第十二章 分子重排反应

12.1.3 二苯基乙二酮重排(Benzil重排)
α-二酮经强碱处理会发生重排，生成α-羟基
乙酸盐。二苯基乙二酮重排，亦称Benzil重排。
本重排是制备二芳基乙醇酸的常用方法，产率一般较 高。α-芳二酮主要是由α-羟基酮氧化而得，而α-羟基酮 是由芳醛通过二苯乙醇缩合(Benzoin缩合)来制备。
在重排反应中，有的是离去基L先行离去，然后 迁移基迁移，这可以看作是分子内SN1反应；也有一 些反应是离去基团离去和迁移基团迁移同时进行， 这可以看作是分子内SN2反应。在分子内SN2反应过 程中，迁移基若作为亲核试剂参与了离去基的离 去，即发生了邻基参与。
12.1.2 Pinacol重排 邻二醇在酸催化作用下可以重排生成酮或醛，也 是经历了碳正离子的过程。典型的例子是2,3-二甲基2,3-丁二醇在酸催化作用下重排成甲基叔丁基酮。2,3二甲基-2,3-丁二醇又称为片呐醇，因此这一类重排称 为片呐醇重排(即Pinacol重排)。
光学活性的酰胺，经Hofmann重排后产物构型保留。
酰胺与四醋酸铅的反应与Hofmann重排相似，也 生成异氰酸酯及胺，然后分别和四醋酸铅放出的醋酸 反应，得到脲素和乙酰胺。如果反应介质中有醇存 在，将有氨基甲酸酯生成，产率约为30%~76%。
12.1.7 Curtius重排 酰基叠氮化物热分解生成异氰酸酯的反应称为Curtius 重排。 Curtius重排的机理与Hofmann重排很相似。
由于没有发现氮烯中间体的存在，一般认为失去氮分子 和基团迁移是协同进行的。迁移是一个分子内过程，迁移基 团构型不变。
合成酰胺叠氮有两条路线，一条是酯和肼作 用，然后重氮化；另一条是酰氯和NaN3反应。采用 哪条路线根据反应物的结构而定。由于分子量较大 的酯与肼反应缓慢，因此合成分子量较大的胺以第 二条路线为宜。 酸经过酰基叠氮转化成伯胺的全过程为Curtius 重排。
不对称α-二醇的Pinacol重排趋势主要取决于醇的结构， 试剂的性质和反应条件也有一定的影响。这里必须注意下面 几个问题： 1)在不对称的α-二醇中，两个羟基中的哪一个被质子化 后离去，取决于形成的碳正离子的稳定性。一般形成比较稳 定的碳正离子的碳上的羟基被质子化。 2)当形成的碳正离子相邻碳上两个基团不同时，哪个基 团发生迁移，取决于基团亲核能力和可极化性，但经常得到 的是两种重排产物，因此最好相邻碳上两个基团是相同的。 一般情况下的迁移趋势是：Ph>R－>H－。但也有例 外，甚至H的迁移可能优先于Ph－。
Hofmann重排是制备伯胺的一种重要方法， 使用范围很广，反应物可以是脂肪族、脂环族及 芳香族的酰胺，也可以是杂环酰胺。其中以低级 脂肪酰胺制备胺的产率最高。从烟酰胺合成β-氨 基吡啶是Hofmann重排成功地用于有机合成的一 个例子。
烟酰胺可以从自然界中获取。如果从吡啶直 接硝化，β-硝基物的产率很低，再还原只能得 到很少量的β-氨基吡啶。以邻苯二甲酰亚胺为 原料，通过Hofmann重排是合成邻氨基苯甲酸的 优良方法。
基团Z带着一对电子从一个碳原子迁移到另一 个碳原子上去的反应称为C→C迁移重排。
12.1.1 Wagner-Meerwein重排 烷基、芳基或氢从一个碳原子向另一个碳原子迁移的反应称 为Wagner-Meerwein重排。实践表明Wagner-Meerwein重排大多 是按SN1机理进行的，其重排趋势取决于碳正离子的稳定性。 1)甲基迁移
12.1.4 Demyanov重排 脂肪族或脂环族伯胺与亚硝酸作用发生的脱氮重 排，称为Demyanov重排。
脂环族化合物的伯胺与HNO2作用重氮化后能引起 环的扩大或缩小。
脂环化合物环上碳原子带正电荷时，通过亲核 1,2-重排环会收缩；相反，如果碳正离子位于环的 α位，通过亲核1,2-重排，环会扩大。降低张力是 重排的动力之一，因此小环的扩环反应产率通常都 较高，而五元环却难以通过亲核1,2-重排收缩成四 元环，这是由于环张力增加的缘故。而在三元环和 四元环之间的转化中，环张力不是主要因素。
说明芳基型碳正离子在苯环的影响下，比叔碳正离子更稳定。
2)氢迁移
3)芳基迁移
在进行重排时，通常是由不稳定的碳正离子重排生成稳 定的碳正离子，其基团迁移的活性次序为：
Wagner-Meerwein重排大多是亲核机理，反应过程中 涉及碳正离子中间体。形成碳正离子中间体的途径很多， 常见的有下面几种：卤代烃中碳卤键异裂；醇羟基转化成 容易离去的基团，然后离去基团离去；烯烃的质子化；脂 肪族伯胺亚硝酸处理，重氮化失氮等。 Wagner-Meerwein重排最早的一个反应例子是莰烯氯 化重排成冰片基氯：
Curtius重排几乎适用于所有类型的酸，包括 脂肪族、脂环族、芳香族、杂环以及不饱和酸。
反应若在非质子溶剂，如苯及CHCl3中进行，产物是异氰 酸酯，若在水、醇或胺中进行，产物是胺、氨基甲酸酯或取代 脲。异氰酸酯、氨基甲酸酯或取代脲水解均得到胺。
Hofmann重排和Curtius重排都是酸制胺的方法，各有自己的 适用范围。如果羧酸酯易得，由于酰肼容易从酯和肼来合成，则 采用Curtius重排比Hofmann重排更方便。如果反应物是羧酸，通 过Hofmann重排来制备胺更为恰当，因为Hofmann重排中多步反 应可以集中在一个操作中进行。如果分子中出现其他官能团，两 种重排哪一种更适用，将视具体情况而定。如不饱和和酸及含活 性氢取代基的芳酸以及酰化的氨基酸，以Curtius重排为宜，未酰 化的氨基酸和酮酸以Hofmann重排为佳。
若迁移基团具有手性，则在重排过程中构型保持 不变。
12.1.6 Hofmann重排 氮上无取代基的酰胺经溴(或氯)及碱处理，脱羰 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，故这类反应又称Hofmann降阶。可 用下列通式表示：
其反应机理如下
其中第一步的中间体N-溴代酰胺和第三步的中 间体异氰酸酯，已从反应介质中分离出来。因此关 键的步骤是从N-溴代酰胺重排成异氰酸酯的过程。 N-溴代酰胺中由于氮上连有RCO－及Br－两个吸电 子基，N上氢的酸性增加，遇碱失去质子，生成溴 代酰胺负离子，然后重排成R－N＝C＝O；而溴代 N-烷基酰胺(RCONR‫׳‬Br)由于N上没有H，不可能失 去质子，所以不会发生重排。
Beckmann重排反应机理为：
Beckmann重排一般为反式重排，即处于羟基反式
(位)的基团迁移到N上。
本反应适用范围广，R和R‫׳‬可以是烷基，也可以是芳 基。在脂芳酮肟的重排中，由于芳基优先迁移，所以产物 主要是芳胺的酰化物。
Beckmann重排在合成上也有应用价值。如工业上制备 ε-已内酰胺的方法，就是以环已酮为原料，在酸催化下经 Beckmann重排得到。ε-已内酰胺是制备尼龙-6的单体。
β-卤代醇也能进行类似的重排。这类重排称为半 Pinacol重排。
环氧化合物用酸性试剂BF3-Et2O、MgBr2-Et2O等处 理，也能重排成酮或醛。
Pinacol重排的立体化学特征是：迁移基团是从 离去基团的背后进攻到迁移终点，形成碳正离子的 桥式状态，而后完成重排反应的。
重排过程为分子内同面迁移，手性迁移基团的 构型不变，而被进攻中心的构型反转。
Pinacol重排的另一个途径是先将邻二醇转化成单磺酸 酯，然后在碱催化下重排。当分子中的两个羰基一个为仲 羟基，另一个为叔羧基时，仲羟基先生成磺酸酯，迁移的 是叔碳上所连的基团；而在酸性条件下二元醇重排时，是 叔羟基先质子化而离去，迁移的是仲碳上所连的基团。因 此二元醇酸催化重排得到的产物和先形成磺酸酯后碱催化 重排得到的产物不同。邻二醇单磺酸酯碱催化下的重排在 脂环化学特别是萜烯化学中应用较多。
12.1 亲核重排 亲核重排系分子在亲电试剂影响下，发生 基团 Z 带着一对电子从一个原子迁移到另一个 原子上去的反应，其中以 1,2- 迁移的重排较为 重要。
A＝C、N、O Z＝X、O、S、N、C、H
在这类重排反应中， Z在迁移过程中带着孤对 电子，故 A一定是一个缺电子的被进攻中心，所以 该重排称为缺电子重排。重排反应一般需要三步完 成，这三步的常见形式是：
能发生Pinacol重排的α-二醇通常可以是双叔醇、叔 仲醇、双仲醇。 片呐醇重排是简单的亲核1,2-重排，反应机理如下：
重排产生的不是一般的碳正离子，而是醛酮的共轭 酸，后者比前者稳定，所以本重排的动力要比产生一般 碳正离子的Wagner-Meerwein重排大。
Pinacol重排的主要产物多为不对称酮，双仲醇重排 得到醛酮混合物。
3)对于环状α-二醇，迁移基团与离去基团处于反式 位置，重排反应速度快。如顺-1,2-二甲基-1,2-环已二醇 在稀硫酸作用下能迅速重排，甲基迁移得到环已酮；而 反-1,2-二甲基-1,2-环已二醇在相同条件下，由于迁移基 团与离去基团处于顺式位置，反应很慢，而迁移的不是 甲基而是缩环。
从重排反应的机理看，片呐醇重排中生成 的羟基β-碳上带正电荷的物种，因此其他类型 的反应物在反应中若能生成相同中间体，也可 以进行类似的重排，如β-氨基醇在亚硝酸作用 下发生的重排。
反应中若以烷氧负离子取代OH-，产物将不是羧酸盐而 是酯。如二苯基乙二酮在苯中用(CH3)3COK / (CH3)3COH处 理得到93%二苯基乙醇酸叔丁酯。
所用RO-不能有α-H存在，若有α-H，则RO-将与二 芳基乙酮发生氧化还原反应，致使本重排不能进行。
ArO-虽无α-H，但碱性不强，也不能使α-芳二酮重 排。 能发生Benzil重排反应的化合物不只局限于芳香族α二酮，脂肪族、脂环族以及杂环族的α-二酮也能发生类 似的反应。如β,β-已二酮二酸与碱作用生成柠檬酸。
1,2-环已二酮重排成1-羟基-1-环戊烷甲酸。
四氧嘧啶是杂环α-二酮发生此重排的一个例子。
具有α-H的α-二酮在碱催化下，通常缩合反应比重排反应 更容易发生，例如2,3-丁二酮经强碱处理，只发生缩合而不发 生重排。
不对称芳二酮发生Benzil重排时，哪一个芳基迁移显 然与芳环上取代基Z的性质有关，如果Z是供电子基，则 能提高芳环的亲核能力，按理对于亲核重排来说，该芳 环易迁移；但事实并非如此，因为反应的第一步是碱先 进攻羰基碳，所以当Z是吸电子基时，该芳环所连羰基碳 带的正电荷相对较多，易被碱进攻，同时生成的中间体 也相对稳定。
12.1.5 Beckmann重排 基团Z带着一对电子从碳原子迁移到氮原子上去的反 应，称为C→N重排。 酮肟在酸催化剂的作用下，发生分子内重排得到取代酰 胺的反应称为Demyanov重排反应。 常用的酸催化剂有：浓H2SO4、PCl-醚溶液、HCl-醋酸醋酸酐混合液、P2O5、SO3、(CF3CO)2O、多磷酸、多组分 氧化合物、分子筛等。
反应用硫酸催化时主要得到的是酮，有些酮就是通 过仲邻二醇来制备的。 合成时常以对称的邻二醇做反应物，因为不对称的 邻二醇产物常常较复杂，又难以分离，但特殊结构的不 对称邻二醇的片呐醇重排在合成上也有应用，可以合成 不同类型的酮。如邻 二醇上一个羟基直接和脂环相连， 通过重排，往往可以得到扩环的脂肪酮。
11.2 亲电重排
Favorskii重排、Strvrns重排、Wittig重排
11.3 其他重排
Fries重排、Claisen重排
重排反应通常是指在同一分子内，原子或 基团从一个原子迁移到另一个原子而形成新分 子的反应。 常见的重排反应过程有基团的迁移、碳架 变化以至环状化合物环的扩大及缩小、重键位 移以及电子云重新排布等。 按重排反应机理可分为亲核重排、亲电重 排、自由基及其他重排。
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环系统生成正离子的一个重要途径是通过伯胺 重氮化。脂环化合物的伯胺与HNO2作用重氮化脱 氮后引起环的扩大或缩小称为Demyanov重排。如 在Demyanov重排的产物中，既有正常产物，又有 重排产物，重排生成的正离子既可与亲核试剂反 应，也可通过消除生成烯烃，产物是混合物；因而 Demyanov重排在有机合成上的应用受到限制。当 伯碳正离子重排成仲碳正离子时，主产物能达到一 定产率，此时重排有实用意义。
第十二章 分 子 重 排 反 应
Molecular Rearrangements
11.1 亲核重排
Wagner-Meerwein重排、Pinacol重排、二苯基乙二酮 重排(Benzil重排)、Demyanov重排、Beckmann重排、 Hoffmann重排、Curtius重排、Schmidt重排、Lossen 重排、Baeyer-Villiger重排、氢过氧化物重排