第五章含卤有机化合物_有机化学及实验

第五章 含卤有机化合物
一 基本要求 掌握：掌握亲核取代反应中的S N 1和S N 2历程及两种历程的反应动力和立体化学，掌握消除反应中的单分子消除(E1)和双分子消除(E2)历程，两种历程的动力学特征、反应活性和消除反应的立体化学。

掌握含卤化合物的制备方法。

熟悉：卤代烃的物理性质和光谱特征,卤代烃的结构，结构和性质之间的关系以及影响反应活性的一系列因素。

了解：了解影响亲核取代反应的几种主要因素。

了解消除反应与亲核取代反应的竞争及其影响因素。

学习α-消除反应的几种反应类型和有关卡宾的反应。

了解卤代烃对环境的影响。

二 基本概念 卤代烯烃，查依采夫规则， 格氏试剂，Ziegler-Natta 型催化剂，亲核取代反应， 单分子亲核取代反应历程S N 1，双分子亲核取代反应历程S N 2，外消旋化，消除反应，β-消除反应，α-消除，γ-消除反应，单分子消除反应历程(E 1)，双分子消除反应历程 (E 2)，卡宾(carbene)，苯炔(benzyne)中间体。

三 重点与难点提示 1、卤代烃的化学反应
A ）脂肪族卤代烃亲核取代反应
脂肪族卤代烃亲核取代反应的基本形式为：
反应物 亲核试剂 产物 离去基团RX + Nu -
RNu + X -
亲核取代反应是卤代烃的一个特征反应。

在这个反应中, 反应物中的离去基团离开, 亲核试剂代替离去基团, 形成产物。

B ）消除反应
具有β-H 原子的卤代烃，在碱的醇溶液中加热，能从卤代烃分子中脱出一分子卤化氢而形成烯烃。

这种由一个分子中脱出一些小分子，例H 2O 、HX 等，同时产生C ＝C 双键化合物的反应叫消除反应，又称消去反应(Elimination ，简写为E)。

CH H 2C
CH R R + KCl + H 2O
KOH/EtOH
卤代烃的脱卤代氢反应是在分子中引入C ＝C 双键的方法之一。

对于卤代烃的消除反应要注意如下几点： （1）仲或叔卤代烃脱卤化氢反应时，主要是脱去X 及含氢较少的β-C 原子上的H 。

主要产物是双键碳上含支链最多的烯烃，这叫做查依采夫(Saytzeff)规则。

例：
CH 3CH 2CH CH 3
Br
KOH/C H OH
CH 3CH
CHCH 3
CH 3CH 2CH CH 2
+ 81% 19%
（2）不同结构的卤代烃, 脱卤化氢的难易程度为：
三级卤代烃 ＞ 二级卤代烃 ＞ 一级卤代烃 （3）消除反应与亲核取代反应为竞争反应, 前者得到碱进攻β-H 原子后的产物, 后者得到亲核试剂进攻α-C 原子，取代卤原子的产物。

RCH
CH 2
（取代反应）（消除反应）
RCH 2CH 2X
RCH 2CH 2OH
反应物结构特征，试剂碱性大小，试剂亲核性强弱，溶剂极性，反应温度等都对竞争反应有影响, 将在后面讨论(见5.6.5)。

有些二卤代烃在碱的醇溶液中消去二分子卤化氢生成炔烃。

这是分子引入C ≡C 化合物的方法之一。

RCH 2CHX 2RCHXCH 2X +2KOH
乙醇
△RC CH +2KOH
乙醇
△
RC CH
C ）与金属的反应
卤代烃能与多种金属反应。

卤代烃与金属反应形成的金属有机化合物在有机合成方面得到了广泛的应用。

(1) 与金属钠反应
卤代烷与金属钠反应生成有机钠化合物RNa ，RNa 容易进一步与卤代烷反应生成烷烃。

此反应称为Wurtz 反应。

2RX + Na R R + NaX 这是合成对称烷烃的常用方法。

(2) 与金属镁反应
卤代烃与金属镁在无水乙醚或无水四氢呋喃中反应得到有机镁化合物RMgX 。

干醚
RX + Mg
R
MgX
由于这是V. Grignard 于1900年发现的反应，故有机镁化合物RMgX 称为格氏试剂。

对于卤代烃与金属镁的反应，应注意如下几点： （1） 卤代烃与镁作用的活性顺序： RI ＞ RBr ＞ RCl ＞ RF R －X ＞ Ar －X
RCH ＝CHCH 2－X ＞ R 3C －X ＞ R 2CH －X ＞ RCH 2－X ＞ RCH ＝CH －X
（2）格氏试剂非常活泼, 能与含活泼氢化合物反应而分解, 也能与活泼卤代烃反应。

因此在制备格氏试剂时，必须严格注意防止有活泼氢的物质，特别是H 2O 的进入。

格氏试剂与CO 2的反应常被用来制备比卤代烃中的烷基多一个碳原子的羧酸。

例如：
RMgX
CO 2
+RCOOMgX
RCOOH H O
(3) 与金属锂反应
卤代烃与金属锂作用生成有机锂化合物，有机锂化合物也是合成中很重要的试剂。

有机锂跟格氏试剂一样，遇H 2O 、酸、醇即分解, 并且遇更弱酸性的质子, 也能反应。

C 4H 9Li
OR
OR Li
有机锂试剂具有格氏试剂的一般化学性质。

但价格上比格氏试剂昂贵。

d ）与金属铝反应
卤代烃与金属铝反应得到烷基铝。

R 3Al AlI 33RI +2Al
+ 烷基铝也可以由烯烃与氢化铝或氢气和铝粉作用得到。

RCH 3
Al(CH 2CH 2R)3
2
CH 2
Al
RCH
CH 2
3
格氏试剂与AlCl 3作用也得到烷基铝。

烷基铝的热稳定性差，置于空气中被氧化燃烧，遇水激烈反应。

烷基铝主要被用作烯烃聚合剂。

K. Ziegler 和G . Natta 分别发现三乙基铝和四氯化钛组成的催化剂(称为Ziegler-Natta 型催化剂)，使烯烃聚合反应可以在较温和条件下实现且有很好的定向作用，例如它使乙烯在较低反应温度和压力下就能聚合成低压聚乙烯。

低压聚乙烯与高压下生成的聚乙烯物理性能不一样。

Ziegler 和Natta 因此而荣获1963年诺贝尔化学奖。

定向聚合反应方面的研究是化学学科及材料学科研究热点之一。

D ）还原反应
卤代烃可由LiAlH 4或NaBH 4还原成烷烃。

RX
RH [H]
LiAlH 4 还原能力强, 但在水中易分解, NaBH 4虽然还原能力不及LiAlH 4, 但能溶于水, 不被水分解。

LiAlH 4反应活性高，选择性低，能还原许多基团，但NaBH 4有较高的选择性，不能还原COOH ，CN ，COOR 等。

反应中LiAlH 4或NaBH 4提供氢负离子H －
，它以游离或不完全游离的形式作为亲核试剂进攻卤代烃中α-C 原子，卤素原子带着一对电子离去。

伯卤代烷反应速度最大，仲卤代烷次之，叔卤代烷最小。

对于相同烃基结构的卤代烃，碘代烷反应速度最大，溴代烷次之，氯代烷较小。

卤代烃也能被锌和盐酸、钠和液氨等活性氢还原剂还原为烃，还能被 Pd 等催化氢解为烃。

2亲核取代反应历程
对于卤代烃的亲核取代反应：
RX + Nu RNu + X - RX 如何变为产物RNu 的？从亲核试剂Nu —进攻与离去基团X －
离去的先后顺序看, 反应可能通过如下两种途径之一进行：
① 离去基团X －先离去, 形成R +, 然后R +与Nu —
结合形成RNu ，这个过程叫单分子历程，用S N 1表示。

②Nu —进攻RX ，X －的离去与Nu －
同正电性的碳的结合同时进行，这个过程叫双分子历程，用S N 2表示。

事实证明, 上面的分析是正确的, 亲核取代反应确有这两种历程。

一个反应, 到底经过哪种历程, 与化合物结构, 进攻试剂性质, 溶剂性质等因素有关。

A ） S N 2历程( 双分子亲核取代反应历程)
在S N 2历程中, 亲核试剂Nu －的进攻与离去基团X －
的离去同时进行。

并且亲核
试剂Nu － 从离去基团X －
的背面进攻。

例如：
X
C
H
H
H OH +
δHO
C
H
H
H +
X
此反应过程的特点是C —X 键的断裂与C —O 键的形成同时进行。

α-C 原子由
于电子密度较低，它便成为亲核试剂(氢氧负离子)进攻的中心。

当－
OH 与α-C 原
子接近至一定程度时，α-C 便与－
OH 中氧原子上的一对电子逐渐形成一个微弱的键(以虚线表示)，与此同时，C —X 键被削弱，但还未断裂，这种状态是不稳定的，
叫做过渡态.。

过渡态比中间体能量还要高，极不稳定。

随着－
OH 与中心碳原子进一步接近，最终形成稳定的C —O 共价键，同时C —X 键进一步削弱至彻底断裂，
卤素带着一对共用电子离开分子。

在过渡态中, 碳原子同时和－OH 及卤原子X －
部分地键合。

进攻试剂, 中心碳原子和离去基团差不多在同一条直线上, 而碳和其它
三个氢原子则在垂直于这条线的平面上。

－OH 和X －
在平面的两边。

由于这个反应只有一步，没有中间体形成，是一个基元反应。

因此, 这个反应步骤理所当然是反应的决速步骤, 由于这个反应有两个分子参与了过渡态的形成, 因此, 这种反应历程称为双分子亲核取代反应历程, 用S N 2表示。

从分子轨道的观点看, 在S N 2反应中的过渡态中的碳原子是sp 2杂化态, 三个C －H 键排列在一个平面上, 键角为120°。

另外, 一个p 轨道的两瓣分别与羟基和卤原子部分键合, 负电荷分散在羟基和卤原子之间。

因此, 在反应中, 亲核试剂只能从背面进攻碳原子, 在S N 2反应中, 中心碳原子的轨道杂化形式经过了一个由sp 3－sp 2－sp 3的变化过程。

B ）S N 1历程( 单分子亲核取代反应历程)
在S N 1历程中, 反应分两步进行。

一步是离去基团X －
先从底物离去, 形成一个碳正离子,二步是亲核试剂进攻碳正离子形成产物。

例如： (H 3C)3C
Br
C(CH 3)3
Br
+C(CH 3)3
OH +(CH 3)3C OH （慢步骤）
卤代烃在溶剂作用下离解为R 3C ＋及X －，这一步很慢。

但当R 3C ＋
一旦生成，
便立刻与OH －结合生成醇。

水分子也可以作为亲核试剂与R 3C ＋
反应。

反应中形成碳正离子的步骤是慢步骤， 是决定整个反应速率的步骤。

因为在这一步中, 参加过渡态形成的仅是一种分子，所以这类反应历程叫单分子亲核取代反应历程，用S N 1表示。

在S N 1反应历程中，中心碳原子离解为碳正离子时，C 原子由sp 3转化为sp 2杂化态。

在二步反应过程中，碳原子又由sp 2转化为sp 3杂化态。

由于S N 1反应的中间体是碳正离子，因此，可得到碳正离子重排后的产物，这可以作为S N 1历程的一个佐证。

C ） S N 1和S N 2的反应动力学
在化学动力学中，反应的速度由反应中最慢的一步决定，反应分子数则由决定反应速度的一步衡量。

在S N 1的反应中，一步是决定反应速度的一步，这一步只决定于C —X 键的断裂，与进攻试剂无关，所以叫单分子历程。

(CH 3)3C Br
Br +OH +(CH 3)3C OH 反应动力学表达式为：
d[(CH 3)3C －OH] / dt = k [(CH 3)3C －Br]
但在S N 2反应中，由于反应过渡态的形成需要卤代烷与进攻试剂两种反应物，而且反应速度又决定于过渡态的形成。

1°卤代烃都是按S N 2历程反应。

CH 3Br Br +OH +CH 3OH S N 2反应动力学表达式为：
d[CH 3－OH] / dt = k [CH 3－Br][ －
OH ]
在S N 2反应中, 决定反应速度的步骤中, 有两个分子参与过渡态的形成, 根据质量作用定律, 反应为二级反应。

而对于S N 1反应, 决速步骤中, 只有一个分子参与过渡态形成, 反应为一级反应。

对于S N 1和S N 2两种机理的动力学关系，可以这样描述：
S N 1反应肯定是一级反应， S N 2反应可以是二级反应，也可以是一级反应。

因此, 当测定一个亲核取代反应的动力学为二级反应时, 该反应肯定为S N 2历程, 而动力学为一级反应时, 可能是S N 2历程, 也可能是S N 1历程。

D ）S N 1和S N 2的立体化学 （1）S N 2的立体化学
当反应按S N2反应时，亲核试剂Nu－由离去基团X－的背面进攻α-C原子。

只有这样
Nu－与X－才能相距最远，从而互相排斥作用最小。

当Nu－与α-C逐渐接近时，则α-C上的三个基团便被向后排斥，在过渡态时，Nu－与X－在同一条直线上，而α-C 上其它三个基团在同一平面内，随着Nu－与α-C原子由前面结合，X－由后面离去。

α-C原子又恢复四面体构型，但其它三个基团则向后翻转，Nu－在原来X－对面的位置上。

生成的醇与原来的卤代烃相比，构型发生了翻转，在取代反应中，这种构型的翻转叫瓦耳登(Walden)翻转。

3
R
Nu +
3
3
2
L
δ+
根据立体化学实验结果，可以得出如下结论：在S N2反应中, 总伴随着构型翻转, 也可以这样说, 完全的构型翻转, 往往可以作为S N2反应历程的标志。

（2）S N1的立体化学
在S N1反应中，反应是经过正碳离子中间体进行的。

正碳离子为平面构型。

当正碳离子形成以后，亲核试剂可以由该平面的两侧与之成键，并且由两侧成键的机会是均等的。

如果反应物是旋光异物体的一种，并且当与卤原子相连的碳原子是手性碳原子时产物将变为外消旋体。

也就是说，有50%的产物发生了构型的转化.这叫做外消旋化.
如果从一个旋光的原料出发，经过S N1反应，应该得到非光学活性产物。

但是在有些S N1反应的情况下，结果并不那么简单，往往在外消旋化的同时, 还出现了一部分构型的翻转，从而使产物具有不同程度的旋光性。

为什么S N1反应在消旋化的同时还会伴随部分构型的翻转呢？实际上, 通过对S N1历程的分析, 就会看出, 这是一种必然现象。

前面看到, 在理想的状态下, 进攻试剂可以等几率地进攻碳正离子的任何一面。

这样说的前提是, 碳正离子的任何一面环境必须相同。

而实际上，碳正离子是非常活泼的中间体, 不可能等到离去基团离开中心碳原子到相当远的距离后才与亲核试剂结合, 而在生成的瞬间立即要受到亲核试剂的进攻。

由于这时离去基团还离中心碳原子很近, 亲核试剂从离去基团这面进攻时, 必然会受到离去基团的电性排斥和立体空间上的阻碍作用, 所以, 亲核试剂主要从背面进攻中心碳原子, 会生成较多的构型转化产物。

Nu
进攻容易
2
如果卤代烃形成的碳正离子很稳定, 它存在的时间足以使X－离开相当大的距离, 在这种情况下, 亲核试剂从两边进攻的机会就会相等, 产物的外消旋化就会完全。

一般来讲, 碳正离子的稳定性越差, 构型转化的程度就越大。

总之, 从立体化学观点考虑,，S N2反应总是100%构型翻转, 而S N1总是发生消旋化+ 构型转化。

3 影响亲核取代反应的因素
饱和碳原子上的亲核取代反应可按S N1和S N2两种不同历程进行。

亲核取代反应的两种历程，在反应中同时存在，相互竞争。

但对一种反应物来说, 在一定条件下, 与亲核试剂作用时, 我们能否知道, 反应究竟按什么历程进行？如果对不同的反应物, 我们能否预计哪一个快, 哪一个慢？对于这样类似的一系列问题, 通过许多科学家的研究, 现在已经找到明确而肯定的答案。

研究表明, 反应历程和反应活性
与反应物中的烃基结构, 离去基团性质, 亲核试剂性质以及溶剂性质等因素都有
关系。

A）烃基结构的影响
影响反应历程的因素很多，卤代烃本身结构是主要因素之一。

在卤代烃分子中，反应中心是α-C原子。

α-C原子上电子密度的高低，直接影响反应历程。

如果α-C 原子上电子密度低，则有利于Nu－进攻，有利于反应按双分子历程进行。

反之，如果α-C原子上电子密度高，则有利于卤素夺取电子而以X－的形式离解，所以有利于按单分子历程进行反应.
从反应中间体来看如果能形成稳定的正离子，则有利于反应按S N1历程进行。

反之，则有利于S N2历程。

在卤代烃的亲核取代反应中, 烃基的立体效应和电子效应对S N1和S N2影响程度不同。

对S N2历程，烃基的立体效应是主要的，而对S N1历程，烃基的电子效应是主要的。

B）亲核试剂的影响
由于S N1反应的速度决定于反应物的离解, 因此, 亲核试剂的性能对S N1反应速率没有明显影响, 但是, 亲核试剂的性质对S N2反应的影响较大。

一般地讲, 试剂的亲核性越强, 进行S N2反应速度越快。

试剂的亲核性与试剂的碱性, 可极化性和空间因素有关, 也与试剂所在的溶剂有关。

C）离去基团性质的影响
无论是S N1还是S N2反应, 都遵循同样的规律: 被取代的基团越易离去, 反应速度越快。

如何确定离去基团离去倾向的大小？可以这样考虑: 由于离去基团总是带着一对电子离开中心碳原子, 这与亲核试剂总是带着电子对向中心碳原子进攻的情况正好相反, 因此, 离去基团的碱性越弱, 离去倾向越大。

离去基团离去能力大小次序为：RSO3—＞RCOO—＞PhO—>> OR—～OH—＞R3C—
离去基团的可极化度越大, 离去倾向越大。

例如：I—＞Br—＞Cl—＞F—RS—＞RO—
从上面看到，I—无论是作为亲核试剂还是作为离去基团, 都表现出很高的活性。

因此, S N2反应中, 常加入少量I—, 使反应速度加快。

D）溶剂化效应
相同的反应底物和进攻试剂, 在不同的介质中, 可以按不同的历程进行反应。

例如：
PhCH2Cl + H2O PhCH2OH + HCl
在水中, 按S N1历程进行, 而在极性较小的丙酮中, 按S N2历程进行。

4 消除反应历程
从一个分子中消除一个小分子的反应称为消除反应（Elimination，简写为E）。

消除反应可以发生在分子中两个相邻的碳原子上，这种消除反应叫β-消除反应。

卤代烃脱卤化氢和醇脱水的反应都是β-消除反应。

另外还有α-消除和γ-消除反应。

消除的两个原子或原子团分别位于同一个碳原子上或1,3位。

β-消除反应是有机化学中最常见的一类反应。

所谓消除反应，除非特别说明，一般都是指β-消除反应。

因此，本节主要讨论这种反应。

α-消除反应，近年来研究很多，在有机合成方面正在发挥越来越重要的作用。

因此也会稍加讨论。

至于γ-消除反应，将不予讨论。

A）单分子消除反应历程(E1)
在E1消除反应中，一步是卤代烃或醇先离解形成一个碳正离子，然后这个碳正离子在碱的作用下失去一个β-质子而形成烯烃，反应是分两步完成的。

R 2HC CR 2X
R 2HC CR 2 + X
（慢）:B + R 2HC CR 2
R 2C CR 2 + HB
(快)
一步反应速度很慢，是反应的决速步骤。

3°卤代烃，烯丙基卤代烃与碱作用，醇与酸作用发生的消除反应都是E 1历程，它们的物通常是正离子重排后的产物。

B ） 双分子消除反应历程 (E 2)
在E 2反应中，碱性试剂进攻β -H 原子，使这个H 原子成为质子而脱去，与此同时，分子中的离去基团带着共用电子对离去，在α、β-C 原子之间形成一个双键，反应是一步完成的，只经过了一个中间过渡态。

CH 3CH 2O H
C CH 2Br
CH 3
H CH 3CH 2O
H C CH 2Br CH 3
H
CH 3CH 2OH
C
CH 2CH 3H Br -
+
δ
δ+
+
δ
1° 卤代烃在强碱作用下按E 2历程反应。

C ）E 1和E 2历程的动力学特征
从上面的机理看出，E 2为一步反应，反应物与碱同时参与了过渡态的形成，因此，反应动力学呈现二级反应。

v 2= k [反应物][碱]
对E 1反应历程，决定反应速率的步骤中，只有反应物参与了中间体的形成，而碱没有直接参与中间体形成，因此，反应速率只与反应物浓度有关，遵循一级反应动力学关系。

v 1= k [反应物] D ） 消除反应的取向
对于一个生成两种或两种以上可能产物的反应，如果实际产物只生成一种，这种反应叫定向反应；如果生成几种产物，其中一种占优势，这种反应叫择向反应，如果几种产物近于平均分配，则为非定向反应。

卤代烃的脱HX 和醇的脱H 2O 反应所形成的烯烃都遵循查依采夫规则，即优先形成具有较多烷基取代的烯烃，例如：
CH 3CH 2OK / CH 3CH 2OH
3CH 2CHC
CHCH 3
+H 3CH 2CH 2C H
C Br
CH 3
H 3CH 2CH 2CHC CH 2
69% 31%
H
3
H
H 3C 3233H 3C
CH CH CH 2H
Br
H
H
H
CH 3H 3C H 3CH 2CHC
CH 2++
20% 20% 60%
在大多数情况下，产物总是遵循查依采夫规则。

但在下面一些情况下，这个规则有一些局限性。

热消除反应，主要产物为Hofmann 产物。

热消除反应是不需要试剂进攻，也不经由离子中间体，而是由热引发的另一类β-消除反应。

(2) 随着碱的体积加大，Hofmann 产物增加。

E ）反应活性
无论是卤代烃脱HX 反应，还是醇脱H 2O 反应，也无论是E 1历程还是E 2历程，不同烃基结构的卤代烃和醇都有相同的反应活性顺序： 3°＞ 2°＞ 1°
其解释方法都是考虑过渡态的结构特征，与前面的分析相似。

F ） 消除反应的立体化学
对于E 1反应，由于中间体是平面形状的碳正离子，消除反应没有明显的立体化学特征。

当然，产物烯烃一般以反式为主，这是由过渡态的稳定性决定的。

但对于E 2反应，大多数反应都是反式共平面消除历程。

R 2
: B
R 3
R 4
R 1R 2
反应时，作用物中H 和L 彼此处于反式位置，在形成π键轨道时，为了达到最大重叠，轨道必须处于一个平面上，这样，才可以使相应过渡态中部分形成的双键中的轨道重叠，从而使过渡态在能量上有利，因此，要求被消除的两个基团彼此共平面，另一方面，反式消除，比顺式消除能量有利，反式消除时，B 与L 可以避免空间排斥和电荷排斥作用。

在某些情况下，只能发生顺式消除。

3)3
环的刚性，使处于反式的两个基团不能共平面, 不利于双键的形成，因此，无反式消除产物生成。

热消除反应是一个顺式共平面消除过程，且产物为Hofmann 产物。

G ） 消除反应与亲核取代反应的竞争 卤代烃在NaOH 的作用下，可以发生S N 反应和E 反应，并且消除反应的历程与亲核取代很相似，也有单分子历程和双分子历程。

消除反应和亲核取代反应同时存在于一个反应体系中，在这两个反应中，反应物和进攻试剂都相同，它们是相互竞争的。

如果进攻试剂进攻反应物的 -碳原子，引起取代反应，而进攻β -氢原子就引起消除反应。

C βL C β
因此，卤代烃水解时，不可避免的会有脱卤化氢的副反应发生；同样脱卤代氢时有时也会有卤代烃的溶剂代产物生成。

那么，对于一个特定条件下的反应，竞争的结果将会怎样？也就是说，主要得到取代产物还是消除产物？人们从大量的研究中发现，消除反应产物和取代产物的比例常受到反应物结构，试剂的碱性及亲核性、溶剂极性及反应温度的影响。

H ）α-消除反应
在同一个碳原子上，消除两个原子或原子团的反应叫α-消除反应。

经α-消除反应后的产物是一个非常活泼的中间体，它的碳原子上只剩下两个σ键，另外还有两个电子。

例如： CHCl 3 + (CH 3)3COK :CCl 2 + (CH 3)3COH + KCl 这个中间体叫卡宾(carbene)，卡宾是亚甲基及其衍生物的总称。

:CH 2:CCl 2:CPh 2卡宾
二氯卡宾
二苯基卡宾
（1）卡宾的电子结构
卡宾的最外层只有六个电子，除了两个H 原子结合外，还剩下两个未成键电子，可是C 原子有四个可利用的原子轨道，在形成两个C －H σ键时，碳原子已用去两个原子轨道，因此，剩下的两个电子就有两个可占据的轨道。

这有两种可能，一种是两个电子占据一个轨道，让另一个轨道空着，它们的自旋必须相反；另一种是两个电子分占两个轨道，它们的自旋方向可以相同，也可以相反。

单线态， 2
杂化
三线态，sp 杂化sp
根据两个电子的自旋排列情况，卡宾可分为单线态卡宾和三线态卡宾，单线态卡宾的能量较高，而三线态卡宾的能量较低，它们的能量差约为42kJ·mol -1。

（2）卡宾的产生
(1)无β -H 的卤代烃在强碱作用下发生α-消除反应得到卡宾。

Ph 2CHCl + 碱
:CPh 2 + HCl
(2)重氮化合物热分解或光分解得到卡宾是常用的方法。

重氮化合物直接光分解，主要得到单线态卡宾。

若有光敏化剂如芳香酮存在下，重氮化合物光分解主要得到三线态卡宾。

CH 2N 2:CH 2 + N 2
(3)环氧化合物光分解得到卡宾。

Ph 2C
C(CH 3)2
O
hv
Ph 2C:
+CH 3CCH 3
O。