重排反应

第四节重排反应一、亲核重排反应1、分类按机理分类①亲核重排（缺电子重排或负离子迁移重排）；②亲电重排（负离子重排或正离子迁移重排）；③游离基重排及④周环反应。其中类型①、②、③有一个共同的特点，就是反应物分子中的一个原子或原子团，在原分子范围内从原位置（迁移起点）迁移到一个新的位置（迁移终点），烃基是常见的迁移基团。这三种情况中类型①涉及到的反应最多，也最为重要。而类型④则是先形成过渡状态，在反应物分子中某些共价键发生断裂的同时，形成新的共价键，即反应物分子内共价键协同变化而发生的重排反应。不带成键电子对迁移亲电重排带成键电子对迁移亲核重排ABX-YXABXAB-Y-YXABY+XAB..ABX..+ABX+A-X均裂,X与A-B结合重排机理的确定（1）交叉实验法欲确定一个分子重排反应究竟是分子内还是分子间的重排反应，可以利用两种具有相似结构的反应物混合后进行反应，分析在产物中是否出现交叉产物来予以断定。例如：将苯胺基重氮苯和β-萘酚的混合物，在盐酸的作用下得到的对胺基偶氮苯很少，主要产物为β-萘酚与重氮的偶联产物，即有交叉产物生成。因此可以断定，这种重排反应是在分子间重排反应。苯胺基重氮基首先解裂N2ClNHHCl+NNNHHCl+对氨基偶氮苯NN+NH2HClNClNH2++N2Cl+OHOHNNOHOH偶联反应（2）示踪原子法克莱森（Claisen）重排反应的机理就是采用此法证明为[3,3]－σ迁移反应的。例如：烯丙基芳基醚在热的作用下，重排为2－烯丙基苯酚的反应，反应式如下（C*代表C14）：OCH2CHCHCH2CH2*CH2*1231'2'3'热OH2、缺电子碳骼重排反应缺电子重排反应又称亲核重排。其特点在于：反应物分子先在迁移终点形成一个缺电子的活性中心，迁移的原子或原子团带着成键（键裂）电子对发生迁移，并通过进一步变化生成稳定的产物。此类重排反应过程中形成的缺电子活性中心，主要涉及碳正离子及缺电子的氮。2.1瓦格涅尔-麦尔外因重排瓦格涅尔-麦尔外因（Wagneer-Meerwein）重排是在研究莰醇转变为莰烯时发现的，就其实质是碳正离子重排反应。其机理如下：莰烯2碳正离子O莰醇H+烃基迁移H2O-H+βαOHβαOH2+βα1+2-H776543215436蒎烯-α+ClHCl+氯化莰+2.2频哪醇重排当频哪醇（四取代乙二醇）在酸的作用下，发生重排得到结构不对称酮的反应，称为频哪醇重排（pinacolrearrangement）又称呐夸重排。其机理如下：烃基迁移H+R12R4RCCOHOH3RHO-R12R4RCCOH3ROH2+R12R4RCCOH3R+R12R4RCCOH3R+H+OR12R4RCC3R2当与羟基相连的碳原子上连有不同的取代基时，重排产物常常是混合物。哪种产物占优势，取决于取代基迁移能力的强弱，迁移基团上的电子云密度越大，亲核能力越强，越容易发生迁移。例如：PhCMeCMeOCHPhCMeCMeOHPhPhCMeOHCMeOHPh+苯基迁移1.2.H+1.H+2.-H2O32一般情况下，基团重排由易到难的顺序为：Ar-、R-、H-。只有在个别情况下H的迁移才会比烷基、芳基快。例如：若不是H迁移占优势，产物是醛而不是酮。PhCHOHCPhOHPhH+PhCOCPhHPh酮醛PhCPhPhCOHPhCHOHCPhPh+苯基迁移1.2.H+思考题1.请为下列环扩大的反应拟定合理的反应机理。2.请由环戊酮为起始原料合成下列螺环化合物（提示：首先合成频哪醇）。OHCHNHHNOO+N2222酮-6-癸螺76543219O[4.5]此类重排的立体化学研究表明，迁移基团和离去基团应处于反式位置。快H+HOCHOHHCHCOCH3333+HCCH3COH慢OHH3COHHCPhPhOHOHPhPhOHHOPhPhOH+快H+慢顺式反式2－溴代醇及2－氨基醇的重排反应。这两类反应均有一个明显的特点，就是缺电子碳毫无疑问是和-NH2或-X相连的碳原子。HCCCH3COHCH3CHBrAg+HCCCHCOHCH3CH+..HCCCOCH3CHCH3RCOCRRRRCROHCNH2RRHNO2RCROHCRR+某些结构不对称的邻位二醇，在用酸处理时也可发生频哪醇重排反应。两个羟基究竟哪一个首先与质子结合，取决于哪一个羟基上的电子云密度较大，PhCCH2PhO-PhCCH2OHPhPhCCH2PhOHPhCCH2PhOHOHHH2O--HOPhCCPhHHO-HPhCCHPhOHHHPhCCH2PhOHOH+++++++H主要产物1.2.2.1.2.3捷米扬诺夫重排当脂肪族伯胺与亚硝基作用时，除了生成结构相对应的醇外，还得到其它的产物，其中包含了重排反应的产物。例如丁胺与亚硝酸的反应。当脂肪族伯胺——2，2－二甲基丙胺与亚硝基作用时，几乎得到了100%的重排产物。42%52%NH2CH3CH2CH2NO2H+OHCH3CH2CH2CHCH3CH3OH重排反应发生时，可能首先生成了不稳定的碳正离子并发生重排，称为捷米扬诺夫（Gemiyangnouf）重排。未重排产物H3CCCH3CH3CHOHH3CCCH3CH3CH2N2HNOH3CCCH3CH3CH2NH2H2ON2-%0~+H3CCCH3CH2CH3OHH2OH3CCCH3CH2CH3重排-N2H3CCCH3CH3CH2N2+H+%010重排产物~HONN未重排产物++OHH2O-CHCH2OHH2OCH2HNO2NH2+NN+N2-重排H+-HOH3COHHNO2H3CCHNHH3COHCCH2NHOHHNO2.4二苯基乙二酮－二苯基羟基乙酸重排二苯基乙二酮在强碱作用下，发生重排反应生成二苯基羟基乙酸盐的反应，称为二苯基羟基乙酮或二苯基羟基乙酸（benzil）重排。反应速度与反应物的浓度以及碱的浓度成正比。V=[PhCO－COPh][OH-]Ph2COHCOOHH+NaOHC2H5OHCCOOCCOONaOH+其机理的特点在于：反应中没有碳正离子中间体生成，借助于羰基上π键的打开，一对π电子转移到氧原子上，使原羰基上的碳原子能够接受带着成键电子对的迁移基团。PhCOCOPhHOPhCCOPhOHOHOCOCPhOPh苯基迁移H2OPhCOHCOOHHCOCOOHPh2HOCOCPhOPh+OHCOOHOHCOONaOOOHOHOOH+H2O2.5拜尔-维利格重排这个重排反应又叫做拜尔-维利格（Beayer-Villiger）氧化反应，原因在于这是用过氧酸氧化酮，酮分子中插入氧原子转变为酯的反应。RCOR'RCOO2HRCOOR'+RCOOHCORCO3HOO(CH2)5不同基团的迁移能力不同，下列顺序由易到难：HPh-叔烃基仲烃基伯烃基-CH3这个顺序是与基团亲核性大小有关的，亲核性越大，迁移趋势越大，芳基迁移能力大小的顺序为：CHOO2N环己基甲酸苯酯乙酸苯酯OCOCF3COOHOCOOCOH3CPhCOOHOCOCH3常用的过氧酸为：过氧化苯甲酸、过氧乙酸、过氧三氟乙酸以及过氧硫酸、三氟化硼－过氧化氢（BF3－H2O2）等，过氧三氟乙酸是已知的反应性最强的过氧酸。,CF3COOHOCH3COOOH,COOOH过氧化苯甲酸过氧乙酸过氧三氟乙酸其反应机理如下：+RCRO*+RCOOOH*RCROHOOCOR*RCOROH+RCOO酯+RCOOHRCOORCORO**RCOROH++H结合一个+*RCORO利用O18证明了酮羰基上的氧原子与酯羰基的氧原子是一样的：若R*为手性基团，在其迁移过程中构型保持不变。例如：具有光学活性的α－苯基乙基甲基酮用过氧酸处理，重排后得到具有光学活性的酯。PhCOPh18PhCO3H18COPhPhOPhCHCH3COCH3PhCOHPhCHCH3OCOCH3**OOOH(CH)CH3COOOHCl+OOH(CH)9CH3间氯过氧化苯甲酸2.6.贝克曼重排酮肟在五氯化磷、浓硫酸或其它酸性催化剂作用下，可发生分子重排，生成取代酰胺，这个反应称为贝克曼（Beckmann）重排。例如：大量的实验事实表明：在贝克曼重排反应中，迁移基团与羟基处于反式位置.R'CONHRRCR'NOH..*PCl5*Beckmann重排的机理RCR'NOHHRCR'NRCR'NOH2RCR'NH2ORCR'NHORCR'NOH2RCR'NOHHRCR'NHOHH烷基向缺电子的N迁移PCl5CNPhPhCO..OHCNPhPhCOHO含有手性碳原子的基团R*在重排中迁移，其构型保持不变。例如：下列反应的结果生成约99%光学纯酰胺。*PClCN..OHMeEtCHnBu*NHEtCHnBuMeCO环己酮制得环己酮肟，后者经过重排生成尼龙－6的原料——ε－己内酰胺。..PClNOHOC(CH2)5NH3、碳烯与氮烯的重排反应3.1沃尔夫重排酰氯与过量的重氮甲烷作用，可制得重氮甲酮，后者在Ag2O的催化作用下（或者在光照条件下）重排反应称为沃尔夫（Wolff）重排。(过量)HCl+CH2N2+RCOClCHNNCOR+重氮盐-¦ÁRCHCON2CHNNCOR+(酮卡宾)RCOCH.(orhU)AgO重排（）烯酮).烯酮是非常活泼的化合物，可与含有活泼氢的化合物，例如：H2O、ROH、NH3、RNH2等反应,生成羧酸和羧酸衍生物:酰胺酯羧酸R'NH2NH3R'OHHOH+RCHCORCHCOOHRCH2COOR'RCH2CONH2RCHCONHR'N取代酰胺-利用沃尔夫重排可以使羧酸升级。例如：OCCHCCH3C6H5C2H5SOClCH5CCH3CH5COOHCH2N2AgO(orh)UC2H5CCH3C6H5CH2COOHHOOCCHCCH3C6H5CH53.2霍夫曼重排氮原子上没有取代基的酰胺用次溴酸钠或次氯酸钠处理，得到比原来酰胺少一个碳原子伯胺的反应称为霍夫曼（Hoffmann）重排，又称为霍夫曼酰胺降级反应RNH2NaOHBr2+RCONH2其反应机理如下:在重排反应中已经成功地检验出有异氰酸酯的存在。+CO2RNH2+OH-+Br2RCONHBrRCONH2Br-+RCONHBrRCON....异氰酸酯OCNROCNRHOH氮烯中间体R基团的迁移可能经过了环状过渡态，是个分子内的重排反应。光学活性的R基团在迁移后保持构型不变。重排95.5%光学纯度PhCCHHNH2PhCCHHCONH2**其环状过渡态机理如下：CO+HCHCCNOBrPhOCPhNCCH3HH2OHCHCPhCONBr....HCH3CPhNH23.3柯提斯重排将酰基叠氮化物重排得到的异腈酸酯水解，制得伯胺的反应称为柯提斯重排。例如：RCOX+NaN3*RCON3RCONHNH2HNO2+RCON3RCON3-N2RNCOH2ORNH2CO2+异腈酸酯这是一个普遍的反应，是羧酸降级合成一级胺的方法之一，能适用于几乎所有的羧酸：脂肪族、脂环族、芳香族、杂环及不饱和羧酸。例如：对甲氧基苯胺-80H2OCH3ONH2CHONCONCH3OCON%*NaN3是有毒的晶状固体，约在3000C分解。工业上是将氧化二氮通入熔融的NaNH2来制取:机理与霍夫曼重排相似,可认为是分子内的协同过程，具有光学活性底物在反应过程中不发生外消旋化作用。环烷基及芳香叠氮化物加热时能使环扩大。例如：NaNH2NONaNNH3NaOH+++NRRN3%~+NRH+~%8020其机理如下：烷基迁移CNRRN3RNNN..CNNNN2-(主)80~%RNNN..RNNN%NRN2烷基迁移(次)~203.4洛森重排异羟基肟酸及酰基衍生物与碱共热或只需加热就能生成异腈酸酯的反应叫做洛森重排。异腈酸酯水解后生成伯胺。RCONHOH(氧肟酸)异羟肟酸羟肟酸RCOHNOHRNCOOH异氰酸酯3.5施密特重排施密特重排指的是叠氮酸和羧酸在硫酸或路易斯酸的催化下，得到比原来的酸少一个碳原子伯胺的反应。RCOOHHN3RNH2CO2N+++HSO4醛、酮与叠氮酸在硫酸的催化作用下，生成腈和胺类得到甲酰基