高等有机重排反应机理

重排反应,MolecularRearrangements,刘河,Wagner-Meerwein重排(烯烃制备),Hofmann重排(降解)羧酸衍生物制备胺,重排反应的定义分子中的基团从一个位置迁移到另一个新的位置的反应RG=rearrangementgroups,分类（1）位置1,2重排和非1,2重排:多数重排是从一个原子向邻近原子迁移-1,2迁移。长距离迁移很少。（2）反应历程带着电子对迁移，可以称为亲核或阴离子重排，可看作亲核试剂。不带电子对迁移，可以称为亲电或阳离子重排，迁移氢叫做质子转移重排。带一个电子迁移，称为自由基重排。（3）基团断开与否可分为分子间(迁移基团RG与A完全分离，移到另一个分子的B上)和分子内(迁移基团RG从同一个分子的A上移到B上)重排。（4）按元素分类根据迁移基团从某种元素的原子迁移到另一种原子上分为:CC,CN,CO等等。,重排反应历程的研究方法一交叉实验法-分子内重排和分子间重排在反应混合物中加入另一种化合物，观察产物的变化。或者将两种可以发生重排的反应物放在一起，分子间重排，有交叉产物产生，分子内重排，无交叉产物产生。例如：苯氨基重氮苯在酸作用下重排产物为对氨基偶氮苯，如果有-萘酚存在，只得到和-萘酚的偶联产物。证明为分子间重排。二立体化学的研究如果反应物有旋光性，可以根据重排产物是否保持其旋光性来判断历程。后面讨论的贝克曼重排，其旋光性重排后保持不变，证明其迁移基团重排过程中未脱离原来分子，否则，生成外消旋产物。,三示踪原子法用示踪原子法的方法，可以得到一些直接有用的信息。Claisen重排是通过示踪原子方法对其历程进一步确证的。四中间体的研究重排反应的中间体有的可以分离、鉴定或者捕捉来进行研究。如贝克曼重排中间体可以用核磁共振谱直接证明，而且可以加入试剂进行捕捉。,一、亲核重排二、亲电重排三、自由基重排四、环重排,一亲核重排在亲核重排中，迁移基团带一对电子转移到缺电子的原子上。重排反应分为三步：1.创造一个缺电子的六电子中心；2.真正的迁移，产生新缺电子中心；3.新的缺电子中心获得电子。多数情况是第二和三步同时发生。产生带六个电子原子中心的两个重要的方法：1.碳正离子的形成，例如醇与酸的反应2.氮烯的形成，酰基叠氮的分解另外，还有碳烯和缺电子氧原子的形成可以得到缺电子体系。,亲核重排大部分是1,2-重排，亲核的1,2-重排的动力来自三个方面：1重排成更稳定的正离子。如仲碳正离子或伯碳正离子重排成叔碳正离子。2通过重排转化为更加稳定的中性化合物。如片哪醇重排成酮。3重排后减少空间张力。如伯碳正离子重排成叔碳正离子，正离子更加稳定，空间阻力减小。又如-蒎烯重排生成氯化莰也是张力减小的过程。,1-1Wagner-Meerwein重排反应物：一级或二级醇(位具有两个或三个烃基或芳香基)反应条件：酸性条件产物：烯烃,直接产生重排的碳正离子本身必须稳定下来，通常是失去氢，因此产物多为烯烃。反应特点：(1)如果失去质子有多种选择的话，产物由Zaitsev规则决定。Zaitzev规则：醇失水形成烯烃时，如果醇羟基有两个碳原子，含氢较少的碳原子提供质子。(2)氢负离子可以迁移。(3)反应最后步骤也可能是取代反应而不是消去。(4)离去基团不一定是水，可以是产生碳正离子的任何物种，如氢原子。,氢负离子重排的例子:反应最后步骤是取代反应,1-2Pinanol重排反应物：邻二醇反应条件：酸性条件产物：醛或酮,羟基质子化，失水成碳正离子，相继发生基团迁移，缺电子中心转移到羟基的氧上，氧为8个电子所以比较稳定，失去质子生成酮。,Pinanol重排的几个问题：(1)不对称取代醇中形成的碳正离子的稳定性决定了哪个羟基的质子化；(2)碳正离子的邻碳有不同取代基，提供电子稳定正电荷较多的基团优先转移；(3)迁移基团与离去基团处于反式位置。另外，位有OH基的碳正离子化合物均有可能发生这种重排(1)氨基醇，与亚硝酸作用发生重排；(2)碘代醇，在氧化汞或硝酸银作用下；(3)烯丙醇在能使其双键质子化的强酸作用下；(4)环氧化物在加热或在酸性试剂如BF4-或MgBr-乙醚络合物作用下。,Ph2C(OH)-CH2OH重排时，通过高度稳定的Ph2C+-CH2OH离子全部生成Ph2CH-CHO。在重排的过渡态中，正电荷由原来的碳正离子中心、氧原子、迁移基团及迁移基团所离开的碳原子共享。一般情况，芳基及间位和对位给电子取代基可使迁移能力大大提高。,1-3Demyanov(捷姆扬诺夫)重排环的扩大和缩小反应反应物：脂肪环烃或脂环的碳产生碳正离子的化合物，如胺类反应条件：与酸反应产物：环的扩大和缩小，新的碳正离子与亲核试剂结合或消去。这个变化涉及仲碳正离子和伯碳正离子的互变。,（1）C3到C8的环扩大已实现，小环产率高，因为角张力的解除提供动力，环缩小已用于四员环和C6到C8的环，环戊基阳离子缩小成环丁基体系，由于张力增大而行不通。（2）某些羟胺发生环扩大反应：（3）类似的反应如溴代环醇与格氏试剂(起碱的作用)反应消去OH中的质子，加热环扩大。,同样，环丙基碳上产生卡宾或类卡宾会使环扩大。一些脂肪族伯胺与亚硝酸作用发生类似重排。,1-4缺电子氮的重排酮肟、酰胺或酰基叠氮化合物，氮原子周围形成六电子缺电子中心，迁移基团从碳向氮原子的亲核迁移，一般遵循下两个模式：,Hofmann重排Curtius重排Lossen重排Schmidt重排Beckmann重排,Hofmann重排反应物：没有取代的酰胺反应条件：次溴酸钠产物：比原来少一个碳的一级胺反应的实际产物是异氰酸酯，由于水解很少分离出来。当R是六或七个以上的碳的烃基，要用Br2和CH3ONa，否则产率很低，异氰酸酯的加成产物为氨基甲酸酯(RNHCOOMe)，此化合物容易离析或水解。当用NaOH作为碱时，则发生RNH2及RCONH2加成的副反应，得到尿素及酰脲。,反应历程如下：第一步的中间体N-卤代酰胺已经离析出来，第二步是碱夺取质子，第三步可能首先是失去溴离子形成氮烯，随后是实际的转移。四乙酸铅与酰胺发生类似的反应，在这种情况下，初产物异氰酸酯和由异氰酸酯形成的胺，与四乙酸铅释放出的乙酸反应，分别生成脲及酰基脲；如果有醇存在，形成氨基甲酸酯。,Curtius重排反应物：酰基叠氮化合物反应条件：加热产物：异氰酸酯反应中没有水，可得到高产率的异氰酸酯，当然可以进一步水解，反应在水中或醇中进行，产物为胺类、氨基甲酸酯或酰基脲。这个反应几乎可以应用于任何酸，脂肪酸、芳香酸、脂环、杂环及不饱和酸。酰基叠氮化合物可由酰卤与叠氮化钠作用或用酰基肼与亚硝酸作用得到。,此反应可能为一个协同过程，重排中，具有旋光性的化合物不发生外消旋化作用，故这个反应是分子内的。如:,Lossen重排反应物：异羟肟酸或其酰基衍生物反应条件：与碱共热产物：异氰酸酯,Schmidt重排反应物：叠氮酸与(1)羧酸；(2)醛或酮；(3)醇或烯。反应条件：酸催化产物：比原来少一个碳的一级胺或者酰胺最普通的是和羧酸的反应硫酸是常用的催化剂，有时也用Lewis酸做催化剂。长链及有位阻的羧酸反应收率较高。酮和叠氮酸反应是使NH“插入”到羰基和R基之间，这样把酮转变成酰胺。醛的重排产物通常是腈,羧酸的反应首先酰基正离子，后面的重排反应类似于Curtius重排，不同的是发生重排的是质子化的叠氮化物。酮与叠氮酸的重排反应的历程如下：首先形成碳正离子，叠氮酸加成，失去水分子然后重排，新的碳正离子中心加成，失去氢离子，产生可以互变的酰胺结构。,Beckmann重排反应物：肟或肟的酯反应条件：PCl5、浓硫酸、甲酸、液体SO2、PPh3-CCl4、多聚磷酸等酸性条件产物：取代酰胺环酮肟重排反应时发生扩环反应。,首先是OH基质子化离去，后面反应类似于Schmidt重排反应的机理。迁移基团与离去基团处于反式位置，对于对称的酮肟，重排后只得到一种酰胺。不对称的酮肟，不同Z、E构型得到不同的酰胺，由此推断原来肟的构型。特点：(1)酸催化，帮助-OH离去；(2)迁移基团与离去基团处于反式位置；(3)基团的离去和迁移是同步的，无混合物产生；(4)迁移基团迁移后构型不变,1-5缺电子氧的重排Baeyer-Villiger重排联苯酰-二苯基羟基乙酸重排反应,Baeyer-Villiger重排反应物：酮与过酸或其他过氧化物反应条件：酸催化剂产物：把氧插入到羰基和烷基之间的酯不对称酮的迁移顺序：叔烷基仲烷基、芳基伯烷基甲基。供电基团增大芳基的迁移能力，吸电基团相反。支持这个机理的重要证据是，二苯甲酮-18O反应的产物，其同位素氧全在羰基上，而烷基氧没有任何放射性。,联苯酰-二苯基羟基乙酸重排反应反应物：-二酮反应条件：碱作用下产物：-羟基酸的盐芳香族反应物较常见，反应也能用于脂肪二酮和-酮醛,OH-进攻羰基产生氧负离子，苯基带一对电子迁移到另一个羰基上。烷氧基代替OH-直接生成相应的酯,亲核反应的特点一、分子内反应基团的迁移多数1,2迁移是为分子内反应，即迁移基团RG没有裂解，仍以某种形式相连。最有力的证据是手性基团迁移构型保持。下列转变保持原有构型，但是，迁移基团的起点和终点A、B原子的构型有可能发生转化。,若在B处发生消旋化，B处形成碳正离子，可能迁移基团与母体分子断裂，类似SN1历程若在B处反转，则前两步是协同的，类似SN2历程,注意下列三点:(a)当B是三级碳原子或至少带有一个芳基多发生类似SN1的过程。(b)当迁移基团RG为芳香基或乙烯基，可能形成中间体。由于芳香体系分散了正电荷而稳定。(c)氢迁移，中间体没有定论。,2.迁移的倾向许多反应迁移基团是一定，有些反应只有一个基团可以迁移，Beckmann重排，与羟基处于反位的基团迁移。但是，如Wagner-Meerwein重排和Pinanol重排，分子含有几个迁移基团，迁移的倾向往往是芳基烃基。,3.记忆效应下列反应形成的中间体好象一样，但是得到的主要产物是不一样的，好象记住了怎样形成的碳正离子。机理还没有完全清楚，可能离子不同的溶剂化作用，或者形成过程中具有相反的扭曲几何结构,4长距离亲核重排例如氢负离子的1,3迁移，也有更长距离的重排，如跨环重排。一般烃基不会跨环重排，芳基有时发生跨环重排。,二亲电重排亲电重排，基团不带电子迁移,这种重排反应少的多，但原理是一样的，产生阴碳离子或具有活泼的未共用电子对中心，重排基团不带电子迁移，产物可能稳定也可能继续反应。,Favorskii重排反应物：-卤代酮、-羟基酮和-环氧酯反应条件：和烷氧负离子反应产物：酯-卤代酮和烷氧离子反应重排生成酯。利用氢氧离子或胺作碱，得到游离酸或酰胺。环-卤代酮反应使环收缩，-羟基酮和-环氧酯也能发生类似反应,下列反应中I和II发生重排时都生成化合物III，由此判断认为卤素先离去,相邻基团没有断裂来占领它的位置，否则化合物II生成PhCHMeCOOH(CH3基团迁移)。下面反应历程同样解释了化合物I和II重排生成相同化合物III，,下列化合物IV中，C-1和C-2用14C等量标记，产物羰基碳含有50%的标记碳，产物中C-1和C-2各含有25%的标记碳。开始的化合物本来就有50%的标记碳原子的羰基碳原子，重排产物没有变化，说明重排反应没有影响到羰基碳原子。如果C-6碳原子迁移到C-2，则另外50%放射性应该只在产物的C-1上。同样，如果C-2碳原子迁移到C-6，则另外50%放射性应该只在产物的C-2上。事实上，C-1和C-2各含有相等的放射性。表明两种迁移方式具有相同的可能性，但是化合物IV中C-2和C-6不是同等的，因此反应过程必然经过一个对称的中间体,使C-2和C-6位置等同.,这个反应历程要求在卤素的另一侧含有一个氢原子，所以一般情况下，前面的R1需要用CHR5R6来代替,三自由基重排一般是形成一个游离基，迁移基团带一个电子迁移，新游离基进一步反应得到稳定。制备自由基最普通的方法是醛类的脱羰基。一般是芳基、乙烯基、乙酰氧基和卤素迁移。芳香基能迁移，而烃基和氢不能发生迁移，有人提出桥式过渡态,四环重排联苯胺重排Claisen重排cope重排,4-1联苯胺重排反应物：氢化偶氮苯反应条件：酸催化剂产物：主要为4,4-二氨基联苯和2,4-二氨基联苯氢化偶氮苯反应过程中没有裂解(1)交叉实验,如ArNHNHAr没有生成含有两个Ar原子团或者两个Ar原子团的产物,同样,ArNHNHAr与ArNHNHAr混合物进行重排时也没有得到同时含有Ar和Ar的产物。(2)当环的氢被氘所取代，没有观测到任何动力学同位素效应(就是说反应过程中没有碳氢(氘)键断裂，或者它们不是决速步骤)。,极性过渡态理论解释为，反应过程中，电子沿环运动，使两个环能按2,2、4,4或2,4方式连接，中间体转化为产物或其他化合物。,4-2Claisen重排反应物：烯丙基芳基醚反应条件：加热产物：邻烯丙基酚烯丙基芳基醚的Claisen重排是由侧链到环上的分子内重排,这是一种协同重排反应(concertedrearrangement)。反应中两个共轭系形成环状中间体，有一个键断裂，同时结合成新键，所以好象键在位移，过程中没有正、负离子和碳烯等中间体存在。,4-3cope重排反应物：1，5-二烯反应条件：加热产物：异构化产物很明显，反应是