高等有机化学：第8章 分子重排
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高等有机化学之重排反应
The sulfonium cation does the same
PhCOCH2 CH2Ph HOCH3
PhCOCH S CH3 CH2Ph rearrangement
Important industrial reaction for manufacturing phenol and acetone
CH3CH=CH2 anhydrous AlCl3 PhCH(CH3)2
PhCH(CH3)2
O2
Na2CO3/H2O 100℃
CH3 H+ PhOH Ph C OOH CH3
Radical rearrangement
Br
Br Cl Cl Br2 Cl C CH CH2Br Cl C CH CH2Br Cl Cl
II Nucleophilic Rearrangement
1 Wagner-Meerwein rearrangement ( Carbon cation rearrangement )
CH3 CH3 C CH2OH CH3 H
+
CH3
CH3 C CH2OH2 CH3
Cl
-
H2O
Cl C CH2CH3 CH3
CH3
CH3 C CH2 CH3
CH3
CH3 C CH2CH3 CH3
H+
CH3C=CHCH3 CH3
Cl
Cl
Cl
Cl
OH H+
+
+
CH3
CH3 CH3 C CHCH3 SN1 CH3 C CHCH3 CH3 Br CH3 CH3 C CHCH3 CH3 CH3
CH3 CH3 C C CH3 OH CH3
分子重排-亲核重排
重排反应
反应中原子或基团迁移使碳架的位置发生变化，称 为重排反应。
W A
*A-迁移起点原子
W B A B
W-迁移基团/原子
B-迁移终点原子
重排反应一般分为三步： 生成活性中间体；重排；生成消去和取代产物。
（碳正离子，碳烯，氮烯，碳负离子，自由基等）
根据反应机理中迁移终点原子上的电子多少，将重排反应分为：
O
KOBr&H2COOH
O C NH C O
KOBr + 2KOH
O COH NH2
缺电子重排（亲核重排）
-Curtius（库尔修斯）重排
缺电子重排（亲核重排）
-Schmidt重排
缺电子重排（亲核重排）
-Schmidt重排
§1.缺电子重排（亲核重排）
-Lossen重排
周环反应中的σ键迁移反应也是常见的重排反应。
环氧丙烷重排
缺电子重排（亲核重排）
机理 1.缺电子中心的创建
CH3CH2CH2CH2OH H
+
H CH3CH2CH2CH2OH2 H2O H3CH2CHC CH2
2. 迁移基团带着一对电子迁移到缺乏电子中心
H H3CH2CHC CH2 H3CH2C C CH3
3.要满足迁移始点外层8电子结构,一般与亲核试剂结合或 通过β-消除完成重排过程
H3CH2C C CH3 H
+
CH3-CH=CH-CH3
缺电子重排（亲核重排）
碳正离子重排
CH3
Cl C CH2CH3 CH3
CH3C=CHCH3 CH3
OCH3 Cl
迁移基团迁移顺序：
＞
＞
＞ R3C- ＞ R2CH-
分子重排WORD
1 Pinacol-Pinacolone Rearrangement 重排当片呐醇类在稀H2SO4存在下加热脱水时发生特殊的分子内部的重排反应生成片呐酮。
如用盐酸、草酸、I2/CH3COOH、CH3COOH等脱水-转位剂以代替H2SO4可得相同的结局：反应机理反应的关键是生成碳正离子:反应实例2 Wagner-Meerwein 重排当醇羟基的b-碳原子是个仲碳原子(二级碳原子)或叔碳原子(三级碳原子)时，在酸催化脱2 Wagner-Meerwein 重排当醇羟基的b-碳原子是个仲碳原子(二级碳原子)或叔碳原子(三级碳原子)时，在酸催化脱水反应中，常常会发生重排反应，得到重排产物：反应机理反应实例3 Beckmann 重排肟在酸如硫酸、多聚磷酸以及能产生强酸的五氯化磷、三氯化磷、苯磺酰氯、亚硫酰氯等作用下发生重排，生成相应的取代酰胺，如环己酮肟在硫酸作用下重排生成己内酰胺：反应机理在酸作用下，肟首先发生质子化，然后脱去一分子水，同时与羟基处于反位的基团迁移到缺电子的氮原子上，所形成的碳正离子与水反应得到酰胺。
迁移基团如果是手性碳原子，则在迁移前后其构型不变，例如：反应实例4 Hofmann 重排（降解）酰胺用溴(或氯)在碱性条件下处理转变为少一个碳原子的伯胺反应机理反应实例5 Baeyer-Villiger 反应酮类化合物用过酸如过氧乙酸、过氧苯甲酸、间氯过氧苯甲酸或三氟过氧乙酸等氧化，可在羰基旁边插入一个氧原子生成相应的酯，其中三氟过氧乙酸是最好的氧化剂。
这类氧化剂的机理:过酸先与羰基进行亲核加成，然后酮羰基上的一个烃基带着一对电子迁移到-O-O-基团中与羰基碳原子直接相连的氧原子上，同时发生O-O键异裂。
因此，这是一个重排反应具有光学活性的3---苯基丁酮和过酸反应，重排产物手性碳原子的枸型保持不变，说明反应属于分子内重排：不对称的酮氧化时，在重排步骤中，两个基团均可迁移，但是还是有一定的选择性，按迁移能力其顺序为：醛氧化的机理与此相似，但迁移的是氢负离子，得到羧酸。
高等有机化学：第8章 分子重排
18
19
8.1.2 碳正离子1,3-重排及其它多中心重排
R C R' CC
R R R'
R C R' CC R R R'
20
8.1.2 碳正离子1,3-重排及其它多中心重排
+
k1,2
H H
H k2,3 较难
3
6
+ 12
H
k2,3
+ H
1,3-重排
k6,2 +
k1,2 > k6,2 > k2,3
21
28
8.3 Baeyer-Villiger氧化
Mechanism
亲核 迁移
烷基迁移次序:3 > 2 > Ph > 1 > Me 29
O mCPBA Me
氧原子进入位置:
Me O
C2H5 Me O
O Me
O
Me O
30
Examples
O C CH3
PhCO3H
O O C CH3
CH2
(CH2)n
twistedohchhoendoexo18clhfsbfclftetrahedralcarbonnmr688ppmphenoniumionolahjacs19769867841920812碳正离子13重排及其它多中心重排21812碳正离子13重排及其它多中心重排13重排23较难2223813原菠烷正离子norbonylcation重排和萜类衍生物重排wagnermeerwein重排clchiral经典的双环221庚正离子chiraloacacooac5050orbitalpicturenorbonylcation25analogouslyotshoacachiral非手性chiral手性15183classicalnonclassical2682向缺电子的no的重排ohha可合成nmr可观察到位于羟基反位的基团发生迁移迁移基团立体化学保持不变2728其它向缺电子的no的重排hofmann重排hofmanndegradationcurtius重排wolffarndteistert重排schmidt重排lossen重排2983baeyervilliger氧化烷基迁移次序
《分子重排反应》课件
III. 分子重排反应的机理
• 分子重排反应的机理涉及分子内、分子间的结构变化以及化学键的重组。 • 这类反应通常包括断裂原始键、形成新的共价键、转移原子或基团等
步骤。 • 具体反应机理的理解对于控制反应路径和提高反应效率至关重要。
IV. 分子重排反应的影响因素
1 1. 温度
温度对分子重排反应速率和选择性起着重要 作用，通常较高的温度会促进分子重排反应 的进行。
II. 分子重排反应的分类
1. 根据反应类型
分子重排反应可以根据不同 的反应类型进行分类，如醇 酯互变异构、氧杂环化、羰 基互变异构等。
2. 根据反应条件
分子重排反应也可以根据不 同的反应条件进行分类，如 酸催化、碱催化、高温条件 下发生的分子重排反应等。
3. 根据反应底物
分子重排反应还可以根据不 同的反应底物进行分类，如 环状化合物的分子重排反应、 链状化合物的分子重排反应 等。
VII. 分子重排反应与有机合成的关系
分子重排反应是有机合成中的重要环节，可以用于构建复杂分子结构和控制化学反应的选择性。
2
2. 药物合成
分子重排反应在药物合成中发挥着重要作用，可用于合成药物前体和改进药物性 能。
3
3. 新型材料制备
分子重排反应可用于制备新型材料，例如高分子材料、金属配合物等。
VI. 分子重排反应的实验方法
为了研究和实施分子重排反应，可以使用各种实验方法，如核磁共振（NMR）、质谱（MS）和红外光谱（IR） 等。
2 2. 反应物浓度
反应物浓度越高，分子重排反应的速率通常 会增加。
3 3. 催化剂
催化剂可以显著提高分子重排反应的速率， 并且可以排反应的进行和产物 选择性有重要影响。
[理学]第八章 分子重排反应
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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：
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
1
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
(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。
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。
分子重排
O O
(CH3)2C C(CH3)2 + H+
O
HCN
HO
CN
H
HO
CH2NH2
NaNO2
HO
CH2
重排
+
O
5
二、重排到缺电子的氮原子 1．贝克曼重排 ． 醛肟或酮肟在酸作用下重排为酰胺。 醛肟或酮肟在酸作用下重排为酰胺。
6
和羟基处于反式的集团迁移
7
2．霍夫曼重排 ．
迁移集团手性保持
8
三、重排到缺电子的氧原子 1．过氧化氢烃的重排 ．
分子重排
重排到C 重排到C
亲核重排
重排到O 重排到O 重排到N 重排到N
亲电重排 自由基重排 芳香胺重排 其他重排
1
一、重排到缺电子的碳原子
M C C
+
M
C
+
C
1．1-丙基阳离子的重排 ． 丙基阳离子的重排
NaNO2 HCl
& CH3-CH-CH2
+
CH3-CH2-CH2 N
9
2．拜尔-维立格（Baeyer-Villiger）重排 ．拜尔 维立格 维立格（ ）
基团亲核能力强者迁移
10
三. 连苯胺重排
11
+
N
- N2
CH3-CH-CH3
2
2．片呐醇重排 ．
R2 R1 C R3 C R4
OH OH
（1）能生成更稳定的碳正离子的羟基优先离去。 ）能生成更稳定的碳正离子的羟基优先离去。 （2）迁移倾向大的基团优先迁移。 ）迁移倾向大的基团优先迁移。 基团的迁移倾向： 基团的迁移倾向：芳基 > 烷基
3
4
(CH3)2C C(CH3)2 + H+
O
HCN
HO
CN
H
HO
CH2NH2
NaNO2
HO
CH2
重排
+
O
5
二、重排到缺电子的氮原子 1．贝克曼重排 ． 醛肟或酮肟在酸作用下重排为酰胺。 醛肟或酮肟在酸作用下重排为酰胺。
6
和羟基处于反式的集团迁移
7
2．霍夫曼重排 ．
迁移集团手性保持
8
三、重排到缺电子的氧原子 1．过氧化氢烃的重排 ．
分子重排
重排到C 重排到C
亲核重排
重排到O 重排到O 重排到N 重排到N
亲电重排 自由基重排 芳香胺重排 其他重排
1
一、重排到缺电子的碳原子
M C C
+
M
C
+
C
1．1-丙基阳离子的重排 ． 丙基阳离子的重排
NaNO2 HCl
& CH3-CH-CH2
+
CH3-CH2-CH2 N
9
2．拜尔-维立格（Baeyer-Villiger）重排 ．拜尔 维立格 维立格（ ）
基团亲核能力强者迁移
10
三. 连苯胺重排
11
+
N
- N2
CH3-CH-CH3
2
2．片呐醇重排 ．
R2 R1 C R3 C R4
OH OH
（1）能生成更稳定的碳正离子的羟基优先离去。 ）能生成更稳定的碳正离子的羟基优先离去。 （2）迁移倾向大的基团优先迁移。 ）迁移倾向大的基团优先迁移。 基团的迁移倾向： 基团的迁移倾向：芳基 > 烷基
3
4
分子重排反应
常常会发生重排反应，称为Wager-Meerwein重排。
Me Me Me MeOH
H2SO4
Me Me
Me Me
Me Me Me CH2Cl
AgNO3
ONO2 Me CH2CH3 + Me
Me Me
Me H
4
7.2.2 频哪醇（Pinacol）重排
Me Me H2SO4 Me C C Me OH OH Me Me C C Me Me O
O OH
OH Br Br + t-Bu AlCl3 Br
OH Br +
t-Bu
2
7.1.2 按反应历程分类 根据迁移基团的亲核、亲电或是自由基的性质可将重排反应分为 亲核重排、亲电重排和自由基重排。 亲核重排是迁移基团带着一对电子迁移到缺电子的迁移终点。 亲电重排是迁移基团不带电子向富电子的迁移终点转移。 自由基重排是带着一个电子的迁移。
O Ag+ R CHN2 H2O R
Wolff Rearrangement
O OH
O
Hofmann Rearrangement
Br2, NaOH NH2
R
RNH2
迁移基团如果是手性的，迁移前后其构型保持不变。
6
7.3 亲电重排
Favorskii 重排：α - 卤代酮在碱作用下重排得到羧酸盐或羧酸酯。
哪一个羟基质子化离去，取决于碳正离子的稳定性； 通常能提供电子，稳定正电荷较多的基团优先迁移。
Ph Ph C OH
Me Ph C OH
H H2SO4 C H OH
Me H2SO4 C Ph OH
Ph Ph C C H H O
Me Ph C C Me Ph O
Me Me Me MeOH
H2SO4
Me Me
Me Me
Me Me Me CH2Cl
AgNO3
ONO2 Me CH2CH3 + Me
Me Me
Me H
4
7.2.2 频哪醇（Pinacol）重排
Me Me H2SO4 Me C C Me OH OH Me Me C C Me Me O
O OH
OH Br Br + t-Bu AlCl3 Br
OH Br +
t-Bu
2
7.1.2 按反应历程分类 根据迁移基团的亲核、亲电或是自由基的性质可将重排反应分为 亲核重排、亲电重排和自由基重排。 亲核重排是迁移基团带着一对电子迁移到缺电子的迁移终点。 亲电重排是迁移基团不带电子向富电子的迁移终点转移。 自由基重排是带着一个电子的迁移。
O Ag+ R CHN2 H2O R
Wolff Rearrangement
O OH
O
Hofmann Rearrangement
Br2, NaOH NH2
R
RNH2
迁移基团如果是手性的，迁移前后其构型保持不变。
6
7.3 亲电重排
Favorskii 重排：α - 卤代酮在碱作用下重排得到羧酸盐或羧酸酯。
哪一个羟基质子化离去，取决于碳正离子的稳定性； 通常能提供电子，稳定正电荷较多的基团优先迁移。
Ph Ph C OH
Me Ph C OH
H H2SO4 C H OH
Me H2SO4 C Ph OH
Ph Ph C C H H O
Me Ph C C Me Ph O
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Cl
Cl
H
OH
Ph Ph
CH3 O
Ph H
CH3 AgBF4 O H Et2O
Ph
CH3
O Ph
Ph O
H
OH +
Ph > CH3 > Cl
Cl
Cl
H
OH
CH3
Ph
CH3 H
Ph AgBF4
CH3 Ph
Ph O
O H Et2O
Ph O
Ph O
H
OH +
R. Bach, J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 3118.
OH
OH 1,2-shift
1,3-shift OH
H O
H+
H O
OH
O
H H+
H
CHO
12
1,2-迁移的立体化学及能量需求 C-Z键及C-C键和空P轨道要共平面
Z β
R
R
+ α
The ideal relationship of the empty p orbital to the migrating group (Z) for a 1,2-shift
14
1，2-shift: stereochemistry
If X departs before Z begins to move, either retention or inversion can
occur at the migration terminus. If the lifetime of the carbocation is very short, retention will result if Z was gauche to the leaving group in the unreacted starting material and inversion will result if Z was anti
13
1,2-shift: stereochemistry
If Z begins to migrate before X has completely departed, the migration terminus C will be inverted. This is the situation most commonly encountered in solvolysis reactions that involve neighboring-group participation.
10
1,2-迁移: Tiffeneau-Demjanov rearrangement
i) HCN
O
or CH3NO2/NaOH HO
NH2
+ HO N N
ii) LAH
NaNO2 + HCl
HO + - N2
H O+
O - H+
11
Meinwald重排: 双环环氧化物经酸处理重排为醛
O H+
OH
第 8 章 分子重排
重排反应: 在反应中原子或基团迁移使分子的碳骨架发生变化
缺电子重排
缺电子碳（正碳离子）
(nucleophilic or anionotropic)
分
缺电子氮（氮烯）
类
富电子重排 (electrophilic or cationotropic)
芳香环上的重排
研究方法
化学动力学 示踪原子 交叉实验 中间体分离鉴定 立体化学等
Wagner-Meerwein Rearrangement, Pinacol Rearrangement, Friedel-Crafts Acylation and Alkylation, Bischler-Napieralski Reaction, Pictet-Spengler Reaction, Beckmann Rearrangement, Tiffaneau-Demjanov Rearrangement, Ferrier Rearrangement, Nazarov Cyclization, Pechmann Reaction, Prins Reaction, Ritter Reaction, Leuckhart-Wallach Reaction, Meyer-Schuster Rearrangement, Rupe Reaction
1
8.1 碳正离子的重排
形成碳正离子的主要途径 卤代烃与Lewis acid 作用
X + AlX3
醇的酸介质脱水
H+ OH
+ OH2
SN1反应
L
+ + AlX4-
+ + H2O
+
+ L-
双键的亲电加成
+ X+
X
2
Some named reactions which involve carbocation intermediates
3
DO YOU HAVE A CARBOCATION?
ALWAYS
STOP - LOOK - THINK
STOP
EVALUATE FOR A REARRANGEMENT
E
R
X
E
RG
ANE M
D
E
CAN YOU FORM A BETTER CARBOCATION ?
8.1.1 1,2-迁移（Wagner-Meerwein 重排）
Synthesis 2005, (15), 2562.
9
1,2-迁移: 示例
Br Br
MeLi, -70 。C
Cl
O NEt3, 120 。C
窗格烃合成
H2NNH2/KOH 160-190 。C
ห้องสมุดไป่ตู้
O
Li
PhS HO
SPh
p-TsOH.H2O
O
0 。C
C6H6, 80 。C
see JACS 1998, 120, 317-328.
基团迁移大致顺序：芳基 > 烷基 (３ > 2 >1 ) > H 5
6
1,2-迁移: 示例
Cascade of ring expansion (see Chem Ber. 1984, 117, 203; 1988, 121, 525.)
CH3 OH
Me OH
TsOH Me2C=O/H2O
R OH
8
1,2-迁移: 示例
HO R
R
O
O
O
Synthesis and Wagner–Meerwein Rearrangement of 9-(aHydroxyalkyl) xanthenes to 10-Substituted Dibenz[b,f]oxepins: Scope, Limitations and ab initio Calculations
R
SOCl2
+
Py.
RH N +
R Elimination involving five Wagner-Meerwein rearrangements
7
1,2-迁移: 示例
Total synthesis of (+)quadrone by A. B. Smith
Smith, A. B., III, Konopelski, J. P. J. Org. Chem. 1984, 49, 40944095.