第7章 分子重排反应

1第7章分子重排反应主讲人:中德科技学院杨秀英教授定义:同一分子内部一个原子重排到另一个原子上,形成新分子。A:重排起点原子,B:重排终点原子,W:重排基团。AWBABW31在有些反应中，原子或基团迁移使碳骨架的排列发生变化，这种反应称为重排反应。根据反应机理可分为缺电子重排(亲核重排）、富电子重排（亲电重排）和自由基重排。重排反应一般分三步：生成活性中间体（碳正离子、碳烯、氮烯、碳负离子、自由基等）；重排；生成消去和取代产物。此外，周环反应中的δ键迁移反应也是常见的重排反应。41一、缺电子重排（亲核重排）缺电子重排的中间体为缺电子碳（碳正离子），碳烯或缺电子氮（氮烯）。研究这类反应的方法有化学动力学,示踪原子法,交叉实验法,中间体的分离鉴定法和立体化学法等。511、碳正离子重排反应过程产生碳正离子中间体的，都可能发生碳正离子重排。如烯烃的亲电加成，芳烃的亲电取代，亲核取代反应等。重排往往发生在1，2位，在重排反应中，重排后的碳正离子更稳定，基团的迁移顺序为：芳基烷基（3。＞2。＞1。）氢。例如：由蒎烯合成樟脑的过程：61实例分析：CH3C=CHCH3CH3CH3CCH3CH2CH3Cl712.瓦格奈尔-梅尔外茵（Wagner-Meerwein）重排Wagner-Meerwein（瓦格纳尔—梅尔外茵）重排属于分子内的亲核碳重排反应，通过生成碳正离子中间体进行的取代、消除和加成等反应，常常伴随着碳骨架的重排，这样的重排反应总称为Wagner-Meerwein（瓦格纳尔—梅尔外茵）重排反应。例如：羊毛缁醇的生化合成，就是有一个直链化合物经连续的碳正离子重排，关环而成的。这种在一次反应中形成多个化学键（还可能形成多个环），从而有可能将较简单的原料经过很短的步骤转化成很复杂的分子过程，称为多米诺反应。与传统的分布反应相比，巧妙地多米诺反应不仅能提高反应效率，还能大量减少溶剂，试剂，能量的消耗，很大程度上满足了人们对绿色有机合成的期望。碳正离子重排及Wagner-Meerwein重排也可发生在生物体.黄体酮的仿生合成：三氟乙酸为强酸，在此条件下羟基质子化，然后脱去水产生碳正离子，碳正离子与边上的双键发生p-π共轭，使环外双键的电子可以进攻此烯丙基正离子两端的碳（这两个碳相同），随后不饱和键上的电子进攻新产生的碳正离子，连关3个环，最后碳酸酯中羰基氧的亲核进攻产生较稳定的正离子，此时分子内已没有合适的反应基团，反应结束。此过程中产生的手性碳的构型与反应时（重排）的优势构象有关。水解后，烯醇式变为酮式，产生一个甲基酮。臭氧化将双键转化为两个羰基，随后在碱催化剂下发生分子内的羟醛缩合，脱水得到黄体酮。3.频呐醇重排——分子内C→C重排频钠醇是指两个羟基都连在叔碳原子上的邻二醇（α-二醇）。在酸的作用下，频哪醇发生重排，脱去一分子水，生成频哪酮。反应历程如下：频哪醇重排具有以下几个特点：（1）在不对称取代的乙二醇中，一般能形成相对稳定碳正离子的碳上的羟基优先质子化脱水。（2）如果形成的碳正离子相邻碳上的两个基团不同，通常是供电子能力较强的基团优先迁移。重排时基团迁移的优先次序为：供电子芳基苯基烷基。⑶迁移过程中的立体化学是反式迁移，即迁移基团与离去基团需处于反式位置。141例如：说明：①不对称的取代乙二醇中，两个羟基中电子云密度大的那个首先质子化。CCH2OHCCH2OHCCH2OHCHCHOCCH2OH+_H2O_H+_H+主要次要OH②芳基比烷基更容易迁移。例如：例如：③氨基醇也可发生类似的重排反应，例如：④频哪醇重排通常是在酸催化下进行的，也可先将邻二醇转化成单磺酸酯，然后在碱催化下进行：如果邻二醇中两个羟基分别为仲羟基和叔羟基，则仲羟基优先生成磺酸酯，迁移的是叔碳上的基团。而在酸催化下则是叔羟基优先质子化而离去，迁移的是仲碳上的基团。因此邻二醇酸催化重排的产物与邻二醇单磺酸酯碱催化重排的产物是不同的。后者在脂环化学特别是萜烯化学中应用较多。如：4.碳烯重排（Wolff和Arndt-Eistert重排）重氮甲烷与酰氯作用形成α-重氮甲酮，然后在加热、光照或银离子催化下经酰基碳烯重排生成烯酮。烯酮经水解可得到多一个碳原子的羧酸，烯酮也可与氨反应分别生成酯或酰胺。13C同位素曾用于阐明阿恩特-埃斯特尔特（Arndt-Eistert）反应的反应机理：这个反应的关键问题在于苯甲酸的羰基碳是否也变成了最后产物苯乙酸中的羰基碳。从苯甲酸的CO2分析13C和从苯乙酸的CO2中分析13C，它们的结果在实验误差范围内是完全等同的，这指出原料酸的羰基碳确实变成了产物酸的羰基碳。201①.Hofmann（霍夫曼）重排酰胺在碱性介质中用Cl2或Br2（NaOCl或NaOBr）处理，放出CO2变为减少一个碳原子的伯胺，此反应成为Hofmann降解重排。如：5.氮烯重排反应机理：反应实例：231②.Curtius（库尔修斯）重排将羧酸制成不稳定的酰基叠氮，后者在惰性溶剂中加热发生脱氮重排析离出中间体异氰酸酯，再经水解得到伯胺，此反应称Curtius重排反应，过程：反应机理：241反应实例：③.Schmidt（施米特）重排羧酸、醛或酮分别与等摩尔的叠氮酸(HN3)在强酸(硫酸、聚磷酸、三氯乙酸等)存在下发生分子内重排分别得到胺、腈及酰胺。261反应实例：④.Lossen（洛森）重排异羟肟酸或其酰基衍生物单独加热，或在SOCl2、P2O5等脱水剂存在下加热，发生重排得到异氰酸酯，再经水解生成伯胺.281反应机理(当R是手性碳原子时，重排后其构型保持不变):291反应实例：6.Beckmann（贝克曼）重排（氮正离子重排）醛肟及酮肟在酸性催化剂（如H2SO4、HCl、P2O5、SO2Cl2等）作用下，发生重排转变为酰胺，称Beckmann重排。其立体化学特征：不对称酮肟的重排为反式重排.迁移基团R’与OH处于反式。例如，酮肟的两种顺反异构体发生贝克曼重排后，生成两种不同的产物，肟羟基反位的烃基发生迁移。常用这种方法来鉴定肟的构型。3217.Baeyer-Villiger（拜耶耳—维利格）重排酮类经过氧酸氧化，发生重排生成酯，称Baeyer-Villege重排。常用的过氧酸有：H2SO5、MeCO3H、PhCO3H、HCO3H和CF3CO3H等。331该机理已被18O标记的二苯甲酮的重排反应所正实：烷基的迁移顺序为：叔烷基＞仲烷基＞苯基＞正烷基＞甲基因而下列酮的拜耶尔-维利格重排反应，氧原子应当插入到箭头所指的部位：8.环氧丙烷重排环氧丙烷在BF3作用下开环氧化重排成醛.二、富电子重排反应亲电重排亦称富电子体系的重排，它包含产生负离子中间体的重排：迁移基团G把电子对留给与之相连的原子B。重排在碱性条件下进行，大多数亦属1,2-重排。一般来说，亲电重排不如亲核重排普遍。反应历程如下；⑴.Stevens（史蒂文斯）重排季铵盐（或锍盐）在碱性条件下其中的烃基从氮原子（或硫原子）上迁移至邻近的碳负离子上的重排称Stevens重排，如：其中，迁移基团的构型不变，C—N键断裂与C—C键生成协同进行.反应机理：反应的第一步是碱夺取酸性的a-氢原子形成内鎓盐，然后重排得三级胺。由于自由基对的结合非常快，因此，当苯甲基的碳原子是个手性碳原子时，重排后其构型保持不变。⑵.邻二酮重排如在强碱催化下,二芳基乙二酮重排为二芳基乙醇酸的反应。如：具有供电子基的芳环有利于重排，而具有吸电子基的则不利于重排。⑶.Sommelet重排苄基季铵盐用强碱(氨基钠等)处理时,重排得到苄基三级胺的反应,称为Sommelet-Hauser重排.叔锍盐也可在强碱作用下夺取烷基的α—H原子生成负碳离子，发生Sommelet重排生成二烃基硫醚。如：若季铵盐或叔锍盐所连接得烷基上有β—H,则发生消除反应，而得不到Sommelet产物。（4）.Wittig（维悌希）重排苯甲基醚在强碱试剂（如RLi、PhLi、KNH2、NaNH2等）作用下，分子中的烃基发生重排，使醚变为醇的反应，称Wittig重排。通式：基团迁移顺序：烯丙基苄基甲基、乙基苯基注：若迁移基团含有手征碳原子，经Wittig重排后，此基团构型部分发生消旋化。迁移基团构型部分发生消旋化，部分消旋化表明，C-O键的断裂与C-C键的形成不是协同进行，而是C-O键先断裂，C-C键再形成。例如：⑸.Ramberg-Backlund重排α-卤代乙基砜在过量碱水溶液中高产率重排得到烯烃类化合物。如：反应机理：⑹.法沃斯基(Favorskii)重排a-卤（不包括F）代酮在碱的作用下，重排生成羧酸盐（酯）：HCCH2COC6H5HClB:CHCCH2C6H5OC6H5CH2CH2COOHC6H5CH2CH2COORC6H5CH2CH2CONHRH2ORO-RNH2消除成环水解（醇解、胺解）从哪个方向开环取决于碳负离子的稳定性，一般从有吸电子基团或能够形成共轭体系的一侧开环。例如：其反应历程如下：在Favorskii重排中，若使反应生成两种产物的产率相同，必须通过一对称的三元环中间体，从而达到由六元环缩成五元环时，两边断裂概率等同的目的。当α-卤代酮的α’位无酸性氢原子时，在醇碱作用下，亦可重排生成酯。反应历程与联苯酰-二苯乙醇酸重排相似，称为半二苯乙醇酸重排。如：具有α’-氢的α，α-二卤代酮（Ⅰ）和具有α-氢的α，α’-二卤代酮（Ⅱ）重排时，产物为α，β-不饱和酯（Ⅳ）。两种反应物均形成同样的环丙酮中间体（Ⅲ）。开环方式与前述不同，同时消除卤素离子。脂肪族α-卤代酮的Favorskii重排，对结构因素和反应条件甚为敏感。（CH3）2CBrCOR的R为甲基、乙基或正丙基时，采用干燥的烷氧化物在乙醚中重排，收率为39%~69%。R为异丙基时收率仅为29%，而R为叔丁基（无α‘-氢原子）则不发生Favorskii重排，反之，当卤素相邻碳上有烷基取代时，有利于重排反应的进行。⑺.Pummerer重排用乙酸酐将亚砜转变为α—酰氧基硫醚的重排反应，如：⑻.Fritsch-wiechell重排卤代烯烃在强碱作用下，失去卤素并重排成烯烃。如：反应机理：通过一个构型稳定的乙烯基碳负离子中间体的协同消去—重排反应进行的，与卤素处于反位的基团优先迁移。反应速率：Br＞I＞＞Cl⑴.联苯胺重排联苯胺（Benzidine）重排是指氢化偶氮苯化合物重排成4，4′-二氨基联苯的反应。NHNHNH2H2NH三、芳环上的重排反应机理：已经知道，两种不同的氢化偶氮苯在同一体系中发生重排时，反应不发生交叉重排，偶联可发生在对位、邻位或氮原子上。例如：N=NN=NNH2SO3NaSO3NaNH2刚果红N=NN=NNH2SO3NaH3CSO3NaNH2CH3直接红N=NN=NSO3NaNH2HONaO3SSO3NaNaO3S直接天兰OHNH2⑵.N—取代苯胺重排如：重排产物主要为对位，对位占据时重排至邻位。⑶.苯腙重排苯腙在酸催化下加热发生[3，3]σ重排并消除一分子氨得到2-取代或3-取代吲哚衍生物。这个方法叫费舍尔（Fischer)吲哚合成法：551⑷.Fries（弗里斯）重排羧酸的酚酯在lewis酸（如AlCl3、ZnCl2、FeCl3）催化剂存在下加热，发生酰基迁移至邻位或对位，形成酚酮的重排称为Fries重排。561⑸.Claisen（克莱森）重排反应烯醇类或酚类的烯丙基醚在加热至190~200度条件下，发生烯丙基从氧原子上迁移至碳原子上的重排，分别生成C-烯丙基酚或C-烯丙基酮的反应，此重排为分子内重排，一般认为其中经过了六元环状过渡态。如果芳环的邻位被占据，则重排到对位，如：对位、邻位均被占满时不发生此重排。此重排经历了两次翻转和两度迁移，可用同位素14C标记的实验所证明。也可在反应中加入顺丁烯二酸酐通过Diels-Alder反应“捕获”其第一个二烯酮中间体来证明。如下式所示：