環(huán)氧化合物是醚中比較特殊的一種，由于有大張力的三元環(huán)的存在，性質(zhì)較普通醚活潑地多。大量的親核試劑都可以 與環(huán)氧化合物發(fā)生親核反應(yīng)，導(dǎo)致三元環(huán)開環(huán)。繼續(xù)酸化后，最終生成醇類分子，原本環(huán)氧中的氧原子將轉(zhuǎn)變成羥基：

因此，這一系列反應(yīng)是實驗室中制備醇的一種重要方法，尤其是格氏試劑與環(huán)氧乙烷的反應(yīng)：

在得到羥基的同時，還形成了新的C-C鍵，在格氏試劑烴基的基礎(chǔ)上，碳鏈增長了兩個碳原子。這是我們合成多兩碳醇 的常見手法。

這套反應(yīng)我們其實也可以將其視為特殊的親核取代，相當(dāng)于親核試劑取代了原本與碳原子相連的氧，導(dǎo)致三元環(huán)開環(huán)。有意思的是，這種親核取代?？梢栽谒嵝曰驂A性兩種截然不同的條件下完成。如環(huán)氧乙烷的如下一對反應(yīng)：

使用醇鈉這樣的堿性條件，或者用酸性醇溶液都可以生成相同的產(chǎn)物。

但需要我們特別注意的是，酸或堿性條件下，這對看起來相似的反應(yīng)，內(nèi)部機制卻完全不同，某些反應(yīng)特征（如區(qū)域選擇性） 也存在差異。以下我們分別討論。

堿性條件

   堿性條件下（包括格氏試劑與環(huán)氧化合物的反應(yīng)），親核試劑一般以負離子的形式存在 （如RO-、HO-等），直接帶一個負電荷， 親核能力顯然會較強。因此這種情況下，親核試劑可以直接對環(huán)氧化合物中與氧相連的缺電子碳直接發(fā)動親核進攻：

進攻過程中，親核試劑與碳原子間成新鍵，同時斷開舊的C-O鍵。C-O這根極性共價鍵斷鍵時一對電子都被氧拿走， 我們得到階段性產(chǎn)物烷氧基氧負離子。

接下來我們通常會接一步酸化，質(zhì)子性環(huán)境下，氧負離子自然與質(zhì)子結(jié)合，轉(zhuǎn)化為羥基。

反應(yīng)中最關(guān)鍵的無疑是生成氧負離子的第一步。這步反應(yīng)中親核試劑的進攻與C-O鍵的斷裂同時 發(fā)生，無疑相當(dāng)于是一個SN2的反應(yīng)歷程。

既然是SN2，堿性條件下反應(yīng)的很多特征也就由此確立。如對于不對稱的環(huán)氧化合物，開環(huán)方向與反應(yīng)產(chǎn)物存在區(qū)域選擇性。下圖反應(yīng)中，進攻試劑醇鈉存在兩個進攻方向，但明顯左側(cè)碳原子旁側(cè)支鏈較多，位阻較大，烷氧基負離子進攻困難。因此 主要反應(yīng)方向?qū)⑹谴尖c進攻右側(cè)仲碳，導(dǎo)致右側(cè)C-O鍵斷裂。

此外，同樣由于SN2的緣故，親核試劑必須從離去基團氧原子的背面進攻，這導(dǎo)致生成的產(chǎn)品往往也具有立體選擇性。如下圖中反應(yīng)，親核試劑OH-進攻位阻較小的右側(cè)碳原子，且進攻必須從上方三元環(huán)氧的背面進行， 這導(dǎo)致主要產(chǎn)品里新生成的右側(cè)C-OH鍵沖上，而相應(yīng)地原本該碳原子上連接的甲基、氫被擠到下方。此外原本三元環(huán)氧 斷鍵后生成的羥基繼續(xù)保持原本的立體狀態(tài)，處于中心C-C鍵下方。換而言之，進攻試劑引入的基團與環(huán)氧生成的羥基 反應(yīng)結(jié)束時一定是個反式關(guān)系。

酸性條件

    酸性條件下環(huán)氧化合物開環(huán)反應(yīng)的歷程與堿性下存在明顯不同。質(zhì)子性環(huán)境中，明顯不會存在太高濃度的 類似RO-、HO-這樣的負離子，親核試劑通常只能以ROH、H2O這種電中性分子的形式存在。與負離子相比，電中性分子的親核能力無疑要差得多，這對反應(yīng)其實是比較不利的。

但反過來，酸性條件下也存在對反應(yīng)有利的因素。我們知道醚在酸性環(huán)境中會發(fā)生質(zhì)子化形成[钅羊]鹽，而環(huán)氧化合物， 作為一種特殊的醚，同樣也具備這個特性，形成[钅羊]鹽后，同樣會使得C-O鍵極性增加，鍵能下降，更有利于斷鍵，有利于 O的離去：

兩方面綜合起來看，進攻試劑的活性低了，而離去基團的離去能力又增強了，于是在酸性環(huán)境中，等不及進攻試劑過來， 底物環(huán)氧分子會主動發(fā)生變化，C-O鍵會先發(fā)生斷鍵，電子對向氧轉(zhuǎn)移，碳原子上正電荷密度進一步提高（相當(dāng)生成一個部分碳正離子）：

正當(dāng)C-O鍵將斷未斷之際，親核試劑才姍姍來遲，進攻當(dāng)前帶較多正電荷的碳原子，導(dǎo)致新鍵形成同時舊的C-O鍵徹底斷開：

最后甩掉多余的質(zhì)子，形成最終產(chǎn)品：

整個反應(yīng)歷程如下圖所示：

我們綜合來看，這個歷程相當(dāng)于介于SN1與SN2之間。與SN1相比，反應(yīng)也是從離去基團離去舊鍵斷開起始，但卻沒有完全斷開 形成碳正離子。與SN2相比，也是親核試劑的進攻導(dǎo)致離去基團徹底離去，但這個進攻又來得有點兒遲，在舊鍵部分斷裂之后 才進行。也正因為如此，酸性條件下環(huán)氧化合物開環(huán)反應(yīng)的很多特征與SN1、SN2都有關(guān)聯(lián)。

比如我們還是考查反應(yīng)的區(qū)域選擇性。和之前堿性條件下相同的底物，當(dāng)前我們在酸性醇溶液中進行開環(huán)：

此時的斷鍵位置就絕非由親核試劑進攻的位阻決定了：早在進攻之前，一根C-O鍵就已經(jīng)開始主動斷開，親核試劑實際是被動地 進攻斷鍵位置的碳原子。當(dāng)前C-O鍵斷裂的位置實際決定了整個反應(yīng)的方向。

環(huán)氧化合物中總是存在兩根C-O鍵的，我們不妨假設(shè)左右這兩根C-O鍵分別部分斷裂，看看形成的的部分碳正離子的穩(wěn)定性：

如果這種部分碳正離子不易判斷，我們不妨更進一步，假設(shè)C-O鍵完全斷裂，形成正常的碳正離子：

這下我們?nèi)菀着袛喽嗔耍筮吺逄颊x子，右邊仲碳正離子，明顯左邊穩(wěn)定性更高。

而部分碳正離子的穩(wěn)定性規(guī)律實際與正常碳正離子相同，也是中心碳上連接的給電子烷基越多，穩(wěn)定性越強，同樣是左側(cè)的來得 更穩(wěn)定些。

既然左側(cè)的部分碳正離子更穩(wěn)定，實際反應(yīng)時自然也是左側(cè)這根C-O鍵優(yōu)先斷開，繼而醇作為親核試劑再進攻左側(cè)碳原子。我們最終 將得到區(qū)域選擇性與堿性條件下截然相反的產(chǎn)物：

類似地，再如下圖中的反應(yīng)，在右側(cè)斷開C-O鍵后形成的部分碳正離子可以與苯環(huán)形成一定的共軛結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性更強，因此親核試劑 也是主要進攻右側(cè)碳原子：

總之，斷鍵方向的區(qū)域選擇性，我們注意到酸性與堿性條件下遵循完全不同的規(guī)律，一個由位阻，一個由部分碳正離子的穩(wěn)定性決定。

當(dāng)然酸性條件下也有一些反應(yīng)規(guī)律與堿性相同，比如立體選擇性。注意到酸性下反應(yīng)歷程介于SN1-SN2之間，還是具有部分SN2 的特征的，親核試劑畢竟是在C-O鍵未完全斷裂的情況下進攻，也只能從氧原子的背面進行，因此立體選擇性上，酸堿無差異， 都是反式開環(huán)。我們從之前的反應(yīng)示例中也可以明顯發(fā)現(xiàn)這一點。