卡宾的反应性—有机反应机理系列43

卡宾参与的反应可归为以下几类：环加成反应、插入反应、重排反应等。

1 环加成反应

   

由于卡宾同时具有空轨道和孤对电子，因此其易与不饱和键发生环加成反应。主要是对碳碳双键的加成，制备环丙烷衍生物，但对C=O、C=N、碳碳三键的加成也有报道。单线态卡宾的环加成反应是立体专一的，即顺式的烯烃只得到顺式的环丙烷衍生物，反式的烯烃只得到反式的环丙烷衍生物。这是由于单线态卡宾有空p轨道，具有亲电性，卡宾上的未成键电子对与烯烃的两个电子通过三元环过渡态形成了两个键，这种一步协同成环保持了反应的立体专一性。

三线态卡宾与烯烃反应不能保持立体专一性，得到的是等量的异构体。这是由于三线态卡宾的两个未成键电子自旋方向相同，与烯烃加成是按分步机理进行的。首先一步加成以后，电子需要经过自旋转化，才能得到取向不同的两个电子，最终实现环化。而烷基C-C键具有自由转动的能力，因此得到的产物是等量的异构体。

2 插入反应 

卡宾能向C－H单键或C－X单键插入，其中最活泼的亚甲基卡宾容易发生插入反应。与卡宾的环加成反应类似：单线态卡宾经过一步协同作用插入，而三线态卡宾则通过分步反应插入（其中包含了电子自旋转化的过程）。   

此外，分子内的卡宾插入可以用于构建多元环状化合物。

3 重排反应 

卡宾中心碳的邻位有氢存在时，单线态卡宾可以发生重排反应，生成等电子结构的烯烃。从头计算法表明甲基卡宾重排成乙烯的活化能只有2.5 kJ/mol，因此相对环加成和插入反应而言，重排反应是最容易进行的。只有卡宾中心碳的邻位没有氢时，才能发生环加成和插入反应。α-重氮酮在加热、光照或者过渡金属催化的条件下消除氮气，形成卡宾之后进行重排得到烯酮的反应称为Wolff 重排。烯酮作为中间产物，可以被弱酸性亲核体（水、醇、胺等）进攻，生成羧酸衍生物。也可以与烯烃经[2+2]环化形成四元环。

其反应机理如下：

Wolff 重排在复杂多环结构药物的全合成中有着广泛的应用。如通过Wolff重排，经缩环，烯酮与烯[2+2]环化的串联反应，合成(±)-aphidicolin（一种从蚜虫头孢菌分离来的四环二萜类抗生素和 DNA 合成抑制剂）。