沃尔夫重排反应


沃尔夫重排反应 (Wolff rearrangement) 是以德国化学家 Ludwig Wolff 所命名,其在 1902 年首先发现将重氮苯乙酮 (diazoacetophenone) 与氧化银及水进行反应,会得到苯乙酸,而若是反应的过程中有氨的存在,则会产生 2-苯基乙醯胺。(图一)然而在当时,沃尔夫重排反应尚未被明确地定义,其反应的机制亦未明了,原因是此种反应的反应物 $$\alpha$$-重氮酮类化合物 ($$\alpha$$-diazo ketones) 仍缺乏有效地合成方法。直到 1930 年代已经有办法合成出 $$\alpha$$-重氮酮类化合物之后,沃尔夫重排反应才被进一步地研究探讨。

沃尔夫重排反应

图一、1902 年 Wolff 将重氮化合物进行最早的沃尔夫重排反应(图片来源:作者绘製)

所谓的沃尔夫重排反应指的是将 $$\alpha$$-重氮酮化合物转化成烯酮 (ketenes) 及其衍生物的化学反应,其中在有机合成上最常见的应用便是将烯酮化合物进行亲核性加成反应,而 Wolff 当初所观察到的苯乙酸、2-苯基乙醯胺即是水、氨进行亲核性加成反应的产物。此外,烯酮化合物也常与烯类化合物进行 $$[2+2]$$ 环化加成反应 (cycloaddition)。该总反应式如下:(图二

沃尔夫重排反应

图二、以沃尔夫重排反应形成烯酮及其衍生物的总反应式(图片来源:作者绘製)

在深入讨论沃尔夫重排反应之前,我们必须先了解反应物 $$\alpha$$-重氮酮化合物的製备方式,主要的合成方式有以下三种:

$$(1)$$ 将重氮甲烷 (diazomethane) 与醯氯进行反应,即可产生 $$\alpha$$-重氮酮化合物,但由于反应过程会产生盐酸  $$\mathrm{(HCl)}$$,可能会使 $$\alpha$$-重氮酮化合物反应成其他的化合物,因此在反应的过程可以加入如三乙基胺 (triethylamine) 或是多一倍当量的重氮甲烷即可将盐酸消耗掉,以确保 $$\alpha$$-重氮酮化合物生成,而此一反应被称为 Arndt–Eistert synthesis(图三)。

沃尔夫重排反应

图三、以 Arndt–Eistert synthesis 合成 $$\alpha$$-重氮酮化合物(图片来源:作者绘製)

$$(2)$$ 将具有羰基的醯胺化合物 (keto-amides) 在醋酸中与三氧化二氮 $$\mathrm{(N_2O_3)}$$ 进行反应,再将其产物与甲醇钠在甲醇中进行反应后可得到 $$\alpha$$-重氮酮化合物,此合成方法为达金-维斯特反应 (Dakin-West reaction)。(图四

沃尔夫重排反应

图四、以 Dakin-West reaction 合成 $$\alpha$$-重氮酮化合物(图片来源:作者绘製)

$$(3)$$ 将 1,3-二酮类化合物在硷性条件下与对-甲苯磺醯叠氮 (tosyl azide) 反应,接着在弱酸环境下分解可产生 $$\alpha$$-重氮酮化合物,此合成方法为 Regitz diazo transfer。(图五

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图五、利用 Regitz diazo transfer 合成 $$\alpha$$-重氮酮化合物(图片来源:作者绘製)

对于沃尔夫重排反应的反应物 $$\alpha$$-重氮酮的合成方法有所了解后,我们可以开始讨论其反应机构,然而反应机构仍有许多部份有待定论,但目前可以确定的是;化学家一致认为此反应是经由连续性 (concerted) 及逐步性 (stepwise) 两种竞争的机制所完成。

考虑以下的例子:(图六)由于单键能够自由旋转,$$\alpha$$-重氮酮的 $$R^1$$ 及 $$R^2$$ 两个基团可能採取 $$s-(Z)$$ 及 $$s-(E)$$ 两种构型(不同于共振式代表电子分布的不同,只是基团在空间中所处的位置不同,依旧是同一种化合物),其中 $$s-(Z)$$ 构型会进行连续性的步骤,首先氧上的电子回推至碳上,引发 $$R^1$$ 整个基团迁移至与 $$R^2$$ 相同的碳上并释出氮气,最终形成烯酮化合物。而若是 $$\alpha$$-重氮酮的 $$R^1$$ 及 $$R^2$$ 基团是 $$s-(E)$$ 构型,则会先形成碳烯中间体,再进行逐步性的反应。

沃尔夫重排反应

图六、Wolff rearrangement 逐步性反应的反应机构(图片来源:作者绘製)

经由 $$s-(E)$$ 构型所形成的碳烯中间体 (carbene 1),其 $$R^1$$ 基团可能直接迁移至 $$R^2$$ 所在的碳上,并使其孤电子对回推,最终形成烯酮化合物。此外,碳烯中间体 (carbene 1) 亦有可能先形成具三员环结构的环氧乙烯,由于环氧乙烯具有反芳香性质,并不是很稳定,其可能打开其环型结构形成另一种碳烯中间体 (carbine 2) 或变回原本的碳烯中间体 (carbene 1),而 carbene 2 的 $$R^2$$ 基团迁移至 $$R^1$$ 所在的碳上,并使其孤电子对回推,亦会形成相同的烯酮化合物。(图七

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图七、Wolff rearrangement 逐步性反应的反应机构(图片来源:作者绘製)

沃尔夫重排反应可经由加热、照光或是以过渡金属催化的方式所引发,其中以过渡金属催化的方式较为便利。由于以加热方式进行此反应必须使反应在相当高温的环境进行,危险性相当高,而若以照光方式进行,对于某些特定照光会分解的产物亦是相当不利。故在经费许可之下,多数的化学家会希望是以金属催化的方式使反应进行。然而不同于常见的类碳烯金属反应,铑金属及钯金属并无法进行,最容易进行沃尔夫重排反应的金属为银 (I),可以氧化银或苯甲酸银作为银离子 $$\mathrm{(Ag^+)}$$ 的来源。


参考文献



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