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第九章 重排反应 分子重排反应的概念：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，碳骼或者官能团的位置发生变化的一类反应成为重排反应。
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9.1 概 述 前述各章所涉及的各种有机化学反应中，大多数反应仅是底物分子的某些部分(主要是官能团)发生变化，而分子的其余部分无变化地转移到产物的分子中，因此反应前后分子的碳酪一般保持不变．但在有些有机化学反应中，在试剂或介质等的影响下，或发生重键位置的移动或发生官能团的转移，或发生扩环、缩环作用，或发生基本碳骼的改变等，这些反应的过程谓分子重排（Molecular Rearrangement)。 分子重排反应是一类十分重要的反应，它的研究和实践丰富了有机化学结构理论的内容，加深了人们对该类反应的规律性的认识。分子重排又是合成有机化合物的重要手段之一，许多重要的有机化合物可以由其得以合成，因而它的研究有力地推动着有机合成化学的发展。
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本章着重讨论一些具有合成价值的分子重排．典型的分子重排通常为一种不可逆的过程，它不同于两异构体间的互变异构，后者是可逆的异构化反应．
在适当的条件下能发生分子重排的有机化合物为数甚多，因而颇难科学地将分子重排加以分类．尽管如此，化学工作者曾提出多种分类方法。如：按反应机理分类，按元素分类，按分子内重排与分子间重排分类，按光学活性有无变化分类，按有机化合物的三大类型(脂肪族化合物、芳香族化合物及杂环化合物)分类及按官能团分类等。 这些分类法分别从不同的角度将为数繁多的分子重排反应归入一定的范畴，为人们提供学习与研究之便。但欠妥善处，各种分类方法亦各有之。本章拟以较多采用的按反应机理的分类法，将分子重排分为亲核重排、亲电重排、游离基重排和σ- 键迁移重排。
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9.2 亲 核 重 排 亲核重排(Nucleophilic rearrangement)亦称缺电子体系的重排(Rearrangement of electron-deficient Systems)。在分子重排中，这类重排最为广泛，类型也最多。它是包含产生正离子中间体的重排，重排过程中基团z带着一对电子从原子C迁移至另一个缺少一对电子的原子A上。多数亲核重排基团的迁移发生于相邻的两个原子间，称1，2—重排： 式中A为C、N、O原子，Z为X、O、S、C、N、H。
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9.2.1亲核碳重排反应 (一)Wagner-Meerwein重排：属于分子内由C→C的重排。在这类重排中β-位的烃基向正碳离子迁移。
例如： ①3, 3—二甲基—2—丁醇在无水草酸存在下加热脱水，主要产物为2,3—二甲基—2—丁烯：
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反应历程
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②由松节油合成樟脑：
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反应历程
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脂肪族或脂环族伯胺与HN02作用时的重排可视为一种Wagner-Meerwein重排，只不过作为反应中间体的正碳离子系经由离去基团一N2+的离去而形成。在脂环胺的场合往往发生扩环或缩环作用，在合成上用于制备三员环至八员环的脂环化合物。例如：
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② 扩环重排：
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3 缩环重排
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思考题 1.完成下列反应，请写出主要产物
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2.以丙二酸二乙酯和C3以下的有机物为原料合成
3.用C3以下的有机物为原料合成(CH3)2C=C(CH3)2
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(二)片呐醇重排 在无机酸催化下，连有羟基的碳原子上的烃基带着一对电子转移到失去羟基的正碳离子上生成不对称酮，此谓片呐醇(Pinacol)重排： 例如 反应历程
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上述的重排过程似乎是一些不连续的步骤，但许多立体化学的研究证实，正碳离子的形成和基团的迂椽系经由一个正碳离于桥式的过渡状态，迁移基团(如上例甲基)和离去基团处于反式位置。是一个连续的过程。
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对于某种取代基不同的片呐醇R1R2C(OH)-C(OH)R3R4，在重排反应中究竟那一个羟基发生迁移
(1)失去一0H的难易 与供电基团相连的碳原子上的一OH易于失去，由于供电基团使一0H上氧原子的电子云密度增大，从而易于与H+的结合形成质子化醇，而随后脱水形成的正碳离子也将由于正电荷得到较好的分散而更趋稳定。 一船说来，使失去一OH的基团其难易循如下次序：p—甲氧苯基＞苯基＞烷基＞H。
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例1. 例2.
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例3.
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但上述的推断并不能在所有的情况下适用，例外颇多。
（2）迁移基团的性质和迁移倾向 一般说来，在空间位阻因素不关重要时，则基团迁移倾向的大小与其亲核性的强弱一致： Ph—＞Me3C一＞Et-＞Me-＞H 如β—碳上相连的基团均为芳基时,其迁移的难易次序如下： 对—甲氧苯基＞对—甲苯基＞间—甲苯基＞间—甲氧苯基＞苯基＞对-氯苯基＞邻—甲氧苯基＞间—氯苯基。 例如：
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从上述片呐醇重排的种种实例可以看出，该类重徘在有机合成上的价值在于可以合成一些经由其它方法难以得到的含季碳原子的化合物。
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脂环族氨基醇和脂环族卤代醇则发生扩环或缩环的反应
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思考 题 1.用C3以下的有机物为原料合成(CH3)3CCH2OH 2.作C3以下的有机物为原料合成 3.以 合成
3.以 合成 4.用C5以下的有机物为原料合成
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(三)Beckmann重排 醛肟及酮肟在酸性催化剂(如H2SO4、HCl、P2O5 、 POCl3、SO2Cl2、p-MeC6H4 SO2Cl、PPA等)作用下发生重排转变为酰胺，此谓Beckmann重排。 Beckmann重排的特征在于它的立体化学特性，即在不对称酮肟的重排为反式重排，它是通过羟基与处于反位上的基团发生交换而进行的： 反应历程：
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若迁移基团含有手征性碳原子，则该碳原子的构型保持不变。例如：
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雄性激素－睾酮(Testosterone)的合成：
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思考题 1.以苯乙酮为原料合成乙酰苯胺。 2.以苯酚为原料合成已内酰胺 3.以苯为原料合成甲酰苯胺 4.完成下列反应
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5.写出 产物及反应历程。
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(四)Baeyer—Villiger重排
研究不对称酮的氧化反应发现，烃基迁移的难易大致循下列次序： 叔烷基＞仲烷基~环烷基＞节基~苯基＞伯烷基＞环丙基＞甲基。
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从该重排的结果看，相当于在反应物酮的结构中插入一个氧原子，因此成为由酮合成酯的一种方法。若为芳香酮，则经此重排生成的酯经水解可制成酚。
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思考题 1.用苯和C3以下的有机物合成丙酰苯酯（提示： ） 2.用C3以下的有机物为原料合成
3.用C3以下的有机物为原料合成CH3COOC(CH3)3
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五、氢过氧化物重排
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9.2.2亲核氮重徘反应 (一)Hofmann重排 脂肪族、芳香族或杂环族酰胺在碱性介质中用Cl2或Br2 (Na OCl或NaOBr)处理，放出CO2，变为减少一个碳原子的伯胺，此谓Hofmann重排：
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反应历程
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当含手征碳原子的基团与羰基结合时，在重诽过程中不发生消旋作用(构型保持不变)，因此可以认为整个过程是在分子内部进行的：
需要指出，在脂肪族酰胺的降解重徘反应中，若其碳原子数超过八个，则生成尿素系化合物的副反应明显增加而使胺的收率降低。此时以甲醇为溶剂，使酰胺与Br2—MeONa反应可得到良好收率的Ｎ—取代氨基甲酸酯，后者经碱性水解则得到胺：
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思考题 1.以丙二酸二乙酯和C4以下的有机物为原料合成 2.以C3以下的有机物为原料合成(CH3)3C-NH2
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(二)Curtius重排 将羧酸先制成不稳定的酰基叠氮，后者在惰性溶剂中加热发生脱氮重排析离出中间体异氰酸酯，再经水解得到伯胺。本反应可与Hofmann重排一样地完成同样类型的降解。当溶剂含水、醇和胺(伯、仲胺)时，则分别生成胺、氨基甲酸酯和取代尿素：
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叠氮化合 物的制备 反 应 历 程
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在酰基叠氮的热重排中，旋光性物质不发生消旋作用，构型保持不变，因而可以认为基团的迁移也是在分子内部进行的：
本重排反应适用于脂肪族、脂环族、芳香族及杂环族化合物,因而合成应用的范围较广。例如：
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思考题 1.以对甲氧基甲苯为原料合成
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（三）Wolff重排 α－重氮甲基酮在热、光或催化剂(银或氧化银)存在下放氮成酮碳烯，再重排成反应性很强的烯酮，此重排谓W0lff重排。烯酮与水、醇、氨及胺反应可分别得到羧酸、酯、酰胺及取代酰胺。 α-重氮甲基酮通常系由酰氯与过量重氮甲烷作用制得，因而由羧酸为起始反应物制备-重氮甲基酮，再经W0lff重排生成烯酮及由烯酮发生的一系列反应可表示如下：
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重排在合成中的应用：
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思考题 1.以CH3COOH为原料合成CH3CH2COOH
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9.3 亲电重排 亲电重排(Electrophilic rearrangement)亦称富电子体系的重排(Rearrangement of electron-rich Systems)。 它是包含产生负离子中间体的重排。在这类重排中，迁移基团X把电子对留给与之相连的原子B而迁移至作为重排终点的负碳离子上： 这类重排在碱性条件下进行，一般说来，这种经由负碳离子中间体的重排不如前述经由正离子中间体的亲核重排普遍。该类重排大多数亦属1，2—重排。
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1．Stevens重排 季铵盐（或铣盐)在碱性条件下，其中的烃基从氮原于(或硫原子)迁移至邻近的负碳离子上的重排谓Stevens重排：
R=PhCO—、Ph一、CH2=CH-等使亚甲基上的氢原子容易被碱移去的基团；R’＝PhCH2-取代苯甲基、CH2=CH-CH—等，碱可用NaOH、NaNH2等。 该重排的机理可表述如下：碱使季铵盐化合物(I)中亚甲基上的。活泼氢脱落下来形成负碳离子(II)，(II)中的R’以正碳离子的形式迁移至带有负电荷的碳原子上而最后生成叔胺(III)：
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研究证实，在重排过程中迁移基团的构型保持不变，从而说明该重排所具有的分子内特特，其间C一N键的断裂与C—C键的形成协同进行。
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2．Sommelet重排 苯甲基三烷基季铵盐(或铳盐)在PhLi、LiNH2等强碱作用下发生重排，苯核上起亲核烷基化反应，烷基的 碳原子与苯环的邻位碳原子相连形成叔胺。本重排与Stevens重排极为相似： 由于迁移基团无法进入其它分子的芳核上，因而Sommelet 重排是属于分子内N-C的重排。 本重排可作为芳核上引入邻位甲基的一种方法。
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例１. 例２.
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3．Wittig重排 苯甲基甲醚在强碱试剂(如RLi、PhLi、KNH2、NaNH2等)作用下，分子中的烃基发生重排，使醚转变为醇，此谓Wittig重排。重排的机理与前述Stevens重排有若干相似之处，仅苯甲基甲醚(PhCH2OMe)中亚甲基上活泼氢的酸性要比苯甲基季铵盐(PhCH2N＋Me2)中亚甲基的弱，因此需用上述较强的碱才能达到脱去质子的目的。其反应通式可表示如下: 其中，R、R’为烷基、芳基或烯基。迁移基团R’的迁移能力大致循下列顺序： CH2=CH-CH2—＞PhCH2—＞Me-＞Et＞Ph一 重排机理可表示如下：
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4．Favorsky重排 α-卤代酮类在碱性催化剂(ROK、RONa、Na0H等)存在下发生重排生成羧酸或羧酸酯(NH3存在时生成酰胺)：
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用示踪原子C14(以C*表示)可得到上述机理的证明：
反应结果两种产量相等，说明生成了对称的环丙酮中间体因而两种开环的可能性相等。若生成的环丙酮中间体不对称，究竟那一边开环，决定于负碳离子的稳定性。因而，下列α－代苄基甲基酮经Favorsky重排将主要生成苯丙酸甲酯：
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无α-H的卤代酮重排时，并非经由环丙酮中间体，称为Quasi
—Favorsky重排： Favorsty重排应用于合成羧酸、酯、酰胺，还可用以合成环缩小的羧酸。
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σ-键迁移重排 σ—键迁移重排(Sigmatropic rearragement)系指分子内单键和双键在一定碳骼上发生位置的对换，有时碳骼保持原状，有时碳骼也发生变化的一类重排。该重排过程中σ—键的迁移是通过某些价键的同时断裂和形成实现的(旧 σ -键的断裂、新σ-键的形成以及π键的移动系协同进行，其反应机理与协同反应和周环反应相似。在这类重排的过程中并不产生任何正离子、负离子等反应中间体。 由于该类重排受轨道对称性的约束，因而以其具有高度的立体专一性为重要特征。这类重排中，最重要的代表是Claisen重排与Cope重排。 1．Claisen重排 烯醇类或酚类的烯丙基醚在加热条件下，容易发生烯丙基从氧原子迁移至碳原子上的重排．此谓Claisen重排。
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Claisen重排是一种热重排过程，通常在无溶剂或催化剂存在
下进行，有时在NH4Cl等存在下有利于重排反应的进行。例如
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通常邻位无取代基时发生邻位重排；两个邻位均有取代基时发生对位重排；邻、对位均有取代基则不发生重排。
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Claisen重排可广泛应用于有机合成。烯丙基苯基醚类化合
在Claisen重排中，若苯环上有间位取代基一般并不影响反应的进行，但若为一CO2H、—CH0基团时，则会发生脱羧、脱羰反应． Claisen重排可广泛应用于有机合成。烯丙基苯基醚类化合 物的Claisen重排反应是芳环上直接引入烯丙基的简易方法，也是间接引入正丙基的方法。例如：
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高效低毒的农药拟除虫菊酯的合成
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2．Cope重排 1,5—已二烯系化合物加热时，可以重排为一种新的1,5—已 二烯系化合物，此谓Cope重排。
例如： 若底物为1,5—已二烯，重排的结果仍为原化合物，但若用取代的1，5—已二烯，则经此重排后可得到不同于原来碳骼的取代1，5—己二烯：
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如果3—或4—位上有吸电于基团，则重排反应更易进行：
一般说来，Cope重排具有可逆性的特征，单键与双键的数量 在重排前后并无变化。可逆反应的平衡点取决于底物和产物的相 对稳定性。3—或4—位有吸电子取代基的1， 5—己二烯之所以十分容易发生重排，就是由于产物的稳定性高于底物的缘故。因而对非环状化合物而言，平衡时产物的比例将根据其有利的共轭体系来决定，而对环状化合物而言，化合物的相对张力则成为决定平衡点的主要因素。例如，下列反应中，环丁烷的环在较温和的条件下就遭到破坏，考感到该系统的张力则不难理解：
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（收率定量） Cope重排一股系经由分子内六员环的过渡状态，其过渡状态的几何构型有船式与椅式两种。由构象分析巳知后者的能量低于前者。因而Cope重排的过渡状态一般为椅式。例如，椅式过渡状态的meso-3,4-二甲基-l, 5—已二烯的重排产物为顺反二烯异构体：
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The end
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