高等有機(jī) 重排反應(yīng)機(jī)理

高等有機(jī)重排反應(yīng)機(jī)理第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六Wagner-Meerwein重排(烯烴制備)Hofmann重排(降解)羧酸衍生物制備胺第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六重排反應(yīng)的定義分子中的基團(tuán)從一個(gè)位置遷移到另一個(gè)新的位置的反應(yīng)RG=rearrangement

groups第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六分類（1）位置1,2重排和非1,2重排:多數(shù)重排是從一個(gè)原子向鄰近原子遷移---1,2遷移。長距離遷移很少。（2）反應(yīng)歷程帶著電子對遷移，可以稱為親核或陰離子重排，可看作親核試劑。不帶電子對遷移，可以稱為親電或陽離子重排，遷移氫叫做質(zhì)子轉(zhuǎn)移重排。帶一個(gè)電子遷移，稱為自由基重排。（3）基團(tuán)斷開與否可分為分子間(遷移基團(tuán)RG與A完全分離，移到另一個(gè)分子的B上)和分子內(nèi)(遷移基團(tuán)RG從同一個(gè)分子的A上移到B上)重排。（4）按元素分類根據(jù)遷移基團(tuán)從某種元素的原子遷移到另一種原子上分為:C→C,C→N,C→O

等等。第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六重排反應(yīng)歷程的研究方法一交叉實(shí)驗(yàn)法--分子內(nèi)重排和分子間重排在反應(yīng)混合物中加入另一種化合物，觀察產(chǎn)物的變化?；蛘邔煞N可以發(fā)生重排的反應(yīng)物放在一起，分子間重排，有交叉產(chǎn)物產(chǎn)生，分子內(nèi)重排，無交叉產(chǎn)物產(chǎn)生。例如：苯氨基重氮苯在酸作用下重排產(chǎn)物為對氨基偶氮苯，如果有-萘酚存在，只得到和-萘酚的偶聯(lián)產(chǎn)物。證明為分子間重排。二立體化學(xué)的研究如果反應(yīng)物有旋光性，可以根據(jù)重排產(chǎn)物是否保持其旋光性來判斷歷程。后面討論的貝克曼重排，其旋光性重排后保持不變，證明其遷移基團(tuán)重排過程中未脫離原來分子，否則，生成外消旋產(chǎn)物。第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六三示蹤原子法用示蹤原子法的方法，可以得到一些直接有用的信息。Claisen重排是通過示蹤原子方法對其歷程進(jìn)一步確證的。四中間體的研究重排反應(yīng)的中間體有的可以分離、鑒定或者捕捉來進(jìn)行研究。如貝克曼重排中間體可以用核磁共振譜直接證明，而且可以加入試劑進(jìn)行捕捉。第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六一、親核重排二、親電重排三、自由基重排四、環(huán)重排第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六一親核重排在親核重排中，遷移基團(tuán)帶一對電子轉(zhuǎn)移到缺電子的原子上。重排反應(yīng)分為三步：1.創(chuàng)造一個(gè)缺電子的六電子中心；2.真正的遷移，產(chǎn)生新缺電子中心；3.新的缺電子中心獲得電子。多數(shù)情況是第二和三步同時(shí)發(fā)生。產(chǎn)生帶六個(gè)電子原子中心的兩個(gè)重要的方法：1.碳正離子的形成，例如醇與酸的反應(yīng)

2.氮烯的形成，?；B氮的分解

另外，還有碳烯和缺電子氧原子的形成可以得到缺電子體系。第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六親核重排大部分是1,2-重排，親核的1,2-重排的動力來自三個(gè)方面：1重排成更穩(wěn)定的正離子。如仲碳正離子或伯碳正離子重排成叔碳正離子。2通過重排轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的中性化合物。如片哪醇重排成酮。3重排后減少空間張力。如伯碳正離子重排成叔碳正離子，正離子更加穩(wěn)定，空間阻力減小。又如α-蒎烯重排生成氯化莰也是張力減小的過程。

第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六1-1Wagner-Meerwein重排反應(yīng)物：一級或二級醇(位具有兩個(gè)或三個(gè)烴基或芳香基)反應(yīng)條件：酸性條件產(chǎn)物：烯烴第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六直接產(chǎn)生重排的碳正離子本身必須穩(wěn)定下來，通常是失去氫，因此產(chǎn)物多為烯烴。反應(yīng)特點(diǎn)：(1)如果失去質(zhì)子有多種選擇的話，產(chǎn)物由Zaitsev規(guī)則決定。Zaitzev規(guī)則：醇失水形成烯烴時(shí)，如果醇羥基有兩個(gè)碳原子，含氫較少的碳原子提供質(zhì)子。(2)氫負(fù)離子可以遷移。(3)反應(yīng)最后步驟也可能是取代反應(yīng)而不是消去。(4)離去基團(tuán)不一定是水，可以是產(chǎn)生碳正離子的任何物種，如氫原子。第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六氫負(fù)離子重排的例子:反應(yīng)最后步驟是取代反應(yīng)第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六1-2Pinanol重排反應(yīng)物：鄰二醇反應(yīng)條件：酸性條件產(chǎn)物：醛或酮羥基質(zhì)子化，失水成碳正離子，相繼發(fā)生基團(tuán)遷移，缺電子中心轉(zhuǎn)移到羥基的氧上，氧為8個(gè)電子所以比較穩(wěn)定，失去質(zhì)子生成酮。第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六Pinanol重排的幾個(gè)問題：(1)不對稱取代醇中形成的碳正離子的穩(wěn)定性決定了哪個(gè)羥基的質(zhì)子化；(2)碳正離子的鄰碳有不同取代基，提供電子穩(wěn)定正電荷較多的基團(tuán)優(yōu)先轉(zhuǎn)移；

(3)遷移基團(tuán)與離去基團(tuán)處于反式位置。另外，位有OH基的碳正離子化合物均有可能發(fā)生這種重排(1)氨基醇，與亞硝酸作用發(fā)生重排；(2)碘代醇，在氧化汞或硝酸銀作用下；(3)烯丙醇在能使其雙鍵質(zhì)子化的強(qiáng)酸作用下；(4)環(huán)氧化物在加熱或在酸性試劑如BF4-或MgBr-乙醚絡(luò)合物作用下。

第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六Ph2C(OH)-CH2OH重排時(shí)，通過高度穩(wěn)定的Ph2C+-CH2OH離子全部生成Ph2CH-CHO。在重排的過渡態(tài)中，正電荷由原來的碳正離子中心、氧原子、遷移基團(tuán)及遷移基團(tuán)所離開的碳原子共享。一般情況，芳基及間位和對位給電子取代基可使遷移能力大大提高。第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六1-3Demyanov(捷姆揚(yáng)諾夫)重排環(huán)的擴(kuò)大和縮小反應(yīng)

反應(yīng)物：脂肪環(huán)烴或脂環(huán)的碳產(chǎn)生碳正離子的化合物，如胺類反應(yīng)條件：與酸反應(yīng)產(chǎn)物：環(huán)的擴(kuò)大和縮小，新的碳正離子與親核試劑結(jié)合或消去。這個(gè)變化涉及仲碳正離子和伯碳正離子的互變。第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六（1）C3到C8的環(huán)擴(kuò)大已實(shí)現(xiàn)，小環(huán)產(chǎn)率高，因?yàn)榻菑埩Φ慕獬峁﹦恿Γh(huán)縮小已用于四員環(huán)和C6到C8的環(huán)，環(huán)戊基陽離子縮小成環(huán)丁基體系，由于張力增大而行不通。（2）某些羥胺發(fā)生環(huán)擴(kuò)大反應(yīng)：（3）類似的反應(yīng)如溴代環(huán)醇與格氏試劑(起堿的作用)反應(yīng)消去OH中的質(zhì)子，加熱環(huán)擴(kuò)大。

第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六同樣，環(huán)丙基碳上產(chǎn)生卡賓或類卡賓會使環(huán)擴(kuò)大。一些脂肪族伯胺與亞硝酸作用發(fā)生類似重排。第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六1-4缺電子氮的重排酮肟、酰胺或?；B氮化合物，氮原子周圍形成六電子缺電子中心，遷移基團(tuán)從碳向氮原子的親核遷移，一般遵循下兩個(gè)模式：Hofmann重排

Curtius重排

Lossen重排

Schmidt重排

Beckmann重排

第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六Hofmann重排反應(yīng)物：

沒有取代的酰胺反應(yīng)條件：次溴酸鈉產(chǎn)物：比原來少一個(gè)碳的一級胺

反應(yīng)的實(shí)際產(chǎn)物是異氰酸酯，由于水解很少分離出來。當(dāng)R是六或七個(gè)以上的碳的烴基，要用Br2和CH3ONa，否則產(chǎn)率很低，異氰酸酯的加成產(chǎn)物為氨基甲酸酯(RNHCOOMe)，此化合物容易離析或水解。當(dāng)用NaOH作為堿時(shí)，則發(fā)生RNH2及RCONH2加成的副反應(yīng)，得到尿素及酰脲。

第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六反應(yīng)歷程如下：

第一步的中間體N-鹵代酰胺已經(jīng)離析出來，第二步是堿奪取質(zhì)子，第三步可能首先是失去溴離子形成氮烯，隨后是實(shí)際的轉(zhuǎn)移。四乙酸鉛與酰胺發(fā)生類似的反應(yīng)，在這種情況下，初產(chǎn)物異氰酸酯和由異氰酸酯形成的胺，與四乙酸鉛釋放出的乙酸反應(yīng)，分別生成脲及?；澹蝗绻写即嬖?，形成氨基甲酸酯。第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六Curtius重排反應(yīng)物：

酰基疊氮化合物反應(yīng)條件：加熱產(chǎn)物：異氰酸酯反應(yīng)中沒有水，可得到高產(chǎn)率的異氰酸酯，當(dāng)然可以進(jìn)一步水解，反應(yīng)在水中或醇中進(jìn)行，產(chǎn)物為胺類、氨基甲酸酯或酰基脲。這個(gè)反應(yīng)幾乎可以應(yīng)用于任何酸，脂肪酸、芳香酸、脂環(huán)、雜環(huán)及不飽和酸。?；B氮化合物可由酰鹵與疊氮化鈉作用或用酰基肼與亞硝酸作用得到。

第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六此反應(yīng)可能為一個(gè)協(xié)同過程，

重排中，具有旋光性的化合物不發(fā)生外消旋化作用，故這個(gè)反應(yīng)是分子內(nèi)的。如:第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六Lossen重排反應(yīng)物：

異羥肟酸或其酰基衍生物反應(yīng)條件：與堿共熱產(chǎn)物：異氰酸酯第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六Schmidt重排反應(yīng)物：

疊氮酸與(1)

羧酸；(2)

醛或酮；(3)

醇或烯。反應(yīng)條件：

酸催化產(chǎn)物：比原來少一個(gè)碳的一級胺或者酰胺最普通的是和羧酸的反應(yīng)

硫酸是常用的催化劑，有時(shí)也用Lewis酸做催化劑。長鏈及有位阻的羧酸反應(yīng)收率較高。酮和疊氮酸反應(yīng)是使NH“插入”到羰基和R基之間，這樣把酮轉(zhuǎn)變成酰胺。醛的重排產(chǎn)物通常是腈

第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六羧酸的反應(yīng)首先?；x子，后面的重排反應(yīng)類似于Curtius重排，不同的是發(fā)生重排的是質(zhì)子化的疊氮化物。

酮與疊氮酸的重排反應(yīng)的歷程如下：首先形成碳正離子，疊氮酸加成，失去水分子然后重排，新的碳正離子中心加成，失去氫離子，產(chǎn)生可以互變的酰胺結(jié)構(gòu)。

第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六Beckmann重排反應(yīng)物：

肟或肟的酯反應(yīng)條件：

PCl5、濃硫酸、甲酸、液體SO2、PPh3-CCl4、多聚磷酸等酸性條件產(chǎn)物：取代酰胺

環(huán)酮肟重排反應(yīng)時(shí)發(fā)生擴(kuò)環(huán)反應(yīng)。

第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六首先是OH基質(zhì)子化離去，后面反應(yīng)類似于Schmidt重排反應(yīng)的機(jī)理。遷移基團(tuán)與離去基團(tuán)處于反式位置，對于對稱的酮肟，重排后只得到一種酰胺。不對稱的酮肟，不同Z、E構(gòu)型得到不同的酰胺，由此推斷原來肟的構(gòu)型。特點(diǎn)：(1)酸催化，幫助-OH離去；(2)遷移基團(tuán)與離去基團(tuán)處于反式位置；(3)基團(tuán)的離去和遷移是同步的，無混合物產(chǎn)生；(4)遷移基團(tuán)遷移后構(gòu)型不變第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六1-5缺電子氧的重排

Baeyer-Villiger重排聯(lián)苯酰-二苯基羥基乙酸重排反應(yīng)第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六Baeyer-Villiger重排反應(yīng)物：

酮與過酸或其他過氧化物反應(yīng)條件：

酸催化劑產(chǎn)物：把氧插入到羰基和烷基之間的酯

不對稱酮的遷移順序：叔烷基>仲烷基、

芳基>伯烷基>甲基。供電基團(tuán)增大芳基的遷移能力，吸電基團(tuán)相反。支持這個(gè)機(jī)理的重要證據(jù)是，二苯甲酮-18O反應(yīng)的產(chǎn)物，其同位素氧全在羰基上，而烷基氧沒有任何放射性。

第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六聯(lián)苯酰-二苯基羥基乙酸重排反應(yīng)反應(yīng)物：

-二酮反應(yīng)條件：堿作用下產(chǎn)物：

-羥基酸的鹽芳香族反應(yīng)物較常見，反應(yīng)也能用于脂肪二酮和-酮醛

第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六OH-進(jìn)攻羰基產(chǎn)生氧負(fù)離子，苯基帶一對電子遷移到另一個(gè)羰基上。烷氧基代替OH-直接生成相應(yīng)的酯第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六親核反應(yīng)的特點(diǎn)一、分子內(nèi)反應(yīng)基團(tuán)的遷移多數(shù)1,2遷移是為分子內(nèi)反應(yīng)，即遷移基團(tuán)RG沒有裂解，仍以某種形式相連。最有力的證據(jù)是手性基團(tuán)遷移構(gòu)型保持。下列轉(zhuǎn)變保持原有構(gòu)型，

但是，遷移基團(tuán)的起點(diǎn)和終點(diǎn)A、B原子的構(gòu)型有可能發(fā)生轉(zhuǎn)化。第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六若在B處發(fā)生消旋化，B處形成碳正離子，可能遷移基團(tuán)與母體分子斷裂，類似SN1歷程若在B處反轉(zhuǎn)，則前兩步是協(xié)同的，類似SN2歷程第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六注意下列三點(diǎn):(a)當(dāng)B是三級碳原子或至少帶有一個(gè)芳基多發(fā)生類似SN1的過程。(b)當(dāng)遷移基團(tuán)RG為芳香基或乙烯基，可能形成中間體。由于芳香體系分散了正電荷而穩(wěn)定。(c)氫遷移，中間體沒有定論。第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六2.遷移的傾向許多反應(yīng)遷移基團(tuán)是一定，有些反應(yīng)只有一個(gè)基團(tuán)可以遷移，Beckmann重排，與羥基處于反位的基團(tuán)遷移。但是，如Wagner-Meerwein重排和Pinanol重排，分子含有幾個(gè)遷移基團(tuán)，遷移的傾向往往是芳基>烴基。第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六3.記憶效應(yīng)

下列反應(yīng)形成的中間體好象一樣，但是得到的主要產(chǎn)物是不一樣的，好象記住了怎樣形成的碳正離子。機(jī)理還沒有完全清楚，可能離子不同的溶劑化作用，或者形成過程中具有相反的扭曲幾何結(jié)構(gòu)第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4長距離親核重排

例如氫負(fù)離子的1,3遷移，也有更長距離的重排，如跨環(huán)重排。一般烴基不會跨環(huán)重排，芳基有時(shí)發(fā)生跨環(huán)重排。

第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六二親電重排親電重排，基團(tuán)不帶電子遷移,這種重排反應(yīng)少的多，但原理是一樣的，產(chǎn)生陰碳離子或具有活潑的未共用電子對中心，重排基團(tuán)不帶電子遷移，產(chǎn)物可能穩(wěn)定也可能繼續(xù)反應(yīng)。

第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六Favorskii重排反應(yīng)物：

-鹵代酮、-羥基酮和-環(huán)氧酯反應(yīng)條件：和烷氧負(fù)離子反應(yīng)產(chǎn)物：

酯-鹵代酮和烷氧離子反應(yīng)重排生成酯。利用氫氧離子或胺作堿，得到游離酸或酰胺。

環(huán)-鹵代酮反應(yīng)使環(huán)收縮，-羥基酮和-環(huán)氧酯也能發(fā)生類似反應(yīng)第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六下列反應(yīng)中I和II發(fā)生重排時(shí)都生成化合物III，由此判斷認(rèn)為鹵素先離去,相鄰基團(tuán)沒有斷裂來占領(lǐng)它的位置，否則化合物II生成PhCHMeCOOH(CH3基團(tuán)遷移)。下面反應(yīng)歷程同樣解釋了化合物I和II重排生成相同化合物III，

第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六下列化合物IV中，C-1和C-2用14C等量標(biāo)記，產(chǎn)物羰基碳含有50%的標(biāo)記碳，產(chǎn)物中C-1和C-2各含有25%的標(biāo)記碳。開始的化合物本來就有50%的標(biāo)記碳原子的羰基碳原子，重排產(chǎn)物沒有變化，說明重排反應(yīng)沒有影響到羰基碳原子。

如果C-6碳原子遷移到C-2，則另外50%放射性應(yīng)該只在產(chǎn)物的C-1上。同樣，如果C-2碳原子遷移到C-6，則另外50%放射性應(yīng)該只在產(chǎn)物的C-2上。事實(shí)上，C-1和C-2各含有相等的放射性。表明兩種遷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，因此反應(yīng)過程必然經(jīng)過一個(gè)對稱的中間體,使

C-2和C-6位置等同.第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六這個(gè)反應(yīng)歷程要求在鹵素的另一側(cè)含有一個(gè)氫原子，所以一般情況下，前面的R1需要用CHR5R6來代替第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六三自由基重排一般是形成一個(gè)游離基，遷移基團(tuán)帶一個(gè)電子遷移，新游離基進(jìn)一步反應(yīng)得到穩(wěn)定。制備自由基最普通的方法是醛類的脫羰基。

一般是芳基、乙烯基、乙酰氧基和鹵素遷移。芳香基能遷移，而烴基和氫不能發(fā)生遷移，有人提出橋式過渡態(tài)第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六四環(huán)重排聯(lián)苯胺重排Claisen重排cope重排第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4-1聯(lián)苯胺重排反應(yīng)物：

氫化偶氮苯反應(yīng)條件：

酸催化劑產(chǎn)物：主要為4,4’-二氨基聯(lián)苯和2,4’-二氨基聯(lián)苯

氫化偶氮苯反應(yīng)過程中沒有裂解(1)交叉實(shí)驗(yàn),如ArNHNHAr’沒有生成含有兩個(gè)Ar原子團(tuán)或者兩個(gè)Ar’原子團(tuán)的產(chǎn)物,同樣,ArNHNHAr與Ar’NHNHAr’混合物進(jìn)行重排時(shí)也沒有得到同時(shí)含有Ar和Ar’的產(chǎn)物。(2)當(dāng)環(huán)的氫被氘所取代，沒有觀測到任何動力學(xué)同位素效應(yīng)(就是說反應(yīng)過程中沒有碳?xì)?氘)鍵斷裂，或者它們不是決速步驟)。第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六極性過渡態(tài)理論解釋為，反應(yīng)過程中，電子沿環(huán)運(yùn)動，使兩個(gè)環(huán)能按2,2’、4,4’或2,4’方式連接，中間體轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物或其他化合物。第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4-2

Claisen重排反應(yīng)物：

烯丙基芳基醚反應(yīng)條件：

加熱產(chǎn)物：鄰烯丙基酚烯丙基芳基醚的Claisen重排是由側(cè)鏈到環(huán)上的分子內(nèi)重排

第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六這是一種協(xié)同重排反應(yīng)(concertedrearrangement)。反應(yīng)中兩個(gè)共軛系形成環(huán)狀中間體，有一個(gè)鍵斷裂，同時(shí)結(jié)合成新鍵，所以好象鍵在位移，過程中沒有正、負(fù)離子和碳烯等中間體存在。

第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4-3

cope重排

反應(yīng)物：1，5-二烯反應(yīng)條件：

加熱產(chǎn)物：異構(gòu)化產(chǎn)物很明顯，反應(yīng)是可逆的，得到混合物。但是3-羥基-1，5-二烯的重排反應(yīng)是不可逆的。產(chǎn)物異構(gòu)化為醛。

第五十頁，共五十六頁，編輯于2