重排反应Rearrangementrea.ppt
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1、1,第五章 重排反应(Rearrangement Reaction),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。,按反应机理重排反应分为亲核重排、亲电重排及自由基重排。,(1)亲核重排 在该重排中,迁移基带着一对成键电子,向缺电子的原子进行迁移。,2,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
2、将迁移甲基看作是亲核试剂。,(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,3,作是亲电试剂。,(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。,4,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,WA原子间键的断裂与W,B原子间新键的形成为一协同过程,这种重排成为迁移重排。,第一节 从碳原子到碳原子的重排,从碳原子到碳原子的重
3、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。,一、Wagner-Meerwein rearrangement,在质子酸或Lewis酸催化下生成的碳正离子中,烷基、芳基,5,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
4、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-位上引入活性基团。如庚醇(heptanol)在三苯基膦的作用,6,下,经重排、水解得双环庚醇:,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。,7,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。,8,二、Pinacol rearrangement 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
5、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。,9,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:,10,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
6、,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,11,重排中,一般来讲,其迁移能力为:芳基烃基,如,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
7、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:,12,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:,13,(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。,14,在该反应中,并非甲基的迁移能力比
8、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。,15,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Zn2Cl,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。,16,2.三取代邻二叔醇重排,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
9、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,17,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。,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:扩环脂肪酮 螺环酮 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。,18,具有下列结构的邻二叔醇重排时,生
10、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。,19,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,发生键迁移,得缩环产物。,20,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。,21,4.Semipinacol rearrangement,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
11、,个羟基,生成了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-卤代醇在银盐作用下脱卤可进行Semipinacol重排。,22,脂环-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。,-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。,23,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
12、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。,24,当脂环羟基邻位上具有双键时,在酸或碱催化下,在羟基位,生成碳正离子,同样能发生Semipinacol重排生成螺环酮。,25,三、二苯基乙二酮-二苯基乙醇酸型重排,-二酮用强碱处理发生重排,生成-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。,26,生成稳定的羧酸盐是反应的动力,反应速度与-二酮及碱浓度,成正比。,该重排反应是制备二芳基乙醇酸的常用方法,所用
13、原料-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:,27,羟基-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-羟基酮类。,不能使用酚盐(ArOM),因为其碱性不足以使-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
14、优势。此时以苯基迁移为主。,28,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。,29,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-二酮结构,碱性条件下重排,即得相应,缩环产物。,30,不对称-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
15、度。,四、Favorski重排,-卤代酮在碱(NaOH,RONa,HNRR)催化下脱去卤素,原子,重排为羧酸或其衍生物的反应称Favorski重排。,31,根据所用的碱的不同,可分别得到相应的羧酸、酯或酰胺。,单从反应前后结构变化的表象看,好像是羰基所连烷基作,1,3-迁移,取代了卤原子所致,但与下列实验不符。,32,如果C-6向C-2迁移,应只有A一种产物,但实验却得A、B,两种产物,且数量相等。这一结果提示:在中间体结构中羰基,双侧的两个碳具有相同开环地位,即中间体的结构应为环丙酮。,33,五、Wolff重排和Arndt-Eistert反应,-重氮酮经加热、光解或在某些金属等催化剂作用下脱
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