Claisen重排

酚的化学反应中,苯酚烯丙基醚的形成及相关的Claisen重排是个小小的难点与重点。但事实上,Claisen重排最早却是在另一种更简单的醚:乙烯烯丙醚的 身上发现的。

开链的乙烯烯丙醚加热时,整个分子会盘成接近六元环的形状,而后同时发生三对电子的转移(下图第二个结构),开链端头两个原子间逐渐成键, 中间C-O两个原子间的单键逐渐断开。经历一个六元环状过渡态后,最终得到产品,一个不饱和羰基化合物(如下图第二行的结构)。

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该变化实际是一比较复杂的周环反应过程,具体机理在基础有机的学习阶段我们可以不用多管。但反应本身很有规律,我们可以用三句口诀概括: 1,1-断开,3,3-相连,单双互变。其含义如下:

  • 1,1-断开。 我们将涉及反应的,以两个双键为端头的六个原子从中间均分,各自编为1-3号。反应过程中,编号为1的两个原子间将断键。

  • 3,3-相连。 相应地,端头编号为3的两个原子间将形成新键。

  • 单双互变。 此外,整个体系中原本是单键的位置(如两组1-2之间)反应后将变为双键;反之原本是双键的位置(如两组2-3之间)反应后变为单键。

只要记住这三句口诀,Claisen重排的最终产物结构我们很容易写出。

至于苯基烯丙基醚的重排,其实与乙烯烯丙醚并无两样。如下图所示,我们不难发现,苯基烯丙基醚的经典结构式中,明显也存在一个乙烯基烯丙基醚的 结构单元。既然如此,加热时如下图所示,它也可以发生类似的重排,重排过程如出一辙,产物结构还是可以通过那三句口诀写出,我们依然得到一个不饱和羰基 化合物。值得注意的是,在这个不饱和羰基化合物中,苯环明显消失了,芳香性没有了,这对分子的稳定性自然是比较不利的。好在我们也知道,酮式 与烯醇式之间存在互变异构,绿色编号1-3这三个原子体系可以转变成烯醇式,恢复苯环结构,得到下图中第二行的分子。正常情况下烯醇式与酮式的 互变异构平衡往往是偏向于酮式的,但这里由于苯环的关系,偏偏烯醇式更稳定一些,我们也一般把最终产品写成这个结构。

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总而言之,苯基烯丙醚的重排与乙烯基烯丙基醚并无本质不同,只不过最后再接一步互变异构,恢复苯环而已。

当然,我们在考试中往往还会遇到更复杂的一些结构,如下图所示,但换汤不换药,反应依然是相同的规律。

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正常Claisen重排时,烯丙基单元通常会重排到酚羟基的邻位,以上各例均如此。但某些特定的情况下,有可能底物分子酚羟基的两个邻位事先都被其它基团占据了, 这时重排会遇上一个小小的麻烦。如下图中的反应,底物分子氧原子邻位上事先有两个甲基。加热条件下,重排也能发生,也还是老规则,1,1断开3,3相连 首先得到一个不饱和酮。但生成这个酮之后,我们发现,有点儿麻烦了,当前羰基的α-位上一个氢都没有,压根儿没法儿互变异构成烯醇式恢复苯环了。这个问题 该如何解决呢?

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实际也挺简单,当前没法儿恢复苯环,没关系,分子会尝试再来一次重排。

我们把侧链弯折下来,贴近环的右下角,注意下图中编号的六个原子。

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这六个原子的体系,不难发现其实和乙烯基烯丙基醚的体系非常类似,也是端头两个双键。 既然体系相仿,那这六个原子的区域也会发生类似的重排:

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重排结果还是那三句口诀,我们看到,得到的依然是个不饱和酮的结构。另外这个不饱和酮中,羰基与旁侧的双键实际形成了共轭结构。如果把共轭结构看成 一个整体,那这个共轭结构的α-位,也就是绿色的3-位上目前有了氢。于是,这个分子的羰基-双键-α-位终于可以发生互变异构转为烯醇式了—— 涉及共轭结构的互变异构比较复杂,具体过程我们可以不用多管——最终,苯环恢复,羰基转变成羟基,我们得到下图中的最终产品:

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整个反应过程我们连缀下来,大致如下图所示:

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这整个过程看起来比较复杂,尤其中间经历了两次重排。但事实上,对于这种邻位占据的Claisen重排,最终的产物结构其实异常容易写出。中间过程不论, 我们单单比较一下反应物与最终的生成物,仿佛就是把反应物中氧原子与烯丙基结构间的C-O键切断,而后把整个烯丙基端原封不动搬到羟基对位。因此考试时 遇上这种重排的对位情况,大家只需要把侧链部分照抄一下就成,反而比重排到邻位的反应简单得多。

备注

这里我们仅讨论了Claisen重排反应。但事实上与酚有关的重要反应还有很多,如酚酯形成及Fries重排,酚芳环上的亲电取代等等。其它这些反应理解的 难度不是特别大,大家可以在学习过程中自行总结。