重排反应总结

Aryl Participation---The Phenonium Ion Controversy
有关芳基能否进行和如何进行邻基参与，一直 存在争论. 1949年，Cram发现3-phenyl-2-butyl tosylate, 在HOAc中的溶剂解反应中，L-Threo-tosylate 生成了96%的外消旋产物，而L-erythro-tosylate 则生成了98%的光学活性的L-erythro-acetate。 由此，他提出了phenonium中间体的存在.
在superacids中，phenonium ion已经观察到。 有electron-donating group的苯基也同样可形成 类似中间体.
Stereochemistry in Arrangement 在迁移过程中, 迁移基团将用同一轨道的同一球 (lobe)与迁移起始C和迁移终点C相键合, 所以 它的立体构型应该是保持的(retained). 事实上，Predominant retention is observed, but some racemization may occur。 例如， (3S)-1-amino-2,3-dimethyl-2-pentanol在 HNO2中的反应。
在superacids中，碳正离子一般有较长的寿命， 可以重排成最稳定的碳正离子，而具有相同稳 定性的碳正离子间可以快速转变。如： 在零下180度，下述离子在NMR中只有一个峰。
fast + + +
但在一定条件下，如: 1 ) 两种离子间的能量差 不是太大；2 ) 碳正离子不发生别的快速反应。 由较稳定的碳正离子重排成较不稳定的碳正离 子的反应也可以发生。
t-Bu H
A H+
Ph OH
t-Bu H
B
OH OH
Ph t-Bu O
C
H
Hale Waihona Puke t-Bu HDPh CHO
H 3C Et HO
C
CH2OH
H
+
H 3C Et C H R-
CHO +
H 3C H Et
C
CHO
S
S-
产物为外消旋体，说明中间体为碳正离子，而 不是邻基参与的桥状中间体。否则将得到构型 逆转产物。
• Cationic rearrangement
1) 1, 2-Shifts in Carbenium 2) Carbonium Ions 3) Migrations to Carbonyl Carbon 4) Migration to e-deficient N and O Atoms
• Carbanion rearrangement • Rearrangement of Radicals
The driving force to migration in solvolyses and similar reactions is usually the formation of a more stable carbocation.
经测定，一般t- C+与s- C+或s- C+与n- C+间能量 差别在11-15kcal/mol间。所以，重排成稳定C+ 的反应通常是一个放热的反应。 除了1, 2-diols外，其它化合物也可以发生类似 的重排：
如：异丙基正离子可以转化成正丙基正离子
+ 0-40oC fast + Ea = 16 kcal/mol
在超酸中，各种碳正离子间有充足的时间进行 重排。叔碳正离子也可以重排为仲碳正离子。 正丙基环葵烷离子经多次H和R基团的迁移，可 一转化成40%的正庚基环己烷离子和60%的甲 基环十二烷离子。具体过程如下所示：
Z A X B Gauche B Z A + A Z +
B
若Z处于X的anti位, 那么构型将逆转。因此，产 物的立体化学主要取决于稳定构象中Z与X的相 对位臵。
Z A B X anti +
Z A B A B Z
+
例如：下述化合物的重排反应
Ph H H Ph OH CH 3 NH 2 HNO2 Ph CH3 S (anti-shift) 88 % C COPh + H C H3C Ph R (Gauche shift) 12 % COPh
H
X Aryl-assisted threo
logkt -2.0 -3.0 -4.0
P-MeO
P-Me m-Me H P-Cl
m-Cl
M-CF3
P-CF3
-5.0
P-NO2
m，m’-（CF3）2
-0.4
0
0.4
0.8
s
如果没有邻基参与,那么反应速率logkt (产物生成 速率) 应与取代基X的s值有线性相关关系。 事实上，当X为强拉电子取代基时， log kt-s符 合linear free-energy relationship；但X为给电子 取代基时，则出现很大偏差。
H NH2 OH HNO2 33 % yield H 86-88 % retained
(3S)-1-amino-2,3-dimethyl-2-pentanol
H N2+ - H+ OH (D2O)
H+
H(D) OH racemized OH+
迁移终点C的立体化学取决于离去 基团离去和迁移基团shift的相对时 Z 机。如果Z在C-X键完全断裂前已 C 经开始迁移，那么C的构型将逆转。
CH 3
CH3
CH3
H
H3C + Ph
+ OH H
H3C
Ph OH +
H 3C H
OH
Ph
CH3
CH3
TS
H
+ H3C
TS
OH + H 3C OH
Ph less hindered
Ph
H
When the steric effects in TS for retention and inversion are of equal energy, attack of a migration group on a carbocation fromed by deamination occurs preferentially from the back side.
W Y C C X -X
-
W+ Y C C Nuc
-
W Y C C Nuc C Nuc
W Y C
由于邻基的有效浓度很高，且进攻形成反应过渡 态时所需的重新组合能很小，这类反应一般比分 子间或单分子取代反应要快。事实上，如果邻基 参与发生，那么反应常常被加快，即通常称为 邻基参与(anchimetric assistance or neighbouring group participation)。 对邻位H原子和烷基，也可以发生类似的邻基 参与。 Z Winstein指出这种bridging 与超共轭的离域程度不同， 前者Z的核移动较多，而后者 X Z= H、R 几乎不发生核移动。
agno3h2oohch正丁醇在酸性介质中的重排phphchotf80etohaqphphchphchphhochphphph烯基碳正离子的重排在superacids中碳正离子一般有较长的寿命可以重排成最稳定的碳正离子而具有相同稳定性的碳正离子间可以快速转变
Intramolecular Rearrangements
2) 若Cα +很稳定，有long lifetime，那么Cα 构型 是保持还是逆转主要取决于过渡态的能量高低。
Tol-p H H3C NH 2 Ph HNO2 OH H C p-Tol Ph S (Gauche shift) 58 % COCH3 + H C Ph Tol-p R (anti shift) 42 % COCH3
由此认为，比预料的快的速率是由于Ar的协助 引起的。在上述反应中，若反应没有受到Ar的 邻基参与，-OBs的电离也将受到溶剂的协助。 所以Ar的anchimetric assistance引起的速率提高 并不是非常大，即只有几倍。事实上,在非亲核 性溶剂中，上述速率偏差更大.
另外，primary -aryl tosylates的溶剂解也同时 受到aryl与solvent的协助。但tertiary -aryl tosylates 仅电离形成stable C+。
Z
β
Z
C
C X
α
βC
C α X
Bridging
Hyperconjugation
实验表明: In open-chain and unstrained cyclic compounds，hydride and alkyl groups usually do not provide anchimetric assistance, if the leaving group is on a secondary or tertiary carbon.
例如，Pinacol在O18标记的酸性介质中重排， 可以回收到含O18标记的Pinacol，说明碳正离子 中间体的存在。
C C H+ H2 O
18
C O
C
+
C
C
OH OH
OH O18H
recovered
立体化学证据进一步证明了H和R在pinacol重排 中不发生邻基参与。化合物A与B重排后生成了 相同比率的产物C与D(9:1)。说明二者经过了同 Ph 样的碳正离子中间体。 OH
OAc H H CH3 Ph L-threo H CH3
OTs H H CH3 Ph L-threo CH3
H H 3C


H CH 3
H
+
Ac O
at
-C
HO
Ac
Phenonium
at C
H
OAc Ph CH3 D-threo
CH3
OAc H H 3C CH3 Ph L-erythro H3C
+
CH 3
H3C
+ H
H3C
+
H H
H 3C H
+
H
+ CH3
H
H
H
The Timing of the Migration in Acryclic Alkyl systems
基团的迁移与碳正离子的形成是同步的还是分 步的？
Y: C C X -XC Y+ C NucC C Nuc C Nuc C Y: Y:
CH3 CH3 H C Ph C + H H CH3 CH3 C + C Ph H
不过，后来Schleyer与Brown完成的工作也确信 了phenonium ion的存在。他们测定了一系列化 合物的乙酸解反应速率.
OBs H H CH 3 CH 3 H CH3 OAc H CH3 H H3C CH3 X X Solvent-assisted erythro OAc
C CH2I AgNO3 C H2O + CH 2 C + CH2CH3
+
C OH
CH 2CH 3
正丁醇在酸性介质中的重排
CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CHCH3 -H H -H2O CH3CH2CH2CH2
CH3CH=CHCH3
烯基碳正离子的重排
Ph OTf 80 % EtOH(aq) Ph H2O CH3 Ph Ph Ph HO CH 3 CH 3 Ph Ph + CH3 O Ph Ph + CH 3 Ph
OTs H H 3C CH3
H H 3C


CH3 H
H
H +
H
ca OA
C t
Ph L-erythro Phenonium
HO
Ac
at
C
H
OAc Ph CH3 L-erythro
H
Winstein测定了L-Threo-tosylate的乙酸解反应 过程中对甲苯磺酸生成的速率与外消旋速率， 发现前者仅为后者的1/5。认为Phenonium的产 生以及与TsO-的重新结合速度都很快。 1960s, H.C.Brown对此提出了异议。他认为之所 以有上述结果, 是因为ph的快速迁移所致, 以至于 C-C没机会旋转。这使溶剂分子HOAc只能从 ph的背面进攻的缘故.
1, 2-Shifts in Carbenium Ions
C C + R C C + R
实例：Pinacol的重排
C C H+ C C
C OH
OH OH
OH OH2+
C +
+ C OH
C
C + OH
C
-H + C O C
Pinacol 重排广义上是指1，2-diols 经碳正离子 的重排反应，重排的不一定是CH3，可以是H， 其它烷基或芳基。 Pinacol重排反应的推动力是形成了稳定的质子 化羰基。
+
+ CH2CH2CH3 + (CH2)6CH3 CH2CH2CH3 CH2CH2 CH3
+
(CH 2)3CH 3
+
环缩小
+ CH 2CH 2CH 3 + CHCH 2CH 3
11
+ CH2CH3
12
+
CH3
环扩大
重排时，迁移基团的轨道与空p轨道的趋向必 须基本平行。 H +
H H
+H
H
+
H
CH3
C X
Cl H Ph OH COPh Cl H H3C OH COPh Ph C H3C COPh Only CHO CH3 H3C C Ph COPh Only CHO
AgBF4 Et2O
Ph
AgBF4 Et2O
1, 2-Acyl Shift Reaction
如果在Z发生迁移前，X已完全离去,那么Cα 可以 发生构型保持或逆转。 1) 若C+很不稳定,而Z处于离去基团的gauche 位, 那么C将保持构型。