σ迁移反应详解.docx

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σ迁移反应详解

迁移反应

在迁移反应中，一个碳原子的键通过共轭体系迁移到新位点。

如果[i，j]迁移中i=1，则迁移键的一端保持不变，j表示键的另一端迁移到第j个碳原子上。

这种类型的迁移通常是C–H键的迁移，即氢[1，j]迁移。

1.加热C-H键的[1,5]和[1,7]迁移

如图1所示，是同面氢[1,5]迁移。

如果再增加一个键（增加两个p电子），则会发现[1,7]迁移是异面的：

C-H从“上方”开始，在“下方”结束，并且H从体系的一侧朝向另一侧。

为什么会有这种不同呢？

图1

与电环化反应一样，我们可以使用简单的FMO（前线轨道理论）分析来了解此类迁移的选择规则。

但是，这次我们将采用另一种方法，我们将构建用于迁移的过渡态结构，然后用周环反应的约束条件，即反应是协同的，过渡态结构必须是闭合的轨道环。

我们将详细分析加热条件下同面[1,5]迁移，然后将结果推广到其他类型的迁移反应。

图2.H[1,5]迁移可解释为[4s+2s]环加成。

在上面显示的示例中，C-H在共轭体系上迁移，因此我们用C-H键的HOMO和二烯烃的LUMO或C-H的LUMO和二烯的HOMO来分析，一般来说，用C-H的HOMO和二烯烃的LUMO更容易识别最佳轨道重叠。

当然，无论选择哪种轨道组合，结果都是相同的。

从轨道的对称性可知，二烯烃在基态时的LUMO轨道具有2个节点，两端轨道对称性一样，因此C-H键的[1,5]迁移是热允许的。

在基态时，迁移过程的环状过渡态更容易实现。

相反，三烯烃在基态时的LUMO轨道具有3个节点，两端轨道是反对称的，所以，C-H键的[1,7]迁移是异面的，很难发生。

下图显示了不同数目键两端轨道的对称性。

单烯烃LUMO轨道末端波瓣是不同相的，是反对称的；二烯烃LUMO的末端波瓣是同相的，是对称的，并且与键HOMO的末端波瓣相匹配，因此二烯烃与键的“环加成”是热允许的同面重叠过程。

烯烃或三烯烃都不能实现这种过程。

2.加热C-H键的[1,3]迁移

加热条件下，C-H键的[1,3]迁移必须异面进行，这在物理上是不可能的。

因此，在保持C-H与体系末端之间相互作用的同时，该反应不能同面发生。

所以，加热条件下，C-H键的[1,3]迁移是禁阻的。

3.光化学C-H键的[1,3]迁移

如果氢原子能够从上方移动到下方（如上图中蓝色虚线所示），则可以形成环状过渡态结构。

紫外线照射后发生电子跃迁，烯烃的HOMO轨道为*，对称性由反对称变为对称，因此，可以形成环状过渡态，如下图所示。

为了实现环加成过渡态，C-H键的LUMO和烯烃的HOMO结合。

因此，光化学[1,3]迁移同面进行，这在物理上很容易。

该反应可以同面发生，并能同时保持H和共轭体系末端的键合。

所以，光化学同面[1,3]迁移是允许的。

与其他周环反应一样，上述分析得出的选择规则是基于过渡态结构中的键数目：

键数目

加热Δ

光照hv

偶数

同面

异面

奇数

异面

同面

4.加热的碳[1,3]迁移

上述中，我们看到加热的H[1,3]迁移是禁阻的，因为过渡态结构中共轭体系两端的轨道重叠是不可能的。

由于相同的原因，机理A引起的饱和碳的加热[1,3]迁移是不可能发生的（如下图所示），这是由于碳原子要与共轭体系两个末端同时键合，不能发生同面迁移，必须异面迁移。

但是，与H的[1,3]迁移不同（H的成键轨道只有一相），碳可利用迁移C-C键的sp3杂化轨道的后瓣参与反应，这允许C-C键可进行异面迁移。

上述B途径需要迁移的碳原子构型翻转，这促使研究人员设计实验来揭示其存在。

下面的示例（由Berson和Nelson于1967年出版）提供了一个可靠的证明，尽管在苛刻的加热条件下，C3和C7仍可通过形式上的[2s+2a]过程实现C1-C7的1,3-位移。

5.[3,3]迁移

接下来，我们介绍另一类周环反应[3,3]迁移。

在此类迁移反应中，键的两端都迁移了三个原子的距离。

[3,3]迁移有两个重要的反应：

一个是Cope重排，另一个是Claisen重排。

基于这两个反应，存在一系列的结构变体。

Cope重排和Claisen重排是与Diels-Alder同族的周环反应，它们都经历了6电子协同过渡态并遵循轨道对称规则。

5.1Cope重排

在该反应中，将1，5-二烯烃加热至150C（或更高温度），由此起始原料得到重排产物。

上面的示例是最简单的Cope重排，它只是重新排入自身。

此处形成和断裂的键：

✧两个C-Cp键形成（加一个C-Cs键）

✧两个C-Cp键断裂（加一个C-Cs键）。

那么它是怎样反应的？

为了构建环状过渡态结构，我们将两个3-C单元：

烯丙基阴离子（HOMO）和烯丙基阳离子（LUMO）进行组合。

它们都具有相同的轨道，将它们组合在一起可以表明这两个部分在热处理过程中都可以发生同面迁移反应。

像Diels-Alder反应一样，Cope重排属于周环反应。

Cope重排通过协同环状过渡状态，没有带电荷的中间体。

Cope重排产物与其起始物料处于平衡状态，Cope重排的产物也将是1，5-二烯，因此能够进行逆反应。

因此，产物分布反映起始原料和重排产物之间的平衡。

那么，如何将平衡推算为实际上有用的东西呢？

还记得Zaitsev的规则吗？

即取代度更高的烯烃胜出。

随着烯烃上连续的C-H键被C-C键取代，烯烃的稳定性略有增加。

在下面的简单情况下，仅在C3上放置一个甲基就会产生带有双取代烯烃而不是单取代烯烃的重排产物。

具有环张力的Cope重排

Cope重排确实使肘部趋向于形成单个产品，其C-C键是环张力的一部分。

在室温以下发生“顺式-二乙烯基环丙烷”的重排。

尽管反应看起来有些奇怪，但形成和破坏的键却是相同的。

化学家已经将这种环张力驱动的Cope重排至更疯狂的极端。

这不是一个“牛”，因为它不断地应对自身，因此分子没有固定的结构。

Oxy-Cope重排

在上面的示例中，我们看到即使C-3处仅有一个不起眼的甲基也足以产生有效的5：

1的应对重排产物比例。

沿着这些思路，1964年，已故的伟大杰罗姆·伯森教授（及其纽约大学博士后梅特兰·琼斯教授和教科书名声）报道，3-羟基取代的1,5-二烯的Cope重排导致烯醇产品。

如果回想一下炔烃的加氢硼化和氧化汞化反应，您可能还记得，烯醇往往不会停留很长时间。

通过被称为酮-烯醇互变异构的过程，烯醇经历重配成酮（或醛，取决于原料的结构），导致不可逆地形成所谓的“γ，δ”不饱和醛或酮。

酮-烯醇互变异构是一种平衡，由于C-Opi键相对于C-Cpi键的强度，通常有利于酮形式。

像Cope重排一样，Oxy-Cope仍需要大量加热。

（Berson-Jones的一个示例涉及在320°C的密封管中加热。

）这似乎对反应的应用起到了抑制作用，但是大约10年后，Evans和Golob发现用氢化钾处理原料使Oxy-Cope重排进入超速驱动状态，大大降低了活化势垒（降低了约10-15kcal/mol），以至于反应可在室温或更低温度下发生。

现在被称为“阴离子Oxy-Cope重排”。

有关Oxy-Cope有趣的例子，该例子导致了蟑螂性信息素围裙素B的合成。

Cope重排通过缓解应变来驱动，如以下海藻信息素双蝶呤C的合成所示。

上面所示的椅式构象过渡结构类似于用于醛醇加成反应的齐默曼-特拉克斯勒过渡结构，并且对Cope重排具有相似的立体化学结果。

如果底物带有取代基，则将存在两种可能的TS构象，该取代基采用平俯键或竖直键取向。

在这些的较低能量中，取代基将是处于平俯键。

下列实施例显示了这种立体化学偏好的作用。

Cope重排是可逆的，平衡有利于更稳定的物种。

在实施例042、046和047中，驱动力是取代度更高的双键的形成（三取代比二取代等更稳定）。

异蝶烯烯C′的合成045是由环丙基环应力的消除驱动的。

对于009，它具有oxy-Cope重排特征，由于与重排产物10元环中两个双键相关的应变，第一平衡有利于原料。

然而，oxy-Cope重排的驱动力是烯醇-酮互变异构。

产物cyclodec-5-en-1-one比任何一种前体结构都更稳定。

克莱森重排和变体

Cope重排的一个表亲是一个稍旧的过程（1912年），称为Claisen重排。

（与克莱森酯缩合是同一个人）。

这也是周环反应。

在克莱森重排中，加热乙烯基烯丙基醚以产生γ，δ不饱和羰基。

形成C-Cσ键，C-Cpi键和C-Opi键。

两个C-Cpi键断裂（和一个C-Osigma键）。

如果我们将断裂的键的能量与形成的键的能量进行比较，我们会发现我们将相对较弱的碳-碳pi键（约65kcal/mol）换成相对较强的碳氧pi键（约85kcal/mol）摩尔）获得约20kcal/mol的增益。

（CCsigma键和COsigma键的键解离能大致相同（约85kcal/mol），因此它们基本上抵消了）产物约为20kcal/mol（〜85kJ/mol）的反应就所有目的和目的而言，比反应物更稳定是不可逆的。

这只是使克莱森重排非常有价值的一项功能。

那么它是怎样工作的？

从推箭的角度看，它看起来很像应付重排！

我们不会在这里介绍Claisen重排的立体化学，但足以说它通常遵循非常可靠的模式，这使其成为立体选择性合成的主力军。

烯丙基苯基醚的克莱森重排

芳香pi系统也可以参与Claisen重排。

加热烯丙基苯基醚[注]会导致Claisen重排，从而生成γ-δ不饱和内酯。

尽管克莱森重排在此停止，但第二反应立即发生（并且无法停止）。

如果您涵盖了芳香性，那么您会认识到克莱森重排的产物不再是芳香性；连接到4个sigma键的sp3碳可防止整个环的共轭。

碰巧的是，这是酮-烯醇互变异构现象抬起头的另一个机会，尽管这次驱动力朝相反的方向（从酮到烯醇）！

原因是芳香性（共振能量>30kcal/mol）所赋予的稳定性远远超过了酮和烯醇形式之间较小的能量差（注）。

如果邻位被阻塞会怎样？

看看您是否可以找出这种有趣的（heh）机制。

克莱森自然重排

事实证明，克莱森重排发生在活生物体中。

正如您可能期望的那样，自然界并没有忍受加热到150°C，而是发现了一种催化酶反应的方法。

下图是分支状酸的重排。

该反应由分支糖酸突变酶催化，导致速率约106的加速。

请注意形成和断裂的键的模式-尽管这些分子看上去有些时髦，但键断裂和键形成的模式完全相同如上述反应所示。

为什么这种生物合成途径很重要？

这是the草酸途径中负责必需氨基酸色氨酸，苯丙氨酸和酪氨酸生物合成的关键步骤。

该途径不适用于动物（包括人类），这就是为什么我们必须从饮食来源获取这些氨基酸的原因。

如果我们在Cope重排中将适当的碳更改为O，我们将实现Claisen重排，其一般机理如下所示。

[3,3]-重排

热允许

羰基产物比起始烯醇醚稳定约84kJ/mol（20kcal/mol）

椅式过渡结构，可预测的立体选择性

变体仅在取代基Y上有所不同

反应如此多的变体的存在通常意味着（a）反应非常有用（否则变体没有多大意义），并且（b）原始版本存在问题。

实际上，有两个问题限制了它的实用性；首先，可能需要高温。

其次，可能难以制备所需的烯基醚（通常R2＝H不是问题，即乙烯基醚，这可以通过乙氧基乙烯在简单的交换过程中制得）。

enolate-Claisen是最简单的变体。

它仅需要制备酯，然后将其用强碱处理即可形成烯醇化物。

然后将其预热。

这种方法可能会遇到问题，因为某些烯醇会在重排之前分解。

但是，该反应在某些情况下可能非常有用

对于Irish-Claisen，按上述方法制备酯烯酸酯，但在使其升温之前，先将其与氯硅烷（R3SiCl）进行O-硅烷化。

所得的甲硅烷基烯醇醚（也称为“烯醇硅烷”）比烯醇盐稳定得多。

加热时它不会分解，但会平稳地进行重排。

总结：

Cope和克莱森重排

我们实际上只是勉强了解Cope和Claisen重排的表面，但是对于大多数入门课程的学生来说，这就足够了。

像所有周转反应一样，Cope和Claisen重排也要遵守有关轨道对称性的Woodward-Hoffman规则。

Cope和Claisen重排的轨道对称性可能超出了大多数入门课程的内容，但在下面的附录中进行了介绍。

同样，此处忽略了立体化学的详细信息，包括过渡状态的椅子（有时是船！

）的几何形状。

好时机，请查看经典的Doering-Roth实验。

梅特兰·琼斯（MaitlandJones）也在他的教科书中讨论了它们。

Cope和Claisen在合成中的应用不胜枚举。

存在超过15种Claisen重排变体，其中一些变体只是最近才被开发出来。

有机化学是一门活跃而活跃的学科，不断有新发现被出版！

IUPAC将“σ重排”定义为一种环周反应，涉及断裂和形成新的σ键，其中π键和σ键的总数不变。

仅顺式-二乙烯基环丙烷容易重排。

为了重新排列，必须将反式二乙烯基环丙烷加热至约190℃，因为环丙烷需要首先破碎。

从合成的角度来看，使克莱森重排有用的一个细微特征是，它以一种可预见的方式将一个相对容易制造的键（C-O）换成一个相对难以制造的键（C-C）。

（例如，我们已经学习了几种通过Williamson醚合成，将醇添加到烯烃和炔烃中以及其他各种方法来形成C-O键的方法。

）

关于克莱森重排的一个有趣的细节是立体化学信息的传递。

如果以立体选择性的方式（E或Z）构建C-O键和双键，则该几何形状可以通过非常可预测的立体化学被中继成新的手性中心的形成。

对于爱尔兰酯烯酸酯的克莱森重排，这已经特别完善。

Cope和克莱森重排中的轨道对称

作为周环反应，因此也是Diels-Alder反应的亲缘关系，您认为轨道对称性必须出现在某个地方，以使我们能够合理地解释为何“热允许”Cope和Claisen重排。

得出这些反应的轨道的最简单方法是将它们想象成两个互相结合的烯丙基片段。

如果我们回想一下烯丙基的HOMO（我们在这里进行了讨论），HOMO是分子轨道，其中末端波瓣是相反的相位，中心是一个看起来很奇怪的点（这是因为节点穿过中心碳）。

如果以这种方式结合两个烯丙基自由基，则轨道会很好地对齐。

我们没有详细介绍Cope过渡状态的几何形状，但是它通常是椅子状的，这就是为什么用这种方式绘制它的原因。

我们在这里使事情变得非常简单。

Cope的机制仍在探索中，并且存在一些过渡态确实类似于两个烯丙基的组合的途径！