论分子的重排反应是一类十分重要的有机化学反应,它不仅

第十章重排反应第一节概论分子的重排反应是一类十分重要的有机化学反应，它不仅是有机化学理论研究的重要内容，也是有机合成的有效手段。在精细化学品（尤其是药物、染料、香料及其中间体）等的工业化生产过程中，经常提到的“转位”，实际上就是发生了重排反应。一、重排反应的定义对于大多数有机反应来说，反应只发生在反应物的某一部分（主要是官能团）上，而分子的其它部分则没有变化地在产物分子中保留下来，即反应物分子的碳骨架保持不变。但对于另外一些反应，由于试剂的作用或反应介质、温度等因素的影响，发生了原子或原子团的转移和电子云密度地重新分布，或者官能团位置变动、环的扩大或缩小、碳骨架的改变等，这样的反应称为重排反应（RearrangementReaction）或分子重排（MolecularRearrangement）.例如：典型的重排反应是一种不可逆的过程。因此，酮－烯醇两种结构之间的相互转化就不能称为重排反应，这种转化是一种可逆的异构化过程，即互变异构（Tautomerism）。类似的还有亚硝基－肟之间的互变等等。二、重排反应的分类重排反应一般可以用下面的通式表示：W为迁移基团;A、B分别称为迁移的始点原子和终点原子。A、B间可以直接相连，也可以通过一个或多个其它原子相连。对于多数重排反应，W常为C、H、N、O、S、X等，A、B可以是C、N、O、S、P等原子。在合适条件下可以发生重排反应的化合物很多，Wohler具有划时代意义的从氰酸铵合成尿素的反应就是其中的一例。由于其反应机理、涉及的元素、反应物及产物类型是多种多样的，已经提出的分类法主要有下面几种：①根据迁移基团在迁移过程中是否脱离原分子，将重排反应分成分子内重排和分子间重排两大类。分子内重排指的是迁移基团在从始点原子迁移到终点原子的过程中，始终保持以化学键与原来的分子相连，即重排是在分子内部完成的，与体系中其它分子、离子等的存在无关。分子间重排指的是迁移基团在迁移中，经历了与反应物分子先脱离再重新结合的过程。因此，在重新结合过程中，可能存在体系中其它分子、离子参与的竞争反应。但“分子间”这个词只是为了区别于“分子内”而采用的，并不表示迁移基团从一个分子上迁移到了另一个分子上。②根据迁移基团W迁移的反应历程将重排反应分为亲电重排、亲核重排、自由基重排等。③按迁移的始点原子、终点原子的不同，对重排反应进行分类，以“A→B”表示各类重排反应。如：碳原子→碳原子重排（碳→碳重排或C→C重排），碳原子→氧原子重排（碳→氧重排或C→O重排），氮原子→碳原子重排（氮→碳重排或N→C重排）等等。其中箭号左边表示始点原子，箭号右边表示终点原子。④按反应分子的类型不同，将重排反应分为脂肪族化合物重排、芳香族化合物重排、杂环化合物重排等。另外还有从始、终点原子的相对位置；重排产物的光学活性情况；发生变化的官能团等方面来进行分类的。上述这些分类方法虽然都不完善，但它们各有特色，可以在不同的要求下体现各自的优越性。第二节碳原子→碳原子的重排一、频呐醇重排取代乙二醇在酸作用下重排，得到醛或不对称酮的反应称为频呐醇重排。这个名称来源于典型的化合物——频呐醇（Pinacol）重排成频呐醇（Pinacolone）的反应，即：频呐醇重排可以作为合成醛或酮的一种方法。其通式可以表示如下：作为催化剂的酸可以是无机酸或有机酸，常用的有硫酸、盐酸、碘——乙酸、乙酰氯、无水氯化锌——乙酐等。频按醇重排属于分子内进行的亲核重排（NucleophilicRearrangement）。反应中R³从一个碳迁移到相邻的另一个碳上，其历程如下所示：反应首先是H⊕与一个羟基结合生成佯盐，再失去一分子形成碳正离子，同时分子中烷基迁移，缺电子中心转移到连有羟基的碳上，最后失去H⊕形成羰基。在频呐醇重排中，迁移基团可以是甲基或其它烷基，也可以是苯基或其它芳基。重排反应物可以是а－双叔醇、叔仲醇、双仲甚至叔伯醇等。例如：对于取代基不完全相同的邻二醇，存在着哪一个羟基更容易脱水，以及哪一个取代基迁移更优先的问题。对此，大致有如下规律：①若某一羟基脱水后可以得到较为稳定的碳正离子，则这一羟基更容易脱去；②在空间因素不起主要作用时，亲核性较大的基团优先迁移，优先顺序是：两个碳正离子中间体Ⅰ和Ⅱ相比较，显然Ⅰ更稳定，所以，反应主要经Ⅰ进行下去。Ⅰ中可以迁移的基团是C6H5-和CH3-，前者亲核性较强，因此，反应得到C6H5-迁移的产物Ⅲ。进一步的研究表明，羟基佯盐脱水和基团的迁移是经过一个碳桥的过渡态同时进行的。这样，迁移基团和离去基团应处于反式位置，即：这说明，无论亲核性大小，被固定与离去羟基呈顺式的基团不能发生迁移。频呐醇重排的特征在于生成羰基，对脂环族化合物则往往可以得到扩环和缩环的产物。这在合成上是很有意义的。例如：另外，环氧化合物、α－氨基醇和α－卤代醇在适合的条件下，也可以发生类似频呐醇重排的反应，且经历的也是碳正离子的中间过程。如：二、反频呐醇重排从重排前后碳骨架的改变情况看，上式恰好是频呐醇重排的逆过程，故称为反频呐醇重排。它也属于分子内亲核重排，机理与频呐醇重排有许多相似之处。羟基脱去后形成的仲碳正离子，由于R¹的重排，转换成为更稳定的叔碳正离子，促使反应向生成产物的方向进行。例如：当分子中没有羟基，但存在卤素或氨基时，分别以碱或亚硝酸处理，也可以发生类似反频呐醇重排的反应。如：三、Wagner-Meerwein重排条件萜系化合物用特殊方法处理时，所引起的脱水或脱卤化氢反应，往往伴有与反频呐醇重排类似的变化，这种反应称为Wagner-Meerwein重排。该重排反应的中间过程和反频呐醇重排是一致的，经历了碳正离子中间体的分子内重排。由于萜类化合物结构通常比较复杂，对于同一化合物在同一下，往往会出现多种形式的Wagner-Meerwein重排。如果这些重排得到的几种不同的碳正离子都较重排前的稳定，且相互之间稳定性差别不大，则会得到比例相近的几种产物。葑醇（Fenchol）在酸作用下就可重排得到四种葑烯异构体。四、二苯乙二酮－二苯基乙醇酸重排二苯乙二酮－二苯基乙醇酸重排（也称苯偶酰重排，或Benzil重排），是指α，β－二酮在强碱作用下，分子内重排，生成α－羟基酸的反应。具有代表意义的是二苯乙二酮的重排，即：这是制备α－羟基酸的方法之一。从机理上看，它属于亲核重排。反应首先是由OH¯进行一个羟基的碳原子，然后发生基团的迁移，最后，质子转移完成整个重排反应。研究表明，迁移基团的亲核性是重排的关键，强亲核性基团（如苯基）的迁移是有利的。因此，该重排多见于芳香族化合物中。当然，其它α，β－二酮也有这样的重排。如：值得注意的是，许多具有α－H的脂肪族二酮的重排常常发生醇醛缩合，使重排产物减少，甚至得不到重排产物。例如：五、Favorsky重排α－氯代酮（或溴代酮）在碱的作用下重排，得到羧酸或羧酸酯的反应，称为Favorsky重排。通常认为该重排经过形成环丙酮中间体的过程，将上式中展开表示，则反应机理可表示如下：环丙酮中间体的碳基被进攻，生成过渡态V，V在开环时有a、b两个方向可以选择，分别得到产物Ⅷ和Ⅸ，反应产物为二者的混合物。究竟Ⅷ、Ⅸ中谁在量上占优势，应取决于Ⅵ、Ⅶ哪一个碳负离子更容易生成。例如：α－卤代环酮的Favorsky重排在有机合成上，常用于制取环缩小一个碳原子的环烷羧酸。C6～C10的α－卤代环酮生成环烷羧酸或酯的产率为40～75％。常用的碱有醇钠、氢氧化钾、碳酸钡等。溶剂为乙醇、乙醚等。例如：α，β－环氧酮也能进行类似Favorsky重排的反应，得到β－羟基酸。六、Cope重排Cope重排实际上是1，5－二烯的加热异构化反应。从机理上讲，属于[3,3]δ键迁移重排反应，是一个分子内重排。即：显然，上式中反应物经重排得到的仍为原来的化合物，因此，必须是不对称的1，5－二烯的Cope重排才有意义。例如：研究表明，Cope重排反应经历了分子内六员环过程，六员环过渡态有椅式和船式两种。Hoffmann和Woodward认为，由于椅式过渡态在能量上更为有利，绝大多数Cope重排通过椅式过渡态进行。实验也证实了这一观点。例如，内消旋的3，4－二甲基－1，5－己二烯在发生Cpoe重排时，几乎全部得到(Z、E)－2，6－辛二烯（X），而外消旋的3，4－二甲基－1，5－己二烯则得到90％的（E,E）－产物（Ⅺ）和10％的（Z,Z）－产物（Ⅻ）：这是因为在内消旋体的椅式过渡态中，总是一个甲基处于平伏键，另一个甲基处于直立键位置，致使重排产物的两个双键构型相反。在外消旋体的椅式六员环过渡态中，两个甲基只能同时处于平伏键或同时处于直立键位置，使重排产物中双键的构型总是一致的，即或为（E,E），或为（Z,Z）。当椅式过渡态中两个甲基同处平伏键时，产物双键构型为（E,E），反之为（Z,Z）。由于两个甲基同处于平伏键上的结构较同处直立键上稳定，所以，外消旋3，4－二甲基－1，5－己二烯的Cpoe重排产物中，（E,E）－构型的产物Ⅺ占优势。另外，对1，5－二烯而言，若在双键的碳－3位置有一个羟基，则可以进行所谓的羟基－Cpoe重排（Oxy-Coperearrangment）,得到醛或酮：这一反应可以用于合成中等大小的环状碳基化合物。例如：第三节碳原子→其它原子的重排一、Hoffmann重排（C→N）脂肪族、芳香族以及杂环类的酰胺，在碱性溶液中与氯或溴作用，生成减少一个碳原子的伯胺，这个反应称为Hoffmann重排或Hoffmann降级反应。Hoffmann重排是一个由羧酸制取少一个碳的伯胺的方法。其反应历程是：先由酰胺中的氮原子对溴分子进行辛核取代反应，生成N－溴代酰胺，然后进行α－消除，生成氮烯（Nitrene）中间体，继而再发生重排得到异氰酸酯。最后，异氰酸酯与水作用，失去一分子二氧化碳，得到产物伯胺。即研究结果已经证实了异氰酸酯在反应中的存在。因此，Hoffmann重排应属于分子内的自由重排。Hoffmann重排常被用于合成一些不能直接用亲核取代反应合成的伯胺。例如：Hoffmann重排的重要应用之一是合成邻氨基苯甲酸，该化合物是制靛蓝、糖精等的重要原料。二、Lossen重排（C→N）当异羟肟酸或其酰基衍生物单独加热，或在氯化亚砜、乙酸酐、五氧化二磷等试剂的作用下，经氮烯中间体重排为异氰酸酯。异氰酸酯再水解，最终得到伯胺，这个反应称作Lossen重排。即其反应历程为：Lossen重排也是分子内自由重排，Ar上有推电子基团时，能促使反应速度加快；反之，则反应速度降低。酰氧基R上有拉电子基团时反应速度加快，R上有推电子基团时反应速度降低。这是因为R上推电子基团的存在降低了羧酸根的稳定性。和Hoffmann重排相似，Lossen重排也是一种由羧酸制备胺的方法。实验结果表明，Lossen重排用于脂肪族胺的合成时效果并不理想，所以，它更多地应用于芳香族伯胺的合成。例如：三、Curtius重排（C→N）酰基叠氮化合物加热分解放出氮气，得到异氰酸酯，再水解得到伯胺的反应称为Curtius重排。Curtius重排也是分子内自由基重排，其历程为：Curtius重排是有机酸降级制伯胺的方法之一。从有机酸得到酰基叠氮化合物的途径主要有三种：例如：四、Schmidt重排（C→N）羧酸、醛、酮等与叠氮酸，在强酸作用下生成伯胺或酰胺的反应称为Schmidt重排。该重排属于分子内自由基重排。酮的Schmidt重排得到取代酰胺。对称酮得一种产物，不对称取代酮得两种产物，烷基芳基酮重排时，芳基迁移到氮上的产物占明显优势。例如：其反应历程为：醛的Schmidt重排生成腈。Schmidt重排反应的转化率一般比较高，但由于试剂HN3具有毒性且易爆炸，使用时通常采用NaN3在氯仿中与浓硫酸作用，制得的4～10％HN3－氯仿溶液，以保证安全。例如：对于醛酮，HN3过量一倍以上时，反应生成“四唑”。五、Beckmann重排（C→N）在酸性催化剂作用下，酮肟转变为酰胺的反应称为Beckmann重排。常用的催化剂如：硫酸、五氯化磷、多聚磷酸以及三氟乙酐等。Beckmann重排的反应历程可以用下式表示