簡介
碳負離子是帶負電荷的具有偶數價電子的粒子, 其負電荷(未共用電子對)定域在一個碳原子上。甲基負離子CH3- 可看作是一切碳負離子的母體,各碳負離子可以烷基負離子來命名。
由吸電子基共軛穩定化(-R 效應)的碳負離子,由於實際的共振結構中負電荷主要分布在氧原子上,這類離子叫做碳負離子的性質。
烷基碳負離子
簡單的烷基碳負離子,其負電中心碳原子是 sp3雜化的未共用電子對占據一個 sp3雜化軌道,離子具有四面體構型,一般能迅速發生反轉呈現為平衡。這類碳負離子的穩定性順序(按荷負電原子類型)為伯 > 仲 > 叔。這可能是由於烷基的推電子性誘導效應。乙炔基、乙烯基和苯基負離子等的負電荷在含 s 成分較高的雜化軌道中, 受核吸引較強,因此比烷基負離子穩定,尤其 HC≡C-:是相當穩定的。
電荷非定域的碳負離子,由於形成π共軛體系,帶負電荷的碳變為 sp2 雜化的,這種電荷非定域化使穩定性大大增加,如烯醇鹽可穩定存在。
碳負離子
(Carbanion)指的是含有一個連有三個基團,並且帶有一對孤對電子的碳的活性中間體。碳負離子帶有一個單位負電荷,通常是四面體構型,其中孤對電子占一個 sp3 雜化軌道。通過比較相應酸的酸性大小,可以大致判斷碳負離子的穩定性大小。
一般地,具有能穩定負電荷的基團的碳負離子具有較高的穩定性。這些基團可以是苯基、電負性較強的雜原子(如O,N,基團如-NO2、-C(=O)-、-CO2R、-SO2-、-CN和-CONR2等)或末端炔烴(也可看作電負性的緣故),例如,三苯甲烷、三氰基甲烷、硝基甲烷和1,3-二羰基化合物具有較強的酸性。
除此之外,不同於縮酮,縮硫酮的α氫也具有較強的酸性。這可以用硫的3d軌道與C-S鍵σ*軌道的超共軛效應來解釋。硫代硝基苯基甲烷的去質子化表明,硫的可極化性起主要作用。
有機金屬化合物,如Grignard試劑和有機鋰試劑也可看作是碳負離子源。葉立德,如磷葉立德和硫葉立德等,都含有具有碳負離子結構的共振雜化體。
碳負離子可進行SN2反應。
小粒徑負離子
清華大學博導、中科院專家林金明教授所著的《環境健康與負氧離子》一書中如下定義:
空氣的正、負離子,按其遷移率大小可分為大、中、小離子。對人體有益的是小離子,也稱為輕離子,其具有良好的生物活性。只有小離子或小離子團才能進入生物體。
![碳負離子](/img/2/38b/nBnauM3X3UTOwUTOykTM1MzN0QTMwITOzEDMwADMwAjMwIzL5EzLwQzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
空氣的正、負離子,按其遷移率大小可分為大、中、小離子。離子遷移率大於0.4c㎡/(V`s)為小離子,小於
0.04/(V`s)為大離子,介於兩者之間則為中離子。接近分子大小的荷電原子團或分子團,都屬於小的空氣離子。這些小的空氣離子具有高的運動速度,在大氣中互相碰撞,又不斷聚集,形成大離子或中離子。只有小離子、或稱之為小離子團才能進入生物體。而其中的小負氧離子、或稱之為小負氧離子團,則有良好的生物活性。
離子在單位強度(V/m)電場作用下的移動速度稱之為離子遷移率,它是分辨被測離子直徑大小的一個重要參數。空氣離子直徑越小,其遷移速度就越快。離子遷移率是表達被測離子大小的重要參數。離子運動速度與離子直徑成反比,而離子遷移率與離子運動速度成正比,故離子遷移率與離子直徑成負比。
生態級負離子
![碳負離子](/img/0/243/nBnauM3X2QTO0kTM0gTM1MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzL4EzLwQzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
生態級負離子是一種等同於大自然的空氣負離子,也叫輕離子或小離子,具有活性高、遷移距離遠的特點。
空氣負離子按其遷移距離和粒徑大小分為:大、中、小三種離子。對人有益的是小離子,也稱為輕離子,其具有良好的生物活性只有小離子或稱之為小離子團才能進入生物體。
醫學研究表明:對人體有醫療保健作用的是生態負離子。因為只有生態負離子才易於透過人體的血腦屏障,發揮其生物效應。大自然中的空氣負離子之所以造就眾多長壽村,是因為生態負離子比例高,生態負離子由於活性高、遷移距離遠從而在長壽地區上空形成負離子浴環境。
結構
碳負離子帶有負電荷,中心碳原子為三價,價電子層充滿八個電子,具有一對未共用電子。中心碳原子的可能構型有兩種:一種為雜化的平面構型,另一種雜化的稜錐構型。
![圖1](/img/3/147/nBnauM3XzYjMxAzM0gTM1MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzL4EzLyIzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
不同的碳負離子由於中心碳原子連線的基團不一樣,其構型不盡相同,但一般簡單的烴基負離子是雜化的稜錐構型,未共用電子對處於雜化軌道。這主要因為雜化軌道與P軌道比較,軌道中包含更多的S 軌道成分,而軌道中成分的增加意味著軌道更靠近原子核,軌道的能量降低。當碳負離子的未共用電子對處於雜化軌道時,與處於P軌道比較,未共用電子對更靠近碳原子核,因此,體系能量較低,比較穩定。同時,在碳負離子體系中,未共用電子對與其他三對成鍵電子之間也存在斥力,當未共用電子對處於雜化軌道時,與其他三對成鍵電子所處的軌道之間近似,而處於P軌道時,則與三個雜化軌道之間為垂直。因此,處於雜化狀態的稜錐構型,電子對的排斥作用較小,比較有利。所以與碳正離子不同,一般簡單的烴基碳負離子是處於雜化狀態的稜錐構型,未共用電子對處於四個雜化軌道中的一個,這是碳負離子通常的合理結構。
![圖2](/img/7/077/nBnauM3X1EjMyAjNzkTM1MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzL5EzL1QzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
雖然環丙基正離子由於環張力不利於平面構型而很不穩定,但環丙基負離子確是存在的,因為稜錐構型對碳負離子是相對有利的。
在橋環化合物中,橋頭碳正離子是很不穩定的,因為環的幾何形狀的限制,不利於平面構型的存在,所以很少有橋頭碳正離子生成。但對橋頭碳負離子說,稜錐構型則是相對有利的,所以橋頭碳負離子是穩定的,可以存在的。
正因如此,橋頭有機鋰化合物容易生成,例如下面通過橋頭碳負離子進行的反應是很順利的。這也為碳負離子的稜錐構型提供了進一步的證據。
但當帶負電荷的中心碳原子與 鍵或芳環相連時,由於未共用的電子對能與 鍵發生共軛離域而穩定,這時碳負離子將取雜化的平面構型,以達到軌道最大的交蓋,更好地離域,使體系能量最低最穩定。例如:
圖5.
負離子的概念
![碳負離子](/img/0/d7d/nBnauM3XyUDN5EjNzkTM1MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzL5EzLzYzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
物理學上明確定義:失去或獲得電子後所形成的帶電的粒子叫離子,失去電子的分子(團)或原子顯示正電性叫正離子,獲得多餘電子的分子(團)或原子顯示負電性叫負離子。負氧離子則是指獲得多餘電子的氧氣離子,一個是負離子,一個是負氧離子,二者雖然只差了一個字,卻有很大不同。從這些標準概念里我們不難看出負離子範圍更廣,它包含了負氧離子,而我們平時所說的負離子對人體有好處,其實指的是負氧離子,不過是普通百姓將二者簡單的畫上了等號。相關數據顯示,在森林、海濱,負離子含量高達5000~20000個/cm³,而在污染嚴重的城市,這一數據僅為300~1000個/cm³,在室內就更少了,只有100~200個/cm³, 甚至是沒有。我們在森林海濱等地會感覺空氣清新,呼吸暢通,是因為自然環境下的空氣品質比較高,包括了空氣的乾濕度適宜,負氧離子含量高,適度的氧氣含量、溫度、氣流,植物的味道,水流的聲音等等,但是作用於人體最直接最有效的是負氧離子,而負氧離子在進入人體後馬上就能產生一系列的作用於人體的化學反應。
負離子的作用
臨床研究發現,負氧離子能有效加強氣管黏膜上皮的纖毛運動,影響上皮絨毛內呼吸酶的活性,改善肺泡的分泌功能及肺的通氣和換氣功能,緩解支氣管痙攣、增加肺活量、調整呼吸頻率、鎮咳等。負離子還能促進鼻黏膜上皮細胞的再生,恢復黏膜的分泌功能。對哮喘、氣管炎、兒童百日咳等疾病有良好效果。
![碳負離子](/img/7/c31/nBnauM3X3gzM5MjNzkTM1MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzL5EzLxgzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
所謂的離子是帶有電氣的原子,帶有正電的叫正離子,帶有負電荷的叫負離子,多是指水蒸氣、氧分子等。負離子的形成是許多微粒物質經過空氣磨擦,讓原子中的電子被迫轉移而形成帶電離子,比如瀑布,水從高處往下落下時會產生撞擊而產生負離子。自然界中,負離子含量最高的地方都是我們嚮往的度假聖地,如森林裡、瀑布旁、大海邊,因此負離子被譽為“空氣維生素”。空氣中負離子對人體的中樞神經系統、血液循環、呼吸系統都有好處,特別對過敏性疾病有一定的預防作用,另外它還可以清新室內空氣,消除煙霧和異味,豐富的負離子還能迅速使人精神舒爽,感覺如同置身於大自然中。
空氣淨化
當室內空氣中的負離子(負氧離子)的濃度達到每立方厘米2萬個時,空氣中的飄塵量會減少98%以上。對可入肺顆粒物PM2.5效果極佳。所以在含有高濃度小粒徑負離子(負氧離子)的空氣中,PM2.5中危害最大的直徑1um以下的微塵、細菌、病毒等幾乎為零。因此可以說,空氣負離子(負氧離子)含量的多少是衡量空氣是否清新的重要標準之一。根據世界衛生組織的規定,當空氣中負離子(負氧離子)的濃度不低於每立方厘米1000~1500個時,這樣的空氣被視為清新空氣。
療養保健
負離子是鹼性物質,而正離子則是酸性物質。正離子的增強,是體內活性氧增多,使得血液、體液傾向於酸性,降低了對生命活動發揮重要作用的免疫力。由於免疫力降低,體內攝取不到營養,蓄積的代謝產物、二氧化碳無法得到排泄,導致毒素在體內堆積,容易導致各種組織和自主神經的功能失調,引起風濕、神經痛等各種慢性疾病。相反,負離子可以中和氧化物質,使之傾向於弱鹼性,將氧化的細胞間液導向弱鹼性,因此,氧、營養物質被充分吸收進細胞內,使得細胞機能加強,提高自身的自愈能力。
負離子的生成
生態負離子生成晶片技術是目前世界領先的人工負氧離子生成技術,在實現人工負離子生態化的同時,更是大大減少了負離子發生器的體積和厚度。據了解,生態負離子生成晶片(專利號:201220433901.6)由壓電陶瓷負離子發生器和離子變換器(專利號:201110146958.8)兩部分組成。壓電陶瓷變壓器可以抑制和消除傳統的負氧離子發生器採用的線圈型變壓器產生正離子等不利影響,減小負氧離子發生器的體積和厚度;離子變換器是負離子轉換器的升級版,其實質是套用於負離子發生器的脈衝頻率增強器,脈衝頻率增強器能有效提高負離子的脈動能量。