不知道大家還記不記得，在很久很久之前，我們分享過一篇羰基反應(yīng)性的文章：

其實(shí)本質(zhì)上講“套頭 ”就是質(zhì)子化（鎓化），“歪脖 ”則是由雙鍵變單鍵。以上兩種模式常共存，今天我們便要對(duì)“套頭”后的羰基反應(yīng)性做一個(gè)解讀。

氧鎓，也稱離子，具有連接三根鍵的帶正電的氧原子。三根鍵可以都是σ鍵，如H3O+或Meerwein鹽；

也可以包含π鍵，如羰基氧鎓，取代基可以是氫、烴基或者烷氧基等。

通常認(rèn)為羰基氧鎓是一類不穩(wěn)定的高活性瞬態(tài)物種，需要原位產(chǎn)生、捕獲與轉(zhuǎn)化。羰基氧鎓作為活潑中間體，很容易發(fā)生多種多樣的反應(yīng)。本文將重點(diǎn)介紹常見的五類，即加成、取代、分解、異構(gòu)和周環(huán)反應(yīng)。

一、加成反應(yīng)

加成反應(yīng)是羰基氧鎓最為常見的反應(yīng)，例如，半縮酮1A酸性條件下脫水形成羰基氧鎓1B，而后與醇發(fā)生加成反應(yīng)，生成縮酮1C。

乙醛縮甲醇2A在酸性條件下脫去甲醇生成碳氧鎓2B，而后與烯丙醇發(fā)生加成，生成新的縮醛2C。

氯甲基甲基醚，MeOCH2Cl (3A)，容易與醇反應(yīng)生成縮醛3C。3A作為伯鹵代烷，傾向于發(fā)生SN1過程，而不是SN2。這是因?yàn)?strong>3A具有生成羰基氧鎓3B的能力，而后3B與醇發(fā)生加成，得到縮醛3C。

含有雙鍵和羥基官能團(tuán)的化合物4A，在含錸路易斯酸的催化下，羥基與醛發(fā)生加成得到羰基氧鎓4B；接著發(fā)生分子內(nèi)的Prins反應(yīng)，生成環(huán)狀化合物4C，最后轉(zhuǎn)化為醇類化合物4D 。

從上面的例子可以看出，羰基氧鎓容易與含有孤對(duì)電子的親核試劑以及含有雙鍵的烯烴發(fā)生加成反應(yīng)。

二、取代反應(yīng)與加成反應(yīng)的共存和競(jìng)爭(zhēng)

1,2-二芳基-3,3-二氟環(huán)丙烯類化合物(例如5A)是一類結(jié)構(gòu)新穎的醇的氟化試劑。5A易脫除氟離子生成芳香的環(huán)丙烯正離子(5B)，而后經(jīng)歷與4-苯基丁醇加成、脫氟得到氟化反應(yīng)的關(guān)鍵中間體環(huán)丙烯酮羰基氧鎓(5D)。

由于氟負(fù)離子的親核性很差，氟離子與5D發(fā)生親核取代反應(yīng)的速率慢，該中間體同時(shí)與4-苯基丁醇進(jìn)行加成反應(yīng)生成環(huán)丙烯縮酮5H，5H繼而與反應(yīng)中產(chǎn)生的HF發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，生成5F以及酯化產(chǎn)物5I。5D → 5G的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力為5G是芳香化合物。

羰基氧鎓5D與氟離子發(fā)生取代和與4-苯基丁醇發(fā)生加成反應(yīng)存在共存與競(jìng)爭(zhēng)。

Prévost反式雙羥化反應(yīng)和Woodward-Prévost順式雙羥化反應(yīng)的關(guān)鍵中間體都是羰基氧鎓。以環(huán)己烯的雙羥化為例，在乙酸銀的作用下，環(huán)己烯與碘形成三元環(huán)的碘鎓離子6A，接著羧酸根陰離子立體選擇性地進(jìn)攻碘鎓離子生成相應(yīng)的反式-1,2-碘代羧酸酯6B，然后碘被分子內(nèi)羧酸酯進(jìn)攻所取代(鄰基參與)形成一個(gè)環(huán)狀的羰基氧鎓6C。

• 若反應(yīng)體系中無水，6C會(huì)與乙酸根陰離子加成生成6D，同時(shí)也會(huì)與乙酸根陰離子發(fā)生取代反應(yīng)生成6E。在6E ? 6C ? 6D這個(gè)平衡體系中，加成產(chǎn)物6D的穩(wěn)定性比取代反應(yīng)的產(chǎn)物6E的穩(wěn)定性低，整體反應(yīng)平衡的方向在生成6E一側(cè)。6E繼續(xù)水解后得到反式環(huán)己二醇6F。

• 若反應(yīng)體系中有水，6C會(huì)與水加成得到6G，同時(shí)水也會(huì)與6C發(fā)生親核取代反應(yīng)生成6H。需要注意的是，6G與6H的穩(wěn)定性差別較小。另外，按照分子軌道理論[3]，π*的能級(jí)低于σ*的能級(jí)，水分子的HOMO軌道優(yōu)先與羰基氧鎓6C中的羰基的π* LUMO軌道作用，發(fā)生加成反應(yīng)；而后才是與6C發(fā)生親核取代反應(yīng)。因此，在6H ? 6C ? 6G這個(gè)平衡體系中，整體反應(yīng)平衡的方向在生成6G一側(cè)。6G轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的順式鄰羥基乙酸酯6I，進(jìn)而水解得到相應(yīng)的順式環(huán)己二醇6J

與此類似，在溴苷的糖苷化反應(yīng)中，也存在與上述例子相類似的情況。溴苷7A在碳酸銀的作用下生成羰基氧鎓關(guān)鍵中間體7D。7D可以與甲醇發(fā)生取代或者加成，分別生成7E或者7F。

在7E ? 7D ?7F平衡體系中，雖然7F優(yōu)先得到，但是，7F的穩(wěn)定性不如7E。一般情況下，該糖苷化反應(yīng)得到的主產(chǎn)物為7H，也會(huì)有少量原酸酯7G為副產(chǎn)物。需要指出的是，即使分離得到7G，在酸性條件下，7G亦可以較為容易地轉(zhuǎn)化為7H。

通過催化熱解纖維素和氫化可以獲得二氫左旋葡萄糖酮8A，8A轉(zhuǎn)化為肟的衍生物8C后，會(huì)發(fā)生非正常的Beckmann重排得到羰基氧鎓8D。8D分子中存在兩個(gè)氯離子親核取代反應(yīng)發(fā)生的位點(diǎn)，分別得到8E和8F兩種取代產(chǎn)物。8D與氯離子也會(huì)發(fā)生加成反應(yīng)，如上面所分析的那樣，類似地，8D與氯離子的加成產(chǎn)物不如取代產(chǎn)物穩(wěn)定，因此主要發(fā)生取代反應(yīng)。

總體來看，羰基氧鎓的取代反應(yīng)和加成反應(yīng)通常會(huì)共存與競(jìng)爭(zhēng)，情況較為復(fù)雜。是否得到取代產(chǎn)物，需要從多個(gè)角度進(jìn)行綜合考慮，例如，親核物種的親核性、羰基氧鎓的穩(wěn)定性、反應(yīng)產(chǎn)物的穩(wěn)定性等。

三、分解反應(yīng)

羰基氧鎓的分解反應(yīng)，實(shí)際上是羧酸與碳正離子反應(yīng)生成酯的逆反應(yīng)。

以羧酸叔丁酯的分解為例，酸性條件下，叔丁酯9A的質(zhì)子化物9B，即羰基氧鎓，發(fā)生碳氧鍵的斷裂，得到羧酸9C和叔丁基碳正離子9D。最后9D發(fā)生消除反應(yīng)生成異丁烯，或者與體系中的其他親核性物種(例如醇)反應(yīng)，生成醚。相關(guān)內(nèi)容：

(亞環(huán)己基甲基)苯(10A)臭氧化后得到化合物10B。在酸性條件下，10B開環(huán)得到中間體10C。10C的質(zhì)子化物即羰基氧鎓10D，10D容易發(fā)生分解生成苯甲酸和碳正離子10E，而10E實(shí)際上就是質(zhì)子化的環(huán)己酮。相關(guān)內(nèi)容：

Achmatowicz重排反應(yīng)是一類重要的氧化，在有機(jī)合成中有著廣泛應(yīng)用。糠醇衍生物11A經(jīng)過Achmatowicz重排生成二氫吡喃酮11H的過程中，存在兩類羰基氧鎓的反應(yīng)。環(huán)狀的羰基氧鎓11C與水發(fā)生加成反應(yīng)得到半縮酮11D。酸性條件下，11E脫水生成另外一種環(huán)狀的羰基氧鎓11F，11F快速發(fā)生分解得到11G。最后，在酸催化下，11G形成環(huán)狀的二氫吡喃酮11H。

四、異構(gòu)反應(yīng)

如果羰基氧鎓的α位有氫原子，可以發(fā)生異構(gòu)化為烯基醚的反應(yīng)。實(shí)際上，該反應(yīng)是碳正離子的消除反應(yīng)，亦是烯基醚在酸性條件下異構(gòu)化為羰基氧鎓的逆反應(yīng)。

例如，縮醛12A在酸性條件下脫去甲醇形成羰基氧鎓12C，而后異構(gòu)化為12D 。

化合物13C是全合成eupomatilone的關(guān)鍵合成砌塊。它可以在酸性條件下從縮酮13A異構(gòu)化得到，該異構(gòu)化過程容易發(fā)生，這是因?yàn)楫悩?gòu)化產(chǎn)物13C是芳香化合物。

五、環(huán)加成反應(yīng)

6-羥基二氫吡喃酮14A經(jīng)過酯化和消除反應(yīng)轉(zhuǎn)化為環(huán)狀的羰基氧鎓14C。14C在堿的作用下脫除質(zhì)子，形成羰基氧鎓的偶極體，即環(huán)狀的羰基葉立德14D。隨后，14D發(fā)生分子內(nèi)[3+2]偶極環(huán)加成，得到含氧橋環(huán)化合物14E。

3-羥基-4-吡喃酮15A是吡喃酮類天然產(chǎn)物麥芽酚(Maltol)和曲酸(Kojic acid)的核心骨架，其互變異構(gòu)體為環(huán)狀的羰基葉立德15B。與14D相類似，15B亦常被用于[3+2]偶極環(huán)加成反應(yīng)中構(gòu)建含氧橋環(huán)化合物15C。例如，15D可以發(fā)生分子內(nèi)的[3+2]偶極環(huán)加成反應(yīng)得到15E。

在乙酸銠的作用下，α-重氮酮16A分解產(chǎn)生的卡賓與金屬銠鍵合在一起，可以形成類卡賓化合物16B。而后16B的酯羰基與類卡賓發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)，生成羰基葉立德16C。接著，16C發(fā)生[3+2]的偶極環(huán)加成得到含氧橋環(huán)化合物16D。在酸性條件下，16D轉(zhuǎn)化為新的羰基氧鎓化合物16E。最后，16E發(fā)生插烯的羰基氧鎓的異構(gòu)化反應(yīng)，得到芳香的苯并環(huán)庚三烯酮衍生物16F 。

在IPrAuNTf2作用下，炔類化合物17A可以轉(zhuǎn)化為羰基葉立德17B，繼而與乙基乙烯基醚發(fā)生偶極環(huán)加成得到17C。17C發(fā)生類頻哪醇重排的過程生成羰基氧鎓17D，接著17D分解得到三級(jí)碳正離子17E。最后，17E發(fā)生擴(kuò)環(huán)重排與消除得到17G 。

從上面的討論可知，羰基氧鎓在堿性條件下可以轉(zhuǎn)化為羰基葉立德；3-羥基-4-吡喃酮也可以異構(gòu)化為羰基葉立德；在過渡金屬(如Rh和Au等)催化下，合適的前體化合物也可以形成羰基葉立德。考慮到羰基葉立德可以發(fā)生偶極環(huán)加成，構(gòu)筑復(fù)雜的多環(huán)類有機(jī)物骨架，研究者們發(fā)展了多樣的反應(yīng)路徑以獲得羰基葉立德。

另外，羰基氧鎓也可以發(fā)生氧雜的Diels-Alder反應(yīng)。例如，18B與2-苯基丙-2-烯-1-醇發(fā)生[4+2]環(huán)加成，得到新的羰基氧鎓18C和18D。18C反生分子內(nèi)羥基與羰基氧鎓的加成反應(yīng)，生成縮酮18F；18D則發(fā)生分子內(nèi)親核取代反應(yīng)形成環(huán)醚類化合物18E。

總結(jié)：

羰基氧鎓作為關(guān)鍵反應(yīng)中間體，在各種復(fù)雜有機(jī)反應(yīng)機(jī)理中扮演者重要角色。這些反應(yīng)，尤其是羰基氧鎓的加成與取代反應(yīng)存在競(jìng)爭(zhēng)與共存，也一直是學(xué)習(xí)者較難理解和掌握的內(nèi)容。另外，需要注意的是，羰基氧鎓的分解反應(yīng)實(shí)際上是羧酸與碳正離子成酯反應(yīng)的逆反應(yīng)；羰基氧鎓異構(gòu)化為烯基醚，與烯基醚在酸性條件下異構(gòu)化為羰基氧鎓本質(zhì)上互為正逆過程。羰基氧鎓的偶極體，即羰基葉立德，是構(gòu)建復(fù)雜橋環(huán)化合物的關(guān)鍵中間體。

“羰基”化學(xué)是有機(jī)合成化學(xué)的重要組成部分，了解了這些基礎(chǔ)的反應(yīng)，明白了底層邏輯，才能讓我們更好地去設(shè)計(jì)，去發(fā)現(xiàn)。

文獻(xiàn)來源：Guowen Xing, Guangjian Liu, Le Chang. Five Types of Reactions of Carbonyl Oxonium Intermediates in University Organic Chemistry Teaching[J]. University Chemistry, 2025, 40(4): 282-290.

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