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1、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
2、重排反应（Rearrangement Reaction）或分子重排（Molecular Rearrangement）.,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
3、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： 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
4、”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。, 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。, 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“AB”表示各类重排反应。如：碳原子碳原子重排（碳碳重排或CC重排），碳原子氧原子重排（碳氧重排或CO重排），氮原子碳原子重排（氮碳重排或NC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。, 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
5、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（Nucleophilic Rearrangement）。反应中R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
6、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：, 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； 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和相比较，显然更稳定，所以，反应主要经进行下去。中可以迁移的基团是C6H5-和CH3
7、-，前者亲核性较强，因此，反应得到C6H5-迁移的产物。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、氨基醇和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
8、有许多相似之处。羟基脱去后形成的仲碳正离子，由于R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
9、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，二酮在强碱作用下，分子内重排，生成羟基酸的反应。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
10、。当然，其它，二酮也有这样的重排。如：值得注意的是，许多具有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，分别得到产物和，反应产物为二者的混合物。究竟、中谁在量上占优势，应取决于、哪一个碳负离子更容易生成。例如：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
11、C10的卤代环酮生成环烷羧酸或酯的产率为4075。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：，环氧酮也能进行类似Favorsky重排的反应，得到羟基酸。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
12、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（）和10的（Z,Z）产物（）：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
13、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-Cope rearrangment）,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（CN）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
14、核取代反应，生成N溴代酰胺，然后进行消除，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（CN）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
15、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（CN）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
16、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（CN）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410HN3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（CN）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：按照这一历程，Beckmann重排是分子内的亲核重排。在Beckmann重排反应中转移基团和羟基相互处于反式位置，这已被许多实验事
