第十章__重排反应.

第十章重排反应（Rearrangementreaction）引起重排反应的可能原因被认为是在反应试剂或其他反应条件的影响下，分子因暂时产生不稳定中心（如离子和自由基等）而促使了分子结构的重组以降低其能量，形成更加稳定的结构。按形成的不稳定中心的不同，重排反应可以划分为亲电重排、亲核重排和自由基重排等。按迁移原子或基团迁移前后所连接的原子的不同来分类，则可分为碳-碳重排、碳-杂重排和杂-碳重排等。第一节亲电性重排反应有机化合物中，羰基或其他吸电子基团（Electron-withdrawinggroup,EWG）或电负性较大的原子（如氧原子、氮原子）相连的α-碳原子上的氢具有一定的酸性，可在强碱的作用下形成碳负离子。若分子内还含有其他缺电子性亲电基团的话，则可引起亲电性重排反应，生成相应的重排产物。一、Favorskii重排反应α-卤代酮在碱的作用下重排生成羧酸或其衍生物的反应称为Favorskii重排反应，根据所用碱的不同（苛性碱、醇盐或胺），可分别得到羧酸、酯或酰胺。R1R2OXHR1ONuR2HX+X=Cl,Br,IB=HO-,RO-,H2N-BFavorskii重排反应机理在碱性条件下，非氯所在的α-氢被碱夺取后所形成碳负离子，发生分子内亲核取代形成桥环化合物，三元环的张力推动了其羰基与碱之间的亲核加成和开环反应，生成环戊基甲酸。Favorskii重排反应应用Favorskii重排反应主要应用于多个侧链取代的羧酸和缩环羧酸的合成中。二、Stevens重排反应季铵盐或锍盐在强碱的作用下发生[1,2]-重排生成胺或者硫醚的反应称为Stevens重排反应。Stevens重排反应机理反应可采用离子对机理（Ionic-pairmechanism）和自由基对机理（Radical-pairmechanism）来解释。Stevens重排反应应用脱氧可待因D（10-2）的全合成路线之一，是通过Stevens重排反应来构建B环Stevens重排反应的规律1.失去质子的部位连有吸电子基团或生成的碳负离子可以通过离域得以稳定；2.重排基团一般为苄基、烯丙基或吸电子取代的烷基；3.若重排基团存在手性中心，该基团在重排前后的构型保持不变。Stevens重排反应的规律三、Wittig重排反应醚类化合物（除了烯丙基醚，因为烯丙基醚主要发生[2,3]-重排，属于协同重排类型）在强碱性条件下转变为碳负离子后，醚键另一侧的烷基极易发生[1,2]-迁移到碳负离子上，发生重排而形成醇，此即Wittig重排反应。迁移顺序为叔烷基＞仲烷基＞伯烷基＞甲基Wittig重排反应实例OCH3CH3CH3BuLiOHCH3H3CCH3[1,2]-rearrangementOCH3CH3CH3Li四、Fries重排反应酚酯在过量的Lewis酸或质子酸存在下加热，可发生酰基重排反应，生成邻羟基和对羟基芳酮的混合物。重排可以在硝基苯、硝基甲烷等溶剂中进行，也可无溶剂直接加热进行。Fries重排反应实例第二节亲核性重排亲核重排反应又称“缺电子重排”，通常是迁移基团以富电子的形式转移到缺电子中心的过程。通常正离子形成的方式主要有离子化和π键与酸的加成两种方法。一、Wagneer-Meerwein重排反应醇或卤代烷在质子酸或路易斯酸催化下在发生相关反应的过程中，可能生成的碳正离子中间体，与之相连的另一个碳上的芳基、烷基或氢迁移至正电荷的碳上，生成更加稳定碳正离子的反应称为Wagneer-Meerwein重排反应。基团迁移的趋势是H＞芳香环＞烷基。二、Pinacol重排反应在酸的催化下，邻二叔醇失去一分子水，形成碳正离子，经过R基团的[1,2]-迁移，重排生成醛或酮的反应称为Pinacol重排反应。迁移基团的活性趋势是苯基＞烷基＞氢。当芳基上包含有不同取代基时，也会影响迁移活性，推电子基有利于芳基迁移。大体上变化趋势为：对甲氧基取代＞对甲基取代＞邻甲基取代＞邻甲氧基取代＞无取代＞对氯取代＞间甲氧基取代＞间氯取代。PhMePhMeHOOHCH3SO3HMePhPhOMePhMePhMeHOPhPhMeOMe+MajorMinorHOp-H3COC6H4PhPhOHC6H4OCH3-pOp-H3COC6H4PhPhC6H4OCH3-pOPhPhC6H4OCH3-pH94%6%C6H4OCH3-pPinacol重排反应碳正离子10-21中氢的转移，是通过C-Hσ键与共平面的空P轨道之间相互作用转移电子的方式完成，最终形成酮10-22。实现定向的Pinacol重排，可先选择性磺酰化提高其离去能力来引导反应的进行。OOHOHTsClDMAPOTsOOHOOHt-BuHOt-BuOHHCH3H3CSClOOt-BuHOt-BuOSO2R'HCH3Ot-BuHCH3Bu-t10-22含有脂环基结构的Pinacol醇的重排反应，能够完成药物合成过程中环的扩张或环缩小，也能用于螺环酮的合成。在脂环系统中，若两个羟基处于一个环上，且呈顺式，处于离去羟基的背向氢原子迁移，得到甲基环己酮Semipinacol重排具有特殊结构的非Pinacol醇，在进行一些相关化学转化的过程中会发生Pinacol重排反应，得到酮类化合物，这类重排反应称为Semipinacol重排。NaNO2/HCl10-2810-29OHNH2OHN2OHH2COHOOPhOHCH3PhOHCH3OHOHCH3OHPhOCH3OHPh氯胺酮合成过程中环己酮部分的的生成就是利用了Semipinacol重排反应扩环得到的。三、Benzilicacid重排反应二苯基乙二酮在碱的作用下重排生成α-二苯基羟基乙酸衍生物反应被称为Benzilicacid重排反应。使用醇钾（如叔丁醇钾），重排产物为相应的α-羟基乙酸酯（10-31）。Benzilicacid重排反应实例OOHOCO2HOH1.2.HOOOHCOOHOH1.2.HHO2CCO2HOO1.KOH/H2O,reflux2.H3OHO2CCO2HHOCO2H如果是非对称的乙二酮，重排反应表现出一定的选择性。二芳基乙二酮的重排产物与环上取代基的电子效应相关。OOYY=吸电子基团-OPhOOHY=给电子基团Y-Ph-OPh-YOOHPh底物结构产物结构使用含有α-氢的醇盐（10-34）进行反应时，发生歧化反应，将负氢转移到底物碳原子上，将底物还原为α-羟基酮（10-35）。四、Beckman重排反应肟类化合物在酸性条件下重排形成N-烃基酰胺的反应称为Beckmann重排。Beckman重排反应影响因素Beckmann重排反应受多种因素的影响，如催化剂、反应溶剂、肟的结构等。催化Beckmann重排的常用催化剂包括质子酸（如硫酸、盐酸、多聚磷酸和三氟磺酸等）、路易斯酸（三卤化硼、三卤化铝、四氯化钛和氯化锌等）、三氯氧磷、五氯化磷、氯化亚砜、甲磺酰氯等。质子酸作催化剂在许多情况下，因肟发生构型的转化而导致Beckmann重排产物为混合物，使其失去了使用价值，特别是在极性溶剂中，更为严重。Beckmann重排反应受溶剂的影响也是非常明显的，反应在非极性溶剂中极不理想。NONO2NO2O2NNHOsolventC6H61CH2Cl235CCl40.15溶剂相对速度如果溶剂具有强的亲核能力的话，重排的产物可能是胺的其他衍生物。Beckman重排反应实例NOHH2SO490~95oCNHOPhCH3NHH3COHEtherH2SO4OCH3NHH3CPhHHHH3COOCH3OTIPSNHOTsCl/Et3NHHOTIPSHNOH3COOCH3Beckman重排反应应用在甾体药物的合成中借助此反应实现降级反应，选择性地从分子中转移部分结构。CCH3NOHCH3COOPOCl3,C5H5NC6H6CH3COONHCCH3OHClCH3COOO阿奇霉素合成五、Baeyer-Villiger氧化重排反应在酸的催化下，醛或酮与过氧酸反应，在烃基和羰基间插入氧原子生成酯的反应称为Baeyer-Villiger氧化重排反应。Baeyer-Villiger重排反应机理反应实例迁移能力:叔烷基＞环己基，仲烷基，苄基，苯基＞伯烷基＞甲基CH3OHPhCOOOHCHCl3OHCH3OOO2NCH3COOOHAcOHOOO2NOOHOHOHOmCPBACH2Cl2OOHOHOHOOHHOOTFA/H2O2CH2Cl2HHOOOOCO2H第三节自由基重排和碳烯、氮烯重排促进反应发生的动力是新形成的自由基具有更高的稳定性，能量更低。另一类可发生重排反应质体为卡宾（碳烯）和乃春（氮烯），在重排反应中有着广泛的应用。碳烯又称卡宾，与碳自由基一样，属于不带正负电荷的中性活泼中间体。氮烯又称乃春，是卡宾（碳烯）的氮类似物，通式R-N:，其中氮原子周围有6个电子，具亲电性。一、Wolff重排反应α-重氮酮在光、热或过渡金属催化剂（如氧化银）作用下，放出氮气生成卡宾中间体，然后发生1,2-重排反应生成烯酮的反应称为Wolff重排反应。Wolff重排反应应用二、Arndt-Eistert反应活化的羧酸（酰氯或酸酐）与重氮甲烷反应得到的α-重氮酮，在金属催化剂（氧化银等）和亲核试剂（如水）作用下，经过Wolff重排反应生成多一个碳原子的羧酸的反应称作Arndt-Eistert反应。三、Curtius重排反应酰基叠氮化合物加热分解生成异氰酸酯的反应称为Curtius重排反应反应在非质子溶剂下进行，得到较高收率的异氰酸酯；若在水、醇或胺中进行，则得到胺、取代脲或氨基甲酸酯。Curtius重排反应的应用PhN3H3CHOPhN=C=OH3CHH2OPhNH2H3CHCOOHORODPPATEACON3ORO1.Tol/R'NH22.K2CO3NR'HNOO四、Schmidt重排反应在酸的催化下，羧酸和酮（或醛）与叠氮酸反应，生成伯胺、酰胺（或腈）的反应称为Schmidt重排反应。机理Schmidt重排反应实例CO2HCO2HHN3H2SO4NH2CO2HCH3OHH3CCOOHHN3H2SO4CH3OHH3CNH2五、Lossen重排反应异羟肟酸经过O-酰化后，在加热或碱性条件下发生迁移重排生成异氰酸酯的反应称为Lossen重排反应。Lossen重排反应应用异羟肟酸不能直接发生Lossen重排反应，氧原子的活化是必须进行的步骤；如果迁移基团具有手性，迁移前后手性保持不变。采用Lossen重排反应替代Curtius重排反应用于羧基转化为氨基，可以避免使用易发生爆炸的叠氮化钠。六、Hofmann重排反应氮上无取代基的酰胺用卤素（溴或氯）及碱处理，脱羧生成伯胺的反应称为Hofmann重排反应，又称Hofmann降解反应。Hofmann重排反应应用NNH2OBr2NaOHNNH2HCONH2Br2NaOHHNH2PhNH2H3CHOPhNH2H3CHBr2NaOH