羰基的立体选择性加成判断模型在有机化学里属于非常重要的一个部分。探讨并了解这个问题会让我们能够通过非量化的手段，去经验化或者半经验化得获得产物预测结果。很显然，有很多这类的模型是成功的。这部分工作最开始于唐纳德.J.Cram教授，他首先带领团队对羰基加成的产物数据进行了分析，并且提出了预测用的模型。即我们熟知的Cram模型I,II。这两个模型，就前者而言是最为著名的。这个模型的核心观点是位组问题。首先把羰基与相连烷基固定成重叠构象，把体积最大的RL放到最下端与羰基所连的另外一个R重叠，然后亲核试剂会在RS角度进攻。这个模型如下所示 
这也被叫做Cram规则。而第二个规则就是因为羰基β位存在能产生氢键集团诸如OH以及-NH2等，这个模型让这类集团与羰基共平面，在通过另外两个集团的体积大小决定亲核试剂进攻方向。 虽然对于普通的羰基亲核加成而言，Cram规则I,II是足够的，但是由于缺少考虑电子因素和立体电子因素。Cram规则是存在较大缺陷的。 因而，在今天的合成分析里，有机化学家们更多的采用的是Felkin-Ahn模型，Cieplak模型，以及Cornforth模型等全新的模型，这些模型都有各自的侧重点，但是每一种模型都不能在所有情况下适用。 在开始这个话题之前，我们需要了解分子力学的基础知识。（因为几乎所有的新模型都会涉及立体电子效应）分子力学（molecular mechanics）是用来分析分子或者过渡态的构象与能量的一门学科。通过分子力学分析，我们能够合理有效的找到能量最低的构象结构。而为了方便分析，引起分子张力的因素也被仔细研究并分类过。通过如下方程我们就可以看出有四个主要因素决定着构象能量的高低。 E（strain）=E（r）+E（θ）+E（ξ）+E（d） Estrain就是总的张力，而后面四个系数分别都是一组方程的解。E（r）是键的伸缩张力，他的表达公式可以使用物理学中的胡克方程：E（r）=1/2kr（r-r0），kr相应的，就是键的伸缩力度常数，而r，r0分别是实际键长和理想键长（或正常键长）。E（θ）就是键角张力，这个是我们熟知的，比如环丙烷的张力就要高于环己烷，这是由于小环的键角小于理想角度引起的分子能量增加。这个系数的表达方式也可以使用胡克定理。E（θ）=1/2kθ（Δθ）。第三个系数E（ξ）是基础有机没怎么强调过的旋转张力。以乙烷为例，由于存在C-H成键轨道与对面的C-H反键轨道的超共轭，这个C-C键并非能够自由旋转的，经过计算，以乙烷为代表的经典烷基C-C单键都存在旋转阻力，这个能磊约为2.9kcal/mol。而如我们所知，基础有机给出过的乙烷构想的势能图，它是成三倍周期性的，所以可以用余弦公式表达，E（ζ）=V0（1+cos3ξ）。ζ是旋转角度，V0就是我们之前所说的2.9kcal/mol的旋转能磊。而E（d）则是比较重要但是却最难判断的一个数值，就是非键作用。这也是我们在后来的羰基亲核加成模型中需要注意的一个问题。这里存在的主要成分是范德华力与静电效应。以气相中的1,2二卤乙烷构象为例，当卤素为Br,Cl时，由与较为显著的超共轭效应影响（即旋转张力角度），这二人均已对交叉构象为最稳定，至于为何这二者的超共轭要比相应的F代物稳定，我在后面会详细介绍。此外，这与静电力稳定化体系的结果是一致的，但是对于Cl而言，其范德华半径比对和邻交叉构象时两个CL距离要小，所以这里存在一定的色散力相互吸引，这是一个不利因素。而对于F来说，由于超共轭效果不如前两者，而色散力又很大，在气相里，以邻交叉构像为主。 
接下来我们就可以去合理得分析羰基亲核加成的模型了。一，Felkin-Ahn模型在Cram之后，人们越来越重视立体电子效应而非仅仅考虑位组因素。化学家们（包括我们这些学徒）擅长判断位组因素，但是每每遇到立体电子效应时就容易得到错误的判断。Felkin-Ahn模型比Cram复杂点。这个模型如下所示 
这模型的核心观点仍然是位组，但是多了一个考虑因素：超共轭效应。Felikin认为在过渡态中超共轭起到了稳定化体系的作用，而这个超共轭来自于新产生的C--Nu sigma键与最大集团RL的C-RL的sigma反键重叠作用。可是，在这个模型提出的初期，人们没有注意到所谓的Dunitz-Burgi角度，就是羰基π键与亲核试剂作用时，实际角度为107度，而不是90度。而这个模型提出的一个初衷也是为了改变一个Cram模型的一个缺陷--他是重叠构象的产物，这与分子力学的旋转张力因素有冲突，所以才提出了这个最初的交叉构象的模型。 
可惜的是，这个模型最开始提出的邻交叉构想是不准确的---至少，从超共轭的角度而言，这个构想为超共轭建立的重叠度太差了。
这也被叫做Cram规则。而第二个规则就是因为羰基β位存在能产生氢键集团诸如OH以及-NH2等，这个模型让这类集团与羰基共平面，在通过另外两个集团的体积大小决定亲核试剂进攻方向。 虽然对于普通的羰基亲核加成而言，Cram规则I,II是足够的，但是由于缺少考虑电子因素和立体电子因素。Cram规则是存在较大缺陷的。 因而，在今天的合成分析里，有机化学家们更多的采用的是Felkin-Ahn模型，Cieplak模型，以及Cornforth模型等全新的模型，这些模型都有各自的侧重点，但是每一种模型都不能在所有情况下适用。 在开始这个话题之前，我们需要了解分子力学的基础知识。（因为几乎所有的新模型都会涉及立体电子效应）分子力学（molecular mechanics）是用来分析分子或者过渡态的构象与能量的一门学科。通过分子力学分析，我们能够合理有效的找到能量最低的构象结构。而为了方便分析，引起分子张力的因素也被仔细研究并分类过。通过如下方程我们就可以看出有四个主要因素决定着构象能量的高低。 E（strain）=E（r）+E（θ）+E（ξ）+E（d） Estrain就是总的张力，而后面四个系数分别都是一组方程的解。E（r）是键的伸缩张力，他的表达公式可以使用物理学中的胡克方程：E（r）=1/2kr（r-r0），kr相应的，就是键的伸缩力度常数，而r，r0分别是实际键长和理想键长（或正常键长）。E（θ）就是键角张力，这个是我们熟知的，比如环丙烷的张力就要高于环己烷，这是由于小环的键角小于理想角度引起的分子能量增加。这个系数的表达方式也可以使用胡克定理。E（θ）=1/2kθ（Δθ）。第三个系数E（ξ）是基础有机没怎么强调过的旋转张力。以乙烷为例，由于存在C-H成键轨道与对面的C-H反键轨道的超共轭，这个C-C键并非能够自由旋转的，经过计算，以乙烷为代表的经典烷基C-C单键都存在旋转阻力，这个能磊约为2.9kcal/mol。而如我们所知，基础有机给出过的乙烷构想的势能图，它是成三倍周期性的，所以可以用余弦公式表达，E（ζ）=V0（1+cos3ξ）。ζ是旋转角度，V0就是我们之前所说的2.9kcal/mol的旋转能磊。而E（d）则是比较重要但是却最难判断的一个数值，就是非键作用。这也是我们在后来的羰基亲核加成模型中需要注意的一个问题。这里存在的主要成分是范德华力与静电效应。以气相中的1,2二卤乙烷构象为例，当卤素为Br,Cl时，由与较为显著的超共轭效应影响（即旋转张力角度），这二人均已对交叉构象为最稳定，至于为何这二者的超共轭要比相应的F代物稳定，我在后面会详细介绍。此外，这与静电力稳定化体系的结果是一致的，但是对于Cl而言，其范德华半径比对和邻交叉构象时两个CL距离要小，所以这里存在一定的色散力相互吸引，这是一个不利因素。而对于F来说，由于超共轭效果不如前两者，而色散力又很大，在气相里，以邻交叉构像为主。 接下来我们就可以去合理得分析羰基亲核加成的模型了。一，Felkin-Ahn模型在Cram之后，人们越来越重视立体电子效应而非仅仅考虑位组因素。化学家们（包括我们这些学徒）擅长判断位组因素，但是每每遇到立体电子效应时就容易得到错误的判断。Felkin-Ahn模型比Cram复杂点。这个模型如下所示 这模型的核心观点仍然是位组，但是多了一个考虑因素：超共轭效应。Felikin认为在过渡态中超共轭起到了稳定化体系的作用，而这个超共轭来自于新产生的C--Nu sigma键与最大集团RL的C-RL的sigma反键重叠作用。可是，在这个模型提出的初期，人们没有注意到所谓的Dunitz-Burgi角度，就是羰基π键与亲核试剂作用时，实际角度为107度，而不是90度。而这个模型提出的一个初衷也是为了改变一个Cram模型的一个缺陷--他是重叠构象的产物，这与分子力学的旋转张力因素有冲突，所以才提出了这个最初的交叉构象的模型。 可惜的是，这个模型最开始提出的邻交叉构想是不准确的---至少，从超共轭的角度而言，这个构想为超共轭建立的重叠度太差了。
我模拟的是硝基甲烷负离子亲核加成过程。C是黑色球，O是红色球，N是蓝色球，H是白色球。大家可以看到，我把亚甲基上插了一根“键”，这是新产生的sigma键的意思，他与C-乙基的sigma键延长线正好处于同一平面，但是在立体化学角度，这连个轨道并非正好平行的，这个图表现了出来一点，两个sigma键具有一定角度。所以超共轭效果不算很好。---这是很多教材平面图所展示不出来的一个问题。我特地强调一下。 改进后的Felkin-Ahn模型示意图如下（我那个就是最直接的立体的改进版模型） 
不得不说的是，这个模型的判断要注意非常多的问题，不仅RL要与羰基有107度角这么简单。这个图为我们展示了再考虑过程中为了准确判断，我们必须要把亲核试剂的位组问题考虑进去，否则单从羰基角度考虑，比如对于醛的亲核加成问题，我们就会得到错误的结论。这与Cram模型完全不同。 如果羰基临位的集团全部是烷基，那么得到的产物分析结果与Cram模型完全一致。所以在一些情况下Cram模型可以代替Felkin模型。要熟练掌握Felkin模型需要大量的训练，这已超出本文范围，所以并不多加以讨论了。 我只想强调的是，F-A模型注重的是超共轭效应带来的影响，而且注重的是受体的效应。（就是参与的sigma反键轨道接纳电子的能力），F-A模型的基本论点就是认为C-Nu键由于与C-RL反键重叠作用，从而降低了自身成键过程的能量，也就降低了活化能。对于这个模型，我们在以后会仔细讨论。并会把这个模型与其他模型作比较。
其实最难判断的倒不是电子效应---因为超共轭啥的很好看出来。。而是位阻效应。。加上上次谈到的普通F-A模型，我仔细带着大家分析下这个模型（这是醛基亲核加成的PFA）。如果只看底物（醛）本身，其实不难发现实际上位阻小的是R与醛基的H在同侧处于邻交叉位置，但是这么一判断势必得到与实验结果相反的分析结果----显然，FA模型根本不像Cram模型，他必须要分析亲核试剂对过渡态整体的位组影响，拥挤程度。如果照我们所说的，醛基的H与R邻交叉，那么Nu就一定会与R邻交叉--这是很强的去稳定化因素。一定要在分析过程之内考虑到这个问题。 这个模型把超共轭放在了首位，这也说明了一个问题---就是当超共轭不再是主要影响因素的时候，PFA将不再有效。很多例子都证实了这一点。甚至包括普通的FA模型，如果亲核试剂的位组非常大，或者有些因素占了主导因素，F-A模型也好，在后面讲的其他模型也罢，都不再适用---这是普遍的一种现象，而学会区分适用于不适用，在各大模型之间学会融会贯通的却是不容易的。 
FA,PFA模型也对亲核试剂的形式做出了要求（需要位组适中，较小，且最好是自由的亲核试剂），比如如图这两种亲核试剂，按照合理的Felkin模型分析，得到是与事实相反的结论。而另外一个模型Cornforth却得到了较为合理的结论。此外，这个效应在环己酮的亲核加成反应里也被描述过。如下图所示
显然，对于扭转张力而言，在直立方向的进攻时有利的（产物热力学问题），但是3号位5号位两个直立C-H是非常不利于亲核试剂进攻的，但是对于比较小的试剂比如LAH，则不在乎这个问题，主导问题就是产物扭转张力问题。而水平风险进攻则是位阻小的进攻方式，这是动力学因素，之前谈及的体积较大的一些硼烷衍生物则会因为过渡态位组的原因选择进攻方式有利的去反应。当位组或者任何F-A模型所不支持的因素变成主要因素时，F-A模型就会失效了。 接下来，说说超共轭效应是如何发挥作用的。
