最經典的是氮雜環卡賓催化形成Breslow 中間體的反應，實現羰基化合物的極性反轉。

醛轉化成二噻烷。

DCC催化醯化、三苯基磷催化醯化。比如光延反應。

原理:

一、金屬促進的極性反轉

二、鹼促進的極性反轉

  1.透過硫縮醛的極性反轉

2.透過硫縮醛極性反轉

3.透過亞胺的極性反轉

三、有機小分子促進的極性反轉

1.安息香縮合

2. 三苯基膦促進的極性反轉

3. NHC催化的反應

極性反轉(umpolung或polar inversion)在有機合成中起著重要的作用。眾所周知，在離子型反應中，C―C鍵形成是電子由富電子物種流向缺電子物種，當兩個物種均是富電子性的、或均是缺電子性的時候，只有改變其中一個物種的電性，才能成鍵。當物種的電性發生根本上的改變，由富電子變成缺電子，或由缺電子變成富電子時，我們稱該物種發生了極性反轉。下面按照經典有機反應中極性反轉的型別進行介紹。

1 金屬促進的極性反轉

1.1 格氏試劑形成

格氏試劑由法國科學家Grignard在1900年發現，利用格氏試劑和碳親電試劑(如羰基化合物、亞胺等)反應能直接形成多種C―C鍵。由於格氏試劑製備容易，格氏反應適用性廣，Grignard在1912年獲Nobel化學獎。在格氏試劑形成過程中，金屬鎂失電子，鹵代烴得電子，最後生成格氏試劑，中心碳原子由缺電性變成富電性，發生極性反轉。產生的碳負離子可以和多種碳親電試劑結合，構築形形色色的C―C鍵(圖1)。

圖1

圖1 格氏試劑形成及反應

1.2 Reformasky反應

事實上，Reformasky早在1887年就發現，在金屬鋅誘導下α-碘代乙酸乙酯能和丙酮發生反應生成β-羥基酯。α-碘代乙酸乙酯從金屬鋅得電子形成烯醇鋅鹽，中心碳原子由原來的缺電性碳變成富電性碳，發生極性反轉成親核試劑，親核進攻羰基化合物而形成C―C鍵(圖2)。

圖2

圖2 Reformasky反應

2 鹼促進的極性反轉

2.1 透過硫縮醛的極性反轉

醛和二硫醇在酸催化下脫水生成硫縮醛後，受到兩個硫原子誘導吸電子的影響，原料中醛氫的酸性增加[1]，在鹼的作用下發生脫質子而生成碳負離子。原料中的醛基碳由缺電性變成碳負離子，發生極性反轉成親核試劑，可以親核進攻多種碳親電底物而形成C―C鍵(圖3)。

圖3

圖3 透過硫縮醛極性反轉原理

一個將這種極性反轉策略發揮得淋漓盡致的例子是圖4中化合物1的合成。化合物1的合成涉及4次極性反轉，分別如圖4中的a、b、c和d所示[2]，反應過程涉及鹼性條件(六甲基磷醯三胺(HMPA))下三甲基矽基(TMS)的遷移。

圖4

圖4 透過硫縮醛極性反轉例項

2.2 透過亞胺的極性反轉

胺交換反應(transamination)在生物化學中佔有非常重要的地位，它使氨基酸降解，脫去氮(圖5)。

圖5

圖5 胺交換反應

胺交換透過亞胺A和亞胺B中間體進行，關鍵是原料氨基酸中有α-H。如果亞胺轉化發生在鹼性條件下(圖6)，那麼原有羰基碳的極性就可以發生反轉，由原來的缺電性變成富電性，從而和缺電性碳原子形成新的C―C鍵。如果所用的相轉移催化劑(PTC)是手性的，產物不僅具有非對映選擇性，而且具有對映選擇性[3, 4]。

圖6

圖6 透過亞胺的極性反轉

3 有機小分子促進的極性反轉

3.1 安息香縮合

兩分子醛在氰根陰離子作用下生成α-羥基羰基化合物，稱為安息香縮合。反應過程中，氰基的吸電子性使醛基碳的極性反轉成為可能。圖7中，中間體A中的氫受到氰基吸電子性的影響具有一定的酸性[1]，分子內質子轉移生成中間體B，醛基碳發生極性反轉。隨後的親核進攻生成新的C―C鍵，得到α-羥基羰基化合物。

圖7

圖7 氰根陰離子催化的安息香縮合

3.2 三苯基膦促進的極性反轉

三苯基膦作為有機小分子催化劑在有機合成中有著廣泛的應用，它能使底物中碳原子發生極性反轉，從而改變反應發生的方向。Trost和Li[5]報道了丙炔醯胺和活潑亞甲基的反應，如果沒有三苯基膦的參與，反應按照正常的Michael加成進行，C―C鍵的形成發生在丙炔醯胺的β-位；如果三苯基膦作為催化劑介入了反應，C―C鍵的形成就發生在丙炔醯胺的γ-位。這是由於三苯基膦優先於活潑亞甲基進攻了Micheal受體，發生了P-Michael加成，隨後發生的一系列質子轉移(P.T.)使得γ-位的碳原子發生極性反轉，最後在γ-位發生了反應，得到目標產物(T.M.)(圖8)。

圖8

圖8 三苯基膦促進的極性翻轉——分子間捕獲

圖9

圖9 三苯基膦促進的極性翻轉——分子內捕獲

x ：摩爾分數

三苯基膦首先親核進攻丙炔醯胺發生P-Michael加成，繼而質子轉移得極性反轉中間體A，隨後的親核加成可以有兩種取向。當只有一個酯基時，以生成Yilde中間體B為主，得到四元環產物(圖10)。當有兩個酯基存在時，成四元環的位阻增大，以發生Michael加成為主，得到五元環產物。

圖10

圖10 環丁醯胺形成機理

三苯基膦還能活化聯烯酸酯的C(β′)―H鍵，如圖11所示，聯烯酸酯可以在溫和條件下和多種親核試劑(醇、胺等)反應得到官能團化的丙烯酸酯[7]。三苯基膦首先對聯烯酸酯發生P-Michael加成，透過一系列質子轉移得到中間體C，隨後的O-Michael或N-Michael加成可以得到多種官能團化的丙烯酸酯。

圖11

圖11 三苯基膦和聯烯酸酯的反應

3.3 NHC催化的反應

氮雜卡賓(NHC)也能使醛基碳發生極性反轉，一個經典的例子就是用NHC代替氰根陰離子催化安息香縮合反應。如圖12所示，反應過程中生成關鍵中間體B，受到兩個氮原子共軛給電子的影響，如其共振式C和D所示，醛基碳帶有部分負電荷，發生極性反轉而具有親核性。進一步的親核進攻生成C―C鍵，得到α-羥基羰基化合物。

圖12

圖12 NHC催化的安息香縮合

不僅醛碳可以發生極性反轉，酮碳也可以發生極性反轉。Wang和Radosevich[8]報道三(二甲胺基)磷(P(NMe2)3)可以和α-酮酸酯發生formal(4+1)反應得到五元環中間體A，開環後得極性反轉中間體B，繼而發生飽和碳原子親核取代和消除，立體選擇性地得到(Z)-α,β-不飽和酯(圖13)。

圖13

圖13 三(二甲胺基)磷促進的酮羰極性反轉

如果和NHC反應的是α,β-不飽和醛，β-位碳原子將獲得質子，生成咪唑鹽取代的烯醇負離子，具有親核性。如圖14所示的底物分子是一個雙Michael受體，在NHC的作用下得到二氫茚衍生物[9]。透過NHC對醛的親核加成和質子轉移，得到關鍵中間體B，分子內質子轉移產生的烯醇負離子C具有強親核性，繼而發生分子內Michael加成，得到二氫茚衍生物(圖15)。

圖14

圖14 雙Michael受體和NHC的反應

圖15

圖15 二氫茚衍生物形成機理

如果體系中有外加的氧化劑(如：醌)和親核試劑(如：活潑亞甲基)，在氧化劑的作用下，圖15中的關鍵中間體B被氧化成咪唑鹽取代的α,β-不飽和羰基化合物中間體E。雖然E的結構性質和原料一樣，都是雙Michael受體，但由於咪唑鹽強吸電子的存在，導致它非常活潑，優先受到外加親核試劑的進攻而發生串聯反應，生成δ-內酯產物[10](圖16)。

圖16

圖16 δ-內酯形成機理

NHC不僅能和羰基作用，而且能和吸電子基取代的苯乙烯作用，使苯乙烯的極性發生反轉[11](圖17)。

圖17

圖17 NHC促進的苯乙烯極性反轉

4 氧化還原促進的極性反轉

極性反轉可以透過氧化還原來實現。事實上，上述的格氏試劑形成就是一個氧化還原的例子(圖18)。

圖18

圖18 氧化還原促進的極性反轉

4.1 電化學氧化促進的極性反轉

用電化學氧化鄰二苯酚可以得到鄰苯醌，富電性的環變成了缺電子性環，稱為“芳環極性反轉”(aromatic ring umpolung)，極性反轉後的環可以作為Michael受體。如果體系中有苯甲醯乙腈存在，透過Michael加成等串聯將得到3-氰基苯並呋喃衍生物，可用於抗丙肝藥物的合成[12]。該反應的特點是環境友好，整個過程共丟4個電子和4個質子，有利於清潔生產(圖19)。

圖19

圖19 電化學促進的極性反轉

4.2 氧化劑促進的極性反轉

分子碘可以作為氧化劑使底物的極性發生反轉。如圖20所示的反應[13]，要將富電性氮和富電性碳(α,β-不飽和羰基化合物的α-位)結合在一起成C―N鍵，其中一個的極性必須反轉。

圖20

圖20 分子碘促進的極性反轉

高碘化合物作為氧化劑也能使芳環極性反轉。如圖21所示，在醋酸碘苯作用下，富電性的環氧化成缺電子性的環，從而可以接受呋喃的親核進攻而稠環。如圖21所示的反應，由於間乙基苯酚中有兩個羥基鄰位的氫，稠環時沒有區域選擇性(產物2 :產物3=1 : 1.3)[14]。如果將其中一個鄰位氫用TMS取代，繼而進行並環，將極大提高產物2的產率和純度。

圖21

圖21 高碘化合物促進的極性反轉

有很多利用高價碘促進極性反轉的例子。如經典有機反應中，羰基化合物在酸或鹼條件下通常能形成烯醇或烯醇負離子，從而使羰基化合物的α-位具有富電子的性質，發生親電取代反應。但在如圖22所示的反應中[15]，在二烷基鋅的作用下，羰基化合物轉變為烯醇鋅鹽A，和高碘鹽發生陰離子交換得到烯醇高碘鹽B，烷基遷移得到α-烷基取代的羰基化合物，反應結果上去的是親核試劑，發生的是羰基化合物的α-位親核取代。關鍵中間體由A到B的轉化是反應順利進行的關鍵，烯醇鋅鹽A中α-位是富電子性的，但在烯醇高碘鹽B中，由於高碘能得電子而被還原，所以α-位碳就可以被氧化而成缺電子性，從而可以接受親核試劑(烷基負離子)的進攻，生成新的C―C鍵。

圖22

圖22 高碘化合物促進的羰基α-烷基化

4.3 還原促進的極性反轉

眾所周知，硝酮作為1,3-偶極子和丙烯酸酯能發生偶極環加成形成五元環，是合成異噁唑烷衍生物的有效方法。如果反應體系中有二碘化釤，硝酮就可以獲得電子而被還原成富電子性碳親核試劑，對Michael受體發生Michael加成[16](圖23)。

圖23

圖23 還原促進的極性翻轉

有機反應中的極性反轉非常普遍，正如上面提到的，多種因素可以促進底物或試劑的極性反轉，而且極性反轉既可以發生在碳原子上，也可以發生在環上，是有機合成中構築C―C鍵的有效方法。本文結合近期文獻，總結了極性反轉型別，討論了反應的機理，以供基礎有機化學教學之參考。