一个绷紧了的醚
上一篇你认识了醚：一个氧两边各连一个碳，即 C-O-C，以“安分”著称。乙醚能在瓶子里安然放上几年什么也不干；正是这份迟钝，让它成了上佳的溶剂和麻醉剂。现在把同样这个 C-O-C 连接拿来，强迫那两个碳彼此也结上键，合拢成一个小小的三元环。这就是环氧化物（最简单的一个由乙烯做成，叫环氧乙烷，或叫 oxirane）。你并没有添上任何一种新的键——它仍然是一个醚，一个被两个碳夹住的氧。可一旦把它弯成三角形，你就像拉满了一张弓那样给它上了劲。
这股张力从何而来？一个 sp3 碳“想要”接近 109.5 度的键角——就是你在杂化和成环那几篇里见过的、舒舒服服的四面体张开度。可一个三元环硬把这些键角压到 60 度上下，实在太挤了。键无法笔直地对准彼此，只好像塞得过满的香蕉那样弯曲，重叠得很差，于是储存起真实的能量。这就是角张力（再加上一点扭转张力，因为环上的原子被锁成了重叠式）。大约 27 kcal/mol 的张力能就这样盘绕在那个小三角里——而一根绷紧的键，正是一根渴望断开的键。
在碱性条件下开环：进攻较干净的那个碳
为这一类化合物定调的反应就是开环：一个亲核试剂进攻某一个环碳，那个碳与氧之间的键随之断开，三角形一下子弹开，氧便作为烷氧负离子离去（或者抓上一个质子后，变成 -OH）。结果得到的产物，亲核试剂连在一个碳上，而 -OH 在相隔两个碳处——是一种 1,2 的关系。关键在于：氧从头到尾都没有真正离开这个分子，它只是松开了其中一个碳。正是这一点，才让一个“糟糕的离去基团”得以离去：它是被拴着的，是张力把它推开的。
在碱性或中性条件下，一个强亲核试剂（烷氧负离子、氰离子、格氏试剂、氢氧根）单凭自己就能完成任务，不需要给离去基团质子化来帮忙。这本质上就是一步 SN2：亲核试剂从某个环碳的背面进来，正对着它要打断的那根 C-O 键、相隔 180 度。又因为是 SN2，它会奔向取代基“较少”、较不拥挤的那个碳——也就是挡路的笨重基团更少的那一个，和你见过的每一次 SN2 一样。SN2 那条手性规则也照样适用：随着环被翻开，那个碳的构型发生翻转。
于是在碱性条件下，区域选择性是“位阻型”的：进攻最容易够到的那个碳。比如环氧丙烷遇上甲氧负离子，甲氧负离子会打向没有取代基的 CH2 那一端，而不是取代基更多的 CH 碳，给出 -OCH3 接在伯碳上的产物。把这理解为你早已信得过的那条普通 SN2 偏好就好，只不过它作用的底物，恰好自带了一个内置的离去基团而已。
在酸性条件下开环：进攻较拥挤的那个碳
现在切到酸性条件，这里有个让无数学习者栽跟头的意外：区域选择性“掉了个头”。一个弱亲核试剂（水、醇、卤离子）单靠自己撬不开这个环，于是先由酸把环上的氧质子化。质子化后的氧此刻成了好得多的离去基团，它会用力去拽“两根” C-O 键上的电子，把它们拉长。环现在就像一个被拉伸的 SN1 那样，蓄势待开，正电荷的性质开始在某个环碳上累积——而正电荷最“乐意”待在取代基“更多”的那个碳上，因为碳正离子在那里最稳定（更多的烷基贡献电子密度，正是你在加成和取代里学过的那套稳定性次序）。
因为取代基更多的那个碳带有最多的正电荷，弱亲核试剂便被引向那里——所以在酸性条件下，它进攻取代基“更多”的那个碳。这和碱性那种情形正好相反，也呼应了你在烯烃那一阶学过的马氏规则（Markovnikov 规则）：这并不是因为有什么“富者愈富”的规矩，而是因为反应总沿着正电荷最稳定地堆积的方向走。不过要诚实地看清这幅图：环通常并不会彻底断成一个自由、扁平的碳正离子。当 C-O 键被拉长时，亲核试剂其实已经在往里凑了，所以这个过渡态是一种“混血”——在“背面进攻、单步同时进行”这一点上像 SN2，而在“正电荷（因而进攻）偏爱待在哪个碳”这一点上又像 SN1。
BASE / strong Nu : attacks the LESS substituted carbon (clean SN2, steric)
ACID / weak Nu : attacks the MORE substituted carbon (Markovnikov-like, charge)
Nu(-) H(+)
| |
v backside, 180 deg v O is protonated -> better LG,
CH2 -- O ===> CH2 -- O(+)-H more (+) on the substituted C
\ / (strained ring) \ /
CHR CHR <- weak Nu drawn HERE under acid读懂其中的立体化学
有一条线索同时贯穿了酸性和碱性两种开环，值得钉牢，因为它是考试里最爱设的陷阱：无论在酸还是在碱里，亲核试剂始终是从它所进攻那个碳的“背面”进来的。C-O 键在正面那一侧断开，亲核试剂在背面那一侧成键，于是被进攻的那个碳构型翻转——正是你在 SN2 里学过的那种“雨伞翻转”。酸与碱之间的差别，只在于“哪个碳”挨打，而绝不在于这一击本身的几何方式。
最生动的收获，体现在一个本身就成环的环氧化物身上，比如环氧环己烷。亲核试剂必须从它那个碳的背面靠近，而氧从正面离去，于是两个新基团——亲核试剂与 -OH——最终落在环的“相反”两个面上。它们以反式（anti / trans）彼此分立，是一次干净的反式双竖键开环。所以“在被进攻的碳上以构型翻转开环，给出反式（anti）产物”就是你要记住的那一句立体化学结论，无论你用的是酸还是碱，它都成立。
- 先判定条件：是碱性／中性下的强亲核试剂，还是酸性下的弱亲核试剂？
- 选定被进攻的碳：碱进攻取代基较少的碳（位阻主导）；酸进攻取代基较多的碳（电荷主导）。
- 从背面进攻；氧从正面那一侧松手，于是那个碳构型翻转。
- 读出产物：亲核试剂落在被进攻的碳上，-OH 在相隔两个碳处，两个基团呈反式（anti）。
把氧换成硫：硫醇与硫醚
硫在元素周期表里正好处在氧的下面，所以它会往下一行形成同样的几个家族。把醇里的 -OH 换成 -SH，你就得到一个硫醇（旧称“硫醇/mercaptan”），即 R-SH。把醚里的氧换成硫，你就得到一个硫醚（即 thioether），即 R-S-R。它们在纸面上看起来和含氧的表亲一模一样，可硫那更大、更软、握得更松的电子，给了它们三种值得了解的“性格”。
其一，硫醇比醇更酸：硫醇的 pKa 大约在 10-11，而醇约为 16。更大的硫原子把所生成硫负离子（RS-）的负电荷摊在更大的体积上，所以它比紧凑的氧更从容地握住这份电荷——正是“原子越大、越能稳定阴离子”的那套逻辑，当初它解释了为什么 HBr 比 HF 更强酸。其二，硫醇和硫醚都是出色的“亲核试剂”。硫那又大又软、可极化的电子会主动伸出去、急切地成键，这让一个硫负离子或硫醚成为远胜其含氧类似物的开环者与 SN2 进攻手——正是那种喜欢背面进攻的、又软又易极化的亲核试剂。
其三，与醇不同，两个硫醇很容易被氧化、缝接到一起：2 R-SH 给出 R-S-S-R，即一根二硫键，而一个温和的还原剂又能把它当场剪开。这种可逆的“咔哒一扣”，是大自然在结构上的常备手段之一。在蛋白质里，氨基酸半胱氨酸带着一个 -SH，成对的半胱氨酸会形成二硫桥，把折叠好的蛋白质钉成固定的形状——烫发正是靠打断又重组这些键来卷曲头发，胰岛素也正是靠它们把几条肽链系在一起（你会在肽和生物分子那几篇里再遇见它们）。从本阶的化学，到生命的建筑结构，其实只有一小步之遥。
这一阶为何浑然一体
退一步看，整一阶就拼成了一幅图。醇、醚、环氧化物、硫醇、硫醚，说到底都不过是一个氧或硫，以单键嵌进碳骨架里，只是每一次排布得略有不同。扁平的醚是那个惰性的基准线；把它弯成环，张力就让它变得贪婪；把硫放到氧的位置上，你就用惰性换来了酸性、亲核的冲劲，以及令人难忘的气味。这里没有什么全新的机理——全是前几阶里的亲核试剂、离去基团、SN1/SN2 以及马氏的那些念头，被重新用在又一组官能团上罢了。
把一个习惯带进下一阶。留意一个反应的结果有多么频繁地系于“条件”——同一个环氧化物，在酸里和在碱里会从相反的碳开环；同一个亲核试剂，每一次都把同一个手性中心翻转过来。从这里你将攀向羰基 C=O，那里一个以双键连着的氧会重塑整盘棋局。可思路是一模一样的：找出贫电子的那个碳，派出亲核试剂，看着电子流动。这些以单键连氧的基团，是你的热身；而羰基，才是有机化学真正的心脏开始搏动的地方。