Transcript 有机化学中的重排反应
有机化学中的 重排反应 目录 一、缺电子重排(亲核重排) 1.Wagner—Meerwein重排 (Demyanov重排) 2.邻叔二醇(pinacol)重排 3.碳烯重排 ⑴Wolff重排 ⑵.Arudt-Eistert 反应 4.缺电子氮的重排 ⑴Hofmann重排 ⑵. Curtius重排 ⑶. Losson重排 5.Beckmann重排 6. Baeyer—Villger重排(缺电 子氧的重排) 二、 富电子重排(亲电重排) 1.Steven重排 2.邻二酮重排 3.Sommelet重排 4.Wittig重排 5.Favorski重排 三、 芳环上的重排反应 1.联苯胺重排 2.Fries重排 3.Claisen重排 多数的有机化学反应是官能团的反应,碳胳一般保持 不变.但在有一些反应中,烃基或别的基团从一个原子迁移 到另一个原子上,碳胳或官能团的位置发生了变化,这类 反应称为分子重排。 重排反应中键的裂解和形成方式: 异裂(离子型) 均裂(自由基型) 环状过渡态(σ键迁移型) 离子型重排反应: 缺电子重排(亲核重排) C—A—Y -Y C—A C—A—Z Z Z 富电子重排(亲电重排) X—B—C Y -Y X—B—C B—C X 按元素分类: 从碳原子到另一碳原子(C 从碳原子到氮原子 (C N) 从氮原子到碳原子 (N C) 从碳原子到氧原子 (C O) 从氧原子到碳原子 (O C) 多数为邻位重排(1,2-重排) • M:迁移基团 • Y:离去基团 • A:重排始点 • B:重排终点 C) 一、 缺电子重排(亲核重排) 缺电子重排反应一般包括三个内容:缺电子中心的创建; 基团Z带着一对电子迁移到缺电子中心,同时原来迁移的始 点成为新的缺电子中心;最后通过与亲核试剂结合或消除 反应满足迁移始点的八隅体结构。: Z A B 迁移基:-R,-N,-X,-OH,-NH2 A和B:-C,-N,-O Z A B Y YA¡ª B¡ª M A=B¡ª M 迁移终点可以是正离子,也可以是电中性的碳烯及氮烯等,但 必须是一个外层只有六个电子的质体—缺电子的反应中心。 1.Wagnar-Meerwein重排 原指醇在酸性条件下的重排,离去基团为H2O。以后扩 大到其它离去基团——瓦格纳尔-米尔文重排,简称瓦-米重 排。瓦-米重排是碳正离子的重排反应,主要决定于碳正离 子的稳定性。 R C C L R C C Nu- -L R C C R Nu C C R C C + +H ÖØ ÅÅ R C C + -H (CH3)3CCHCH3 OH ÎÞË®²ÝËá 100¡ª 110 ¡æ (CH3)3CCH=CH2 + (CH3)2CHC=CH2 CH3 31% 3% + (CH3)2C=C(CH3)2 反应机理是: 61% 醇首先在酸作用下脱去羟基形成碳正离子, 接着α-位的甲基带着电子对转移过来,使仲碳正离子 变成叔碳正离子。 ⑴. 形成C+ 形式 (a) 卤代烃 Ag+ AlCl (CH3)3C-CH2Cl Ag (AgNO3) (CH3)3C-CH2+AgCl (b)含-NH2 重氮化放氮 (CH3)3C-CH3NH2 NaNO2 HCl (CH3)3C-CH2N2Cl -N2 ¡÷ (c) –OH 加 H+ (-H2O) (CH3)3C-CH2OH (CH3)3C-CH2=CH2 H+ -H2 O H+ (CH3)3C-CH2 (CH3)3C-CH-CH3 (CH3)3C-CH2 CH3 CH3 C CH2OH CH3 + H CH3 CH3 C CH2 CH3 CH3 CH3 CH3 C CH2I CH3 AgOAc HAc CH3 CH3 -H2O C CH2+OH2 CH3 Cl- CH3 C +CH2 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 C +CH2 CH3 Cl C CH2 CH3 CH3 OAc C CH2CH3 + CH3 C CHCH3 CH3 CH3 ÉÙÁ¿ 多数重排反应中,是重排成更稳定的碳正离子。 ⑵. 迁移基团迁移顺序 OCH3 Cl £¾ £¾ £¾ RCH3- £¾ CH3- £¾ H- £¾ R3C- £¾R2CH- Ag+ H3C C CH2Cl CH3 H3C H C H ¡Å C CH2 CH3 CH3 ¡Å CH3 C H3C Ag+ H3C C CH2CH3 H3C C CH2Cl H3C C CHCH3 CH3 CH3 CH3 CH3 Ph C H C CH3 CH3 OTs ¡÷ H3C C H C Ph CH3 CH3 苯的迁移速度为甲基的3000倍 ⑶.反应实例 H3C CH2 CH2Br AgNO3 H3C CH2 CH2 H3C CH CH3 Br H C H3C CH3 Br H O CH2OH O CH2 O O H3C CH3 C C CH 3 61% H3C H (H3C)3C C CH3 OH ¡÷ (H3C)3 C C H CH3 (H3C)2 C CH(CH3)2 H3C H3C CH C CH2 31% H3C (H3C)3C C H CH2 3% 瓦-米重排是最早是在研究双环萜烯反应中发现的,典型 的例子如莰烯的氯化氢加成物转变成异冰片基氯化物。 - Cl Cl - Cl Cl 异冰片 莰烯camphene 菠烷(莰烷)bornane 冰片 •捷姆扬诺夫(Demyanov )重排 类似瓦格涅尔-米尔文重排的有脂环伯胺(包括脂 环伯醇)在亚硝酸作用下发生的重排反应,常常伴随着环 的扩大和缩小, 称为Demyanov重排反应,可用于制备三 员到八员环的脂环化合物。 NH2 HNO2 +N N +CH 2 -N2 OH + CH2OH + CH2 而下例是环的扩大: CH2NH2 HNO 2 + CH2OH + CH2 CH2 -N2 OH + 丙胺与亚硝酸作用的主产物为异丙醇, 说明H-原子也可迁移: CH3 H HNO2 CHCH2NH2 CH3 H CHCH2N2+ CH3 OH CHCH3 2. 频呐醇(pinacol)重排 邻二醇(或邻二官能团)合成酮的方法 R R R C C R 反应机理: CH3 + CH3 C C CH3 OH CH3 R C C R O R OH OH CH3 H+ R CH3 CH3 H+ C C CH3 OH OH CH3 CH3 C C CH3 +OH CH3 CH3 CH3 CH3 C C CH3 H2O OH +OH2 H+ CH3 CH3 C C CH3 O CH3 重排的推动力是有较稳定的满足八隅体结构的氧正离子。 (a)四个取代基相同,单一产物。 (b)对称 R1 R1 R2 C C R2 得单一产物。 OH OH CH3 C6H5 C6H5 C C CH3 OH OH H+ - H2O CH3 C6H5 C6H5 C C CH3 OH C6H5 C6H5 C C CH3 CH3 O • 质子化以后,亲核性强的基团优先迁移,总体的迁移 基团迁移活泼性顺序如下: 对甲氧基苯基 > 对甲基苯基 > 苯基 > 对溴苯基 > 烷 基>氢 R' R (c) 结构不对称的二醇的重排,可由生 成的碳正离子的稳定性来判断那一个羟基 是离去基团。 R H+ C CHO H Ö÷Òª H+ _ C OH OH _ C CH2OH C CH2OH OH R' C H2O _ C CH2 OH H+ C CH2 O ´Î Òª (d)其它的邻二叔醇、卤代醇、氨基醇和环氧化物均可 起类似的重排反应。 C6H5 C6H5 HgO CH3 C CH2 CH3 C CH2I OH OH CH3 C +OH C6H5 + -H CH3CCH2C6H5 CH2 O •利用此反应可以合成用别的方法难以合成的含季碳原子的化合物: 1) Mg HO H+ O 2) H2O OH O O OH Ph Ph Ph Ph 3. 碳烯(Carbene)重排 ⑴ Wolff重排 α- 重氮甲酮在水、醇、或胺存在下,用Ag, Ag2O或光照 下催化,分解生成羧酸或酸酸衍生物——Wolff重排. NO2 NO2 COCHN2 Ag2O CH2CO2H H2O 用同位素标记实验证明,发生了Wolff重排: *COCHN2 Ag2O H2O CH2*CO2H 反应是通过碳烯进行, 碳烯重排成烯酮后再水解: O R C CHN 2 Ag+ -N2 O R C CH RCH C 迁移终点为电中性的碳烯 H2O RCH2COOH R'OH O C CH R RCH2COOR' NH3 RCH2CONH2 R'NH2 RCH2CONHR' α-重氮甲酮可由酰氯与过量的重氮甲烷反应制得: RCOCl + CH2N2 重氮甲烷 RCOCHN2 + HCl -重氮甲酮 O ⑵.阿恩特-埃斯特尔特(Arudt-Eistert) 反应 RCOOH RCOL CH2N2 RCOCHN2 RCH2COOH 即,从羧酸经重氮甲酮生成高一级羧酸的方法。 (其中包含了Wolff重排。) COCl CH2N2 CH2COOH ¶àÒ»¸ö ̼µÄËá PhCOOAg/EtOH O N2 ¹â O C O H2O COOH 4. 缺电子氮重排(C→N) • R-N:氮烯(乃春Nitrene)与卡宾类似,只是以N原子代换 C原子。可由重氮分解得到,也可由N-卤代酰胺经-消去 HX得到。(见5.1) • N 原子参加的缺电子重排的基本模式: O R C N 氮烯 RN C O H2O RNH2 异氰酸酯 氮转移一对电子与羰基成 键的时刻氮上缺电子。 紧接着R带着一对电子填补上来。 ⑴霍夫曼(Hofmann)重排 酰胺与溴和碱的水溶液作用,放出CO2, 生成少一个碳 原子的胺, 称为霍夫曼重排(降解). RCONH2 + Br2 + NaOH RNH2 + CO2 + NaBr + H2O 这是制备伯胺的重要方法,例: CONH2 NH2 Br2, KOH Br CH2CO CH2CO O Br Br2, KOH CH2NH2 CH2CO2H 反应机理被认为是通过氮烯中间体进行的: O R C NH2 -Br NaOH Br2 O R C NHBr O R C N 氮烯 R NH COOH OH R N C O O R C NBr H2O 异氰酸酯 CO2 + RNH2 • 经过Nitrene的重排 • 酰胺重排生成少一个碳的胺 • Hoffmann重排:RCOOH→RCONH2→RNH2 二元酸的酰亚胺: O C C NH2 NaOCl NH COOH O O C NH2 COOH 更多例见后 Br2/NaOH (1) (CH3)3C-CH2CONH2 (2) COOH (1) SOCl2 COOH Br 2 FeBr3 OCH3 OCH3 (3) (CH3)3C-CH2NH2 Br (2) NH3 CONH2 Br NH2 Br2 NaOH Br OCH3 OCH3 NaOCl / NaOH 82% CONH2 NH2 O (4) NH O O KOBr / NaOH 0 60 C OK NH2 H+3O O OH NH2 -aminoacid ⑵. Curtius (库尔悌斯)重排: 酰基叠氮化合物也发生类似的重排: R C O N N N O C N R +N2 H2O RNH2 + CO2 酰基叠氮化物在惰性溶剂中加热分解生成异氰酸酯 异氰酸酯水解则得到胺 例: 当酰胺基的α-碳上有羟基、氨基、卤素、烯键时 H R C CONH2 H R C NH2 X X X=Â±ËØ, -OH, -NH2 H2O R C H O ⑶. Schmidt (施密特)重排: 在强酸作用下,叠氮酸与羧酸反应直接生成相应的胺: CH3(CH2)4CO2H + HN3 H2SO4 CH2CH2CO2H H SO + HN3 2 4 CH2CH2CO2H CH3(CH2)4NH2 CH2CH2NH2 CH2CH2NH2 羧酸可以是直链脂肪族的一元或二元羧酸、脂环酸、芳香 酸等;与Hoffmann重排、Curtius反应相比,本反应胺的 收率较高。 例: ⑷.贝克曼(Beckmann)重排 ①定义:醛或酮肟在 酸性条件下,重 排生成酰胺的反 应。(质子酸 R C N R' OH H2SO4 , HCl, H3PO4 非质子酸PCl5, SOCl2, TsCl, AlCl3等) OH C N ② 机理:反应被认 为是通过缺电子氮 进行的: R C N R' -H+ H+ R'CONHR or PCl5 H+ + C N OH2 R C N R' R C N R' OH »¥±äÒì¹¹ H2O R C N R' OH2 R C NH R' O 非质子酸的催化: PCl5 + OH R R' C N OPCl4 R R C N ÀëÈ¥»ùÍÅ ③反应特点: •立体化学:实验表明酮肟的两种顺反异构体是羟基反 位上的基团迁移到N-原子上: C6H5CC6H4OCH3-p N PCl5, -10OC OH m.p. 147OC C6H5CC6H4OCH3-p HO N m.p. 117OC PCl5, -10OC O C C6H4OCH3-p N H C6H5 C6H5 C O N H C6H4OCH2-p • 迁移基团的构型保持 CH3 Ph C H CH3 C NOH O H * CH3 C NHCH CH3 Ph ¹¹ Ðͱ£³ÖÂÊ99.6% 这说明迁移基团没有脱离分子, 因而迁移基团的构型保持不变。 •由两R与同一碳相连的酮肟生成两R分别与C、N相连的酰胺,反 应前后碳的总数不变。 应用 O O C CNH HCOOH/SiO2 + NH2OH HCl 脂环酮肟发生扩环反应生成内酰胺 OH + O + H2N H OH N OH + C N H2O H+ O H2SO4 NH(CH2)5C 尼龙-6 n C N H + OH2 + N O NH 5.Baeyer-Villiger( 拜尔-维立格)重排(C→O) 或拜耶尔-维利格氧化反应 1899 年,Baeyer 和Villiger 首次报道了利用过硫酸作氧化剂 能将环酮(如薄荷酮、香芹酮(樟脑)转化成相应的内酯,这就 是历史上最早的Baeyer-Villiger 氧化反应。现在Baeyer- Villiger 氧化反应已成为酮或环酮转化成酯或内酯的统称。 常用的过氧酸有:H2SO5、MeCO3H、PhCO3H、HCO3H和 CF3CO3H等。现在文献报道的Baeyer-Villiger 氧化反应大多 用双氧水作为氧化剂,因双氧水还原后生成清洁的水,尽管双 氧水具有强腐蚀性,但用双氧水的拜尔-维立格反应仍不失为 一种既安全又符合现代社会绿色环保要求的好方法。 ⑴定义:在过氧酸的作用下,氧原子插入羰基和迁移基团之 间,酮 或醛生成相应的酯或酸的反应叫Baeyer-Villiger重排。 O O PhCO3H R C OR' R C R' O O PhCO3H R C OH R C H ⑵反应机理: OH O O R C R' + PhCOOH O R C O O C Ph O+H R C OR' + PhCO2 R' O R C OR' + PhCO2H 过氧化物先和酮进行亲核加成,然后烷基由碳向氧 作1,2迁移。同时羧酸负离子脱离, 例 O O CF3CO3H O 以三氟取代过氧乙酸为常用 CH3CH2COCH2CH3 + CF3CO3H CH2Cl2 78% CH3CH2CO2CH2CH3 ⑶ 不同烃基迁移至氧原子上的近似次序为: H > C6H5 > 叔烷基 > 仲烷基 > 伯烷基 > 甲基 例 COCH3 + C6H5CO3H HCCl3 67% OCCH3 O (迁移:苯基 -CH3) CH3 CH3 O O RCOOH O (迁移:仲基 伯基) O O RCO3H C CH3 OCOCH 3 (迁移:仲基 -CH3) ∴对于甲基酮,总是生成乙酸酯 二、 富电子重排(亲电重排) 富电子重排反应一般包括三个内容: 在分子中消去一个正离子(反应多在碱性条件下进 行),留下一个碳负离子或具有未共用电子对的中 心; 与之相邻的迁移基团带着正电荷从碳原子或杂原子 迁向C-; 该转移基团所遗留的一对电子(迁移终点)可以吸 取一个质子。 X—B—C Y -Y X—B—C - B—C X 1. Stevens(斯蒂文)重排 ⑴定义 ⑵机理 季铵盐在强碱作用下重排成叔胺的反应 R CH3 N¡ª CH2¡ª R' CH3 R B [ N¡ª CH¡ª R' CH3 CH3 • R=苄基、烯丙基、烃基等; R‘=RCO、ROCO、C6H5等吸电子基团 ] (CH3)2N+ CH2COC6H5 OH- (CH3)2N+ CH2C6H5 CH3S+ CH2COC6H5 CH2C6H5 (CH3)2N CHCOC6H5 - CHCOC6H5 CH2C6H5 CH2C6H5 OH- CH3S+ -CHCOC H 6 5 CH3S CHCOC6H5 CH2C6H5 CH2C6H5 作用物N或S上的正电荷使亚甲基活化, 易生成碳负离子。 迁移基团常为苄基或烯丙基。研究表明,迁移基团在反应 中构型不变。 (CH3)2N+ CH2COC6H5 *CHC6H5 CH3 S- OH- (CH3)2N CHCOC6H5 *CHC6H5 CH3 S- 2. 邻二酮(二苯羟乙酸)(Benzil)重排 ⑴定义: 二苯乙二酮在强碱作用下,重排生成二苯羟乙酸。 Ar O O C C OH O KOH Ar ¡÷ Ar Ar C C O Ar O C C Ar OH C C OK Ar O O ⑵机理: Ar Ar O O C C OH Ar OH O OH Ar C C O Ar • 也可看作亲核重排:迁移基团R带着电子对羰基发生了亲核 加成,所以,具有供电子基团的芳环有利于重排。 若溶剂是有机碱(RONa)则得酯: OCH3 ⑶例: OCH3 OCH3 C C O O OH KOH/n-BuOH/H2O C COOH 2 »ØÁ÷ 94% •少数脂肪族二酮也可以起类似的反应; CH2COOH C O KOH/H2O C O CH2COOH OH (HOOCCH2)2 C COOH ÄûÃÊËá 3.魏狄希(Wittig)重排 ⑴定义: 醚类化合物在烃基锂或氨基钠等强碱的作用下醚 分子中的一个烷基发生位移生成醇的反应。 ⑵机理: •迁移次序:烯丙基,苄基﹥乙基﹥甲基﹥p-NO2-苯基﹥苯基 • 氧两侧使C-稳定的H易离去。 •手性分子构型不变。 ¢ÙPhLi PhCH2 O CH2Ph ¢ÚH3O+ PhCH CH2Ph OH ¢ÙKOH ¢ÚH2O H HO OCH2-CH=CH2 ¢ÙPhLi CH O CH3 + ¢ÚH3O OH C CH3 CH2-CH=CH2 4.法沃斯基(Favorskii)重排 ⑴定义:α-卤代酮在碱(HO- ,RO-, RNH2)的条件下,重 排为相同碳原子数的羧酸、羧酸酯、酰胺。 R EtONa/EtOH R R R C CH3 COOEt CH3 O C C ¦Á-±´úͪµÄ·´Ó¦ R NaOH X R C COOH CH3 NaNH2 R R O C CNH2 CH3 α-基团迁移到卤素位置 O O ⑵机理 Br O Br CH3ONa CH3OH CH3O - O OCH3 COOCH3 H 同位素标 记说明反 应通过一 个三元环 中间体: + COOCH3 - (机理) H R3 R1 C C C R4 R2 O Cl RO RO R1 C R2 R3 C 4 C 2 R B C A R O OR R1 B R3 C R4 S N2 C Cl O A R1 R3 4 R2 C .. C R C O OR R1 R3 4 R2 C C .. R O C OR ROH R1 R ROH 2 C C C O R3 R4 R 1 R3 R2 C CH R4 O C OR R1 R3 R2 CH C R4 C O OR RO ÖÐ R£½H ʱÔòµÃµ½ôÈËá ⑶例 O Ph2C C CH3 Br NaOEt EtOH O Ph2C C OEt CH3 •α-卤代环酮重排得到环缩小的羧酸等产物。 Br 1. OH + 2. H COOH O O Cl CH3ONa COOCH 3 + Cl - ⑷特例 若-卤代酮中未连卤原子的一侧不含-H, 则重排按下面历程进行, 碱与羰基亲核加成,-卤素离去与苯基的亲核进攻 同时进行——相当于SN2,最后生成重排产物酸。 三、芳环上的重排 1. 联苯胺重排:氢化偶氮苯在强酸作用下,重排生成苯胺. H+ NHHN H2N NH2 4,4,-二氨基联苯 为研究反应机理,人们作了以下实验: NHHN + H NHHN H2N H2N CH3 CH3 CH3 不产生 NH2 NH2 CH3 •现公认联苯胺重排是分子内的重排反应, 酸首先使氮原子质子化,N—N键减弱。同时由于 电子效应的影响,使一个苯环的邻对位碳子上显负 电性,另一苯环的邻对位显正电性,通过静电吸引 而形成新的С—С键,同时N—N键断裂而完成重排。 NH2 NH2 NH NH 2H δ+ NH2 NH2 2+ δ- H H H H ¹ý ¶É̬ NH2 H2N 2H H H H2N NH2 也有认为联苯胺重排是通过自由基离子进行的: H N+ H 2 H+ NHHN H N H H N H H2+N -2 H + H2N H +N H H H N+H2 NH2 应用:制偶氮染料 但由于联苯胺有致癌性,其应用受到了很大限制。 2. N-取代苯胺的重排 N-取代苯胺在酸性条件下发生重排,取代基从 氮原子上迁移到苯环的邻对位上。 N+H2NO2 NHNO2 N+H2 NH2 H H+ NO2 H+ NO2 NH2 N+H2 H+ H NHSO3H H+ N+H2SO3H NO2 NO2 N+H2 H SO3H NH2 NH2 -H+ SO3H SO3H 3.傅瑞斯(Fries)重排反应 ⑴定义 酚类的羧酸酯在三氯化铝等催化剂作用下,生成邻位 或对位酚酮的反应. OH OH OCOR COR + AlCl3 COR OH OCOCH3 25¡æ AlCl3 H3C H3C 165¡æ COCH3 OH COCH3 H3C ⑵意义 酚的酰基化反应进行的很慢,且需要过量的AlCl3催 化剂和较高的反应温度。 OH OH C6H13C O C l + (1) AlCl3, 140¡ æ + (2) H3O OH C O C6H13 + C O C6H13 这是因为酚能与AlCl3作用,生成加成物: O OH + Al C3l Al C l2 O =Al C l2 + HCl ⑶机理 O O C R AlCl3 O COR Cl3Al O + R C O + AlCl3 Cl3Al O H C O R Cl3Al O OH OH O C R + + H C O R ¶¯Á¦Ñ§²úÎï + O O R ÈÈÁ¦Ñ§²úÎï AlCl3 ⑷实例 合成蚊蝇杀虫剂—酚羟基二芳基甲烷 OCO (2) R OH AlCl3 OH O C R £¨ R=NO2¡¢ CH3O¡¢ Cl£© [H] CH2 R 4.克莱森(Claisen)重排 σ-迁移反应 ⑴定义:烯丙基芳基醚或烯丙基乙烯基醚发生[3,3]σ迁移生成醛或酮 O O O O OH or H ⑵芳香族Claisen重排 烯丙基芳醚在加热时重排成邻烯丙基酚的反应 1 2 1O 2 3 O OH £ª 3 ¡÷ £ª H+ £ª * * * 例: OCH 2CH=CHCH 3 OH CH 2CH=CH 2 CH 3 若两个邻位已有了取代基,则转移到对位,生成烯丙基酚: ONa H3C CH3 H3C + CH2=CHCHBr OH H3C CH3 CH2CH=CH2 OCH2CH=CH2 CH3