话）。

11.3. 反应的限制条件

$S_N2$ 反应对空间位阻非常敏感，这是其最重要的限制。

• 适用的卤代烷：该烷基化反应只对甲基卤代烷 ($CH_3-X$) 和伯卤代烷 ($RCH_2-X$) 效果最好。
• 不适用的卤代烷：
  • 仲卤代烷 ($R_2CH-X$) 和叔卤代烷 ($R_3C-X$)：由于进攻中心的位阻过大，炔化物（同时也是一个强碱）会主要引发消除反应 (E2)，生成烯烃，而不是发生取代反应。
  • 乙烯基卤 ($C=C-X$) 和芳基卤 (Ar-X)：在这类分子中，C-X 键所在的碳是 $sp^2$ 杂化的。$S_N2$ 反应的背面进攻路径被分子骨架完全阻挡，因此它们对 $S_N2$ 反应是惰性的。

11.4. 乙炔 ($HC \equiv CH$) 的双重烷基化

乙炔分子有两个酸性质子，可以分两步被除去并进行两次不同的烷基化。

• 示例：从乙炔合成 3-辛炔 ($Bu-C \equiv C-Et$)

  1. 第一次烷基化：

     $$HC \equiv CH \xrightarrow{1) NaNH_2} HC \equiv C:^-Na^+ \xrightarrow{2) BuBr} \underset{\text{1-hexyne}}{Bu-C \equiv CH}$$

  2. 第二次烷基化：

     $$Bu-C \equiv CH \xrightarrow{1) NaNH_2} Bu-C \equiv C:^-Na^+ \xrightarrow{2) EtI} \underset{\text{3-octyne}}{Bu-C \equiv C-Et}$$

  通过这种方式，可以方便地合成各种不对称的内部炔烃。

11.5. 有机合成 (Organic Synthesis) 概述

• 目标：从结构简单、价格低廉、容易获得的起始原料出发，通过一系列精心设计的化学反应，高效、高选择性地构建出结构复杂的目标分子。
• 合成设计的原则：
  • 高效性：每一步反应的产率都应尽可能高。
  • 选择性：每一步反应都应只生成所需的一种产物，避免产生难以分离的混合物。
  • 简洁性：合成路线的步骤应尽可能少。
• 原料的假设：在学术练习中，通常假设含有 5 个或更少碳原子的简单化合物是商业可得的。
• 目标示例：讲义给出了一个复杂的分子作为合成目标，要求从不超过5个碳的原料出发进行合成。这个目标分子是一个含有环丙烷环的9碳分子。

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12. 有机合成策略：逆合成分析 (Retrosynthesis)

逆合成分析是一种强大的逻辑工具，用于规划复杂分子的合成路线。其核心思想是从目标分子出发，一步步地逆向推导，将其拆解为更简单的前体分子 (precursor)，直到所有前体都是可用的起始原料为止。逆向的每一步称为一次转换 (transform)，对应于一个已知的正向反应。

12.1. 第一个合成实例：反式-1,2-二丙基环丙烷

• 目标分子分析：

  • 结构：一个环丙烷环，上面连接着两个丙基 ($Pr = -CH_2CH_2CH_3$)，且这两个丙基处于反式 (trans) 关系。
  • 碳数：总共 $3 + 3 + 3 = 9$ 个碳原子。由于起始原料限制在 $\le 5$ 个碳，合成过程中必须至少有一次碳-碳键的形成。

• 逆合成分析 (Working Backwards)：

  1. 如何构建环丙烷环？ 讲义提示了 Simmons-Smith 反应，这是一个将烯烃转化为环丙烷的经典方法。该反应使用卡宾类似物“$:CH_2$”（由 $CH_2I_2$ 和 $Zn(Cu)$ 偶制备），加成到双键上。这是一个立体专一性的反应，即原料烯烃的立体化学会在产物中得到保留。要得到一个反式的环丙烷，我们必须从一个反式烯烃出发。

     • 转换 (Transform)：环丙烷化 (Cyclopropanation)。
     • 前体 (Precursor)：反式-4-辛烯 ($trans-4-octene$)。

     $$\text{目标分子} \quad \Rightarrow \quad \underset{\text{反式-4-辛烯}}{\text{Pr-CH=CH-Pr (trans)}}$$

  2. 如何制备反式-4-辛烯？ 在炔烃还原反应中，我们学过溶解金属还原（$Na$ 或 $Li$ 在液氨 $NH_3$ 中）可以将内部炔烃选择性地还原为反式烯烃。

     • 转换：溶解金属还原 (Dissolving Metal Reduction)。
     • 前体：4-辛炔 ($4-octyne$)。

     $$\text{反式-4-辛烯} \quad \Rightarrow \quad \underset{\text{4-辛炔}}{\text{Pr-C} \equiv \text{C-Pr}}$$

  3. 如何制备 4-辛炔？ 这是一个有8个碳的对称内部炔烃。最有效的方法是炔化物烷基化。我们可以将其从中间的三键处拆开。例如，由一个4碳的炔化物（来自 1-丁炔）和一个4碳的卤代烷（如 1-溴丁烷）反应得到。

     • 转换：炔化物烷基化 ($S_N2$)。
     • 前体：1-丁炔 ($CH_3CH_2C \equiv CH$，4个碳) 和 1-溴丁烷 ($CH_3CH_2CH_2CH_2Br$，4个碳)。这两个前体都满足 $\le 5$ 个碳的要求。

• 正向合成路线 (Forward Synthesis)：

  1. $CH_3CH_2C \equiv CH \xrightarrow{1) NaNH_2, \text{liq. } NH_3 \quad 2) CH_3CH_2CH_2CH_2Br} CH_3CH_2C \equiv CCH_2CH_2CH_3$
  2. $CH_3CH_2C \equiv CCH_2CH_2CH_3 \xrightarrow{Li, \text{liq. } NH_3} \text{trans-}CH_3CH_2CH=CHCH_2CH_2CH_3$
  3. $\text{trans-4-octene} \xrightarrow{CH_2I_2, Zn(Cu), \text{ether}} \text{反式-1,2-二丙基环丙烷}$

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12.2. 第二个合成实例：(4R,5S)-4,5-二氯辛烷

• 新目标分析：

  • 结构：一个8碳的烷烃，在 C4 和 C5 位置各有一个氯原子。这是一个邻二氯代烷 (vicinal dichloride)。
  • 立体化学：(4R, 5S) 指明了其绝对构型。这种 R,S 组合表明两个手性中心的构型相反，这通常对应于反式 (anti) 的相对立体化学关系。

• 逆合成分析：

  1. 如何构建邻二氯代烷？ 这是烯烃与氯气 ($Cl_2$) 进行亲电加成的典型产物。我们知道，烯烃的氯代反应是通过一个环状的氯鎓离子中间体，并发生反式加成 (anti-addition) 的。

  2. 立体化学推导：要通过一个反式加成反应得到一个反式 (anti) 的产物，起始的烯烃必须是顺式 (syn or cis) 的。（这是一个重要的立体化学规则：顺式烯烃 + 反式加成 → 反式产物）。

     • 转换：氯代反应 (Chlorination)。
     • 前体：顺式-4-辛烯 ($cis-4-octene$)。

     $$\text{目标分子} \quad \Rightarrow \quad \underset{\text{顺式-4-辛烯}}{\text{Pr-CH=CH-Pr (cis)}}$$

  3. 如何制备顺式-4-辛烯？ 我们学过，使用 Lindlar 催化剂进行催化氢化，可以将内部炔烃选择性地还原为顺式烯烃。

     • 转换：Lindlar 催化还原 (Lindlar Reduction)。
     • 前体：4-辛炔 ($4-octyne$)。

     $$\text{顺式-4-辛烯} \quad \Rightarrow \quad \underset{\text{4-辛炔}}{\text{Pr-C} \equiv \text{C-Pr}}$$

  4. 如何制备 4-辛炔？ 这一步与上一个例子完全相同，通过1-丁炔和1-溴丁烷的烷基化反应制备。

• 正向合成路线：

  1. $CH_3CH_2C \equiv CH \xrightarrow{1) NaNH_2 \quad 2) CH_3CH_2CH_2CH_2Br} CH_3CH_2C \equiv CCH_2CH_2CH_3$
  2. $CH_3CH_2C \equiv CCH_2CH_2CH_3 \xrightarrow{H_2, \text{Lindlar cat.}} \text{cis-}CH_3CH_2CH=CHCH_2CH_2CH_3$
  3. $\text{cis-4-octene} \xrightarrow{Cl_2, CH_2Cl_2} \text{(4R,5S)-4,5-dichlorooctane} + \text{(4S,5R)-4,5-dichlorooctane}$ (得到一对对映异构体的外消旋混合物)。