極性轉換

極性轉換（英語：Umpolung），也稱極性翻轉、極性反轉、極性顛倒，指有機化學中官能團極性的改變，是有機合成重要概念之一。^[1]此概念首先由德國化學家迪特·澤巴赫與美國化學家艾里亞斯·詹姆斯·科里提出，極性轉換的英文名稱Umpolung也由德語的Umpolung得來，意為極性倒轉。^[2]^[3]

這裏的極性，指的是官能團不同原子的親電／親核反應性；從逆合成分析來看，是指不同原子的供電子／受電子反應性。雜原子（如金屬原子、氧、硫、矽等）的引入會改變化學鍵的極性，從而使某一基團的極性發生翻轉，這也是極性轉換的常用技巧。這樣，這個基團既可作為正離子，也可作為負離子；既可作為供電子基團，也可作為受電子基團，很多看似無法獲得的合成子都可以得到，官能團可以作為不同的「身份」來參與化學反應，有機合成反應的範圍因此大大擴展。^[4]下面舉幾個例子來說明不同官能團的極性轉換方法。

概述

由科里提出的逆合成分析是有機合成的常用方法之一，它通過拆開目標分子的結構，獲得相應的合成前體碎片（合成子），來推導出有機合成的可能路線。這些合成子大多是帶有供電子性或受電子性的（親核／親電，或不準確地講，負電／正電），可能是穩定存在的微粒，如氰離子（ $CN^{-}\,$ ），也可能是不穩定或不存在的離子，如碳正離子和碳負離子。後一種情況中，可以藉助相應的「合成子等價物」來作為合成子。

合成子具有一套特殊的分類方法。以右圖為例，用 $X\,$ 代表雜原子，比如O、N、S，該位置被定義為0號；沿着碳鏈，周圍的碳原子分別定為1號、2號、3號、4號等，記為 $C^{1},C^{2},C^{3},C^{4}\,$ …。具有供電子性的原子記作 $d\,$ ，具有受電子性的原子記作 $a\,$ ，若產物中仍含有雜原子官能團，則碳編號也要同時記在右上方。比如，若 $C^{1}\,$ 因為受電子能力而形成活性中心，那麼它就是 $a^{1}\,$ 合成子。在碳之前，雜原子自身也可以因為有供電子活性，記為 $d^{0}\,$ 合成子。

在雜原子 $X\,$ 的影響下，碳鏈通常會產生規律的供電子性與受電子性變化：以 $X\,$ 為基準， $C^{1}\,$ 為受電子性， $C^{2}\,$ 為供電子性， $C^{3}\,$ 為受電子性，形成右圖所示的d/a交替排列的方式。這樣的現象稱為常規的反應性，是極性轉換前各原子的供／受電子性質。而極性轉換可以使某一原子的供／受電子性質發生改變，獲得一些非常規的合成子，以滿足逆合成分析中的需要。這也便是極性轉換的重要性。

羰基化合物

羰基化合物中的羰基中，受電負性影響，通常碳原子為正電性（親電性），氧原子為負電性（親核性），常規的合成子即酰基正離子合成子。極性轉換可以使碳原子變為 $d^{1}\,$ 合成子，產生一系列的親核性酰基負離子等價物，為其他羰基化合物的合成提供途徑。羰基在反應中可以保留也可以不保留，分別看作是「未掩蔽」或「掩蔽」的羰基。這些反應中，最為熟知的羰基極性轉換方法，恐怕要數1,3-二噻烷（縮硫醛）與安息香縮合反應。

醛（如乙醛）可以和1,3-丙二硫醇形成二噻烷。由於硫對碳負離子具有特殊的穩定性，故鄰位的碳有酸性，用正丁基鋰在低溫四氫呋喃中處理，得到相應的親核性碳負離子（ $d^{1}\,$ ）。該鋰化的碳負離子作為親核試劑，可以和鹵代烴（溴化苄）、其他羰基化合物（環己酮）以及環氧乙烷衍生物（苯基環氧乙烷）等 $a\,$ 合成子發生親核取代，生成的產物水解，又得回羰基，因此產物是另一個羰基化合物。常用的水解試劑有氯化汞、氧化汞／水、雙(三氟乙酰氧基)碘苯、硝酸鈰銨和三丁基錫烷，它們的水解機理各有不同。此法可以由甲醛合成高級醛，由醛合成酮。如果以 $X(CH_{2})_{n}X\,$ 類型的烷基化試劑，經過兩次反應，可以很方便地得到4-7元環酮。

安息香縮合是羰基極性轉換另一類方法的代表，也是人們最早知道的極性轉換的例子。反應物苯甲醛中的羰基碳原子是親電性的。首先發生氰離子對羰基碳的親核加成，然後質子由碳轉移到氧上，形成一個碳負離子，其中的碳發生了極性轉換，是親核性的。然後該碳原子親核進攻另一分子的苯甲醛的親電性羰基碳，質子轉移，氰離子離去，得到產物安息香。整個反應的示意圖如下。

受以上反應中氰基對負電荷穩定性的啟發，人們又研究了其他腈類，結果發現形成α-氰醚與α-氰胺的反應對脂肪醛適用，是相應的酰基負離子等價物，可以有效彌補安息香縮合反應無法應用於脂肪醛的缺點。反應中的羥基常採用三甲基矽基或1-乙氧基乙基進行保護。下面的β-乙酰基環己酮就是用這種方法合成的。

一些酰基負離子等價物

用有機金屬試劑也可以達到使羰基碳發生極性轉換的目的，例如下圖中的五羰基鐵和酰基氯化二茂鋯。

α-氰醚中的氰基和烷氧基都被氯替換，或氰基為氫，烷氧基為硝基時形成的化合物，以及酰基鋰、烯醚、α-烷硫基亞碸類化合物，都具有掩蔽羰基，使羰基碳帶有親核性的作用。下面僅舉烯醚（乙烯基甲醚）的例子來說明。烯醚等類型的烯基化合物，其α-氫具有酸性，可以與叔丁基鋰在低溫作用生成相應的鋰鹽，即對應酰基負離子的等價物。烯醚可以是烯醇醚、烯硫醇醚或烯基矽醚，烴基鋰也可以先與碘化亞銅反應，做成二烷基銅鋰的形式與親電體反應。反應最終得到乙酰化的產物。

羰基化合物發生鹵代（生成鹵代酮）後，其 $C^{2}\,$ 發生極性轉換，由 $d^{2}\,$ 轉變為 $a^{2}\,$ ，可與親核試劑發生反應。反應中的羰基常以縮醛的形式進行保護。

α,β-不飽和羰基化合物的 $C^{3}\,$ 本來是親電性的，但藉助 $SR,NR_{2},SiR_{3}\,$ 等基團掩蔽起來後，若 $C^{1}\,$ 上沒有氫，則鹼作用下負電荷會向 $C^{3}\,$ 轉移，發生由 $a^{3}\,$ 到 $d^{3}\,$ 的極性轉換，使之與親電試劑起反應。或者， $C^{1}\,$ 上的氫可以在鹼作用下，由 $C^{1}\,$ 遷移到 $C^{3}\,$ ，形成具有兩位反應性的烯丙基負離子，則也會發生 $C^{3}\,$ 的極性轉換。

下圖中的反應也是α,β-不飽和羰基化合物的 $C^{3}\,$ 發生極性轉換的例子。形式上看，它屬於Heck反應，但反應不是用鈀催化，而是使用了一個三唑衍生出的氮雜環卡賓。它與不飽和酯的β-碳發生加成，生成一個烯醇負離子，經互變異構得到羰基，同時β-碳發生極性轉換變為親核性。然後與溴發生親核取代，溴離子離去，磷酸根離子處理使卡賓離去，以92%的產率得到產物（4）。^[5]

其他

烷烴的極性轉換：以鹵代烴為原料，製取有機金屬化合物的反應便是烷烴極性轉換的例子。反應前的 $C^{1}\,$ 為親電性，反應後為親核性，它由 $a\,$ 合成子變為 $d\,$ 合成子。以格氏試劑為例，反應前後烷基分別是正離子和負離子，如下。

再如，鹵代烷C-X異裂得到的碳正離子是親電性的，但均裂得到的自由基是親核性的；連有吸電子基的碳負離子是親核性的，但連有吸電子基的自由基是親電性的。

烯烴的極性轉換：通常，烯烴具有供電子性，是 $d\,$ 合成子。但雙鍵連有吸電子基的烯烴會使電子密度減少，使其轉變為 $a\,$ 合成子。此外，金屬配合物的生成也可以使烯鍵發生極性轉換。

芳烴的極性轉換：芳香環一般為供電子性，容易發生親電芳香取代反應。但與金屬原子配位後，其電子密度減少，轉換為 $a\,$ ，可以和親核試劑（如下方烷基鋰）發生芳香親核取代反應，氧化劑（如碘）處理後金屬配體脫去，又可得到芳環。

胺的極性轉換：胺的極性轉換可通過形成亞胺離子（曼尼希反應）或形成亞硝胺（見下）來完成。

參見

參考資料

^ IUPAC 金色書對「極性轉換」的定義：[1] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）。
^ 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. （原始內容存檔 (PDF)於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.

外部連結

一些關於極性轉換的英文網站：極性轉換的方法、安息香縮合與Stetter反應中的極性轉換（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）、羰基的極性轉換（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）。
極性反轉與重要化合物的切斷分析^{[永久失效連結]}

[1] IUPAC 金色書對「極性轉換」的定義：[1] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）。

[2] Seebach D. Methods of Reactivity Umpolung. Angewandte Chemie International Edition in English. 1979, 18 (4): 239–258. doi:10.1002/anie.197902393.

[3] 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.

[4] 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. （原始內容存檔 (PDF)於2007-09-29）.

[5] 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.

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