颜范勇-第五章重排反应全.ppt

第五章重排反应,Chapter5:RearrangementReaction,重排反应:,在同一有机物分子内，由于试剂或介质的影响，一个原子或基团从一个原子迁移到另一个原子上，使分子构架发生改变而形成一个新的分子的反应。A:重排起点原子,B:重排终点原子,W:迁移基团（或原子）,亲核重排:迁移基带着一对成键电子向缺电子的原子进行迁移亲电重排:在该重排中，带着正电荷的迁移基团向富电子原子进行如下迁移:,自由基重排:在该重排中，首先形成自由基，然后迁移基团带着一个电子进行迁移，生成新的自由基。自由基重排应用较少。(了解)-键迁移重排：在共轭体系中,处于烯丙位的一个-键沿体系经环状过渡态迁移到另一端生成一个新-键，伴随键的转移。(了解),第一节从碳原子到碳原子的重排,Wagner-Meerwein重排Pinacol重排苯偶酰-二苯乙醇酸型重排Favorski重排Wolff重排,一.Wagner-Meerwein重排,定义：终点碳原子上羟基、卤原子或重氮基等，在质子酸或Lewis酸催化下离去形成碳正离子，其邻近的烷基、芳基或氢作1,2-迁移至该碳原子，同时形成更稳定的起点碳正离子，后经亲核取代或质子消除而生成新化合物的反应。,机理：,极不稳定,醇或卤代烃在酸催化下进行亲核取代（SN1）或消除反应烯烃进行亲电加成时发生的重排,1、形成C+形式,(1)、卤代烃Ag+AgCl,(2)、含-NH2,重氮化放氮N2,(3)、-OH,加H+(-H2O),2、迁移基团迁移顺序易带负电荷或带负电荷后相对稳定、且易给出电子的基团容易迁移。据此，可得出一般情况下迁移基团的活性顺序。,3、两点注意：、迁移基团构型保持，重排是在分子内进行。若迁移基团很有可能是经由“桥式”正离子进行的。,过渡态分子轨道模型：,构型保持,、伯胺基脂环化合物生碳正离子在环上，重排后得缩环产物；若在脂环侧链的位，则重排后得扩环产物。(Demyanov),二、Pinacol重排,在酸催化作用下，取代的连乙二醇失去一分子水，重排生成醛或酮的反应称Pinacol重排。取代的连乙二醇称为频呐醇，重排生成的酮称为频呐酮,1反应机理：,II,III,重排反应的动力是：由三级C+生成更加稳定的质子化的酮,(2)、温度：低温下用酸处理时，重排反应优先于单纯的脱水反应；较高温度和强酸条件下，可以发生脱水反应，生成二烯烃。这是Pinacol重排反应的主要副反应。,3反应物结构的影响,四取代邻二叔醇三取代邻二叔醇羟基位于酯环上的邻二叔醇重排Semipinacol重排,1)、四取代连乙二醇（或称邻二叔醇）的重排,(1)、四个取代基相同，单一产物。,(2)、取代基不相同时，在重排反应中何种基团迁移首先取决于正碳离子的稳定性，再取决于基团迁移能力的大小。迁移基团：通常是芳基的迁移能力大于烷基，氢的迁移能力不确定，有时比芳烃还要大，有时却比烷基要小,对称的邻二叔醇重排,生成相同的碳正离子，得单一产物。主要取决于R1和R2的迁移能力，电子云密度大的基团优先转移。,迁移基团电荷密度越高越有利于迁移,基团迁移的优先次序：、如迁移基团是烷基则：3o2o1o、芳基烃基,94%,6%,当R1，R2均为芳基时：对位给电子基时，增加了环上电子云密度，增强了芳基的迁移能力，有利于亲核重排；任何位置存在吸电子基，均使芳基的迁移能力下降。,不对称的邻二叔醇重排：,重排方向主要取决于羟基失去后，所生成碳正离子的稳定性。稳定性顺序为：叔碳仲碳伯碳。,两个羟基中哪一个先离去生成碳正离子，取决于所生成的碳正离子的稳定性。能生成更稳定的碳正离子的羟基先离去。,2）三取代邻二叔醇重排,在三取代邻二叔醇结构中，其中一个羟基为叔羟基，另一个为仲羟基，叔羟基先质子化后离去，仲碳上所连的氢原子或基团发生迁移。如：,3）羟基位于酯环上的邻二叔醇重排扩环脂肪酮：,羟基位于脂环上的邻二叔醇化合物在酸或Lewis酸的催化下发生重排，生成扩环脂肪酮、螺环酮。,重排反应中的立体化学,重排的立体化学,事实证明：不仅片呐醇重排如此，沃尔夫重排，霍夫曼重排，拜尔维立格重排，分子构型均不变,在脂环系统中，若两个羟基均处于同一脂环上，且呈顺式，此时，离去基团(+0H2)与迁移基团互成反式，经重排得相应的酮；,a、,处于反式共平面的基团发生迁移.,若两羟基呈反式，发生键迁移，得缩环产物。,b、,处于反式共平面的基团发生迁移.,4）Semipinacol重排：,邻二叔醇重排重排过程中先消除一个羟基，生成了-位碳正离子的中间体，再发生迁移重排。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。,如：,4应用,连乙二醇类化合物容易从羰基化合物还原偶联反应获得，卤代醇、氨基醇也易合成，所以，Pinacol重排反应在合成上有一定的应用价值。利用该类重排反应主要用来合成结构特殊用其他方法难以制备的酮或醛类。,产物（4）环庚酮是降压药胍乙定合成的原料。,三、苯偶酰-二苯乙醇酸型重排,二苯基乙二酮(苯偶酰)类化合物用碱处理，生成二苯基-羟基酸(二苯乙醇酸)的反应称为苯偶酰-二苯乙醇酸型重排反应。,1反应机理,生成稳定的羧酸盐是反应的动力,2.影响因素,(1).碱该反应所用的碱主要是苛性碱。将-二酮类化合物与KOH共熔，或与浓KOH醇溶液共热，或与70NaOH的水溶液共热，均可引起该重排反应。若用醇盐(ROM)取代苛性碱，其重排产物为相应的酯。,(2).-二酮的结构芳香族-二酮对位或间位有吸电子基，有利于反应进行；？对位和间位有给电子基时，不利于反应进行；？邻位取代基，立体位阻较大，使反应速度减慢。,3.应用实例：,-二酮类化合物通过该重排反应，可以发生缩环,四、Favorski卤化酮重排,-卤代酮在亲核碱(NaOH,RONa等)存在的条件下，发生重排得到羧酸酯、盐或酰胺的反应称为Favorski卤化酮重排反应。,-基团迁移到卤素位置,1、Favorskii重排机理:,-二卤代酮也可发生类似的重排，根据所用碱的不同，分别得到,-不饱和羧酸衍生物及共轭烯酮类化合物。,Favorski卤化酮重排应用制备碳上多烃基取代羧酸衍生物合成有张力的脂环烃羧酸衍生物,大环类化合物的缩环,64%,五、Wolff重排和Arndt-Eistert反应,Wolff重排:重氮酮在银、银盐或铜存在条件下，或用光照射或热分解都消除氮分子而重排为烯酮，生成的烯酮进一步与羟基或胺类化合物作用得到酯类、酰胺或羧酸的反应。通式：,重排机理研究表明：重排与氮气的失去同时进行，即该重排是一协同过程，利用质谱及各种有效的探测方法均未发现碳烯中间体存在的证据。重排生成的脂环烯酮在氧气的存在下经光照，释放出CO2，生成环酮。,2-哌嗪羧酸为重要的药物中间体，可通过该重排而获得。,抗HV病毒药物Oxetanocin可通过该重排而制得中间体，经还原、脱保护而制得产品。,Amdt-Eistert反应：由于-重氮酮不易制备，使该重排反应受到一定限制。Arndt-Eistert等用酰氯与重氮甲烷反应得-重氮酮，再经Wollf重排，生成比原酰氯多一个碳的羧酸的反应。,第二节从碳原子到杂原子的重排,Beckmann重排Hofmann酰胺重排为胺类Curtius重排Schmidt羰基化合物的降解反应Baeyer-Villiger氧化重排,一.Beckmann重排酮肟类化合物在酸性催化剂的作用下，重排成取代酰胺的反应称为Beckmann重排。,1、反应机理:,2影响因素及反应条件,(1)、催化剂:酮肟重排常用的催化剂为酸性试剂，如矿物酸、有机酸、Lewis酸、氯化剂或酰氯等。它们的作用是使肟羟基转变成活性离去基团，以利于氮氧键的断裂。质子酸H+,H2SO4,HCl,H3PO4非质子酸PCl5,SOCl2,TsCl,AlCl3,用质子酸(极性溶剂中）催化时存在异构化问题。,(2)、酮肟的结构由于醛肟在重排条件下易失水形成腈，所以很少用醛肟制备甲酰胺。芳脂酮肟较为稳定，不易异构化，而且芳基比烷基优先迁移，重排后主要得芳胺酰化的产物。,脂环酮肟进行Backmann重排反应，则发生扩环，生成内酰胺类化合物。如环己酮肟的重排，产物为七元环的己内酰胺，它是合成尼龙6的原料。,(3)、溶剂重排反应中的溶剂，在反应过程中既起到反应介质的作用，也起催化剂的作用，其催化剂作用与溶剂的质子亲和力呈正相关系。当溶剂中含有亲核性化合物或溶剂本身为亲核性化合物(如醇、酚、硫醇、胺或叠氮、偏磷酸酯)时，重排生成的中间体与其结合得到相应化合物，而不能异构化成酰胺。,Beckmann重排的应用将酮转变为酰胺合环、扩环成内酰胺化合物制备仲胺,二、Hofmann重排,酰胺用卤素（溴或氯）及碱处理，失去酰胺中的羰基，生成伯胺的反应称为Hofmann重排。由于产物比反应物少一个碳原子，故此类反应又称Hofmann降解反应。,1反应机理Hofmann重排反应机理如下：,当酰胺基的-碳上有手性，重排后，构型不变,当酰胺分子的适当位置有羟基、氨基存在时，可以成环。,2影响因素,(1)酰胺的结构脂肪、脂环、芳香、杂环的单酰胺、双酰胺、酰亚胺都可以进行Hofmann重排。苯甲酰胺：苯环的对位或间位有给电子基取代时，可促进卤负离子脱离而加速重排；对位或间位的吸电子基则不利于卤负离子的脱离，使重排速度减慢。,(2)溶剂：Hofmann重排反应的溶剂有两大类，水和醇类。若酰胺形成的卤代酰胺盐可溶于水时，多采用氢氧化钠的水溶液进行反应。碳原子数大于8的脂肪酰胺，重排生成的异氰酸酯在氢氧化钠水溶液中的溶解度较小，改用醇作溶剂，以醇钠代替氢氧化钠。,3应用,(1)、制备伯胺、氨基甲酸酯及脲酰胺经Hofmann重排可转变成比酰胺少一个原子的伯胺，用醇钠代替NaOH可得氨基甲酸酯。如磺胺甲噁唑中间体3-氨基-5-甲基异噁唑（5），就是由Hofmann重排而制得。,(2)制备醛、酮、腈当酰胺基的-碳原子上有羟基、卤素、烯键时，重排生成不稳定的胺或烯胺，进一步水解，则生成醛或酮。,三、Curtius(库尔悌斯)反应,酰基叠氮化物在惰性溶剂中加热分解生成异氰酸酯:该重排机理与Hofmann重排非常相似,非质子溶剂中进行，可得到较高收率的异氰酸酯；水、醇或胺中进行，其产物分别是胺、氨基甲酸酯和取代脲。,四、Baeyer-Villiger氧化重排,在酸催化下，醛或酮与过氧酸(如过氧乙酸、过氧三氟醋酸等)作用，在烃基与羰基之间插入氧原子生成酯的反应称Baeyer-Villiger氧化重排。,1、反应机理：,2、影响因素（1）过氧酸及溶剂常用的过氧酸有：后发现廉价、方便的H2O2/HOAc。同时需加缓冲剂调节pH，以防止生成的酯与生成的酸发生交换。,（2）基团的迁移能力一般为：叔烷基环己基，仲烷基，苄基，苯基伯烷基甲基。,二芳基酮重排时，芳环上取代基的性质影响其迁移能力的相对大小，有释电子取代基时，对反应有利；反之，使芳基迁移能力减小。其大小次序为：CH3OCH3HClNO2。,利用该重排反应，可以合成结构特殊的醇类；若用环酮，则得到内酯，所以也是合成内酯的方法。,3、应用,第三节从杂原子到碳原子的重排,Steven重排Sommelet-Hauser重排Wittig重排,与杂原子(N，O，S等)相邻的碳原子，由于受杂原子和周围吸电子基(Z)的影响，其活泼氢原子在强碱作用下易形成碳负离子过渡态，然后杂原子上烃基通过分子内(1，2-)迁移至该碳负离子上，从而改变分子骨架，以下列通式表示：,一.Stevens重排,季铵盐分子中连在氮原子的碳原子上具有吸电子的基团取代时，在强碱性条件下，可重排生成叔胺的反应称为Stevens重排反应。,1、反应机理,为分子内重排迁移基构型保持,2影响因素,所用碱性的强弱取决于z吸电子能力的大小。常用碱是NaNH2、NaOR、NaOH等。吸电子基通常是指酰基、酯基、芳基、乙烯基或乙炔基等。常见的迁移基（R3）主要为烯丙基、苄基、烷基及吸电子取代的烷基（-CH2Z）。,3、注意,（1）在烯丙基季铵盐中由于叶立德中负离子直接和乙烯基相连，出现离域作用，得1，2-迁移和1，4-迁移的混合物，增加溶剂的极性和温度均有利于1,4-迁移的生成。,（2）该重排为立体专一性反应，如果迁移基具有手性，重排后构型保持不变。,（3）如果吸电子基为芳基时，提高反应温度，减小溶剂极性将促进Stevens重排。,二、Sommelet-Hauser重排,Sommelet-Hauser重排苄基季铵盐在强碱(如NaNH2，RLi等)催化下，重排成邻位烃基取代的