[理学]第八章 分子重排反应

2
（三）缺电子氧的重排 和碳原子及氮原子相比，氧原子电负性更大，形成 缺电子氧所需要的能量更大，该体系更不稳定，一 般不大可能作为单独的电正性的质点存在于体系中， 所以其分子内部重排的特点更为明显。 1、Baeyer-Villiger重排
酮被过氧化氢或过氧酸氧化生成酯的反应称为 Baeyer-Villiger重排。在此反应中，开链酮氧化成一 般酯，环酮则氧化成内酯。如：
(2) 通过重排转变成稳定的中性化合物。
R 2C CR2 H 片呐醇重排 R 3C C R O
OH OH
(3)重排后减少空间张力。
CH3 CH3 C CH2 CH3
张力大
CH3
C CH2CH3 CH3
张力小
又如蒎烯重排生成菠基氯也是张力减小的过程。
Cl
HCl 蒎烯
菠基氯（氯化莰）
形成缺电子体系主要有下面四种方法: (a) 碳正离子 的形成，(b) 氮烯的生成，(c) 碳烯的形成，(d) 缺电 子氧原子的形成。其中以形成碳正离子与氮烯的两 种方法最为重要。
4、按光学活性分类：光学活性不变的重排和光学活 性改变的重排。
5、根据迁移基团是否脱离原来的分子分类：分子内 重排与分子间重排。
二、亲核重排
在亲核重排中，迁移基团带着一对电子转移到缺电子 的原子上。一般可以把亲核重排分为三步：
(1)首先形成一个缺电子的外层为六个电子的原子或离 子，这个缺电子体系也称为开放的六隅体。
（二）氮烯的重排 酮肟、酰胺、酰基叠氮化物等含氮化合物在反应过 程中，使氮原子周围形成了仅六个电子的缺电子中 心，也就是形成了乃春(nitrene)或乃春正离子，从 而发生重排反应。 1、Beckmann重排
酮肟在磷酸、浓硫酸、五氯化磷等酸性催化条件下， 重排为酰胺的反应叫做贝克曼(Beckmann)重排。
CH3 OH CH3 O CH3 CH3 反位迁移
除邻位二醇外，卤代醇、氨基醇等也可以起类似的 重排反应。如：
C6H5 CH3 C CH2I OH CH3 C CH2C6H5 OH CH3 CH3
CH3 C C CH3 OH NH2 CH3 C C(CH3)3 OH
HgO
C6H5 CH3 C CH2 OH
第八章 分子重排反应
在有机化学反应中，取代基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变化的一 类反应称为分子重排。分子重排反应是一类很重 要的有机反应，对于研究反应历程、了解有关的 有机反应及有机合成都具有很重要的意义。
一、分子重排反应的分类
分子重排反应有多种分类方法： 1、按反应历程分类：亲核重排（缺电子重排）、亲 电重排（富电子重排）与自由基重排。 2、按元素分类：CC、CN、CO、 NC、 OC、OP等重排。 3、按有机化合物类型分类：脂肪族化合物重排、芳 香族化合物重排及杂环化合物重排。
CH3CH2CH2NH2 HNO2 CH3CH2CH2N N H2O _H _N OH CH3CHCH3 H CH3CHCH2
2
CH3CHCH3
脂环族伯胺与亚硝酸作用可以得到环的扩大或缩小 的产物。如果形成的碳正离子其正电荷在脂环基的 碳原子上，则发生环的扩大；正电荷如果在环上， 则可能发生环的缩小。
（一）碳正离子的重排
1、Wagner-Meerwein重排 瓦格涅尔-米尔外因(Wagner-Meerwein)重排最早是 在双环萜类的反应中发现的。如蒎烯与HCl作用 发生重排生成氯化莰。氯化莰又可脱HCl重排得到 莰烯。
H 蒎烯 Cl _ Cl 重排 _H 莰烯 重排 Cl Cl
氯化莰
H2SO4
(C6H5)2C
C(CH3)2
H+
(C6H5)2C
CCH3
OH OH
CH3 O
基团迁移倾向的大小顺序是芳基 > 烷基。氢原子的 迁移能力表现得不规则，一些场合下迁移能力小于 烷基，但某些场合下又优于芳基。在芳基中，当位 阻不太大时迁移能力则取决于基团的亲核能力。
取代苯基 相对迁移能力 MeO 500 Cl OMe 1.00 0.7 0.3 Me Me 15.7 1.95
产物(B)中发生了双键位移，这种烯丙基系统中双键 发生位移的反应称为烯丙基重排。
C6H5
CH CH CH2 OH
H
C6H5
CH CH CH2OH
CH3CH CHCH2Cl
NaOH CH3CH CHCH2 H2O CH3CH CHCH2OH CH3CHCH CH2 H2O CH3CHCH CH2 OH
丁二酰亚胺也可以发生Hofmann重排，生成氨基丙 酸。
O CH2 CH2 C C NH O KOBr + 2KOH CH2NH2 CH2COOH
3、Curtius重排
柯提斯（Curtius）重排是指酰基叠氮化物在加热时 重排为异氰酸酯的反应。反应中失N2生成乃春中间 体。迁移基团可以为各种烃基、杂环基及含各种官 能团的，反应可以用质子酸催化，但不用催化剂， 仅加热就可以得到好产率。酰基叠氮化物一般由酰 氯与叠氮化钠作用得到。
CH2COOH
HN3 H2SO4
CH2NH2
92%
羧酸与叠氮酸反应的历程为：
O R C OH H2SO4 O R C N N N O O
R C OH2 _ R C H2O _N O
2
HN3 _ H
R C N Nitrene
R N C O
H2O
R NH2 + CO2
酮与叠氮酸反应的历程为：
O R C R + HN3 R R C N N N OH _N R R C N OH OH R N C R H O R N C R
(2)迁移基团带着一对电子迁移至六电子原子上。 (3)最后通过与亲核试剂作用或发生消去等形成产物。
Z A B L (1) Z A B 重排 (2) Z A B (3) Nu Z A B
有时其中两步或三步实际上是几乎同时发生的。
亲核重排中绝大多数为1,2-重排，重排的动力一般来 自三个方面：
(1) 重排成更加稳定的正离子。
O
For example：
.
H2SO4 OH OH
mechanism：
.
H+ OH OH OH2 OH
-H2O OH
- H+ HO O
当片呐醇中两个羟基所连基团不同时，则羟基离去 能力的大小取决于生成碳正离子的稳定性。能生成 更稳定的碳正离子的一边的羟基优先离去。
C6H5 C6H5 C CH CH3 OH OH C6H5 C6H5 CH C CH3 O
_H
I比OH更容易离去
CH3CCH2C6H5 O
CH3 CH3 CH3 C OH CH3 C C(CH3)3 O C CH3
HNO2 _N 2 _H
4、烯丙基重排
烯丙基卤化物在SN1反应条件下，能生成较稳定的离 域的碳正离子，与亲核试剂作用可得到两个互为异 构体的取代产物。
R CH CH CH2X R CH CH CH2 Nu R CH CH CH2Nu + R CH CH CH2 Nu (A) (B)
在简单的链状化合物中也常发生Wagner-Meerwein 重排。最常见的为醇在酸性条件下发生的重排。
CH3 CH3 C CH2OH CH3 CH3 CH3 C CH2 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 C CH2OH2 CH3 C CH2CH3 Cl CH3 CH3 C CH2CH3 Cl _H O 2
CH2NH2 HNO2 H2O _H _H H2O _H _H
CH2N N CH2OH CH2
_N
2
CH2
重排
OH
NH2
HNO2
N N
_N
2
H2O _H _H H2O _H _H
OH
重排 CH2
CH2OH CH2
捷姆扬诺夫重排也可以看作是一种瓦格涅尔-米尔 外因重排，在合成上用于制备含三员到八员环的脂 环化合物。
3、片呐醇(Pinacol)重排
当用无机酸及其酰氯等处理邻二叔醇时发生的重排 称为片呐醇重排，重排的产物称片呐酮。
R2 R3 R C
1Baidu Nhomakorabea
C R
4
H2SO4
R2 R1 C C R3 O R4
CH3 C6H5 C C CH3 C6H5 O
OH OH
CH3 CH3 C6H5 C C C6H5 OH OH
H2SO4
O R C Cl + NaN3 O R C N N N _N O R C N Nitrene R N C O H2O OH R NH2 + CO2
2
例如:
Me2CHCH2COCl + NaN3 CHCl3 Me2CHCH2 N C O Me2CHCH2CON3 H2O Me2CHCH2NH2 + CO2 70%
HCl
氢也可以作为迁移基团，如：
H CH3 H CH3 C CHCH3 CH3 CH3 C CH2CH3 CH3 Cl CH3 C CHCH3 CH3 OH H HCl CH3 C CHCH3 CH3 OH2 Cl C CH2CH3 CH3 _H O 2
2、Demyanov重排
捷姆扬诺夫(Demyanov)重排是指脂肪族或脂环族伯 胺与亚硝酸作用发生的一种重排。
4、Schmidt重排
羧酸、醛、酮等与叠氮酸在强酸作用下重排生成伯 胺及酰胺的反应称为施密特（Schmidt）重排。
RCOOH + HN3 H2SO4 R NH2 + N2 + CO2
酮的Schmidt重排实际生成取代酰胺。
O R C R + HN3 O H2SO4 R C NH R + N2
如：
N OH H2SO4 90~95 。 C NH O
己内酰胺（尼龙-6 的单体）
Beckmann重排的历程为：
R C R1 N OH H2O H R C R1 N OH2 R C R1 N HO C R1 R N C R1 R N O C R1 NHR
H2O C R1 _ H R N
以上几步在反应中几乎是连续同时发生的，转移基 团只能从羟基的背面进攻缺电子的氮原子，因此基 团为反位迁移，反应产物有立体专一性。
Et n-Bu C Me H N OH O C Me Et n-Bu NH H
95% H2SO4
2、Hofmann重排（ Hofmann降级） Hofmann重排指氮原子上没有取代的酰胺在碱性介 质中与卤素作用重排为异氰酸酯，后者在碱性介质 中继续水解生成伯胺和二氧化碳的反应。
O R C NH2 + Br NaOH Br _ HBr O H R C N OH Br _ HBr 消除反应 R N C O 异氰酸酯 H2O O R C N Nitrene
实际上重排的邻二醇并不一定是邻二叔醇，有时 叔仲醇或双仲醇也能发生片呐醇重排。例如：
C6H5 C6H5 C CH CH3 OH OH H2SO4 C6H5 C6H5 CH C H O CH2 CH2 CH CHO H2SO4 C6H5 C6H5 CH C CH3 O
C6H5 CH CH C6H5 OH OH CH2 CH2
CH OH BF3, 丁醚 CH OH
片呐醇重排一般都认为是由质子进攻羟基去水后形 成缺电子中心的碳正离子，然后发生烃基或氢的转 移，缺电子中心转移到羟基碳原子上，最后失去质 子而完成重排反应。如：
CH3 CH3 C6H5 C C C6H5 OH OH CH3 CH3 C6H5 C OH CH3 CH3 C O C C6H5 C6H5 C C6H5 迁移 H CH3 CH3 C6H5 C C C6H5 OH OH2 CH3 CH3 C C C6H5 OH C6H5 _H _H O 2
邻甲氧苯基迁移能力最小，主要是由于位阻太大。
片呐醇重排的立体化学表明，迁移是处在离去基团反 位上的基团迁移至缺电子中心上。
CH3 OH OH CH3 CH3 OH CH3 O C CH3 CH3 反位迁移 C CH3 CH3 OH _H H CH3 OH OH2 CH3 _H O 2
CH3 OH H CH3 _ H2O OH OH CH3 CH3 _H
R NH2 + CO2
在酰胺分子中可以转移的只有一种烃基，烃基的性 质可影响转移的速度。给电子的烃基反应速度高， 吸电子的烃基反应速度低。而且具有手性碳原子的 R转移时并不消失其光学活性，保持了原构型。
CH3 C6H5 C CONH2 H Br2 + NaOH CH3 C6H5 C NH2 + CO2 H
当酮肟具有两种顺反异构体时，重排的产物也有两种。 如：
C N OH _ C OCH3 PCl5, 10 。 O C NH OCH3
C HO N
_ C OCH3 PCl5, 10 。
C O HN OCH3
如果迁移基团是手性碳原子，迁移后，其构型保持 不变。如下面的酮肟重排后生成99%光学纯的酰胺。