极性转换

极性转换（英語：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迪特·澤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。 这里的极性，指的是官能团不同原子的亲电／亲核反应性；从逆合成分析来看，是指不同原子的供电子／受电子反应性。杂原子（如金属原子、氧、硫、硅等）的引入会改变化学键的极性，从而使某一基团的极性发生翻转，这也是极性转换的常用技巧。这样，这个基团既可作为正离子，也可作为负离子；既可作为供电子基团，也可作为受电子基团，很多看似无法获得的合成子都可以得到，官能团可以作为不同的“身份”来参与化学反应，有机合成反应的范围因此大大扩展。下面举几个例子来说明不同官能团的极性转换方法。 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（ C N − {\displaystyle CN^{-}\,} ），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 X {\displaystyle X\,} 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 C 1 , C 2 , C 3 , C 4 {\displaystyle C^{1},C^{2},C^{3},C^{4}\,} …。具有供电子性的原子记作 d {\displaystyle d\,} ，具有受电子性的原子记作 a {\displaystyle a\,} ，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 C 1 {\displaystyle C^{1}\,} 因为受电子能力而形成活性中心，那么它就是 a 1 {\displaystyle a^{1}\,} 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 d 0 {\displaystyle d^{0}\,} 合成子。 在杂原子 X {\displaystyle X\,} 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 X {\displaystyle X\,} 为基准， C 1 {\displaystyle C^{1}\,} 为受电子性， C 2 {\displaystyle C^{2}\,} 为供电子性， C 3 {\displaystyle C^{3}\,} 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。 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 d 1 {\displaystyle d^{1}\,} 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（ d 1 {\displaystyle d^{1}\,} ）。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 a {\displaystyle a\,} 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 X ( C H 2 ) n X {\displaystyle X(CH_{2})_{n}X\,} 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 C 2 {\displaystyle C^{2}\,} 发生极性转换，由 d 2 {\displaystyle d^{2}\,} 转变为 a 2 {\displaystyle a^{2}\,} ，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 C 3 {\displaystyle C^{3}\,} 本来是亲电性的，但借助 S R , N R 2 , S i R 3 {\displaystyle SR,NR_{2},SiR_{3}\,} 等基团掩蔽起来后，若 C 1 {\displaystyle C^{1}\,} 上没有氢，则碱作用下负电荷会向 C 3 {\displaystyle C^{3}\,} 转移，发生由 a 3 {\displaystyle a^{3}\,} 到 d 3 {\displaystyle d^{3}\,} 的极性转换，使之与亲电试剂起反应。或者， C 1 {\displaystyle C^{1}\,} 上的氢可以在碱作用下，由 C 1 {\displaystyle C^{1}\,} 迁移到 C 3 {\displaystyle C^{3}\,} ，形成具有两位反应性的烯丙基负离子，则也会发生 C 3 {\displaystyle C^{3}\,} 的极性转换。 下图中的反应也是α,β-不饱和羰基化合物的 C 3 {\displaystyle C^{3}\,} 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）。 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 C 1 {\displaystyle C^{1}\,} 为亲电性，反应后为亲核性，它由 a {\displaystyle a\,} 合成子变为 d {\displaystyle d\,} 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 d {\displaystyle d\,} 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 a {\displaystyle a\,} 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 a {\displaystyle a\,} ，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。 合成子、逆合成分析 构型翻转 IUPAC金色书对“极性转换”的定义：[1] （页面存档备份，存于互联网档案馆）。 Seebach D. Methods of Reactivity Umpolung. Angewandte Chemie International Edition in English. 1979, 18 (4): 239–258. doi:10.1002/anie.197902393.  Gröbel B. T., Seebach D. Reactivity of Carbonyl-Compounds Through Sulfur-Containing Reagents. Synthesis-Stuttgart. 1977, 6: 357–402. doi:10.1055/s-1977-24412.  Seebach D., Corey E. J. Generation and synthetic applications of 2-lithio-1,3-dithianes (PDF). Journal of Organic Chemistry. 1975, 40 (2): 231–237. doi:10.1021/jo00890a018. （原始内容存档 (PDF)于2007-09-29）.  Fischer C., Smith S. W., Powell D. A., Fu G. C. Umpolung of Michael Acceptors Catalyzed by N-Heterocyclic Carbenes. Journal of the American Chemical Society. 2006, 128 (5): 1472–1473. doi:10.1021/ja058222q.  一些关于极性转换的英文网站：极性转换的方法、安息香缩合与Stetter反应中的极性转换 （页面存档备份，存于互联网档案馆）、羰基的极性转换 （页面存档备份，存于互联网档案馆）。 极性反转与重要化合物的切断分析[永久失效連結]