第十七章重排反应

第十七章重排反应 衢州学院化学与材料工程学院

所谓重排反应，是指在同一分子内，某一原子或基团从一个原子迁移至另一个原子而形成新分子的反应。所谓重排反应，是指在同一分子内，某一原子或基团从一个原子迁移至另一个原子而形成新分子的反应。其中W表示迁移基团，A、B分别表示迁移的起点和终点原子，根据A、B之间的位置，可分为1,2迁移及非1,2迁移；非1,2迁移是指迁移起点和终点之间相隔一个或几个原子的重排，如1,3； 1,4；1,5 ……迁移等重排反应。衢州学院化学与材料工程学院

按反应机理，重排反应可分为亲核重排、亲电重排及自由基重排。按反应机理，重排反应可分为亲核重排、亲电重排及自由基重排。（1）亲核重排迁移基带着一对成键电子向缺电子的原子进行迁移。甲基带着一对成键电子向伯碳正离子迁移，生成新的仲碳正离子，在此过程中，可以将迁移甲基看作是亲核试剂。衢州学院化学与材料工程学院

（2）亲电重排 在该重排中，带着正电荷的迁移基团向富电子原子进行迁移。迁移甲基以+CH3形式向碳负离子迁移，在此过程中，可以看作是亲电试剂。衢州学院化学与材料工程学院

（3）自由基重排 在该重排中，首先形成自由基，然后迁移基团带着一个电子进行迁移，生成新的自由基。例如，PhC(CH3)2CH2CHO在二叔丁基过氧化物引发下，经脱酸后，反应产物中重排产物占50％。衢州学院化学与材料工程学院

另外，还有一种重排反应不受催化剂的影响，其重排过程不存在离子型或自由基型中间体，W－A原子间σ键的断裂与W－ B原子间新σ键的形成为一协同过程，这种重排成为σ迁移重排。衢州学院化学与材料工程学院

第一节从碳原子到碳原子的重排 从碳原子到碳原子的重排主要包括：亲核1,2-重排及亲电1,2-重排。前者主要包括Pinacol（邻二叔醇或频哪醇）重排及Wag ner-Meerwein重排；后者可以包括Wolff重排和Arndt-Eistert反应；benzil-benzilic acid（二苯基乙二酮-二苯基乙醇酸）重排虽属于亲核1,2-重排的范畴，但羰基只有部分正电荷，基团向羰基迁移的情况与向正碳离子迁移有所不同。衢州学院化学与材料工程学院

一、Wagner-Meerwein 重排 在质子酸或Lewis酸催化下生成的碳正离子中，烷基、芳基或氢从一个原子通过过渡态，迁移至相邻带正电荷碳原子的反应称Wagner-Meerwein重排。转变成更稳定的正离子是重排的一个动力，另外，转变成中性化合物也是重排的一种动力，有时为促进重排，常在离去基或其β-位上引入活性基团。如庚醇（heptanol）在三苯基膦的作用下，经重排、水解得双环［2.2.1］庚醇：衢州学院化学与材料工程学院

除此之外，碳正离子也可通过其他方式形成，如烯烃的卤加成，氨基的重氮化等形式。除此之外，碳正离子也可通过其他方式形成，如烯烃的卤加成，氨基的重氮化等形式。衢州学院化学与材料工程学院

用该重排可制备有张力的脂环化合物，如可用甾体化合物16-氨基-D（环）-失碳甾体，经亚硝化、重排，同时使C、D环扩环和缩环。用该重排可制备有张力的脂环化合物，如可用甾体化合物16-氨基-D（环）-失碳甾体，经亚硝化、重排，同时使C、D环扩环和缩环。衢州学院化学与材料工程学院

二、Pinacol 重排（频哪醇重排） 在酸催化下，邻二叔醇失去一分子水，重排成醛或酮的反应称Pinacol重排。反应机理：在H+作用下失去一分子水，生成碳正离子，R’作1,2-迁移，最后失去质子，得到醛或酮。衢州学院化学与材料工程学院

从重排产物可知，迁移基团是R’不是R，则说明R’优先迁移。但产物往往是个混合物，从产物的比例便可以预测何种基团优先迁移，即基团的迁移能力。从重排产物可知，迁移基团是R’不是R，则说明R’优先迁移。但产物往往是个混合物，从产物的比例便可以预测何种基团优先迁移，即基团的迁移能力。根据邻二叔醇类化合物的结构特点，可分为四取代、三取代、羟基位于脂环上的邻二叔醇重排及Semipinacol重排。 1.四取代邻二叔醇的重排在四取代邻二叔醇结构中，若四个取代基相同，重排反应简单，得单一产物：衢州学院化学与材料工程学院

若产物不相同，则反应较复杂。在重排反应中何种基团迁移取决于迁移能力的大小及正碳离子的稳定性。重排反应中的迁移基团主要包括烷基、芳基和氢。实验证明，三类基团中，通常是芳基的迁移能力大于烷基，氢的迁移能力不确定，有时比芳基还要大，有时却比烷基要小；该结论只适用于对称的邻二叔醇重排，对不对称的邻二叔醇的重排不适用。若产物不相同，则反应较复杂。在重排反应中何种基团迁移取决于迁移能力的大小及正碳离子的稳定性。重排反应中的迁移基团主要包括烷基、芳基和氢。实验证明，三类基团中，通常是芳基的迁移能力大于烷基，氢的迁移能力不确定，有时比芳基还要大，有时却比烷基要小；该结论只适用于对称的邻二叔醇重排，对不对称的邻二叔醇的重排不适用。（1）对称的邻二叔醇重排对称的邻二叔醇化合物具有如下结构通式：在酸催化下脱去任何一个羟基，得到相同的碳正离子，生成何种产物主要取决与R和R’的迁移能力；在对称的邻二叔醇重排中，一般来讲，其迁移能力为：芳基>烃基，如衢州学院化学与材料工程学院

PPSE为多聚磷酸三甲基硅酯 当R和R’均为芳基时，芳环上取代基的性质（释电子或吸电子）和位置可直接影响芳基的迁移能力；当芳环的对位和间位为斥电子基时，增加了环上电子云密度，增强了芳基的迁移能力，有利于亲核重排的进行；若芳环的邻位有取代基（释电子基或吸电子基）存在时，由于位阻，均使芳基的迁移能力下降，甚至重排不会发生。在芳核的任何位置存在吸电子基，均使芳基的迁移能力下降，例如：衢州学院化学与材料工程学院

以对称频哪醇作反应物，测出不同基团的相对迁移能力（以苯基迁移能力为1计算）如下：以对称频哪醇作反应物，测出不同基团的相对迁移能力（以苯基迁移能力为1计算）如下：衢州学院化学与材料工程学院

（2）不对称的邻二叔醇重排 不对称的邻二叔醇化合物具有结构通式（A）、（B ）：重排方向主要取决于羟基失去后，所生成碳正离子的稳定性。通常与基团迁移能力的大小无关。碳正离子的稳定性顺序为：叔碳 > 仲碳 > 伯碳。如下列化合物的重排，只得到较稳定的甲基迁移产物，而得不到苯基迁移产物。衢州学院化学与材料工程学院

在该反应中，并非甲基的迁移能力比苯基大，而是与两个苯基共轭的碳正离子较与两个甲基共轭的碳正离子稳定，致使两个羟基脱去的机会不均等，因而只有甲基迁移。在该反应中，并非甲基的迁移能力比苯基大，而是与两个苯基共轭的碳正离子较与两个甲基共轭的碳正离子稳定，致使两个羟基脱去的机会不均等，因而只有甲基迁移。再如下列化合物的重排，以得到苯基迁移产物为主。衢州学院化学与材料工程学院

但是，如果改用别的试剂，也可使迁移能力发生逆转，得到不同的产物，如将下列化合物用含痕量硫酸的醋酸或无水ZnCl2的醋酸处理，主要得到苯基迁移的产物。但是，如果改用别的试剂，也可使迁移能力发生逆转，得到不同的产物，如将下列化合物用含痕量硫酸的醋酸或无水ZnCl2的醋酸处理，主要得到苯基迁移的产物。当邻二叔醇上四个烃基不同时，往往重排得一混合物，无制备价值。如果通式（B ）中R3,R4相同，R1或R2其中之一为苯硫甲基时，由于硫原子的邻位参与作用，得到高选择性的重排产物。衢州学院化学与材料工程学院

2.三取代邻二叔醇重排 在三取代邻二叔醇结构中，其中一个羟基为叔羟基，另一个为仲羟基，重排反应随反应条件的不同而得到不同产物；如在酸性条件下重排时，叔羟基先质子化后离去，仲碳上所连的氢原子或基团发生迁移。如下列化合物在酸催化下重排，得氢迁移产物醛或酮。如欲使仲羟基消除，叔碳上所连的基团迁移，可对邻二叔醇选择磺酰化，仲羟基优先生成磺酸酯。该单磺酸酯在碱催化下磺酸酯基离去，同时叔碳上基团发生迁移得酮。衢州学院化学与材料工程学院

3.羟基位于脂环上的邻二叔醇重排 羟基位于脂环上的邻二叔醇化合物在酸或Lewis酸的催化下发生重排，生成三类酮：①扩环脂肪酮 ② 螺环酮 ③与骨架结构相对应的酮。下列化合物中的一个羟基直接和脂环相连，重排后得到扩环脂肪酮。具有下列结构的邻二叔醇重排时，生成螺环类化合物。甲基顺式-1,2-环己二醇重排时，氢发生迁移，得甲基环己酮。衢州学院化学与材料工程学院

该重排在甾类药物研究中有所应用。如下列化合物在酸催化下发生氢迁移重排，得雌酚酮类。该重排在甾类药物研究中有所应用。如下列化合物在酸催化下发生氢迁移重排，得雌酚酮类。在脂环系统中，若两个羟基均处于同一脂环上，且呈顺式，此时，离去基团（⊕OH2）与迁移基团互成反式，经重排得相应的酮；若两个羟基呈反式，发生σ键迁移，得缩环产物。衢州学院化学与材料工程学院

从7,8-二苯基-7,8-苊二醇顺、反异构体重排中可以看出：顺式反应物中迁移苯基和离去基（⊕OH2）互成反式，其反应速度比反式反应物大6 倍。衢州学院化学与材料工程学院

4. Semipinacol 重排 从邻二叔醇重排反应机理看，生成酮的重排过程中先消除一个羟基，生成了β位碳正离子的中间体，在发生重排反应。因此，凡能生成相同中间体的其他类型反应物,均可进行类似的Pinacol重排，得到酮类化合物。这类重排称Semipinacol重排。如β-卤代醇在银盐作用下脱卤可进行Semipinacol重排。衢州学院化学与材料工程学院

脂环β-胺基醇经重氮化、失去氮气后进行扩环,发生semipinacol重排。该反应又称Tiffeneau-Demyanov扩环。脂环β-胺基醇经重氮化、失去氮气后进行扩环,发生semipinacol重排。该反应又称Tiffeneau-Demyanov扩环。 β-羟基硫醚类在Cl-作为电解质的溶液进行电解氧化，发生Semipinacol重排，得相应的重排或扩环产品。衢州学院化学与材料工程学院

反应机理： 磺酸酯与羟基或甲氧基相比，是一个很好的离去基团，重排产物较纯，适用于对酸敏感化合物的重排。具有环氧结构的化合物在开环时，也能发生Semipinacol重排。如下化合物重排时，发生苯基迁移，得高收率的产物。衢州学院化学与材料工程学院

当脂环羟基邻位上具有双键时，在酸或碱催化下，在羟基β位生成碳正离子，同样能发生Semipinacol重排生成螺环酮。当脂环羟基邻位上具有双键时，在酸或碱催化下，在羟基β位生成碳正离子，同样能发生Semipinacol重排生成螺环酮。衢州学院化学与材料工程学院

三、二苯基乙二酮-二苯基乙醇酸型重排 α-二酮用强碱处理发生重排，生成α-羟基乙酸盐，例如：由于二苯基乙二酮重排成二苯基乙醇酸盐最为著名，故此反应称二苯基乙二酮-二苯基乙醇酸（benzil-benzilic acid）型重排。生成稳定的羧酸盐是反应的动力，反应速度与α-二酮及碱浓度成正比。衢州学院化学与材料工程学院

该重排反应是制备二芳基乙醇酸的常用方法，所用原料α-芳二酮是由芳醛经安息香缩合，并进一步氧化制备。该重排反应是制备二芳基乙醇酸的常用方法，所用原料α-芳二酮是由芳醛经安息香缩合，并进一步氧化制备。若用醇盐（ROM）取代苛性碱，其重排产物为相应的酯。如在干燥苯中将二苯基乙二酮用Me3COK/Me3COH处理，得到93％的二苯基乙醇酸叔丁酯。在该反应中所用醇盐应满足两个条件：衢州学院化学与材料工程学院

① 羟基α-位不宜有氢原子，以避免该醇盐提供氢负离子将芳基乙二酮还原成α-羟基酮类。 ② 不能使用酚盐（ArOM），因为其碱性不足以使α-芳二酮发生重排。取代或不取代对称芳基乙二酮类的重排，取决于中间体的形成。当Z为吸电子基时，以生成中间体（a）为主，此时，以取代苯基迁移为主，如Z为m-Cl时，间氯苯基的迁移为81％；当Z为释电子基时，以形成中间体（b）占优势。此时以苯基迁移为主。衢州学院化学与材料工程学院

如对甲氧基苯基的迁移率仅为31％（即苯基迁移率为69％），因此，不对称芳基乙二酮的重排产物为一混合物，故合成上常用对称芳基乙二酮进行该类重排。脂环族中环己二酮类通过该类重排，发生缩环生成1- 羟基-1-环戊烷甲酸类。衢州学院化学与材料工程学院

甾体化学中利用该重排反应，使结构中某个环缩小。如先在甾体化合物结构中引入α-二酮结构，碱性条件下重排，即得相应缩环产物。甾体化学中利用该重排反应，使结构中某个环缩小。如先在甾体化合物结构中引入α-二酮结构，碱性条件下重排，即得相应缩环产物。衢州学院化学与材料工程学院

不对称α-二酮进行该类重排时，也可得到单一产物。如下列化合物在碱性条件下，酰胺基发生亲核1,2-迁移，得重排产物。用同位素标记法可证实，在该重排反应中只有酰胺基发生迁移，为一级反应，反应速度取决于苛性碱的浓度。不对称α-二酮进行该类重排时，也可得到单一产物。如下列化合物在碱性条件下，酰胺基发生亲核1,2-迁移，得重排产物。用同位素标记法可证实，在该重排反应中只有酰胺基发生迁移，为一级反应，反应速度取决于苛性碱的浓度。衢州学院化学与材料工程学院

四、Wolff重排和Arndt-Eistert反应 α-重氮酮经加热、光解或在某些金属等催化剂作用下脱去一分子氮气后重排成烯酮的反应称Wolff重排。其烯酮进一步反应生成羧酸、酯、酰胺或酮。脂环烃的α-重氮酮经光分解、重排得到缩环产物。衢州学院化学与材料工程学院

重排生成的脂环烯酮在氧气的存在下经光照，释放出CO2，生成环酮。重排生成的脂环烯酮在氧气的存在下经光照，释放出CO2，生成环酮。衢州学院化学与材料工程学院

抗HIV病毒药物Oxetanocin（奥塔诺新）可通过该重排而制得中间体，经还原、脱保护而制得产品。抗HIV病毒药物Oxetanocin（奥塔诺新）可通过该重排而制得中间体，经还原、脱保护而制得产品。 Wolff重排除光解外，也可用某些金属催化剂进行热重排。如在銠催化下通过该重排，可顺利地合成吲哚酮。衢州学院化学与材料工程学院

由于α-重氮酮不易制备，使该重排反应受到一定限制。Amdt- Eistert等用酰氯与重氮甲烷反应得α-重氮酮，再经Wolff重排，生成比原酰氯多一个碳原子的羧酸，该反应称Amdt-Eistert反应。衢州学院化学与材料工程学院

第二节从碳原子到杂原子的重排 该重排反应是迁移基带着一对电子从碳原子迁移到杂原子，如氮、氧、硫等原子上，其中以迁移到氮原子上者较为重要，在迁移的同时，氮原子上消除离去基团，形成新的C－N键。一、Beckmann重排醛肟或酮肟在酸性催化剂作用下重排成取代酰胺的反应称Beckmann重排。关于重排反应机理研究得较多，比较公认的反应机理如下：首先在，酸催化下，肟羟基变成易离去的基团，然后羟基反位的基团进行迁移，与此同时，离去基团离去，生成碳正离子，并立即与反应基团，然后羟基反应介质中的亲核试剂（如H2O）作用，生成亚胺，最后经异构化而得取代酰胺。衢州学院化学与材料工程学院

为了有效地进行Beckmann重排，选择适当的反应条件，对反应速度、收率及酰胺异构体的比例都有很大影响。对此，结合上述反应机理作如下分析。为了有效地进行Beckmann重排，选择适当的反应条件，对反应速度、收率及酰胺异构体的比例都有很大影响。对此，结合上述反应机理作如下分析。 1.催化剂酮肟重排常用的催化剂有以下几类：矿物酸（H2SO4,HCl,多聚磷酸）、有机酸（三氟磺酸）、Lewis酸（BX3,AlX3,TiCl4,ZnCl2,Re2O7）、氯化剂或酰氯（POCl3,PCl5,SOCl2,MeSO2Cl,等）。它们的作用是使肟羟基转变成活性离去基团，以利于氮-氧键的断裂。衢州学院化学与材料工程学院

2.溶剂 溶剂在反应过程中既起到反应介质的作用，也起催化剂的作用，其催化作用与溶剂的质子亲和力呈正相关系。在极性质子性溶剂中，若用质子酸催化，常使不对称肟发生异构化，重排后得到酰胺的混合物。 3.酮肟的结构从反应历程可知，与氮上的羟基处于反位的烃基迁移占优势。因此，在不发生异构化的重排条件下，从酮肟的结构就能预测其重排主要产物。如芳酯酮肟重排时主要得到芳基迁移的芳胺酰化产物。但芳醛肟在不同的反应条件下可得到氢迁移重排产物的芳酰胺或苯腈。衢州学院化学与材料工程学院

二、Hofmann 重排 氮上无取代基的酰胺用卤素（溴或氯）及碱处理，脱羧生成伯胺的反应称Hofmann重排；由于产物比反应物少一个碳原子，故此类反应又称Hofmann降解反应。反应机理：衢州学院化学与材料工程学院

当酰胺的结构类似物－－异羟肟酸（RCONHOH）或其衍生物与碱共热，经过类似Hofmann重排的反应，生成少一个碳原子伯胺的反应，称Lossen重排。当酰胺的结构类似物－－异羟肟酸（RCONHOH）或其衍生物与碱共热，经过类似Hofmann重排的反应，生成少一个碳原子伯胺的反应，称Lossen重排。衢州学院化学与材料工程学院

三、Curtius 重排 酰基叠氮化合物加热分解生成异氰酸酯的反应称Curtius重排。反应若在非质子溶剂（如苯及氯仿）中进行，可得到较高的收率的异氰酸酯；若在溶剂水、醇或胺中进行，其产物分别是胺、氨基甲酸酯和取代脲。衢州学院化学与材料工程学院

该重排机理与Hofmann重排很相似。 酰基叠氮化合物的分解温度通常在100℃左右，该重排反应几乎适用于所有类型的羧酸（包括脂肪、脂环、芳香、杂环及不饱和酸）及含有多官能团羧酸所形成的酰基叠氮化合物，其主要制备方法及其Curtius重排可见下列例子。 1.酰氯与叠氮化钠反应及其重排衢州学院化学与材料工程学院

2.酯与叠氮化钠或二苯基磷酰叠氮反应及其重排2.酯与叠氮化钠或二苯基磷酰叠氮反应及其重排 3.混酸酐与叠氮化钠反应及其重排在三乙胺存在下，羧酸与氯甲酸酯先生成混酸酐，再与叠氮化钠反应。衢州学院化学与材料工程学院

4.酰肼与亚硝酸反应及其重排 衢州学院化学与材料工程学院

Curtius重排和Hofmann重排均为由羧酸制取胺的方法，具有相似的作用机制，同时，各自具有自己的适用范围。因为酰肼易从酯氨解制备，故由羧酸酯制备胺用Curtius重排更方便；而由羧酸制备胺可选择Hofmann重排（因为该重排可以集多步反应于同一操作中）；不饱和酸、含活泼氢取代的芳酸及酰化氨基酸选Curtius重排为宜；氨基酸和酮酸选Hofmann重排为佳。衢州学院化学与材料工程学院

四、Schmidt反应 在酸催化下，酸和酮（或醛）与叠氮酸反应生成伯胺、酰胺。反应机理：衢州学院化学与材料工程学院

本反应是由羧酸制取胺的方法之一，与Hofmann重排和Curtius反应相比，本反应只需一步操作，即可得到产品，缺点是反应较剧烈。本反应是由羧酸制取胺的方法之一，与Hofmann重排和Curtius反应相比，本反应只需一步操作，即可得到产品，缺点是反应较剧烈。利用本反应制备长碳链脂肪胺及立体位阻大的芳胺，一般产率较高。二烷基酮、环酮、二芳基酮及烷基芳酮等都能发生该反应。反应速度顺序：二烷基酮，环酮>烷基芳基酮>二芳基酮，羧酸衢州学院化学与材料工程学院

五、Baeyer-Villiger 重排 在酸催化下，醛或酮与过氧酸作用，在烃基与羰基之间插入氧生成酯的反应称Baeyer－Villiger氧化重排。反应机理为酮与过氧酸先进行亲核加成，再发生烃基迁移。过氧酸一般用过氧乙酸、三氟过氧乙酸、过苯甲酸、间氯过苯甲酸／H2O2／BF3、过邻苯二甲酸等。常用的为CF3CO3H及过苯甲酸系。衢州学院化学与材料工程学院

从反应机理可知，生成何种酯取决于两个烃基迁移能力的大小；一般认为：叔烷基>环己基，仲烷基，苄基，苯基>伯烷基>甲基。所以甲基酮与过氧酸作用，均重排成乙酸酯。此重排可作为特殊位置引入羟基的方法。从反应机理可知，生成何种酯取决于两个烃基迁移能力的大小；一般认为：叔烷基>环己基，仲烷基，苄基，苯基>伯烷基>甲基。所以甲基酮与过氧酸作用，均重排成乙酸酯。此重排可作为特殊位置引入羟基的方法。二芳基酮重排时，芳环上取代基的性质影响其迁移能力的相对大小，有释电子取代基时，对反应有利；反之，使芳基迁移能力减小。其大小次序为：CH3O>CH3>H>Cl>NO2。衢州学院化学与材料工程学院

第十七章 重排反应