α -卤代酮在碱催化下重排生成酸或酯的反应,称为Favorskii(法沃斯基)重排反应。
环状的 α -卤代酮反应后可以得到环缩小的产物。
该反应是Favorskii A E于1895年首先报道的。反应机理如下。
关于Favorskii反应,至少曾提出了五种不同的反应机理,虽然某些机理也能解释一些实验事实,但目前人们普遍接受的反应机理如下:
对于这种具有 α -H的卤代酮,一般认为重排机理是经历环丙酮中间体。这种环丙酮中间体的反应机理得到了同位素标记实验的支持。
上述反应中, α -氯代环己酮的1,2-位碳原子均为同位素标记的碳原子。若只是简单的C 6 向C 2 迁移并取代氯原子,则只能有一种产物A。而事实上是得到两种产物A和B,而且二者的比例为1:1。这说明反应中间体中与羰基相连的两个 α -碳原子处在相同的位置上,这只能是环丙酮中间体。
在下面的反应中,中间体环丙酮已经分离出来。
环丙酮中间体也曾被呋喃捕捉到。
中间体环丙酮是很不稳定的中间体,原因是羰基碳为sp 2 杂化碳,环丙酮的角张力比环丙烷还要大。羰基被加成并开环后变为sp 3 杂化碳,角张力明显减小,变成比较稳定的化合物。
上述机理中都是羰基两侧中卤素的异侧必须有 α -H存在。若异侧没有 α -H,反应将按准Favorskii(quasi-Favorskii)重排机理进行,一般认为与Benzil重排反应(二苯基羟乙酸)相似,也称为半二苯乙醇酸机理。
如下桥环化合物也按准Favorskii重排机理进行。
如下化合物在异丙烯基锂作用下发生准Favorskii重排反应(Harmata M,Wacharasindhu S.Org Lett,2005,7:2563)。
准Favorskii重排和Favorskii重排反应的产物是相同的。
具有 α -H的卤代酮,有时也可能按准Favorskii重排机理进行。例如:
若按照环丙酮中间体机理进行:
显然,这一环丙酮中间体环张力太大,在能量上达不到,很难生成,但若按照准Fa-vorskii重排反应进行,则比较容易解释。
α -卤代酮常用的是氯代或溴代酮。
开链的 α -卤代酮是一种典型的Favorskii重排反应底物。
具有 α -H的 α , α '-二卤代酮或具有 α '-H的 α , α -二卤代酮,重排时会同时脱去卤化氢,生成 α , β -不饱和酯或酸。反应具有立体选择性,得到顺式立体异构体。
α , α '-二溴代环己酮在碱性条件下重排生成1-羟基环戊酮甲酸,后者氧化脱羧得到环戊酮,该反应称为Wallach降解反应。
一些三卤代酮也可以发生Favorskii重排反应,生成不饱和卤代酸。例如:
环状 α -卤代酮也广泛用于Favorskii重排反应中。一般情况下环状 α -卤代酮重排得到缩环化合物,即生成减少一个碳原子的环状羧酸及其衍生物。
在卤代环酮化合物中, α -卤代- α '-芳基环酮与甲醇钠-甲醇不发生Favorskii重排反应,但当芳基在 β , γ 或其他位置时,仍可发生Favorskii重排反应。
笼状化合物是一类具有张力的稠环分子,通过Favorskii重排反应可以合成笼状化合物。例如(Kakeshita H,et al.J Org Chem,1994,59:6490):
α , α '-二卤代环酮可以合成环烯基羧酸及其衍生物。
α -羟基酮、 α , β -环氧酮以及 α -卤代砜都能进行Favorskii重排反应。 α , β -环氧酮重排后生成 β -羟基酸。
α -卤代砜反应中生成的硫代环丙烷二氧化物不稳定,分解放出二氧化硫并生成烯烃。某些类型的烯可以采用此方法来合成。例如:
光学活性的 α -卤代砜在氢化钠催化下与胺反应,经过不对称的Favorskii重排反应,得到其中一种光学异构体达94%ee的酰胺[Satoh T,et al.Tetrahedron Lett,1993,34(30):4823]。
除了 α -卤代酮之外,其他可带可以离去基团的化合物,若能形成环丙酮中间体,也可作为Favorskii重排的原料,如 α -烷氧基酮、 α -磺酸酯基酮,甚至普通的酰胺、内酰胺等都有可能发生Favorskii重排反应。
N -亚硝基- N -炔丙基脲在甲醇钠-甲醇中反应,主要得到Favorskii重排产物。
如下具有光学活性的 N -亚硝基化合物,可以得到预期的重排产物,重排后有88%的构型发生了翻转(12%消旋化)。反应机理如下:
在碱性条件下,某些 α -卤代酰胺或 α -卤代内酰胺也能发生Favorskii类型的重排,生成 α -氨基酰胺或缩环的 α -氨基酸(Lai J T.Tetrahedron Lett,1982,23:595)。
2-哌嗪甲酸是重要的药物中间体,可以通过如下重排反应来合成:
如下化合物也可以发生类似的重排反应,称为Homo-Favorskii重排反应。
一些含氮、氧、硫原子的杂环化合物也可以发生Favorskii重排反应。
甚至发现了一个非常有意思的类似Favorskii重排反应的反应,用没有 α -卤素原子的叔丁基环己酮与Ti(NO 3 ) 3 反应,得到3-叔丁基环戊基-1-羧酸。
在如下反应中,使用手性二烯与1,4-苯醌发生Diels-Alder反应,生成物再进行环氧化,生成的环氧化物没有卤素原子,但也可以发生Favorskii重排反应。
SatohT等用光学活性的 α -氯代酮实现了不对称的Favorskii重排反应(Satoh T,et al.Tetrahedron Lett,1993,34:4823)。
在Favorskii重排反应中,若中间体环丙酮结构不对称,在空间位阻不大的情况下,羰基上加成后究竟从哪一边开环,取决于两种开环产物的相对稳定性。例如,下面两个反应都生成相同的环丙酮中间体,中间体开环时生成两种不同的碳负离子[1]和[2],由于[1]的碳负离子上的负电荷与苯环共轭,而[2]中的不能,所以[1]比[2]稳定得多,优先生成,相应的产物也为占优势的产物。
若两种开环后的负离子稳定性相差不大,则两种重排产物的比例也应差别不大。
α -卤代酮分子中的卤素原子比较活泼,而Favorskii重排反应又是在碱性条件下进行的,所以在该反应中,卤素原子的S N 2取代反应是常见的副反应,生成相应的醚—— α -烷氧基醚。
Favorskii重排反应是在碱性条件下进行的。常用的碱有醇钠、氢氧化钠、碳酸钠、伯胺、仲胺。若用含活泼氢的化合物如丙二酸酯、乙酰乙酸酯等,也可以发生重排。
该反应若在碱性水溶液中进行,则夺取氯代酮 α -氢的是氢氧根负离子,最后生成的产物是缩环的羧酸。
α , α '-二卤代酮与伯胺反应,可以得到 α , β -不饱和酰胺和与其竞争的 α -亚氨基酮及 α -二亚胺。产生后者的原因是胺既是碱又是较强的亲核试剂,取代一个卤素原子后生成烯胺,进一步反应生成亚胺锻翁离子而转化为 α -亚氨基酮,再与伯胺反应生成 α -二亚胺。
α , α '-二卤代酮与丙二酸二乙酯的钠盐于THF中在0℃至室温反应,生成共轭烯酮。
α , α '-二卤代酮与乙酰乙酸叔丁酯的钠盐在THF中反应得到二氢-4-吡喃酮的衍生物。
环状 α , α '-二卤代酮类化合物也可发生缩环反应,生成环状羟基羧酸。例如:
4-氯代异佛尔酮在甲醇钠催化下反应,生成重排产物2,2,4-三甲基-3-环戊烯基甲酸甲酯(21%~23%)和5,5-二甲基-3-亚甲基环戊烷甲酸甲酯(14%~17%)。而当使用4-溴代异佛尔酮时,却未得到重排产物,只得到2-甲氧基异佛尔酮[Tsuboi S,et al.Synth Com-mun,1987,17(7):773]。说明卤素原子本身对反应也有影响。
Favorskii重排反应的立体选择性还与反应介质的极性和质子供体有关。例如,下列反应在非质子溶剂中与甲醇钠反应,得到C 17 构型翻转的重排主产物,而在甲醇-水中用碳酸氢钾作碱,得到构型保持的重排主产物。
在有些反应中也可以使用电化学的方法进行Favorskii重排反应[Kangan E Sh,et al.Zh Org Khim,1991,27(10):2238]。
α -氯代苯乙酮类化合物在光照条件下可以发生类似的Favorskii重排反应生成苯乙酸类化合物(Dhavale D D,Mali V P,Sudrik S Gand Sonawane H R.Tetrahedron,1997,53:16789)。
Favorskii重排反应在有机合成中具有非常重要的用途。 α -卤代酮在重排过程中会缩环,可以应用于缩环化合物的合成。开链的 α -卤代酮根据碱的类型不同重排后可以得到不同的开链化合物,如酸、酯等。多卤代酮则可以生成 α , β -不饱和化合物等。
环戊基甲酸甲酯
C 7 H 12 O 2 ,128.17
【英文名】 Methyl cyclopentanecarboxylate
【性状】 无色液体。bp 70~73℃/19.68kPa, n 25 D 1.4341。
【制法】 林原斌,刘展鹏,陈红飙.有机中间体的制备与合成.北京:科学出版社,2006:426.
于安有搅拌器、回流冷凝器的反应瓶中,加入无水甲醇330mL,分批加入甲醇钠58g(1.07mol),待钠全部反应完后,冷却,搅拌下滴加2-氯环己酮( 2 )133g(1mol)与30mL干燥乙醚的溶液,约40min加完。加完后回流反应2h。冷却,滴加约175mL水使固体溶解。分出乙醚层,水层用氯化钠饱和,乙醚提取2次。合并有机层,依次用5%的盐酸、5%的碳酸氢钠、饱和食盐水洗涤,无水硫酸镁干燥。回收乙醚后,减压分馏,收集70~73℃/19.68kPa的馏分,得环戊基甲酸甲酯( 1 )72~78g,收率56%~61%。
(±)-2-吡嗪甲酸氢溴酸盐
C 5 H 10 N 2 O 2 ·2HBr,291.97
【英文名】 (±)-2-Piperazinecarboxylic acid
【性状】 白色固体。mp 280℃(分解)。
【制法】 Merour J Y,Coadau J Y.Tetrahedron Lett,1991,32(22):2469.
于安有搅拌器、回流冷凝器的反应瓶中,加入化合物( 2 )2.0g(7.5mmol),水50mL。搅拌下加热,分批加入八水合氢氧化钡2.4g(7.6mmol),回流反应6h。冷却,用硫酸中和至pH7。于80℃加热反应1h。过滤除去硫酸钡,滤液减压浓缩。得到的固体物溶于48%的氢溴酸中,加热。冷后得白色固体。过滤,丙酮洗涤,干燥,得化合物( 1 )0.98g,收率45%,mp 280℃(分解)。