联苯胺重排的反应机理

许家喜

(北京化工大学理学院有机化学系 北京100029)

1862年，Hofmann在还原偶氮苯时得到了联苯胺产物，即4，4'-二氨基联苯(对联苯胺)，发现了联苯胺重排反应(式(1))［1］。从此，开始了对联苯胺重排反应的机理和应用研究。在联苯胺重排反应中，不仅可以生成主产物对联苯胺，在某些条件下还可以得到邻对联苯胺、邻联苯胺、邻半联胺和对半联胺［2］。在Stille和Suzuki偶联反应报道以前，联苯胺重排和Ullmann反应是合成联苯类化合物的重要方法，在合成上得到广泛应用。

联苯胺重排被发现至今已有150年历史，在这150年间，对其重排反应机理研究一直没有中断过，先后提出了极性过渡态理论，π络合物理论［2-3］，双自由基理论和阳离子自由基对理论［4-6］，以及环质子化理论［7］。但双自由基和阳离子自由基对理论及环质子化理论由于都没有强有力的和可接受的实验信息支持，基本没有生命力，在此不再做进一步的介绍。直至20世纪80年代，Shine等通过同位素标记动力学实验才证实了邻联苯胺和对联苯胺的形成是通过［3，3］和［5，5］σ迁移反应实现的。但在联苯胺重排反应中，副产物的形成机理至今仍困扰着有机化学家。虽然在20世纪末就已经确证了邻联苯胺和对联苯胺的形成是通过σ迁移反应实现的，并且国外的教科书也都以σ迁移反应来解释联苯胺重排反应的机理，但纵观我国现行的基础有机化学和高等有机化学教材，关于该反应仍然没有给出明确的机理，故在此把对该反应机理的研究过程和目前普遍接受的机理介绍给广大同仁。

1 联苯胺重排反应机理研究

Robinson［8］、Hughes和Ingold［9］早在1941年就设计通过两种不同二芳基肼混和物的交叉重排实验，确证了联苯胺重排是分子内重排(式(2))，也测定了该重排的反应速率对二芳基肼的浓度是一级反应，对氢质子的浓度对于不同的二芳基肼可以是一级，也可以是二级，但与酸的强弱无关。提出的机理是“电子流动”(electron flowing)，等价于协同历程(式(3))。

1945年，Dewar第一次提出了完全不同的、新颖的机理，假设反应中单质子化的二芳基肼通过两个环的π络合物进行(式(4))。提出二苯基肼单质子化后，N—N键断裂形成π络合物，直接生成联苯胺产物;或者形成的π络合物的环旋转，使得该环的每个位置与另一个环的原子接近，空间上就有利于形成其他的重排产物［10］。

1949年，Hammond和Shine发现Dewar疏忽了联苯胺重排中酸的动力学，他们测量了联苯胺重排中酸的动力学，发现是酸的二级动力学。这个结果不支持Dewar提出的π络合物理论。同时，Dewer也意识到自己的失误，并对π络合物理论进行了修改，提出了可变的酸动力学:二芳基肼被第一个质子化后，形成可逆的π络合物，然后第二个质子进攻π络合物，并生成重排产物。然而，Dewer的π络合物理论的正确性继续受到怀疑和批判，直到1965年，Dewar和Marchand对π络合物理论进行了重新修订［11］。

Shine和Ingold提出的新π络合物理论不仅包含一级和二级酸催化过程，而且包含了中性条件下的加热二芳基肼的重排;并对新的π络合物理论进行了简单修改，在中性、单质子化和双质子化的重排过程中，增加了形成π络合物的决速步。新的π络合物理论不仅解释了酸催化重排反应的动力学，也解释了Dewar提出的取代基对反应速率和产物类型的影响［2］。

在20世纪60年代，Banthorpe，Hughes和Ingold收集并整理了大量关于该重排的动力学和产物的信息，提出了极性过渡态(polar transition state，简写为 PTS)理论［2］。二芳基肼单质子化或双质子化后，N—N键发生极性断裂，通过这种方式形成极性过渡态(图1)。代表性的例子是1，1'-二萘基肼单质子化和二苯基肼双质子化的重排。他们用这个理论解释重排产物的形成和动力学。因此，在20世纪60年代中期，只有π络合物理论和极性过渡态理论在联苯胺重排中占有主要地位。

极性过渡态理论提出的重排过程是一种协同的过程，其实是周环反应的雏形。在分子轨道理论建立并用来解释周环反应的机理以后，Fräter和Schmid最早提出对联苯胺重排可能是协同的［5，5］σ迁移，将前线分子轨道理论应用到联苯胺重排中，认为对联苯胺重排是轨道对称性允许的带正电荷体系的［5，5］σ 迁移［12］(图2)。

图2 对联苯胺重排过渡态的前线分子轨道

直到20世纪80年代，Shine等用动力学同位素效应研究联苯胺重排，结果表明:在对联苯胺重排中，同时观察到了氮原子和苯环4位碳原子的动力学同位素效应，说明该重排是协同的［5，5］σ迁移，随后发生互变异构(该互变异构过程是溶剂水分子参与的质子重排过程)的反应机理。而在邻联苯胺重排中，同时观察到了氮原子和苯环2位碳原子的动力学同位素效应，说明该重排是经历协同的［3，3］σ迁移和互变异构的反应历程(式(5))［13-14］。由于生成对联苯胺的位阻小，联苯胺重排通常有利于发生［5，5］σ迁移重排生成对联苯胺，只有当对位存在不易离去的取代基时才会以［3，3］σ迁移为主，主要得到邻联苯胺。

2 联苯胺重排反应实例

联苯胺重排反应的类型很多，下面介绍不同底物类型的联苯胺重排反应。

Benniston等报道了链状双间硝基苯酚衍生物在Zn、NaOH还原下先得到环状的二芳基肼衍生物，然后在HCl条件下得到环状的邻联苯胺型产物，而没有得到环状的对联苯胺型产物，两步总收率为16%(式(8))［17］。

Feiring等利用联苯胺重排反应，以N，N'-二(3-氟烷氧基苯基)肼为原料制备了2，2'-双(氟烷氧基)对联苯胺，还得到了邻联苯胺型产物(式(9))［18］。

Chao等报道了间位用聚醚连接的二芳基肼在盐酸催化下发生［5，5］σ迁移，生成了对联苯胺衍生物(式(10))［18］。

Park等报道了非对称的二芳基肼在盐酸催化下发生联苯胺重排和分子内胺解反应，得到71%对联苯胺型产物、7.1%邻联苯胺型产物和邻对联苯胺型产物(式(11))［19］。

Park和Kang报道了联苯胺重排类型的［9，9］σ迁移反应，4，4'-二(2-呋喃基)苯基肼在酸催化下，在0℃的95%乙醇中发生联苯胺重排，得到75%重排产物(式(12))［20］。

从上述机理研究和反应实例可以看出，联苯胺重排是σ迁移反应中的一种。虽然该重排大多数是在酸催化下进行的，但也不乏在中性条件下加热发生该类重排反应的报道。Cope重排是碳原子的σ迁移反应，Claisen重排是含有氧原子的σ迁移反应，联苯胺重排是中性或酸性条件下的氮原子参与的σ迁移反应。

［1］Hofmann A W.Proc Roy Soc，1862，12:576

［2］Shine H J.J Phys Org Chem，1989，2:491

［3］Banthorpe D V.Chem Rev，1970，70:295

［4］Shine H J.Aromatic Rearrangements.New York:Elsevier，1967

［5］Shine H J.MTP Int Rev Sci:Org Chem，Ser One，1973，3:65

［6］Shine H J.MTP Int Rev Sci:Org Chem，Ser Two，1976，3:87

［7］Lupes M E.Rev Roum Chim，1972，17:1253

［8］Robinson R.J Chem Soc，1941，220

［9］Hughes E D，Ingold CK.J Chem Soc，1941，608

［10］Dewar M J S.Molecular Rearrangement.Part 1.New York:Interscience Publishing，1963

［11］Dewar M JS，Marchand A P.Annu Rev PhysChem，1965，16:321

［12］Fräter G，Schmid H.Helv Chim Acta，1970，53:269

［13］Shine H J，Zmuda H，Park K H，et al.J Am Chem Soc，1982，104:2501

［14］Shine H J，Henderson G N，Cu A，et al.J Am Chem Soc，1977，99:3719

［15］Shine H J，Gruszecka E，Subotkowksi W，et al.J Am Chem Soc，1985，107:3218

［16］Shine H J，Kupczyk-Subotkowski L，Subotkowski W.J Am Chem Soc，1985，107:6674

［17］Benniston A C，Clegg W，Harriman A，et al.Tetrahedron Lett，2003，44:2665

［18］Feiring A E，Auman B C，Wonchoba E R.Macromolecules，1993，26:2779

［19］Park K H，Park M K，Cho Y H.Bull Korean Chem Soc，1998，19:1090

［20］Park K H，Kang J S.J Org Chem，1997，62:3794