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 () or polarity inversion in organic chemistry is the chemical modification of a functional group with the aim of the reversal of polarity of that group. This modification allows secondary reactions of this functional group that would otherwise not be possible. The concept was introduced by D. Seebach (hence the German word "umpolung" for reversed polarity) and E.J. Corey. Polarity analysis during retrosynthetic analysis tells a chemist when umpolung tactics are required to synthesize a target molecule.