第七章 分子重排反应

第七章分子重排反应有些有机化学反应中，在试剂或介质等的影响下，或发生重键位置的移动或发生官能团的转移，或发生扩环、缩环作用，或发生基本碳骼的改变等，这些反应的过程谓分子重排。CH3CCH3CH3CH2OHH+H2OCH3C=CHCH3CH3AWBABWA:重排起点原子,B:重排终点原子,W:重排基团重排反应的分类（一）按照分子内或分子间进行重排分为：1.分子内重排—发生重排的原子或原子团始终没有脱离原来的分子。2.分子间重排—迁移的原子或原子团在没有重排到新的位置前,就完全与原来的分子脱离。以上两种历程可以通过不同底物的交叉实验得以判别。（二）按照所经历的活泼中间体或历程分类：1.正离子重排（缺电子重排）2.负离子重排（富电子重排）3.σ-键迁移重排4.自由基重排缺电子重排：CH3CH2CH2CH2OHH+H2OCH3CH2CH2CH2OH2CH3CH2CHCH2HCH3CH2CHCH3H+CH3CH=CHCH3富电子重排：PhCH2OCH3PhLiC6H6PhCHOCH3Li+PhCHO-Li+CH3H2OPhCHOHCH3自由基重排：CClClClCH=CH2BrCClClClCHCH2BrCClClCHCH2BrClBr2CClClCHCH2BrClBr1.从碳原子到另一碳原子（CC）2.从碳原子到氮原子（CN）3.从氮原子到碳原子（NC）4.从碳原子到氧原子（CO）5.从氧原子到碳原子（OC）6.其它杂原子与碳原子间重排（三）按元素分类：重排反应方式的判断方法重排反应的动力从不稳定结构趋向于稳定结构缺电子重排（亲核重排）缺电子体系的重排亦称亲核重排。在分子重排中，这类重排最为广泛，类型也最多。它是包含产生正离子中间体的重排，重排过程中基团z带着一对电子从原子C迁移至另一个缺少一对电子的原子A上。多数亲核重排基团的迁移发生于相邻的两个原子间，称1，2—重排：CAZCAZ式中A为C、N、O原子，Z为X、O、S、C、N、H。缺电子重排的中间体为碳正离子、卡宾Carbene、氮宾Nitrene。例如：甲基带着一对成键电子向伯碳正离子迁移，生成新的仲碳正离子，在此过程中，可以将迁移甲基看作是亲核试剂。15CCHCH2HCl(83%)(17%)H3CCH3CH3CCCH3H3CCH3ClCCHCH3H3CCH3CH3CH3HCl+CCHH3CCH3CH3CH3OHH+CCH3CCH3H3CCH3(61%)碳正离子重排当反应物分子在反应过程中生成一个正碳离子时，其邻位碳上的烃基或氢带着键合电子对断裂下来并迁移到这个正碳上，从而生成一个新的更稳定的正碳离子，然后发生进一步变化而得重排产物。(CH3)3C-CH2Cl(CH3)3C-CH2+AgClAg(AgNO3)(CH3)3C-CH2N2Cl-N2(CH3)3C-CH2(CH3)3C-CH3NH2NaNO2HCl△(a)卤代烃在酸催化下进行亲核取代或消除（Ag+AlCl3）(d)含-NH2,重氮化放氮形成C+的方式(b)醇在酸催化下进行亲核取代或消除反应(OH,加H+(-H2O)(c)烯烃亲电加成实例分析1：H+CH3CCH3CH3CHCH3OHCH3CCH3CH3CHCH3OH2-H2OCH3CCH3CH3CHCH3CH3CCH3CHCH3CH3H+Cl-CH3CCH3CHCH3CH3CH3C=C(CH3)2CH3CH3CCH3CHCH3ClCH3CH2OHH+-H2OCCHH苯基移位CHCH2NuCHCHCHH2C-H+orNuCH2实例分析2:1）甲基迁移共轭2）氢迁移3）苯基迁移基团的迁移顺序哪个基团先迁移？是C6H5还是R？基团的迁移顺序-反应事例1基团的迁移顺序-反应事例2经过碳正离子的重排中，一般为反式迁移，基团迁移的活泼性顺序大致为：CH3O＞＞＞ClCH2=CH＞R3C＞R2CH＞CH3＞H转移基团的电子密度越高，亲核能越大，越易转移。H3CCCH3CH2ClCH3H3CCCH3CH2CH3H3CCCH3CHCH3Ag+PhCCH3CH3HCCH3OTsH3CCCH3HCCH3Ph△∨∨苯的迁移速度为甲基的3000倍H3CHCCH3BrH3CCH2CH2BrH3CCH2CH2H3CCHCH3AgNO3BrOCH2OHOCH2OOH(H3C)3CHCCH3OHH3CCH3CCCH3CH3H3CCHH3CCH3CCH2(H3C)3CCHCH2(H3C)3CCHCH3(H3C)2CCH(CH3)261%31%3%△反应实例27注意不同结构的不同情况：CH3CCH3CH3CHPhSN1CH3CCH3CH3CHPhBrProductCH3CCH3CHPhCH3CH3CCH3CH3CHCH3BrSN1CH3CCH3CH3CHCH3ProductCH3CCH3CHCH3CH3StablecationStablecationWagner-Meerwein（瓦格奈尔-梅尔外英）重排醇或卤代烃在酸催化下进行亲核取代或消除时烯烃进行亲电加成时发生的重排发生的重排R2CR3R1COHR4R5R2CR3R1CR4R5R1CR2CR3R4R5R1CR2CR3R4R5OHH+(-H2O)重排H2O(-H+)在质子酸或Lewis酸催化下生成的碳正离子中，烷基、芳基或氢从一个原子通过过渡态，迁移至相邻带正电荷碳原子的反应称Wagner-Meerwein重排。CH3CCH3CH3CH2OHCH3CCH3CH3CH2BrCH3CCH3BrCH2CH3+HBr+重排产物（主要产物）H+CH3CCH3CH3CH2OH2OH2CH3CCH3CH3CH2CH3CCH3CH3CH2OH+++极不稳定CH3CCH3CH2CH3BrCH3CCH3BrCH2CH3+重排较稳定主要产物机理：转变成更稳定的正离子是重排的一个动力，另外，转变成中性化合物也是重排的一种动力，有时为促进重排，常在离去基或其β-位上引入活性基团。如庚醇（heptanol）在三苯基膦的作用下，经重排、水解得双环［2.2.1］庚醇：OHNHTsPh3P/DEADNHTsOPPh3Ph3P=O+NHTsHArCO2OOArNHTs(80%)ClCl-Cl-ClOHH+++原菠烷正离子和萜类化合物的亲核重排在环上的反应。O瓦格奈尔-梅尔外英（Wagner-Meerwein）重排O在这些经过碳正离子的重排中，一般为反式迁移，基团迁移的活泼性顺序大致为：CH3O＞＞＞ClCH2=CH＞R3C＞R2CH＞CH3＞H频呐醇（Pinacol）重排邻二醇（或邻二官能团）合成酮的方法RCCRROHROHRCCRORRH+反应机理:在H+作用下失去一分子水，生成碳正离子，R’作1,2-迁移，最后失去质子，得到醛或酮。在酸催化下，邻二叔醇失去一分子水，重排成醛或酮的反应称Pinacol重排。R,R'可以为烃基、芳基或氢CCRRR'R'OHOHH+CCRRR'R'OHOHH+H2OCCRRR'R'OH+R'rearrangementOCCRR'R'RCCRRR'R'OH+CCRRR'R'OH+H+不仅邻二醇（二叔、叔仲、双仲醇），而且卤代醇、氨基醇也可能发生片呐醇重排。(a)四个取代基相同,单一产物(b)对称四取代乙二醇的频呐醇重排.CCOHOHPhPhPhPhTsOHH2OCCOH+PhPhPhPhCCPhPhPhPhO重排H+(~100%)在酸催化下脱去任何一个羟基，得到相同的碳正离子，生成何种产物主要取决与R和R’的迁移能力；在对称的邻二叔醇重排中，一般来讲，其迁移能力为：芳基烃基，如CCRRR'R'OHOHCCOHOHPhPhCCPhPhOCH3CH3PPSE80C。CCPhPhOCH3CH3+CH3CH3（主）（次）频呐醇反应中的几个问题：（1）不对称的取代乙二醇R1R2C(OH)-C(OH)R3R4中，哪个羟基离去，取决于碳正离子的稳定性。与供电基团相连的碳原子上的-OH易于失去，由于供电基团使-OH上氧原子的电子云密度增大，从而易于与H+的结合形成质子化醇，而随后脱水形成的正碳离子也将由于正电荷得到较好的分散而更趋稳定。一船说来，对-OH离去难易影响的顺序为：p—甲氧苯基＞苯基＞烷基＞HCCH2OHCCH2OHCCH2OHCHCHOCCH2OH+_H2O_H+_H+主要次要OHCCOHPhPhOHH3COOCH3H2SO4-H2OCCPhPhOH3COOCH3例1.例2.CCCH3H3COHC6H5C6H5OHH+CCCH3H3COHC6H5C6H5OH2+CCCH3H3COHC6H5C6H5+CCH3COC6H5C6H5CH3H+H+CCH3COC6H5C6H5CH3CCHHOHC6H5C6H5OHH+CCHHOHC6H5C6H5OH2+CCHHOHC6H5C6H5+CCHOC6H5C6H5HH+H+CCHOC6H5C6H5H例3.（2）当形成碳正离子相邻碳上两个基团不同时，能使正电荷稳定较多的基团优先转移。C6H5CHOH3CCCH3OHC6H5CH3COCCH3C6H5C6H5+C6H5COCCH3C6H5CH3H+_H2O主要产物空间位阻不大时：质子化以后，亲核性强的基团优先迁移，迁移基团迁移活泼性顺序如下：对甲氧基苯基对甲基苯基苯基对溴苯基烷基氢邻甲氧基空间阻碍大，迁移能力小，其它次序和亲核性相一致。氢的迁移能力表现得不规律，有时小于烷基，有时大于芳基。主产物（3）迁移基团与离去基团处于反式位置时能迅速重排；处于顺式位置时反应很慢并导致环缩小。OHOCH3OHOHOHOHOCH3+OH2OH+OH2反应经过了一个邻基参与的三元环状碳正离子，因此重排基团和离去的质子化羟基处于反式位置时有利。注意：瓦格奈尔-米尔文重排，是从一个碳正离子重排成一个更稳定的碳正离子；而频呐醇重排是从一个碳正离子重排为另一个更稳定的盐离子。片呐醇重排在有机合成上的价值在于可以合成一些经由其它方法难以得到的含季碳原子的化合物。HMe2CCMe2OHNH2HNO2Me2CCMe2OHN2CMe2COHMeMeCMe3COHMeCMe3COHMeHCMe3COMeOHNH2HNO2CHOMe2CCMe2OHBrCMe2COHMeMeCMe3COHMeCMe3COHMeHCMe3COMeAgAgBrHMe2CCMe2OCMe2COHMeMeCMe3COHMeCMe3COHMeHCMe3COMeHHNO2CH2NH2OH-N2CH2OHOHO脂环族氨基醇和脂环族卤代醇则发生扩环或缩环的反应AgAgICH3OHICH3OHorCH3OHCCH3OHHCCH3OO-HCH3HOCH3Semipinacol重排CHCPhOHPhNH2ClCHCPhOHPhClCHCPhOPhClHNO2OOHCH2NO2CH2NH2HOOCH2HO+CH3NO2OH[H]/NiHNO2从邻二叔醇重排反应机理看，生成酮的重排过程中先消除一个羟基，生成了β位碳正离子的中间体，在发生重排反应。因此，凡能生成相同中间体的其他类型反应物,均可进行类似的Pinacol重排，得到酮类化合物。这类重排称Semipinacol重排。OHCCRRRRLLOHCCRRRR++++CCRRRRO(L=NH2,X,SPh,OH或环氧基等)氨基醇也可片呐醇（Pinacol）重排CCH3H3CNH2CCH3OHCH3CCH3H3CCH3COCH3HNO2HNO2HNO2NH2OHCH2NH2OHOCHO碳烯重排经过Carbene的重排Wolff重排：α-重氮酮在Ag2O存在下，或者加热、光解下，失去N2，重排得烯酮。其烯酮进一步反应生成羧酸、酯、酰胺或酮。RCCRON=N+RCCRO..C=C=ORRH2OCRRCRRHCOOHHCOOR'R'OHR'NH2HCONHR'hγ,O2CO2CRRCRRO脂环烃的α-重氮酮经光分解、重排得到缩环产物。MeMeN2OMeOhr.t.,hγ,4hMeMeCOOMe(84%)OMeON2hγN2COH2OCOOH抗HIV病毒药物Oxetanocin可通过该重排而制得