极性转换

title: 概述.
content: 由科里提出的逆合成分析是有机合成的常用方法之一,它通过拆开目标分子的结构,获得相应的合成前体碎片(合成子),来推导出有机合成的可能路线。这些合成子大多是带有供电子性或受电子性的(亲核/亲电,或不准确地讲,负电/正电),可能是稳定存在的微粒,如氰离子(formula_1),也可能是不稳定或不存在的离子,如碳正离子和碳负离子。后一种情况中,可以借助相应的“合成子等价物”来作为合成子。  合成子具有一套特殊的分类方法。以右图为例,用formula_2代表杂原子,比如O、N、S,该位置被定义为0号;沿着碳链,周围的碳原子分别定为1号、2号、3号、4号等,记为formula_3...。具有供电子性的原子记作formula_4,具有受电子性的原子记作formula_5,若产物中仍含有杂原子官能团,则碳编号也要同时记在右上方。比如,若formula_6因为受电子能力而形成活性中心,那么它就是formula_7合成子。在碳之前,杂原子自身也可以因为有供电子活性,记为formula_8合成子。  在杂原子formula_2的影响下,碳链通常会产生规律的供电子性与受电子性变化:以formula_2为基准,formula_6为受电子性,formula_12为供电子性,formula_13为受电子性,形成右图所示的d/a交替排列的方式。这样的现象称为常规的反应性,是极性转换前各原子的供/受电子性质。而极性转换可以使某一原子的供/受电子性质发生改变,获得一些非常规的合成子,以满足逆合成分析中的需要。这也便是极性转换的重要性。
title: 羰基化合物.
content: 羰基化合物中的羰基中,受电负性影响,通常碳原子为正电性(亲电性),氧原子为负电性(亲核性),常规的合成子即酰基正离子合成子。极性转换可以使碳原子变为formula_14合成子,产生一系列的亲核性酰基负离子等价物,为其他羰基化合物的合成提供途径。羰基在反应中可以保留也可以不保留,分别看作是“未掩蔽”或“掩蔽”的羰基。这些反应中,最为熟知的羰基极性转换方法,恐怕要数1,3-二噻烷(缩硫醛)与安息香缩合反应。  醛(如乙醛)可以和1,3-丙二硫醇形成二噻烷。由于硫对碳负离子具有特殊的稳定性,故邻位的碳有酸性,用正丁基锂在低温四氢呋喃中处理,得到相应的亲核性碳负离子(formula_14)。该锂化的碳负离子作为亲核试剂,可以和卤代烃(溴化苄)、其他羰基化合物(环己酮)以及环氧乙烷衍生物(苯基环氧乙烷)等formula_5合成子发生亲核取代,生成的产物水解,又得回羰基,因此产物是另一个羰基化合物。常用的水解试剂有氯化汞、氧化汞/水、双(三氟乙酰氧基)碘苯、硝酸铈铵和三丁基锡烷,它们的水解机理各有不同。此法可以由甲醛合成高级醛,由醛合成酮。如果以formula_17类型的烷基化试剂,经过两次反应,可以很方便地得到4-7元环酮。  安息香缩合是羰基极性转换另一类方法的代表,也是人们最早知道的极性转换的例子。反应物苯甲醛中的羰基碳原子是亲电性的。首先发生氰离子对羰基碳的亲核加成,然后质子由碳转移到氧上,形成一个碳负离子,其中的碳发生了极性转换,是亲核性的。然后该碳原子亲核进攻另一分子的苯甲醛的亲电性羰基碳,质子转移,氰离子离去,得到产物安息香。整个反应的示意图如下。  受以上反应中氰基对负电荷稳定性的启发,人们又研究了其他腈类,结果发现形成α-氰醚与α-氰胺的反应对脂肪醛适用,是相应的酰基负离子等价物,可以有效弥补安息香缩合反应无法应用于脂肪醛的缺点。反应中的羟基常采用三甲基硅基或1-乙氧基乙基进行保护。下面的β-乙酰基环己酮就是用这种方法合成的。  用有机金属试剂也可以达到使羰基碳发生极性转换的目的,例如下图中的五羰基铁和酰基氯化二茂锆。  α-氰醚中的氰基和烷氧基都被氯替换,或氰基为氢,烷氧基为硝基时形成的化合物,以及酰基锂、烯醚、α-烷硫基亚砜类化合物,都具有掩蔽羰基,使羰基碳带有亲核性的作用。下面仅举烯醚(乙烯基甲醚)的例子来说明。烯醚等类型的烯基化合物,其α-氢具有酸性,可以与叔丁基锂在低温作用生成相应的锂盐,即对应酰基负离子的等价物。烯醚可以是烯醇醚、烯硫醇醚或烯基硅醚,烃基锂也可以先与碘化亚铜反应,做成二烷基铜锂的形式与亲电体反应。反应最终得到乙酰化的产物。  羰基化合物发生卤代(生成卤代酮)后,其formula_12发生极性转换,由formula_19转变为formula_20,可与亲核试剂发生反应。反应中的羰基常以缩醛的形式进行保护。  α,β-不饱和羰基化合物的formula_13本来是亲电性的,但借助formula_22等基团掩蔽起来后,若formula_6上没有氢,则碱作用下负电荷会向formula_13转移,发生由formula_25到formula_26的极性转换,使之与亲电试剂起反应。或者,formula_6上的氢可以在碱作用下,由formula_6迁移到formula_13,形成具有两位反应性的烯丙基负离子,则也会发生formula_13的极性转换。  下图中的反应也是α,β-不饱和羰基化合物的formula_13发生极性转换的例子。形式上看,它属于Heck反应,但反应不是用钯催化,而是使用了一个三唑衍生出的氮杂环卡宾。它与不饱和酯的β-碳发生加成,生成一个烯醇负离子,经互变异构得到羰基,同时β-碳发生极性转换变为亲核性。然后与溴发生亲核取代,溴离子离去,磷酸根离子处理使卡宾离去,以92%的产率得到产物(4)。
title: 其他.
content: 烷烃的极性转换:以卤代烃为原料,制取有机金属化合物的反应便是烷烃极性转换的例子。反应前的formula_6为亲电性,反应后为亲核性,它由formula_5合成子变为formula_4合成子。以格氏试剂为例,反应前后烷基分别是正离子和负离子,如下。  再如,卤代烷C-X异裂得到的碳正离子是亲电性的,但均裂得到的自由基是亲核性的;连有吸电子基的碳负离子是亲核性的,但连有吸电子基的自由基是亲电性的。  烯烃的极性转换:通常,烯烃具有供电子性,是formula_4合成子。但双键连有吸电子基的烯烃会使电子密度减少,使其转变为formula_5合成子。此外,金属配合物的生成也可以使烯键发生极性转换。  芳烃的极性转换:芳香环一般为供电子性,容易发生亲电芳香取代反应。但与金属原子配位后,其电子密度减少,转换为formula_5,可以和亲核试剂(如下方烷基锂)发生芳香亲核取代反应,氧化剂(如碘)处理后金属配体脱去,又可得到芳环。  胺的极性转换:胺的极性转换可通过形成亚胺离子(曼尼希反应)或形成亚硝胺(见下)来完成。

Summary: 极性转换(英语:Umpolung),也称极性翻转、极性反转、极性颠倒,指有机化学中官能团极性的改变,是有机合成重要概念之一。此概念首先由德国化学家Dieter Seebach(迪特尔·泽巴赫)与美国化学家艾里亚斯·詹姆斯·科里提出,极性转换的英文名称"Umpolung"也由德语的"Umpolung"得来,意为极性倒转。

Umpolung: Umpolung nennt man in der Organischen Chemie die Modifikation einer funktionellen Gruppe mit dem Ziel, ihre Polarität umzukehren. Dadurch kehrt sich auch ihre Reaktivität: Aus einem Elektronenmangel kann eine Elektronenüberschuss-Situation erzeugt werden; es ergeben sich neue Reaktionsmöglichkeiten. Der Germanismus "umpolung" ist auch im angelsächsischen Sprachraum etabliert.