精细有机合成单元反应_09重排反应剖析

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1、第九章 重排反应 分子重排反应的概念：在有机化学反应中 ，取代基从一个原子迁移到另一个原子上 ，碳骼或者官能团的位置发生变化的一类 反应成为重排反应。 前述各章所涉及的各种有机化学反应中，大多数反应仅是底物分子 的某些部分(主要是官能团)发生变化，而分子的其余部分无变化地转移 到产物的分子中，因此反应前后分子的碳酪一般保持不变但在有些有 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（Molecular Rearrangement)。 分子重排反应是一类十分重要的反应，它的研究和实践丰富了

2、有机化 学结构理论的内容，加深了人们对该类反应的规律性的认识。分子重排 又是合成有机化合物的重要手段之一，许多重要的有机化合物可以由其 得以合成，因而它的研究有力地推动着有机合成化学的发展。 9.1 概 述 本章着重讨论一些具有合成价值的分子重排典型的分子重排通常 为一种不可逆的过程，它不同于两异构体间的互变异构，后者是可逆的 异构化反应 在适当的条件下能发生分子重排的有机化合物为数甚多，因而颇难 科学地将分子重排加以分类尽管如此，化学工作者曾提出多种分类方 法。如：按反应机理分类，按元素分类，按分子内重排与分子间重排分 类，按光学活性有无变化分类，按有机化合物的三大类型(脂肪族化合 物、芳香

3、族化合物及杂环化合物)分类及按官能团分类等。 这些分类法分别从不同的角度将为数繁多的分子重排反应归入一 定的范畴，为人们提供学习与研究之便。但欠妥善处，各种分类方法亦 各有之。本章拟以较多采用的按反应机理的分类法，将分子重排分为亲 核重排、亲电重排、游离基重排和- 键迁移重排。 亲核重排(Nucleophilic rearrangement)亦称缺电子体系的 重排(Rearrangement of electron-deficient Systems)。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

4、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： 式中A为C、N、O原子，Z为X、O、S、C、N、H。 9.2 亲 核 重 排 (一)Wagner-Meerwein重排：属于分子内由CC的重排 。在这类重排中-位的烃基向正碳离子迁移。 例如： 3, 3二甲基2丁醇在无水草酸存在下加热脱水，主要 产物为2,3二甲基2丁烯： 9.2.1亲核碳重排反应 反应历程 由松节油合成樟脑： 反应历程 脂肪族或脂环族伯胺与HN02作用时的重排可视为一种Wagner- Meerwein重排，只不过作为反应中间体的正碳离子系经由离去基团一 N2+的离去而形成。在脂环胺的场合往往发生扩环或

5、缩环作用，在合成上 用于制备三员环至八员环的脂环化合物。例如： 扩环重排： 3 缩环重排 思考题 1.完成下列反应，请写出主要产物 2.以丙二酸二乙酯和C3以下的有机物为原料合成 3.用C3以下的有机物为原料合成(CH3)2C=C(CH3)2 在无机酸催化下，连有羟基的碳原子上的烃基带着一对电子转移到 失去羟基的正碳离子上生成不对称酮，此谓片呐醇(Pinacol)重排： 例如 反 应 历 程 (二)片呐醇重排 上述的重排过程似乎是一些不连续的步骤，但许多立体化学 的研究证实，正碳离子的形成和基团的迂椽系经由一个正碳离于 桥式的过渡状态，迁移基团(如上例甲基)和离去基团处于反式位 置。是一个连续

6、的过程。 对于某种取代基不同的片呐醇R1R2C(OH)-C(OH)R3R4，在重 排反应中究竟那一个羟基发生迁移?这个有关基团迁移倾向的问题，虽 经多人研究，迄今犹未彻底阐明，因而仍然无法在每个场合都能正确地 预测发生迁移的是那个基团。而且事实上，当取代基团很近似时往往得 到一个混合物。尽管如此，并非没有一般的规律可循，取代基不同的片 呐醇的重排方向系主要决定于下列两个因素： (1)失去一0H的难易 与供电基团相连的碳原子上的一OH易于失去 ，由于供电基团使一0H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

7、船说来，使失去一OH的基团其难易循如下次序：p甲氧苯基 苯基烷基H。 例1. 例2. 例3. 但上述的推断并不能在所有的情况下适用，例外颇多。 （2）迁移基团的性质和迁移倾向 一般说来，在空间位阻因素 不关重要时，则基团迁移倾向的大小与其亲核性的强弱一致： PhMe3C一Et-Me-H 如碳上相连的基团均为芳基时,其迁移的难易次序如下： 对甲氧苯基对甲苯基间甲苯基间甲氧苯基 苯基对-氯苯基邻甲氧苯基间氯苯基。 例如： 从上述片呐醇重排的种种实例可以看出，该类重徘在有机合成上的价 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。 脂环族氨基醇和脂环族卤代醇则发 生扩环或缩环的反应 思

8、考 题 1.用C3以下的有机物为原料合成(CH3)3CCH2OH 2.作C3以下的有机物为原料合成 3.以 合成 4.用C5以下的有机物为原料合成 醛肟及酮肟在酸性催化剂(如H2SO4、HCl、P2O5 、 POCl3、 SO2Cl2、p-MeC6H4 SO2Cl、PPA等)作用下发生重排转变为酰 胺，此谓Beckmann重排。 Beckmann重排的特征在于它的立体化学特性，即在不对称酮 肟的重排为反式重排，它是通过羟基与处于反位上的基团发生交换 而进行的： 反应历程： (三)Beckmann重排 若迁移基团含有手征性碳原子，则该碳原子的构型保持不变。例如： 雄性激素睾酮(Testoster

9、one)的合成： 思考题 1.以苯乙酮为原料合成乙酰苯胺。 2.以苯酚为原料合成已内酰胺 3.以苯为原料合成甲酰苯胺 4.完成下列反应 5.写出 产物及反应历程。 酮类经过氧酸氧化发生重排生成酯，此谓Baeyer-Villiger 重排。常用的过氧酸为过硫酸，过氧乙酸、过氧苯甲酸、过氧甲 酸、过氧三氟乙酸等。其中过氧三氟乙酸为己知的反应性最强的 过氧酸，而过氧乙酸以及各种取代过氧苯甲酸亦曾被使用并获得 良好的结果。 研究不对称酮的氧化反应发现，烃基迁移的难易大致循下列次序： 叔烷基仲烷基环烷基节基苯基伯烷基环丙基甲基。 (四)BaeyerVilliger重排 从该重排的结果看，相当于在反应物酮

10、的结构中插入一个氧原子 ，因此成为由酮合成酯的一种方法。若为芳香酮，则经此重排生 成的酯经水解可制成酚。 思考题 1.用苯和C3以下的有机物合成丙酰苯酯（提示： ） 2.用C3以下的有机物为原料合成 3.用C3以下的有机物为原料合成CH3COOC(CH3)3 五、氢过氧化物重排 (一)Hofmann重排 脂肪族、芳香族或杂环族酰胺在碱性介质中用Cl2或Br2 (Na OCl或NaOBr)处理，放出CO2，变为减少一个碳原子的伯胺， 此谓Hofmann重排： 9.2.2亲核氮重徘反应 反应历程 当含手征碳原子的基团与羰基结合时，在重诽过程中不发生消旋作 用(构型保持不变)，因此可以认为整个过程是

11、在分子内部进行的： 需要指出，在脂肪族酰胺的降解重徘反应中，若其碳原子数超过八个 ，则生成尿素系化合物的副反应明显增加而使胺的收率降低。此时以甲醇 为溶剂，使酰胺与Br2MeONa反应可得到良好收率的取代氨基甲 酸酯，后者经碱性水解则得到胺： 思考题 1.以丙二酸二乙酯和C4以下的有机物为原料合成 2.以C3以下的有机物为原料合成(CH3)3C-NH2 将羧酸先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。本反应 可与Hofmann重排一样地完成同样类型的降解。当溶剂含水、 醇和胺(伯、仲胺)时，则分别生成胺、氨基甲酸酯和取代尿素： (二)Cu

12、rtius重排 叠氮化合 物的制备 反 应 历 程 在酰基叠氮的热重排中，旋光性物质不发生消旋作用，构型保持不变 ，因而可以认为基团的迁移也是在分子内部进行的： 本重排反应适用于脂肪族、脂环族、芳香族及杂环族化合物,因而合 成应用的范围较广。例如： 思考题 1.以对甲氧基甲苯为原料合成 重氮甲基酮在热、光或催化剂(银或氧化银)存在下放氮成 酮碳烯，再重排成反应性很强的烯酮，此重排谓W0lff重排。烯酮 与水、醇、氨及胺反应可分别得到羧酸、酯、酰胺及取代酰胺。 -重氮甲基酮通常系由酰氯与过量重氮甲烷作用制得，因而由羧 酸为起始反应物制备-重氮甲基酮，再经W0lff重排生成烯酮及由烯 酮发生的一系

13、列反应可表示如下： （三）Wolff重排 重排在合成中的应用： 思考题 1.以CH3COOH为原料合成CH3CH2COOH 亲电重排(Electrophilic rearrangement)亦称富电子 体系的重排(Rearrangement of electron-rich Systems)。 它是包含产生负离子中间体的重排。在这类重排 中，迁移基团X把电子对留给与之相连的原子B而迁移至作为重排 终点的负碳离子上： 9.3 亲电重排 这类重排在碱性条件下进行，一般说来，这种经由负碳离子中间体的 重排不如前述经由正离子中间体的亲核重排普遍。该类重排大多数亦 属1，2重排。 季铵盐（或铣盐)在碱性

14、条件下，其中的烃基从氮原于(或硫原 子)迁移至邻近的负碳离子上的重排谓Stevens重排： 1Stevens重排 R=PhCO、Ph一、CH2=CH-等使亚甲基上的氢原子容易被碱 移去的基团；RPhCH2-取代苯甲基、CH2=CH-CH等，碱 可用NaOH、NaNH2等。 该重排的机理可表述如下：碱使季铵盐化合物(I)中亚甲基上的 。活泼氢脱落下来形成负碳离子(II)，(II)中的R以正碳离子的 形式迁移至带有负电荷的碳原子上而最后生成叔胺(III)： 研究证实，在重排过程中迁移基团的构型保持不变，从而 说明该重排所具有的分子内特特，其间C一N键的断裂与CC 键的形成协同进行。 苯甲基三烷基季

15、铵盐(或铳盐)在PhLi、LiNH2等强碱作用下 发生重排，苯核上起亲核烷基化反应，烷基的 碳原子与苯环 的邻位碳原子相连形成叔胺。本重排与Stevens重排极为相似 ： 由于迁移基团无法进入其它分子的芳核上，因而Sommelet 重排是属于分子内N-C的重排。 本重排可作为芳核上引入邻位甲基的一种方法。 2Sommelet重排 例. 例. 苯甲基甲醚在强碱试剂(如RLi、PhLi、KNH2、NaNH2等)作用 下，分子中的烃基发生重排，使醚转变为醇，此谓Wittig重排。重排的 机理与前述Stevens重排有若干相似之处，仅苯甲基甲醚 (PhCH2OMe)中亚甲基上活泼氢的酸性要比苯甲基季铵盐(PhCH2N Me2)中亚甲基的弱，因此需用上述较强的碱才能达到脱去质子的目的。 其反应通式可表示如下: 其中，R、R为烷基、芳基或烯基。迁移基团R的迁移能力大致循下列 顺序： CH2=CH-CH2PhCH2Me-EtPh一 重排机理可表示如下： 3Wittig重排 -卤代酮类在碱性催化剂(ROK、RONa、Na0H等)存在