3.1 氧杂环丙烷
3.1.1 氧杂环丙烷的结构
氧杂环丙烷俗名称作环氧乙烷，其结构接近于等边三角形，C—C键长为147.2pm，C—O键长为143.6pm。氧杂环丙烷的张力焓是114kJ/mol。离子电位是10.5eV，电子从氧原子的非共用电子对上消除。偶极矩是1.88D，氧原子一端为负极。气态氧杂环丙烷的紫外光谱λmax=171nm（lgε=3.34）。核磁共振的化学位移为δH=2.54，δC=39.7。
3.1.2 氧杂环丙烷的化学性质
氧杂环丙烷类化合物的化学性质主要与其结构具有非常强的环张力有关，容易发生亲核开环反应。另外因为氧杂原子上非成键电子对的存在，杂环表现出明显的Brönsted与Lewis碱性，可以与酸反应。重要的反应类型如下。
3.1.2.1 亲核开环反应
（1）生成氨基醇
因为环张力较大，氧杂环丙烷与亲核试剂氨或胺反应，可生成开环产物氨基醇，其中二乙醇胺也叫做胺醇，是常见的化工原料。具体的反应原理如下所示：
带有取代基的氧杂环丙烷通过SN2机理可发生立体选择性开环反应。由cis-2,3-二甲基氧杂环丙烷可得到（±）-threo-3-氨基-2-丁醇外消旋对映异构体，“threo”为苏式结构，表示两个大基团位于主碳链的两侧。
由trans-2,3-二甲基氧杂环丙烷则得到（±）-erythro-非对映异构体，“erythro”为赤式结构，表示两个大基团位于主碳链的同侧，实际上生成的是相同的产物。
（2）生成2-卤代乙醇类化合物
卤素负离子与氧杂环丙烷类化合物可以发生亲核开环反应。例如，氧杂环丙烷在三苯基膦存在下与碘反应，生成2-碘代乙醇，其原理是生成了碘负离子。
（3）酸催化水解生成1,2-二醇
在该反应中，氧杂原子首先质子化生成
盐，该结构稳定性进一步降低，更容易被水进攻发生亲核开环反应。
这是一个立体选择性的反应。由cis-2,3-二甲基氧杂环丙烷可得到（±）-2,3-丁二醇，即为外消旋体。
由trans-2,3-二甲基氧杂环丙烷可得到meso-2,3-丁二醇，即为内消旋体。
3.1.2.2 异构化成羰基化合物
在催化量的Lewis酸BF3、MgI2等存在下，氧杂环丙烷类化合物可异构化成羰基化合物。氧杂环丙烷本身生成乙醛。取代的氧杂环丙烷生成醛和酮的混合产物，在NiBr2（PPh3）2存在下，可区域选择性地生成醛。
3.1.2.3 还原成醇
氧杂环丙烷用硼氢化钠乙醇溶液还原得到链状醇，带有取代基时会生成两种产物，该反应可以看作是硼氢化钠解离出的氢负离子作为亲核试剂的开环反应。
3.1.2.4 脱氧成烯
许多试剂都可以使环氧化物脱氧生成烯烃。trans-环氧化物在200℃下用三苯基膦处理，生成对应的（Z）-烯烃。反应的原理是三苯基膦对氧杂环丙烷进行亲核开环反应，生成的开环中间体发生单键旋转，而后生成四员环过渡态，最后在高温下发生电环化开环分解成（Z）-烯烃和三苯基氧膦。
3.1.3 氧杂环丙烷的合成
氧杂环丙烷最重要的合成原理是醇与酮邻位的离去基被分子内亲核取代，即碱性条件下氧负离子分子内取代2-碳上的离去基，其中卤素原子是最常见的离去基团。
3.1.3.1 由2-卤代醇合成
在碱性条件下，2-卤代醇脱质子生成对应的共轭碱，进而发生分子内亲核取代反应成环，反应在室温下仍能顺利进行。1859年，Wurtz通过氢氧化钠作用于2-氯乙醇首次制得氧杂环丙烷。
3.1.3.2 由2-卤代酸酯与羰基化合物合成
在碱性条件下，2-卤代酸酯与羰基化合物反应生成氧杂环丙烷的反应叫作Darzens反应。反应的第一步是2-卤代酸酯在碱的作用下脱质子化生成对应的碳负离子，然后该碳负离子对羰基化合物进行亲核加成，最后一步是氧负离子分子内取代卤原子成环。当原料为非对称性酮时生成的产物为顺、反结构的环状化合物。
3.1.3.3 由S-叶立德与羰基化合物合成
由卤化三烷基锍盐或卤化三烷基亚砜盐衍生的S-叶立德与羰基化合物反应生成氧杂环丙烷的反应叫作Corey-Chaykovsky合成法。
在反应中S-叶立德提供了一个“CH2”参与成环，反应机理如下：
3.1.3.4 由烯烃与过氧化物合成
烯烃经过氧酸氧化生成氧杂环丙烷类化合物。常用的是过氧苯甲酸、间氯过氧苯甲酸或单过氧邻苯二甲酸。在弱极性溶液里按协同方式进行的。过氧酸具有很强的分子内氢键，协同反应是立体选择性的，（Z）-烯烃生成cis-氧杂环丙烷，（E）-烯烃生成trans-氧杂环丙烷。
在过氧叔丁醇、四异丙氧基钛和光学纯酒石酸二乙酯（DET）条件下将烯烃氧化成氧杂环丙烷的反应叫作Sharpless环氧化反应。（R，R）-（+）-或（S，S）-（-）-酒石酸二乙酯存在下，取代烯丙醇与该试剂反应，选择性地生成氧杂环丙烷对映异构体，这是该类化合物重要的不对称合成方法。
3.1.4 氧杂环丙烷的衍生物
（1）氧杂环丙烷
氧杂环丙烷为无色、溶于水、剧毒性气体，沸点10.5℃。工业上由乙烯在银催化下用空气直接氧化制备，是一种有毒的致癌物质，以前被用来制造杀菌剂。氧杂环丙烷易燃易爆，不易长途运输，因此有强烈的地域性，广泛应用于洗涤、制药、印染等行业。在化工相关产业可作为清洁剂的起始剂。氧杂环丙烷是石油化工的重要中间体，世界年产量大约为2750万吨。氧杂环丙烷产量的60%制成乙二醇，13%用于制成其他二醇类甘醇，还可制备很多有机产品，包括工业用溶剂、洗涤剂、增塑剂、纺织助剂、农药乳化剂、选矿浮悬剂、石油添加剂、原油破乳剂、熟料溶解剂、仓库熏蒸剂。
（2）甲基氧杂环丙烷
是一种无色、与水互溶的液体，沸点35℃。工业上由丙烯在乙酰丙酮钼存在下与过氧叔丁醇反应制得。用于生产聚醚、丙二醇、表面活性剂、起泡剂、破乳剂、选矿药剂等。
（3）羟甲基氧杂环丙烷
羟甲基氧杂环丙烷也叫作缩水甘油，它的工业制法是在钨酸氢钠存在下，烯丙醇与过氧化氢发生氧化反应。它是许多有机合成的起始原料。
（4）氯甲基氧杂环丙烷
由烯丙基氯与次氯酸反应生成2,3-二氯丙醇后，经分子内亲核取代反应生成氯甲基氧杂环丙烷。
氯甲基氧杂环丙烷与2,2-二（4-羟基苯基）丙烷（即双酚A）反应可以制备环氧树脂，环氧树脂可用作表面胞衣材料、薄板材料及胶黏剂等。
（5）含氧杂环丙烷的天然产物
环氧化物很少能从天然产物中分离得到，主要原因是其不稳定，在分离过程中很容易水解成二羟基化合物。天蛾蠢（sphinx math）的虫卵发育素（juvenile hormone）是一种多烯环氧化合物。在生物碱莨菪烷中含有氧杂环丙烷的结构，其衍生物东莨菪碱存在于茄科植物中，具有抗晕船、晕车等作用。
（6）含氧杂环丙烷的药物
竹桃霉素（oleandomycine）是从抗生链霉菌（Streptomyces antibioticus）的培养液中分离出来的碱性大环内酯类抗生素，属于红霉素族。
狄氏剂是开发较早的含氧杂环丙烷结构的有机氯类杀虫剂，对大多数昆虫具有高的触杀活性和胃毒活性，用于防治地下害虫和稻黑蝽、稻飞虱、螟虫、食心虫等。氟环唑是具有良好杀菌活性的含氧杂环丙烷的三唑类甾醇生物合成抑制剂。
3.1.5 氧杂环丙烷的合成应用实例
氧杂环丙烷类化合物是多步立体选择性合成多羟基手性分子的重要中间体。手性己糖全合成的第一步就是一个很好的例子。通过乙炔与甲醛反应生成丁炔-1,4-二醇，经选择还原三键制得（E）-2-丁烯-1,4-二醇，用苄氯保护其中的一个羟基后，在（R，R）-（+）-酒石酸存在下发生Sharpless环氧化反应，生成羟甲基氧杂环丙烷中间体，其在氢氧化钠条件下发生分子内亲核反应生成新的羟甲基氧杂环丙烷，再与苯硫酚发生亲核开环反应生成L-己糖，其具有3个手性碳（4-碳、5-碳和6-碳）。若在（S，S）-（-）-酒石酸存在下完成Sharpless环氧化反应，则得到D-己糖中间体。
