有機化學機理3.1—正離子重排
重排反應
- 正離子重排
- 負離子重排
- 協同重排
- 自由基重排
重排反應多年來都是有機化學考察的重難點，因為其往往使得碳鏈改變，從而反應物與生成物之間的聯系並不明顯。個人以為，解決這個問題的最好方法是經驗，當你見過足夠多的重排，並對已知重排足夠熟悉的時候，直覺的洞悉常是解題的關鍵。但因為直覺畢竟難以把握，所以我希望通過這一部分，將散亂的各種重排反應匯總，找到共通點，就不同點展開討論。我先做重排反應而不是更基礎的縮合反應的原因在於縮合反應對於有機化學中增強/削弱的思想要求很高，而重排反應相對直接，其側重點在於辨析。
根據重排反應的歷程，本部分將分為離子型，協同型，自由基型。離子型我本不想區分正負離子的原因在於正負離子的形成是體系酸/堿性環境的體現，類似的反應可能需要不同的條件，自然有可能選擇不同的酸堿性體系，強行區分正負離子重排會導致不同重排反應的割裂。但由於重排反應實在過於繁多，因此也不得不按照正負離子進行分節，但我希望各位能時刻記住酸堿性並不是區分重排反應的決定性因素。
本部分將重點放在具體的反應，從反應中總結規律。雖然本文從相對簡單的重排開始，但本部分會不可避免地出現一些縮合反應知識，因此閱讀本部分時強烈建議先至少閱讀一遍人名反應。
正離子重排指反應底物形成正離子或局部正離子，並使得一個基團遷移到另一個原子上的過程，大部分的正離子重排都是[1,2]-遷移，考慮到其可以多次遷移的性質，總反應上來看的[1,n]-遷移往往是多次[1,2]-遷移的結果。
既然已說明如何遷移，接下來要討論的是哪個基團遷移，即遷移順序。在正離子遷移過程中，—Ar >> —H > —R
首先看第一個比較，由於芳香基團可以經歷一個三元環中間體，無需一步到位的遷移，因此活化能顯著低於氫遷移，速率差3000倍以上，視作芳香基團優先遷移。同樣也能夠看出，給電子基取代的芳香環 > 無取代芳香環 > 吸電子基取代的芳香環
在對比氫遷移和烷基遷移的優先級時，我們應從另一個角度思考，烷基遷移是烷基帶著一對電子遷移至旁邊的碳上，而酸性條件下，氫遷移可以采取“人球分過”的遷移方式，氫可以先以質子形式離開，再結合在消除生成的雙鍵上，整個過程相當於完成一步遷移。
討論完遷移順序後回到重排反應本身，我們認識重排反應就是從正離子重排開始的，這也就不得不提到兩個人：G·Wagner和H·Meerwein。他們分別進行瞭如下的兩個反應（後將碳正離子重排稱為Wagner-Meerwein重排）：
Wagner在1899年進行瞭第一個反應，這個結果與當時廣泛認為的碳鏈不變是相悖的。直到1922年Meerwein完成瞭第二個反應後，重排反應才被廣泛接受。現以第一個反應進行一些關於重排反應的討論：
首先我們應當明確，對於一個開鏈烴體系，純碳正離子的轉化，是無法作為有效的驅動力的，它往往需要結合強親核基團或消除成烯拉動反應進行。作為環結構，擴環可以作為碳正離子相互轉化的驅動力。在此反應中，可以看到其驅動力為四元環擴環。接下來的問題在於書寫機理的時候哪一種寫法更合適。由於觀察產物發現其氯原子有著明確的構型，而黑色畫出的機理無疑無法使氯離子單個方向進攻，因此在我看寫紅色箭頭畫出的機理更合適，也可視作一定程度上的協同反應。
碳正離子重排是一切正離子型重排的基礎，可以說一切正離子重排都是通過更換底物/反應條件更好地完成W-M重排。
既然冠以正離子重排，產生正離子必是其反應發生的基礎。不妨在這裡總結一下產生正離子的方式。常見的正離子產生方式有三種：多重鍵+親電試劑；離去基或雜原子+親電試劑帶一對電子離去；小環開環。部分示例如下：
已經討論過烴的正離子重排，我們不妨加入雜原子。含雜原子往往意味著更穩定的碳正離子（雜原子孤對電子共振至碳正離子上），從而能夠使得反應產物更穩定。以pinacol重排為例，相信學過一遍有機的人都相當熟悉這個機理：
將遷移步機理與W-M重排對照後發現，由於氧原子的存在，遷移後形成的正離子是十分穩定的（其本質相當於質子化的酮）。因此pinacol重排是一種選擇性與產率都相當高的優質重排反應，現階段也有很多科研工作者利用衍生化的pinacol重排設計路線，集大成者為Phil · S · Baran在合成巨大戟醇中的一步Pinacol重排
95b2e8b59ca2ec4d622c6123934d639a
我們不妨再看另一對反應：Demjanov反應與其衍生化Tiffeneau-Demjanov反應，如下圖所示：
可以看到，由於羥基的引入，大大穩定瞭五元環上碳正離子的穩定性，從而提升瞭底物擴環的比例。同時消除因為沒有β-H的存在而完全避免，取代反應因為鄰基參與效應而分子內反應，在酸性條件下會自發擴環重排，轉化為右側的產物。由此也可以看到，通過各種方式穩定化的碳正離子能夠起到遠好於原底物的反應效果。
前文介紹過正常條件下的基團遷移規律，實際上很多底物分子常逆序遷移，這種現象往往發生在環中。以pinacol重排為例，在底物分子為長鏈的情況下，由於酮的穩定性顯著大於醛，產物生成酮的傾向遠大於醛，動力學控制反應。而在環中，反應產物常常以醛為主。其原因在於環中，遷移基團的分子軌道無法與正離子軌道有效重疊，因此遷移反應動力學禁阻，由熱力學控制轉為動力學控制，如下圖：
上述反應的主要驅動力是形成更穩定的碳正離子（結合親核試劑或雜原子參與），類似的反應還有Baeyer-Villiger氧化重排，Dakin反應等，會在氧化還原反應中再次涉及。下面介紹一些因其他驅動力而進行的重排反應
雙烯酮-苯酚重排：反應驅動力為芳構化，由於芳香化會提供極大的穩定化作用，因此該反應會大量放熱，為瞭控制反應需要在較低的溫度下進行。同樣由於芳構化帶來的穩定化作用，該反應可以多次進行[1,2]-遷移完成芳構化。
由此，不難發現對苯醌的格氏反應雖然從結果上看是一個1,4-加成反應，而實際上格氏試劑的進攻位點是羰基，並在酸性後處理時發生重排。反應的酸也不局限於質子酸，Lewis酸也能起到很好的催化效果。
Beckmann重排：反應驅動力為斷裂氮氧鍵。氮氧鍵由於N，O孤對電子相互排斥，具有較小的鍵能，斷裂這根鍵可以作為重排反應的驅動力
ee87d40e33fcb6ed59035f093fc3a942
該反應不僅斷裂瞭鍵能小的氮氧鍵，同時使得羰基化合物向穩定的羧酸衍生物轉化，提供額外的穩定性。由於烷基化腈中間體親電性非常強，隻有體系中沒有親核試劑時可以以離子形式存在一定時間，此時加入硼氫化鈉，可以完成對中間體的還原，給出胺。完成這個反應需要保證體系嚴格無水。
在前文選的四個反應中，Wagner-Meerwein重排是與親核試劑結合的遷移類型，在W-M之上優化瞭正離子穩定性的Pinacol重排，在Pinacol基礎上優化瞭遷移驅動力的雙烯酮-苯酚重排，以及有著確定的遷移選擇性的Beckmann重排。至此為止，大部分正離子重排已經可以被涵蓋進入這四個反應構成的體系中，各位已經可以用這四個反應去對照見到的每個正離子重排反應，找到機理共通點。自然，這也存在一些特例，Fries重排由於和Claisen重排有一定相似性，在協同重排一節討論，Pummerer重排由於屬於Swern氧化的副反應，在氧化還原部分中介紹等。
練習2.3.1答案：
該物質溴代位點如圖所示，僅有如圖所示的位點溴代後形成的正離子能夠將正電荷共振至氧上，從而僅有這兩個位點發生溴代。可自行畫出其他位點溴代的共振式，此處省略
練習2.3.2答案：
如圖，左側化合物N的孤對電子與羰基π反鍵軌道不處於同一平面，無法有效共軛；右側化合物N與羰基產生共軛。因此N原子上的電子密度左側更高，因此堿性更強。
練習3.1.1：寫出如下反應的產物
21d209143389fc1c3c22d22696636131
練習3.1.2：給出如下反應的分步機理
