極性轉換

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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Dieter Seebach(迪特爾·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]

這裡的極性,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、硅等)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[編輯]

合成子的命名和分類,X代表雜原子

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),也可能是不穩定或不存在的離子,如碳正離子碳負離子。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…。具有供電子性的原子記作,具有受電子性的原子記作,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,若因為受電子能力而形成活性中心,那麼它就是合成子。在碳之前,雜原子自身也可以因為有供電子活性,記為合成子。

在雜原子的影響下,碳鏈通常會產生規律的供電子性與受電子性變化:以為基準,為受電子性,為供電子性,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[編輯]

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

(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()。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。如果以類型的烷基化試劑,經過兩次反應,可以很方便地得到4-7元環酮。

二噻烷


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。

安息香縮合反應


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硅基或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
氰醚 極性轉換例子


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

極性轉換例子 五羰基鐵
極性轉換例子 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、烯硫醇醚或烯基硅醚,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。

極性轉換例子 烯醚

羰基化合物發生鹵代(生成鹵代酮)後,其發生極性轉換,由轉變為,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-不飽和羰基化合物本來是親電性的,但藉助等基團掩蔽起來後,若上沒有氫,則鹼作用下負電荷會向轉移,發生由的極性轉換,使之與親電試劑起反應。或者,上的氫可以在鹼作用下,由遷移到,形成具有兩位反應性的烯丙基負離子,則也會發生的極性轉換。

下圖中的反應也是α,β-不飽和羰基化合物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]

極性轉換例子

其他[編輯]

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。反應前的為親電性,反應後為親核性,它由合成子變為合成子。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。

格氏試劑 極性轉換


烯烴的極性轉換:通常,烯烴具有供電子性,是合成子。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,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)處理後金屬配體脫去,又可得到芳環。

芳烴 極性轉換


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。

極性轉換 胺

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ IUPAC金色書對「極性轉換」的定義:[1]
  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. 
  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. 

外部連結[編輯]