羰基的亲核加成

把那一个动作放慢来看

上一篇里你认识了作为偏心双键的羰基：一个平的、带 δ+ 的碳，扮演亲电体，配上一个带 δ− 、揣着两对孤对电子的氧。那份羰基极性就是整个布局。现在我们把这出戏演一遍。一个亲核体——富电子的物种，通常带着一对孤对电子或一个负电荷——被那个饥饿的碳吸引过去，把一对电子递给它。这一次递送，就是亲核加成的核心；一旦你能在脑中看见它，几乎整级内容都豁然开朗。

盯着电子移动时碳的几何如何变化。进攻之前，碳是 sp2：平的，三条键约 120 度展开，π 电子云铺在上下两侧。当亲核体的那对电子从一个面逼近，脆弱的 C=O π 键再也撑不住——那对 π 电子翻上去，整个落在氧上，氧欣然接住第三对孤对电子。碳如今握着四条单键，从平面鼓成一个四面体：它由 sp2 变成了 sp3。想象一把撑开的伞，从下方多顶进一根伞骨；平展的伞面便折叠成四个角的形状。这个新生的 sp3 物种就是四面体中间体，而那个如今多了一对电子、带着负电荷的氧，则是一个烷氧负离子。

两条进路：碱催化与酸催化

强亲核体可以径直自己进攻——来自还原剂的氢负离子、或格氏试剂的碳，来得太急切，根本不需要帮忙，末了由烷氧负离子抓一个质子收尾。但许多有用的亲核体是弱的：水、醇、胺。它们需要一点助力，而化学提供了两种互补的助力。在碱催化里，你把亲核体变强；在酸催化里，你把亲电体变得更饥饿。两条路线都到达同一个四面体中间体，只是去调同一反应相反的两端。

先看碱催化，用水作亲核体。一点点氢氧根去夺一个水分子的质子——或者你干脆直接用氢氧根——把软弱的 H-O-H 变成亲核性强得多的 O-H−（一个烷氧或氢氧负离子）。这个更锐利的亲核体直接进攻羰基碳，π 电子翻折到氧上，你便得到四面体烷氧负离子；最后从溶剂转来一个质子把它中和。碱被再生出来，所以永远不会被耗尽——这正是真正催化剂的标志。酸催化则从另一侧入手对付同一个问题：一个质子（比如来自 H3O+）用氧的一对孤对电子，加到羰基的「氧」上。这个被质子化的羰基亲电性大增——氧上挂着一个完整的正电荷，碳比先前更加缺电子，于是连水或醇这种弱的中性亲核体，现在也能进攻它了。那个中性亲核体与碳成键之后，迅速失去一个质子，给出中性的四面体中间体，并把那个质子吐回去。催化剂同样被再生。两扇门，通往同一个房间：碱把刀磨利，酸把靶子敞开。

BASE-CATALYZED (sharpen the nucleophile)
  HO(-) + H-Nu        ->   Nu(-)  +  H2O      (make a stronger Nu)
  Nu(-) attacks C=O   ->   R2C(-O(-))(Nu)     (tetrahedral alkoxide)
  + H2O               ->   R2C(-OH)(Nu) + HO(-)   (catalyst back)

ACID-CATALYZED (bare the electrophile)
  C=O + H(+)          ->   C=O(+)-H           (protonate the oxygen)
  Nu-H attacks C      ->   R2C(-OH)(Nu-H(+))  (weak Nu can now add)
  - H(+)              ->   R2C(-OH)(Nu) + H(+)    (catalyst back)

both roads end at the SAME tetrahedral intermediate

通往同一个四面体中间体的两条催化路线：碱增强亲核体，酸增强亲电体。

可逆，以及为什么这很重要

这里有一个常让初学者措手不及的特点：简单的亲核加成通常是「可逆」的。箭头两头都走。水加到羰基上给出水合物，而水合物也同样轻易地把水踢回去，重新把 C=O 双键合上。体系停在一个平衡上——起始羰基与加成产物之间的一种均势——而不是一路跑到底。你最终得到的是以产物为主、还是以起始物为主，取决于两边各自的稳定性，正如机理那几篇教你预料的那样。

为什么平衡常常偏向起始物那一边？两个顽固的事实。其一，C=O 双键很强——把一个 C=O 变成两条单键（一条连氧，一条连亲核体），在能量上并不总是划算。其二，新生的四面体碳很拥挤：原本是三个基团的地方，如今挤进四个。所以对一个不活泼的羰基加上一个弱亲核体，天平便倒回敞开的 C=O 那侧。上一篇的那条法则在这里露出了牙齿：醛更不拥挤、更亲电，把平衡推向加成产物的程度比酮更远。甲醛在水里几乎全是水合物；丙酮在水里几乎全是游离的酮。

可逆不是麻烦——它是一根杠杆。正因为各步两头都走，你可以用勒夏特列原理来操纵结果。想要更多缩醛？边生成边把水赶出去，平衡便去追那个缺席的产物（这正是缩醛反应要配水分离装置的原因，下一篇会讲到）。想拆掉一个缩醛？往体系里灌满水，它就水解回羰基。相比之下，那些以稳定、难以逆转的产物收场的加成——氢负离子还原成醇、格氏试剂锻造碳碳键——实际上是不可逆的，因为它们的四面体中间体没有好的退路。可逆与否，正是这一整级里战略家的钥匙。

四面体中间体接下来会做什么

四面体中间体是一个岔路口，它走哪条岔道，决定了整个产物家族。岔道一：它只是在氧上抓一个质子就停下。碳保住了原来的两个邻居，再加上新来的亲核体，你得到一个干净的加成产物——若亲核体是氢负离子或碳负离子就是醇，若是醇就是半缩醛。π 键一去不返；分子比起初更「满」。这就是单纯的加成，是第 5 篇里碳亲核体的归宿。

岔道二：氧离去。如果中间体的 -OH（或 -O−）能被质子化、以水的形式被推出去，那么余下亲核体上的碳的孤对电子，就能重新形成一条双键——但这回是连向「新」的原子，而非氧。用一个氮亲核体走这条路，氧便以水离去，留下一条碳氮双键：那就是亚胺，是第 4 篇的路线。这条岔道的通名是加成—消除：亲核体先加上，再由一个离去基团消除，用一条双键换掉另一条。中间体是同一个，只是命运不同。

一个套路，一整级

现在退一步，看见这份统一。这一级里每一个反应都是同样的三拍节奏：亲核体进攻羰基碳，碳变成四面体，中间体再由一次质子转移或一次失水来收尾。从一个反应到另一个反应，唯一改变的，是「哪个」亲核体登场。换掉亲核体，你就换掉产物家族，但底下的机器从不挪窝。

亲核体是来自还原剂的氢负离子（H−），或来自格氏试剂的碳 -> 产物是醇，若亲核体带来一个碳，还多出一条新的 C-C 键（第 5 篇）。
亲核体是水或醇（一个氧）-> 产物是水合物、半缩醛或缩醛，全都可逆，靠酸催化和移走水来调控（第 3 篇）。
亲核体是胺（一个氮）-> 加成之后氧以水离去，经加成—消除给出亚胺或烯胺（第 4 篇）。

这正是吃透一套机理为何回报如此丰厚：它不是几十个反应里的一个，而是那几十个反应的模板。当课程后面冒出一个新试剂，别把它当一条全新的规则去背。问问这篇训练你去问的三个问题。亲核体是谁，它是被磨利（碱），还是羰基被钓出来（酸）？四面体中间体一旦形成，是保住氧就停下，还是把氧以水推出去？整件事可不可逆，若可逆，我能往哪边倾斜它？答出这些，一个你从没见过的反应，就成了一个你早已懂得的变奏。