第六章 合成子与极性转换

C2H5OCH=CH2
O CH3-CH CN
OC2H5 C-CH3 H
LiNR2
O CH3-C CN
OC2H5 C-CH3 H
H+
O
O
目标分子 CH3CO
• 6.1.3 合成子与稳定性 • 先看下列分子的拆开：
R
R’ C
OH
X
R
R’ C O
+
X-
+
H+
• 这种拆开方法是否可行，要看X-的稳定性。
• 例如：
[H]
+
HCN (d1)
R
CN
H
R
NH2
• 产物为1,2-双官能团化合物。
• a + d2：
O (CH3)3SBr + (a) H3C (d2)
H
O
H
+ (CH3)2S + HBr
• 产物是单官能团化合物。
• a1 + d2：
O
O
OH H
Oຫໍສະໝຸດ Baidu
H
O
H
+ H3C
(a1) (d2)
分析正误！
• 产物为α，β-不饱和醛，是1，3-双官能 团化合物
a合成子
试剂 a0 a1 a2 Me2PCl CH3COCH3 BrCH2COCH3 负离子 Me2P +(活化的是P) CH3C+O（羰基被活化）
+CH 2COCH3（α-C原子活化）
官能团 -PMe2 -CO-CO-
a3
H2C=CHCOOR
H2+C-CH=CO-OR
-COOR,-C=C-
除了以上涉及的合成子外，还有烷基 合成子，也有供电子与受电子之分： • （1）烷基d合成子： • 如甲基锂分解成CH3-和Li+，前者就是烷基d
以及CH3NO2都能在水溶液中生成d1合成子。
H-C≡N
+
OH-
C≡N
C=N
CH3-NO2
+
OH-
O H2C N O H2C= N
O O
+
H2 O
• （2）利用Si，S，P及过渡金属也可生成d1 合成子。
烷基硅叶立德：
R3Si-CH2Cl
+
-LiCl
2Li
R3Si
CH2 Li+
相关知识点
• 叶立德（Ylide）：指的是一类在相邻
或杂原子（Li,Mg等，或-O,-N,-S等）。
• 碳原子顺序编号C1,C2,C3,…；
• 如由于极性转换而使C1具有供电子能力而形
成活性中心，就是d1合成子； • C2有活性，就是d2合成子，依次类推，给各 类合成子编号；
• 也可能在C之前，官能团（FG）或杂原子X0 有活性，就是d0合成子； • 供电子合成子就有d0,d1,d2,d3等； • 相似地，也有因极性转换使碳原子有受电 子能力而形成活性中心的，受电子合成子 就有a0,a1,a2,a3…之分。
子：
A负极性离子 （电负性） 电子供应者
+
B+
正极性离子 （电正性） 电子接受者
A—B
产物分子 （中性）
• A-和B+就可以称为“合成子”。
• 二）合成子的有效性
有机分子的拆解通常有多种拆解方法，如：
O Ph
OCH3
OCH3
O
O
有哪些拆解方法？是否合理？
以下拆解方法那些是合理的？
1 O OCH3 OCH3 O 5
其它定义：
• 1. 在切断时所得到的概念性的分子碎片， 通常为一个正离子或负离子。它们可以是 相应反应中的一个中间体，也可以不是。 • 2. 指可用于有机反应中的合成单位。是与
反应物（称为试剂reagent)对等的。
• 一）合成子是有机合成反应的基本单元
合成反应最普通的表示方式是，一个正
离子和一个负离子键接在一起成为一个分
d合成子
试剂 d0 d1 CH3SH KCN 负离子 CH3S-(杂原子硫有活性) CN-（杂原子N使C1活化）
-CH2CHO（α-C原子活化）
-C≡CCH 2NH2
合成子 d0合成子 d1合成子
官能团 -C-S-CN
d2
CH3CH=O
d2合成子
d3合成子
-CHO
-C≡CCH2NH2
d3 (Li)C≡CCH2NH2
为何不用酸
O
H
+
NaOH
HCN
OH CH3-CH CN
• 问题：反应机理？
• A用：
OC2H5 -C-CH3 H OH + CH3-CH CN O CH3-CH CN OC2H5 C-CH3 H
C2H5OCH=CH2
• 问题：反应机理？
• 实际合成步骤：
O H
NaOH
+
HCN
OH CH3-CH CN
Ph
34 2 O
有些碎片是有效的，有些是无效的，合成子 是分子拆开后在有机合成中确实有效的碎片。
• 上述分子中只有下列两个碎片才是有效的：
O O
Ph
-
OCH3
和
+
O
OCH3 O
OCH3
+ H+
• 它们可以通过Michael加成反应合成目标物：
O Ph O
OCH3
+
O O
OCH3
OCH3
EtONa
+
C2H5MgBr
H3+O
R R’
OH
C
C2H5
• 因此，一个稳定的合成子，可以直接起
反应，而一个不稳定的合成子，就需要
用它的稳定的等价物。
6.2 合成子极性转换的具体应用
• Example 1:安息香缩合反应
• 安息香缩合是羰基极性转换的代表，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
O
CH3CO
• 由于CH3CO-是实际不存在的合成子，需要从带正电 的结构体通过极性转换，变成带负电的结构体，但 如何处理？
• 处理方法：
O R-C-X
A与B
OA R-C-X B
OA R-C B
+
X+
OA R-C - + B
O
H+
O
OA C R B
H3+O
O
R C O
• 技术关键：选用什么样的A与B？ • 针对本例：B用-CN，即：
而起了甲基化的作用；不是a1合成子，而是
烷基a合成子，产物无官能团。
6.3.2 合成子的加合——a合成子与d合成子的反应
• 烷基a + 烷基d：
CH3Li (d)
+ (CH3)3SBr
(a)
CH3CH3
+ (CH3)2S + LiBr
• 产物为无官能团化合物。
• a1 + d1：
O
R (a1) H OH OH
C2H5 O C2H5 R-Mg-X O CH C2H5 2 5
• 当卤代烷分解成R+与X-时，烷基是正离子，当 它通过格式试剂再分解时，烷基就成了负离 子，这就称为极性转换； • 同一基团既可成为正离子，也可成为负离子。
• 极性转换（英文：Umpolung），也称极性
翻转、极性反转、极性颠倒，指有机化学
• 烃基d合成子大多通过有机金属卤化物制得， 由C-Na，C-Li通过金属交换而得C-M，反应 如下：
THF
Br
+
+
2Li
Li
+
LiBr
Cl
2Li
THF
Li
+
LiCl
请思考如何控制
• 二） d1合成子 • （1）在C1-X0（杂原子）中，碳的电子对 可离域到杂原子上去，就形成较稳定的碳
负离子，即d1合成子。HCN（及钾盐、钠盐）
原子上有相反电荷的中性分子。叶立
德在有机化学，尤其是有机合成中有
很多应用。通常地，叶立德可以写成 以下共振式，其中一个共振杂化体具 有双键：
• 实际的电子分布取决分子的具体性质。
• 早在1919年 H.施陶丁格等就发现这类特殊结构的
化合物，1954年E.G.维蒂希等提出维蒂希反应，
参与此反应的磷叶立德通常称为维蒂希试剂。
合成子，反应中起甲基化作用；
• 格氏试剂中得到的R-当然是烷基d合成子；
• 注意：它们不是d1合成子，反应中只起烷基
化作用，产物无官能团！
• （2）烷基a合成子
• 如二甲硫醚与溴甲烷的加成物能起下列离 子化反应：
(CH3)3SBr (CH3)3S+
+
Br-
• 此正离子在反应中，由于甲基被活化成Me+
合物。
• 这里：
S S
相当于
O
也是酰基负离子的等价物。
6.3 合成子的分类和加合
6.3.1 合成子的分类
极性转换中的合成子可分为：
1. 供电子合成子（以d代表）； 2. 受电子合成子（以a代表）两大类。
• 见下列有机分子的基本结构：
X0
1
FG
2
3 4
5
• FG：官能团；
• X0表示促使分子发生极性转换的金属原子
正确解：
O
[OH-]
O C-
O
+ H3C
(d2)
O H3 C H O
H2O
H (a1) OH H3C H O
O
• a2 + d2：
O COOCH3 (d2)
(1)NaOH (2)H3+O
+
O Br (a2) O CO2H O CO2CH3
• 产物为1，4-双官能团化合物， a1 + d3 ，a3 + d1 的产物也都是1，4-双官能团化合物。
环己酮
O O
CH3CO
• 此时的合成子是CH3CO-，但这是不存在的。合成时， 必须用它的对等物，而等价物是实际存在的。
相关概念： • 合成等价物：一种能起合成子作用的试剂。 合成子通常由于其本身的不太稳定而不能直 接使用。 • 试剂：实际使用的代表合成子的化合物。例 如MeI是合成子Me+的试剂。它能在相应的的 合成中起反应，给出中间体或目标分子。它 是合成子的合成等价物。
• 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。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
• 6.1.2 合成子的极性转换 • Example:卤代烷的取代反应
R-X Mg 醚 RMgX RR+
+
Nu
XR-Nu MgX+ R-E 亲电反应 亲核反应
+
E
知识点回顾： • 格氏试剂：一卤代烷与金属镁在绝对乙醚 （无水、无醇的乙醚）中作用生成有机镁化 合物，产物能溶于乙醚，不需分离即可直接 用于各种合成反应，也称为格利雅试剂。
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。
• Example:用环己烯酮合成β-乙酰基 环己酮
O
O CH3C -
• 叶立德结构具有一个半极性键,碳原子上带有负电
荷,是一个很强的亲核试剂。它与一般碳负离子不 同,能稳定地存在。磷叶立德中的磷原子具有低能 量的3d空轨道，碳上有孤对电子的p轨道,通过d-p 共轭分散了碳上的负电荷，使分子趋于稳定。
第六章
合成子与极性转换
6.1 合成子基本理论
• 6.1.1 合成子的概念 合成子（Corey E.J.）：凡是能用已 知的，或合理的操作连接成分子的结构单 元均称为合成子。
• Synthons are defined as units which can be joined to (organic) molecules by known or conceivable synthetic operations. (E.J.Corey 1967)
成就立即与醛（酮）作用，但在加酸时应注意控
制溶液的pH值，使之始终偏于碱性（pH约为8），
以利于反应的进行。
• 又如：
R R’ C C2H5 OH R R’ C O
+
C2H5-
+
H+
• 一般说来，Et-是一个不稳定的负离子，不能 直接用于和羰基的反应，但通过格氏试剂能 将它稳定下来。
R R’ C O
Ph
O O
OCH3
• 三）合成子是否一定实际存在 “合成子”是一个人为的，概念化的名
词，有别于实际存在的起反应的离子、自
由基或分子。合成子可能是实际存在的，
也可能是一个实际不存在的抽象化的东西。
Example 1：
O O O
+
EtONa
O
• 其碎片是：
O
不稳定
-
与
O
H+
实际存在 的
Example 2：用环己烯酮合成β-乙酰基
R R’ C CN OH R R’ C O
+
CN-
+
H+
• 氰基（CN-）是很稳定的负离子，易与羰基 发生亲核加成反应：
R
R’ C O
+
CN-
H+
R
R’ C
OH
CN
• 小常识：
氰化氢有剧毒，且挥发性较大（沸点 26.5℃），故在羰基化合物与氰化氢加成时，为 了避免直接使用氰化氢，通常是把无机酸加入醛 （酮）和氰化钠水溶液的混合物中，以便HCN一生
• a3 + d2：
+
O
(a3) H
O
O (d2)
O
O
• 产物是1，5-双官能团化合物。
6.3.3 供电子合成子
• 一）烷基（烃基）d合成子
•
碳负离子的烃基可以是烷基、烯基、
炔基。它们活性大，稳定性小，形成碳
负离子的容易程度是：
CH≡C > CH2=CH > CH3CH2 C-H中s成分增加
试分析之！
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。
反应机理：
• 因此：
CN
HO C -
O
是
的等价物
• Example 2:二噻烷碳负离子的形成