极性反转(umpolung或polar inversion)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。下面按照经典有机反应中极性反转的类型进行介绍。

格氏试剂由法国科学家Grignard在1900年发现，利用格氏试剂和碳亲电试剂(如羰基化合物、亚胺等)反应能直接形成多种C―C键。由于格氏试剂制备容易，格氏反应适用性广，Grignard在1912年获Nobel化学奖。在格氏试剂形成过程中，金属镁失电子，卤代烃得电子，最后生成格氏试剂，中心碳原子由缺电性变成富电性，发生极性反转。产生的碳负离子可以和多种碳亲电试剂结合，构筑形形色色的C―C键(图1)。

事实上，Reformasky早在1887年就发现，在金属锌诱导下α-碘代乙酸乙酯能和丙酮发生反应生成β-羟基酯。α-碘代乙酸乙酯从金属锌得电子形成烯醇锌盐，中心碳原子由原来的缺电性碳变成富电性碳，发生极性反转成亲核试剂，亲核进攻羰基化合物而形成C―C键(图2)。

醛和二硫醇在酸催化下脱水生成硫缩醛后，受到两个硫原子诱导吸电子的影响，原料中醛氢的酸性增加^[1]，在碱的作用下发生脱质子而生成碳负离子。原料中的醛基碳由缺电性变成碳负离子，发生极性反转成亲核试剂，可以亲核进攻多种碳亲电底物而形成C―C键(图3)。

一个将这种极性反转策略发挥得淋漓尽致的例子是图4中化合物1的合成。化合物1的合成涉及4次极性反转，分别如图4中的a、b、c和d所示^[2]，反应过程涉及碱性条件(六甲基磷酰三胺(HMPA))下三甲基硅基(TMS)的迁移。

胺交换反应(transamination)在生物化学中占有非常重要的地位，它使氨基酸降解，脱去氮(图5)。

胺交换通过亚胺A和亚胺B中间体进行，关键是原料氨基酸中有α-H。如果亚胺转化发生在碱性条件下(图6)，那么原有羰基碳的极性就可以发生反转，由原来的缺电性变成富电性，从而和缺电性碳原子形成新的C―C键。如果所用的相转移催化剂(PTC)是手性的，产物不仅具有非对映选择性，而且具有对映选择性^{[3, 4]}。

两分子醛在氰根阴离子作用下生成α-羟基羰基化合物，称为安息香缩合。反应过程中，氰基的吸电子性使醛基碳的极性反转成为可能。图7中，中间体A中的氢受到氰基吸电子性的影响具有一定的酸性^[1]，分子内质子转移生成中间体B，醛基碳发生极性反转。随后的亲核进攻生成新的C―C键，得到α-羟基羰基化合物。

三苯基膦作为有机小分子催化剂在有机合成中有着广泛的应用，它能使底物中碳原子发生极性反转，从而改变反应发生的方向。Trost和Li^[5]报道了丙炔酰胺和活泼亚甲基的反应，如果没有三苯基膦的参与，反应按照正常的Michael加成进行，C―C键的形成发生在丙炔酰胺的β-位；如果三苯基膦作为催化剂介入了反应，C―C键的形成就发生在丙炔酰胺的γ-位。这是由于三苯基膦优先于活泼亚甲基进攻了Micheal受体，发生了P-Michael加成，随后发生的一系列质子转移(P.T.)使得γ-位的碳原子发生极性反转，最后在γ-位发生了反应，得到目标产物(T.M.)(图8)。

如果分子内含有亲核性基团，分子内的亲核进攻将更容易发生。最近，Li等^[6]报道了如图9所示的反应，成环的大小取决于底物中酯基的个数。

三苯基膦首先亲核进攻丙炔酰胺发生P-Michael加成，继而质子转移得极性反转中间体A，随后的亲核加成可以有两种取向。当只有一个酯基时，以生成Yilde中间体B为主，得到四元环产物(图10)。当有两个酯基存在时，成四元环的位阻增大，以发生Michael加成为主，得到五元环产物。

三苯基膦还能活化联烯酸酯的C(β′)―H键，如图11所示，联烯酸酯可以在温和条件下和多种亲核试剂(醇、胺等)反应得到官能团化的丙烯酸酯^[7]。三苯基膦首先对联烯酸酯发生P-Michael加成，通过一系列质子转移得到中间体C，随后的O-Michael或N-Michael加成可以得到多种官能团化的丙烯酸酯。

氮杂卡宾(NHC)也能使醛基碳发生极性反转，一个经典的例子就是用NHC代替氰根阴离子催化安息香缩合反应。如图12所示，反应过程中生成关键中间体B，受到两个氮原子共轭给电子的影响，如其共振式C和D所示，醛基碳带有部分负电荷，发生极性反转而具有亲核性。进一步的亲核进攻生成C―C键，得到α-羟基羰基化合物。

不仅醛碳可以发生极性反转，酮碳也可以发生极性反转。Wang和Radosevich^[8]报道三(二甲胺基)磷(P(NMe₂)₃)可以和α-酮酸酯发生formal(4+1)反应得到五元环中间体A，开环后得极性反转中间体B，继而发生饱和碳原子亲核取代和消除，立体选择性地得到(Z)-α,β-不饱和酯(图13)。

如果和NHC反应的是α,β-不饱和醛，β-位碳原子将获得质子，生成咪唑盐取代的烯醇负离子，具有亲核性。如图14所示的底物分子是一个双Michael受体，在NHC的作用下得到二氢茚衍生物^[9]。通过NHC对醛的亲核加成和质子转移，得到关键中间体B，分子内质子转移产生的烯醇负离子C具有强亲核性，继而发生分子内Michael加成，得到二氢茚衍生物(图15)。

如果体系中有外加的氧化剂(如：醌)和亲核试剂(如：活泼亚甲基)，在氧化剂的作用下，图15中的关键中间体B被氧化成咪唑盐取代的α,β-不饱和羰基化合物中间体E。虽然E的结构性质和原料一样，都是双Michael受体，但由于咪唑盐强吸电子的存在，导致它非常活泼，优先受到外加亲核试剂的进攻而发生串联反应，生成δ-内酯产物^[10](图16)。

NHC不仅能和羰基作用，而且能和吸电子基取代的苯乙烯作用，使苯乙烯的极性发生反转^[11](图17)。

极性反转可以通过氧化还原来实现。事实上，上述的格氏试剂形成就是一个氧化还原的例子(图18)。

用电化学氧化邻二苯酚可以得到邻苯醌，富电性的环变成了缺电子性环，称为“芳环极性反转”(aromatic ring umpolung)，极性反转后的环可以作为Michael受体。如果体系中有苯甲酰乙腈存在，通过Michael加成等串联将得到3-氰基苯并呋喃衍生物，可用于抗丙肝药物的合成^[12]。该反应的特点是环境友好，整个过程共丢4个电子和4个质子，有利于清洁生产(图19)。

分子碘可以作为氧化剂使底物的极性发生反转。如图20所示的反应^[13]，要将富电性氮和富电性碳(α,β-不饱和羰基化合物的α-位)结合在一起成C―N键，其中一个的极性必须反转。

高碘化合物作为氧化剂也能使芳环极性反转。如图21所示，在醋酸碘苯作用下，富电性的环氧化成缺电子性的环，从而可以接受呋喃的亲核进攻而稠环。如图21所示的反应，由于间乙基苯酚中有两个羟基邻位的氢，稠环时没有区域选择性(产物2 :产物3=1 : 1.3)^[14]。如果将其中一个邻位氢用TMS取代，继而进行并环，将极大提高产物2的产率和纯度。

有很多利用高价碘促进极性反转的例子。如经典有机反应中，羰基化合物在酸或碱条件下通常能形成烯醇或烯醇负离子，从而使羰基化合物的α-位具有富电子的性质，发生亲电取代反应。但在如图22所示的反应中^[15]，在二烷基锌的作用下，羰基化合物转变为烯醇锌盐A，和高碘盐发生阴离子交换得到烯醇高碘盐B，烷基迁移得到α-烷基取代的羰基化合物，反应结果上去的是亲核试剂，发生的是羰基化合物的α-位亲核取代。关键中间体由A到B的转化是反应顺利进行的关键，烯醇锌盐A中α-位是富电子性的，但在烯醇高碘盐B中，由于高碘能得电子而被还原，所以α-位碳就可以被氧化而成缺电子性，从而可以接受亲核试剂(烷基负离子)的进攻，生成新的C―C键。

众所周知，硝酮作为1,3-偶极子和丙烯酸酯能发生偶极环加成形成五元环，是合成异噁唑烷衍生物的有效方法。如果反应体系中有二碘化钐，硝酮就可以获得电子而被还原成富电子性碳亲核试剂，对Michael受体发生Michael加成^[16](图23)。

有机反应中的极性反转非常普遍，正如上面提到的，多种因素可以促进底物或试剂的极性反转，而且极性反转既可以发生在碳原子上，也可以发生在环上，是有机合成中构筑C―C键的有效方法。本文结合近期文献，总结了极性反转类型，讨论了反应的机理，以供基础有机化学教学之参考。