引言
至今為止我們應該對格式試劑很熟悉瞭，因為它是第一個實用的有機金屬試劑，現在我們要把這個話題拓展到所有與碳直接連接金屬的化合物，並籠統的稱為 sigma -絡合物，與後面要講的 pi , eta 絡合物相區分。一個飽和碳原子沒有孤對電子和空軌道，因此可以把這些金屬-碳鍵當成硼-碳鍵or矽-碳鍵來處理，不考慮反鍵作用與d軌道；
我們也知道，簡單如甲基鋰在溶液中實際上是以三聚or四聚的形式存在的，這一章中我們關註金屬sigma-絡合物的合成，當參與反應的時候我們認為活性物種為單體，而不是低聚物；在本章中我們重點考慮三種金屬有機試劑參與的反應：氧化加成、轉金屬化和氫金屬化；
鋰和鎂絡合物
格式試劑的制備一般是將鹵代烷與金屬鎂反應，形式上通常寫成RMgBr的東西，但是實際上是一個含有四面體鎂原子的物質，當然在不同的溶液當中可能還存在不同的形式，不過最好的表達方式是把所有的鍵都畫成一般的模樣，不帶電荷；
我們稱這個反應為氧化加成or氧化插入，因為金屬原子把自己插入到瞭碳和鹵素原子之間，同時自己經歷的氧化過程，例如上面的鎂從0價升到瞭+2價；具體的說，氧化插入可能開始於富電子的鹵原子與缺電子的金屬間發生的相互作用，如5所示，金屬的反鍵作用同樣可以構築中間體6以削弱碳鹵鍵，而C-Br鍵的電子放棄瞭溴，轉而與金屬成一個新鍵。碳原子本身經歷瞭親電取代，而金屬成瞭兩個新鍵，分別用空軌道和孤對電子。盡管機理細節仍然不清楚，但是我們可以用來理解反應；
鎂可能是比其他金屬更容易發生氧化插入的金屬瞭，但是當鋰作為鋰屑時也可以很容易的插入，可能歷經的反應過程是單電子轉移。現代金屬有機當中使用最多最廣泛的金屬鈀可以通過同樣的途徑形成二價鈀衍生物，但是必須用一種溶解性好的絡合物形式，如 Pd(PPh_3)_4 ，其他金屬則遠沒有這麼成功；
有機鋰與有機鎂試劑的反應
我們知道格式試劑和烷基鋰這樣帶有正電金屬的有機金屬試劑有著很強的親氧性，是非常活潑的堿性親核試劑，與硬親電試劑如羰基反應很好，而與軟親電試劑如鹵代烷則不容易反應。但是當人們在應用此二者時，發現烷基鋰易引起烯醇化，格式試劑則會引起還原，尤其是支鏈鹵代烷得到的格式試劑。非常不活潑的二苯酮與叔丁基溴化鎂反應還可以得到大部分的加成產物，而與異丁基格式試劑則僅得到還原產物；
有機鋰試劑與環氧化合物的反應非常好，但是去質子化引起重排也是一個問題，格式試劑僅與環氧乙烷反應較好，與其他二價環氧會因Mg的Lewis酸性導致重排。例如環氧環己烯與有機鋰反應得到正常的產物15，但是和格式試劑反應則在加成前先重排，之後給出意料之外的產物16；
有機鋰試劑或格式試劑與鹵代烷反應不好，主要因為鋰or鎂會與鹵素進行快速交換，但如果生成的有機鋰試劑比原先的穩定，那就有用瞭，就像用芳基鹵化物與丁基鋰制備芳基鋰一樣，在下面的例子中發生的是鋰鹵交換（而不是鄰位鋰化），之後加成得到具有殺真菌活性的氯苯嘧啶醇 fenarimol 23；
很多炔基、烯基、芳基和官能化的烷基鋰試劑在烷基化反應中大放光芒，因為它們比從簡單鹵代烷制備的鋰試劑更穩定，例如下面的鋰試劑在合成中常常被用到；
手性格式試劑
一直以來人們都認為光學純的格式試劑做不出來，當然光學純的格式試劑不能從光學純的二級鹵代烷與鎂反應得到，因為電子轉移過程中會改變原有的立體化學。但是Hoffmann在這個領域的成功展示瞭手性格式試劑的一種detour的制備路線；
合成從光學純的亞砜27開始，用NCS氯代後得到光學純的28,28可以很容易的與其非對映異構體分開，之後乙基氯化鎂對手性亞砜的親核進攻得到瞭構型翻轉的29，同時也獲得單一手性的格式試劑30；
如果在低溫下，過量的乙基氯化鎂通過構型翻轉取代氯，得到簡單的二級格式試劑31，31可以在低溫下保持構型；如果31在制備後立即進行反應，則可以高產率、高立體選擇性的得到產物33；
這類碳原子上的酰化反應通常有些困難，因為產物是一個醛or酮，可能比酰化試劑更活潑，且因為烯醇化的原因酸性可能更強。腈通常在有機鋰or格式試劑的酰化反應中表現良好；此外，有機鋰與酸的鋰鹽反應是依靠產物在有機鋰被淬滅之後才能得到。一個例子是Masamune在合成amphotericin時用到的中間體環丙基酮34，切斷成羧酸後，利用比二級烷基鋰更容易制備的環丙基鋰參與反應即可，更容易制備是因為三元環穩定瞭 sigma -絡合物當中的陰離子，這是一個高效的酰化反應；
更普遍的是基於三級酰胺的酰化試劑，因為它們比醛酮要惰性許多，或者內酯也可以。下面的三級酰胺與丁基鋰反應生成的四面體中間體不會與多餘的丁基鋰反應，所以可以較好的得到酮39；
Weinreb酰胺，在酰化活潑碳親核試劑當中十分有效，一個烷基鋰加成到Weinreb酰胺上形成一個螯合的鋰化合物41，這個鋰衍生物可以被淬滅為酮42；
過渡金屬絡合物
用酰氯酰化的方法可以用來解決酰氯與有機鋰or格式試劑搭配不好的問題，為瞭實現用酰氯酰化和用鹵代烴烷基化，我們需要賺到其他可以提供較軟碳負離子的金屬試劑上，其中最重要的可能就是銅瞭；
我們前面說過，除瞭鋰和鎂其餘金屬很難直接對鹵代烷進行氧化插入，因此若想形成sigma-絡合物就要通過與有機鋰or格式試劑的金屬交換得到。因此制備有機銅試劑的一種方法是，甲基鋰對鹵化亞銅進攻得到甲基亞銅，若過量的甲基鋰存在則會形成一個二甲基銅鋰51，它的真實結構應該是二聚體52；
銅鋰試劑與鹵代烷反應非常迅速，當格式試劑參與時通常隻需要催化量的亞銅即可；銅試劑同樣與酰氯可以很好的反應，但是不能與羧酸自由反應，這與堿性更強的烷基鋰不同，下面的例子中與羧酸反應在碘處，得到鏈增長的羧酸，而與酰氯作用則生成酮；
氫金屬化反應
氫金屬化是指金屬氫化物加成到雙鍵or三鍵上，與硼氫化or矽氫化類似，這裡我們主要關註鋯氫化反應，鋯和同族的鈦一樣，通常表現為穩定的+2or+4價，在有機合成中常用作二茂基絡合物，如63和64所示；在前文學習aldol反應時我們曾提過，鋯的烯醇鹽對羰基加成時具有syn-的選擇性。64與一個烯烴的氫金屬化反應涉及一個18電子的不穩定絡合物65的形成，雙鍵 pi 電子與金屬配位造成電子重排，重新回到16電子的 sigma -絡合物，同時氫從鋯轉移到碳，形成一個負離子與二價鋯的 sigma -絡合物67；
但是 sigma -絡合物的一大問題就是容易發生 beta -H消除而得到金屬氫化物，實際上體積較大的格式試劑已經體現出這種趨勢，烷基鋯化合物則傾向於失去這個氫原子，通過 beta -消除把這個H轉移到金屬上。例如68氫鋯化之後的69可以回到起始原料，或者通過絡合物得到一個 pi 絡合物70，再經過72最終得到端基 sigma -絡合物73；
這意味著任何位置的異構體74or68，或是酮脫水、Wittig olefination等方法得到的混合物，都能得到同一個端基鋯的 sigma -絡合物73；
這些有機鋯化合物可以與簡單酰氯反應得到酰化產物，如果用 AlCl_3 處理效果會更好，所以任何直線構型的己烯都會通過鋯氫化和酰化得到2-辛酮，一些帶支鏈的烯烴，如76，都可以用這種方法實現末端酰化；
有機金屬絡合物的羰基化反應：
甲酰化反應——即加上一個親電的CHO基團——通常是一個困難的反應，因為它不能用甲酰氯直接進行，甲酰氯會迅速分解為HCl和CO，但是通過有機金屬試劑的方法可以提供一種在碳上甲酰化的方法。前文說過的過渡金屬 sigma -絡合物通過 beta -消除失去H的傾向隻是烷基配體的一種不良表現，因為一個 sigma 鍵不會有又提供電子又能接受電子的效果，但是換個配體就不一樣瞭，比如三苯基膦和一氧化碳，膦配體給出孤對電子，但磷元素的空d軌道又可以接受來自金屬的電子，一氧化碳也類似，隻是接受電子的軌道為 pi^* 軌道，這種形成反饋鍵的配體相比簡單烷基配體而言要好許多；
烷基鋯絡合物如67與CO反應時生成一個不穩定的18電子絡合物82，這個絡合物會把烷基從金屬上遷移到CO的反鍵軌道上，形成金屬酰化絡合物83,；這個含有一個酰基負離子的鋯絡合物再被質子化，高效的生成醛；
鈀 sigma -絡合物：
用來進行金屬羰基化or金屬插羰反應的最常用的金屬就是鈀，通常以非常細的顆粒分散在碳粉上。一般的零價和二價鈀是穩定的，但是二價鈀配合物，如 Pd(PPh_3)_4, PdCl_2 等較為好溶。由於二價鈀的電勢隻比零價的高0.2eV，故在反應中很容易從二價鈀回到零價，因此可以用作催化反應；
鈀參與的氫化反應在溶液中進行，會首先與烯烴形成穩定的 pi -絡合物，之後這個絡合物很容易的插入到氫氣分子當中得到88，再轉移一個氫原子到烯烴上形成 sigma -絡合物89，最終形成烷烴；
需要註意的是，86-89這幾步都是可逆的，在沒有氫氣時會逆向進行。鈀也很容易插入到鹵代烷當中形成 sigma -絡合物92，但是92會立即消除 beta -H得到烯烴86；
關於鈀催化的反應與實例現在層出不窮，本章隻給出幾個簡單例子作為結束。一個就是零價鈀氧化插入到碘苯中，進而與CO反應得到絡合物96.雖然這個反應在合成上沒什麼新意，但是它說明瞭幾個問題：首先，可溶性的鈀通常會被包裹起來，這裡是雙膦絡合物94；其次，酰基鈀絡合物的分解是由親核試劑的進攻來完成的，而不是酸解得到，金屬本身也作為一個離去基團變成零價（而在鋯參與的反應中鋯以+4價離去）；
一些讓人印象更為深刻的例子是親核試劑在起始原料內，發生分子內羰基化反應，此時鈀通常是為瞭方便而以 PdCl_2 or Pd(OAc)_2 的形式加入，再在體系中原位還原為零價，例如下面的醇可以高產的得到內酯，而如果酯的環系增大則產率顯著降低，天然產物pseudomeconin就是用這個方法合成的；
有時候鈀與烷基 sigma -絡合物的反應也是成功的，例如從環氧苯乙烯107制備四元環內酯109，沒有發生H消除的原因可能是108中的羥基與 beta -H在一個碳上抑制瞭消除反應。
Summary
在有機合成中，形成碳-碳單鍵是一個關鍵步驟。金屬試劑已經成為這個領域的有力工具，提供瞭許多形成碳-碳單鍵的方法。本文提供瞭在有機合成中使用金屬試劑的全面概述，重點介紹瞭形成碳-碳單鍵的方法。
本文首先討論瞭使用酰氯來解決酰氯和有機鋰或Grignard試劑不兼容的問題。通過使用鋰或鎂，酰氯可以轉化為酰鋰或Grignard試劑。本文還介紹瞭制備有機銅試劑的方法，有機銅試劑廣泛用於形成碳-碳單鍵。
接下來，本文探討瞭銅試劑與鹵代烷和酰氯反應的情況，以及鋯氫化反應在金屬羰基化反應中的應用。
最後，本文深入探討瞭鈀催化反應的應用，包括氫化反應和使用鈀催化合成環狀化合物（如內酯）。
總體而言，本文提供瞭有機合成中使用金屬試劑形成碳-碳單鍵的全面概述。本文深入分析瞭各種方法，並強調瞭每種方法涉及的關鍵步驟。本文將對有機合成領域的研究人員和學生具有很大的參考價值。