大學有機化學中的重排反應及其歸納教學實踐

張驥

四川大學化學學院，成都 610064

重排反應是指分子的原子(團)從一個原子遷移至本分子或其他分子上的另一個原子上的反應。重排反應往往會使分子的骨架結構發生變化，得到更加“意想不到”的產物，因此普遍具有較為重要的合成價值。重排反應在大學有機化學課程的各個章節多有涉及，但由于其分布較為零散，學生容易遺忘，對其進行歸納化教學就顯得尤為重要。一些領先的中英文教材已用專章對散布在各章的重排反應再次總結概述[1,2]。但在教學實踐中由于課時的限制，難以和書本同步對重排反應進行二次講解，因此特別需要在合適的時機對其進行針對性強的歸納、比較和總結，從而加深學生的印象。目前的少數介紹重排反應的評述性文章大都是對各類反應的例舉[3,4]，本文基于教學經驗，試圖從一些獨特的角度對大學基礎有機化學中涉及的重要重排反應進行濃縮歸納和對比剖析，并介紹了其在教學實踐中的應用。結果顯示對重排反應進行歸納化教學有助于增強學生對相關知識的理解和運用能力。

1 重排反應的分類

所謂“重排”，只是反應的結果。發生重排的原因雖然不盡相同，但都涉及“更穩定結構的形成”[3]。如果通過重排可以得到更加穩定的中間體或是產物，那么重排就可能發生。根據遷移基團和底物在重排反應中的關系，可以將重排反應分為分子間重排和分子內重排。

發生分子間重排時，遷移基團會在特定試劑作用下和底物徹底分開形成自由離子(或自由基)，然后再和任一底物分子通過隨機碰撞結合(圖1a)。也就是說，新鍵生成在舊鍵徹底斷裂后才發生。因此，不同的底物同時發生相同的分子間重排反應，將有大量的交叉產物生成(圖1b)。大學有機化學中提到的Fries重排(圖1c)[5]以及一些N-取代苯胺(聯苯胺除外)的重排都屬于分子間重排。

圖1 (a) 分子間重排；(b) 交叉產物的生成；(c) Fries重排

而分子內重排顧名思義則是在分子內部發生，其遷移基團不會徹底離開底物形成自由試劑，而是舊鍵斷裂和新鍵生成協同進行。因此，分子內重排不會有交叉產物的生成。從機理的角度來講，分子內重排絕大多數可歸于周環反應中的σ遷移反應，而在大學有機化學中最常出現也是最為重要的是1,2-重排(即[1,2]-σ遷移)。在這類重排反應中，遷移基團從一個原子轉移到相鄰的另一個原子(圖2)，如碳正離子的Wagner-Meerwein重排，其在烯烴的親電加成、鹵代烴的親核取代、鹵代烴/醇的消除等重要反應中均有涉及。1,2-重排可以分為缺電子重排和富電子重排，其中，缺電子重排屬于遷移基團R帶著一對成鍵電子遷移的親核重排；富電子重排則屬于R不帶成鍵電子對進行遷移的親電重排(圖2)。此外，根據前線軌道理論可知，[1,2]-σ遷移為同面允許的過程，因此遷移基團如果具有手性，遷移后手性將得以保持。

圖2 1,2-重排及其兩種典型方式

在大學有機化學課程中，也涉及除了1,2-重排的其他σ遷移重排，如Cope重排[6]及其特例Claisen重排[7]([3,3]-σ遷移)、聯苯胺重排([5,5]-σ遷移，主要產物)等(圖3)，它們也都是分子內重排，而聯苯胺重排的次要產物還可能涉及較為復雜的多步σ遷移過程[8,9]。

圖3 Claisen重排(上)和聯苯胺重排(下)

2 大學有機化學中涉及的重排反應總結

根據所用教材[10]和實際教學實踐，表1列出了大學基礎有機化學課程會涉及到的重排反應，具有較為廣泛的代表性。可以看出，絕大多數均為分子內重排，而其中又以1,2-缺電子重排涉及面最廣。毫無疑問，這類重排也是這門課程中最為重要的重排反應類型。

表1 大學基礎有機化學課程涉及到的重排反應

在如圖2所示的缺電子重排中，遷移基團R帶著一對電子從X原子遷移到相鄰的Y原子。如果X原子上有“助推集團”，或是Y原子上有“離去基團”，都將有利于重排的發生。如圖4中所示的頻哪醇重排，我們結合圖2，用X、Y來表示關鍵中間體上的兩個C原子。可以看出，此時的X原子上有羥基作為“助推基團”，其通過氧原子上孤對電子的轉移，可以“助推”甲基進行遷移；而Y原子上則有易離去的H2O基團，它同樣使得甲基的遷移更易發生。

圖4 同時具有“助推”和“離去”基團的頻哪醇重排

再如Demjanov重排，它是環烷基甲胺(或氨甲基環烷烴)與亞硝酸反應后得到擴環產物的重排(圖5a)，其“Y原子”上有離去基團N2。當底物氨基的β-位(即環上支鏈處)存在羥基時，羥基即起到了“助推基團”的作用，使重排更易發生，并得到擴環的酮，即Tiffeneau–Demjanov重排(圖5b)。該重排與上述頻哪醇重排相比的優勢在于碳正離子總是產生在氨基所在的碳上，因此其重排是定向的。

圖5 Demjanov (a)和Tiffeneau-Demjanov (b)重排

在缺電子重排反應中，遷移基團移至的原子(即Y原子)并不一定是C原子，也可以是N、O等原子，可相應地稱之為氮(或氧)參與的缺電子重排。典型的例子是Beckmann重排，涉及氮正離子；Hofmann重排，涉及氮賓；而Baeyer-Villiger氧化則涉及氧正離子。從其關鍵步驟(圖6)可以看出，Beckmann重排有離去基團；Hofmann重排沒有助推基團或離去基團；而Baeyer-Villiger氧化則同時存在助推基團和離去基團。

圖6 幾種雜原子參與的缺電子重排反應的關鍵步驟

與缺電子重排相比，富電子重排在大學有機化學中涉及的僅Stevens重排一種。由于其對底物結構要求較高，應用不如缺電子重排廣泛，因此課堂上一般沒有作為重點講述，此處也不再做詳細介紹。另外，在醛酮的α-鹵代反應小節會講到Favorskii重排[11]。由于該重排中間體為碳負離子，一些文獻也將其歸為富電子重排[3,4]，但其機理和圖2中所示之富電子1,2-重排是不同的。雖然該反應涉及了碳骨架的變化，但C―C鍵的斷裂是在隨后的親核加成-消除過程中發生，并非與新鍵的生成協同進行(圖7)。嚴格來說，Favorskii重排并不是真正意義的重排反應，因此沒有將其歸類到表1中。

圖7 Favorskii重排反應歷程

3 對重排反應的歸納性教學實踐

在2019–2020學年的有機化學教學實踐中，從重排反應的機理出發，針對性地進行了相關歸納性教學，取得了明顯的成效。內容主要涉及1,2-缺電子重排，典型的教學案例如下。

3.1 Wagner-Meerwein型重排反應總結

作為碳正離子重排的經典過程，Wagner-Meerwein重排在多個章節均有所涉及，是大學有機化學的重要知識點之一。只要反應過程涉及碳正離子的產生，那么就有可能發生這類重排，我們在講述“醇的消除反應”一節時，對其進行了全面總結，如表2所示。通過歸納講解，可使學生了解：1) 雖然在不同底物的不同反應中都可能出現Wagner-Meerwein重排，但其根源均在于碳正離子的形成；2) 不同的底物可以通過不同的方式形成碳正離子；3) 重排后的碳正離子視不同條件而發生不同的后續反應(主要是和親核試劑結合或消除β-H，至于什么情況下更易發生何種反應，不屬于本文討論范疇)。

表2 Wagner-Meerwein重排所涉及反應總結

3.2 相似重排的“配對”記憶

一些重排反應，雖然處于不同的章節，但機理非常相似，對于這樣的反應，進行對照歸納講解顯得尤為重要。如頻哪醇重排與Tiffeneau-Demjanov重排(見本文第2小節)，二者的區別在于羥基和伯氨基分別形成鹽和重氮鹽后離去水或氮氣分子即形成碳正離子。這兩個反應分別出現在醇和胺的章節，屬于不同學期的教學內容，在講授Demjanov重排時，學生對頻哪醇重排的記憶已經模糊。此時將二者進行對比歸納，學生對兩種反應的理解和記憶均能得到提高。

對于Hofmann重排和Wolff重排反應，二者的核心步驟分別是酰基氮賓和酰基卡賓的重排，重排過程及后續反應均非常相似。將兩個反應如圖8所示進行展示講解后，學生不僅對重排過程，而且對Hofmann重排為何會脫羧得到少一個碳原子的胺均會有更深的理解。

圖8 Hofmann重排(上)和Wolff重排(下)的相似性

再如，醛酮和重氮甲烷反應的產物與Beckmann重排、Baeyer-Villiger氧化的產物相似，分別在羰基一側插入了―CH2―、―NH―和―O―基團。這幾個反應都涉及重排，機理也類似。在課堂上，當教師如圖9所示將這幾個反應同時在PPT中展示出來時，學生常會發出恍然之聲。在隨后的課堂練習中，相關反應學生很少出現記憶缺失性的錯誤。

圖9 對羰基化合物類似重排反應的歸納總結

3.3 教學成效

在過去的一學年中，作者對重排反應采用(不限于)上述歸納教學方法進行講解，配合課堂提問、討論和小測，學生對相關知識的理解和掌握得到了加強。從兩學期期末考試中涉及重排反應的題目得分情況(表3)可以看出，學生得分率得到了明顯的提高。另外，部分學生的學習興趣也得到了進一步的激發，可以主動去查閱相關重排反應的背景和最新進展，并和老師討論。以上均顯示這樣的歸納教學方式體現出了良好的教學效果。我們認為，類似的方法同樣可以應用于其他知識點的講授，甚至是相應的教材改革中。

表3 兩學期期末考試中重排反應相關分數評價

4 結語

本文從機理的角度出發，對大學有機化學中零散分布于各教學章節的重排反應進行了較為全面和深入的歸納、比較和總結。結合教學經驗，從獨特的角度對相關的重排反應進行了剖析，基本涵蓋了大學有機化學涉及的所有重要重排反應。我們也將這些理解融入到歸納性教學之中，結果表明通過歸納性對比學習后，無論是課堂反饋、小測、相關內容的考試得分、還是學生的主觀能動性等方面均顯示出學生對重排反應的理解和掌握程度得到了明顯提高，展現出了優良的教學效果。我們認為類似的方式也可以應用到其他系統性知識點的教學當中。