从安息香到百草枯——浅谈极性反转（阴离子篇）

极性反转(polar inversion)是有机合成中最有效的一种方法，在有机合成中起着重要的作用。众所周知，在离子型反应中，C―C键形成是电子由富电子物种流向缺电子物种，当两个物种均是富电子性的、或均是缺电子性的时候，只有改变其中一个物种的电性，才能成键。当物种的电性发生根本上的改变，由富电子变成缺电子，或由缺电子变成富电子时，我们称该物种发生了极性反转。

最典型的极性反转的例子就是苯偶因（Benzoin）缩合了，利用氰基负离子，使得醛酰基碳原子具有亲核性，经历缩合过程。最后，氰基离去，重新进入催化循环。

以此为例，我们来分析一下极性反转的过程。下面的图片分别是苯甲醛的HOMO，LUMO和氰基苄醇阴离子的HOMO，LUMO。

从上面的结果我们看到，碳原子从sp2杂化变为接近sp3杂化，之所以说接近是因为同时存在一个负电荷在氰根的共振式。可以看到，氰根的作用是稳定了负电荷，而这种作用就体现在原先被羰基吸走的电荷成为了稳定因素，而原先呈正电性的碳原子反而补偿了更多的负电荷。

而从分子轨道来讲，原先存在一组正交的HOMO和LUMO，在形成四面体后，更多的HOMO集中在氰基和所连的碳原子上。这意味着，原来的醛基碳原子具有相当强的亲电性，然而，氰基加成之后，显示极强的亲核性。

最早的狭义极性反转就是上面提到的醛基的亲核性，严格地说，氰醇的亲核性。这是由于醛基氢原子难于转化，用吸电子亲核试剂相连的办法，可以得到相当稳定的碳负离子。极性反转不止于此，下面是著名的农药百草枯的合成路线。注意到，这里用氰化钠完成了吡啶鎓盐的偶联。

吡啶的LUMO在之前的文章《杂环化学笔记》里面已经给出了，其鎓离子影响并不大。事实上，吡啶的4-位是亲电的位点。但是，和进攻醛基原理相同，氰基稳定了吡啶4-位的氢原子，使其离去产生负离子，具有相当的亲核性。

同样的反应机理也出现在氮杂环卡宾的反应中，和氰根相似，氮杂环往往可以稳定碳负离子，从而反转醛基的电性，这种过程还可以通过双键传递，从而形成Michael的产物。

下一篇我们将详细介绍阳离子型极性反转。