引言：碳正离子与重排反应
1902年，P. Walden发现三苯基氯甲烷溶于DMSO后，形成一个可以导电的溶液，从而提出了无机和有机化合物自解离理论。 碳正离子（carbocations）是有机化学中最重要的正离子，它的杂化形式为sp²杂化。大部分碳正离子为亲电的，正电荷位于中心碳正离子上。
1970年，有科学家认为，碳正离子应该称为正碳离子（carbonium ions）。1971年，诺贝尔化学奖获得者G. A. Olah则认为，正碳离子（carbonium ions）应该归属于像CH₅⁺这类正离子专用。
在有机化学中，重排反应是一类非常重要的反应，它涉及有机分子内骨架的重组，形成新的骨架体系的过程。
其中，B为重排起点原子，A为重排终点原子，Y为重排基团或原子
重排反应的分类方式
n=1
n=2
Y带电子对
Y带正电荷
亲核重排的基本规律
Whitmore 1,2-重排
从空间效应和电子效应上考虑，1,2-亲核重排反应比亲电重排和自由基重排更容易发生，底物的种类也更多。在1,2-亲核重排反应中，通常包含三个过程：
第一步
首先是亲电位点的产生
第二步
接着迁移基团或原子带一对电子迁移并产生一个新的亲电位点
第三步
最终新产生的亲电位点湮灭
（1）碳正离子的产生：最简单的方法为醇在酸性条件下的失水以及烯烃与质子的反应
（2）氮宾的产生：在Hofmann消除的过程中，酰基氮负离子在溴负离子离去后，就可以形成酰基氮宾
（3）过氧键的异裂：在Baeyer-Villiger反应中，Criegee中间体的过氧键断裂，羧酸根负离子作为离去基团离去
在这些亲核重排中，迁移基团或原子Y均需带着一对电子。如果基团Y具有手性，迁移后的构型仍然会保持不变。
重排反应的立体化学
如在Beckmann重排中，迁移基团必须位于离去基团的反位，这与SN2反应以及反式共平面消除的模式存在一定的相似之处。
在这过程中，连接在原子A上的离去基团X优先离去，形成A正离子；接着迁移基团或原子Y迁移至A上，形成新的B正离子。这个过程类似于SN1反应机理。
在这过程中，迁移基团或原子Y带着一对电子进攻A，此时，新键的形成与旧键的断裂处在一个协同的过程，不会形成一个碳正离子。这个过程类似于SN2反应机理。
上述三元环正离子究竟是中间体还是过渡态，至今还是一个争论的话题。当迁移基团Y为芳基或烯基时，此三元环正离子可能为中间体；而当迁移基团Y为烷基时，此三元环正离子相当于一个被质子化的环丙烷。
自由基重排的基本规律
1911年，H. O. Wieland首次报道了自由基的1,2-重排反应。1,2-自由基重排反应远比亲核重排要少得多，但其基本过程与亲核重排类似。
此过程也包含了三步：
- 自由基的产生
- 自由基迁移
- 最终新产生的自由基通过其他反应被湮灭
（1）首先是自由基的产生；（2）其次是重排后新形成的自由基更为稳定。
亲电重排和卡宾重排的基本规律
能发生亲电重排的底物为稀少，因为在这过程中，首先生成负离子，接着一个基团或原子带着正电荷进行迁移，最终形成更为稳定的负离子。这是一个非常困难的过程，因此很少有原料能进行这样的重排反应。
卡宾则可以重排成烯烃。例如，卡宾的[1,2]-氢迁移就形成了新的烯烃。以下这些卡宾均可以通过[1,2]-氢迁移形成新的烯烃：
各类可发生[1,2]-氢迁移的卡宾
从碳原子到碳原子的1,2-重排
24.4.1 Wagner-Meerwein 重排
1899年，G. Wagner和W. Brickner在研究双环蒎烯时发现，在HCl的作用下，双环蒎烯中的四元环扩环成了五元环。这个转换在当时是不可思议的，与当时认为有机反应中骨架保持恒定不变的经典结构理论完全不符。
1922年，H. Meerwein及其合作者认为，此重排的本质来源于反应中形成了正离子。这是一个碳正离子的1,2-重排。通常情况下，醇或卤代烃在酸催化下进行亲核取代或消除反应时以及烯烃进行亲电加成时都容易形成碳正离子。
（1）这是碳正离子启动的反应
（2）形成热力学稳定的碳正离子为驱动力
（3）可以发生连续的[1,2]-迁移
（4）最终可能生成烯烃或取代产物
（5）迁移基团的立体结构保持不变；遵从Woodward-Hoffmann规则
基团迁移速率排序
24.4.2 Pinacol 重排
1860年，R. Fitting用硫酸处理2,3-二甲基-2,3-二丁醇（频哪醇，pinacol），得到了3,3-二甲基-2-丁酮（频哪酮）。
深入研究发现，此方法通用于环状或非环状体系的邻二醇。因此，邻二醇在酸性条件下脱水转化为醛或酮的反应称为pinacol（频哪醇）重排。
（1）几乎所有的邻二醇（环状或非环状体系）均在此条件下可以重排
（2）如果取代基是全同的，产物为唯一的；若取代基不一样，产物为混合物
（3）通过形成稳定的碳正离子形成最终产物
（4）反应具有高度的区域选择性和立体选择性（尤其在环状体系中）
（5）能稳定碳正离子的基团（电子给体）优先迁移
迁移顺序
H > 芳基、烯基、炔基 > 叔丁基 ≫ 环丙基 > 二级烷基 > 乙基；迁移基团如果是手性的，其手性保持不变。
Semipinacol 重排
为了改进pinacol重排，进一步拓展此反应的应用，后续发展了可以在碱性或中性条件下的semipinacol（半频哪醇）重排。所谓semipinacol重排，就是将邻二醇的其中一个羟基转化为一个好的离去基团，能区域选择性地形成一个碳正离子，接着发生重排。
24.4.4 Demjanov 重排和 Tiffeneau-Demjanov 重排
20世纪初，Demjanov发现氨甲基取代的环烷烃在亚硝酸处理下会扩环形成相应的环状醇类似物。反应实际是将环外碳原子所连的氨基重氮化，N₂离去后生成的碳正离子进行重排得到比反应物更大的环。
1937年，M. Tiffeneau改进了Demjanov反应，给出了带有β-氨基醇的环分子，反应条件与Demjanov反应没有区别。Tiffeneau-Demjanov反应能制备四到八元环化合物，而且产率通常都会比Demjanov反应高。
24.4.5 二烯酮-苯酚重排
1893年，A. Andreocci报道了山道年在酸性条件下重排成山道年的异构体稳变山道年（desmotroposantonin）。这个重排反应包括了一步烷基的[1,2]-迁移，驱动力是形成了一个芳香体系，使能量降低，体系在反应过程中大量放热。
随后，深入研究发现，当环己二烯酮的对位或邻位有两个烷基取代时，在酸性条件下可以发生重排，这个反应被称为二烯酮-苯酚重排。
24.4.7 Favorskii 重排
至少含有一个α氢的α-卤代酮经碱处理后再与亲核试剂（醇、胺或水）反应，生成骨架重排的羧酸或羧酸衍生物，这类反应称为Favorskii重排。这是合成高度支化羧酸和羧酸衍生物的好方法。
X = Cl, Br, I
这个反应首先是羰基α位去质子化形成烯醇负离子，接着经过分子内的亲核取代反应形成环丙酮三元环体系，三元环的酮羰基被亲核进攻区域选择性开环形成更稳定的碳负离子，最终形成产物。
24.4.8 基于酰基卡宾的重排——Wolff重排和Arndt-Eistert重排
从以上的重排过程可以发现，无论是在酸性还是在碱性条件下，C2位存在离去基团是重排发生的前提条件。常见的离去基团通常为卤素、磺酸根负离子、羧酸根负离子或水。实际上，重氮盐或叠氮基可以氮气的方式离去，也是一类非常重要的离去基团。
1902年，L. Wolff发现α-重氮取代的苯乙酮在氧化银和水的作用下会转化为苯乙酸；如果体系中含有氨水，产物则为苯基乙酰胺。α-重氮酮重排成乙烯酮衍生物，随后在亲核试剂作用下生成各类衍生物的反应称为Wolff重排。
反应的关键中间体为乙烯酮。机理研究发现：加热的条件下，Wolff重排是按照协同机理进行的，反应过程中没有捕捉到酰基卡宾中间体的存在；光照的条件下，Wolff重排是按照酰基卡宾机理进行的。
1935年，F. Arndt和B. Eistert发展了制备α-重氮酮的简捷方法，这使得此重排反应得以快速推广，并在此基础上发展了亚甲基插入反应。这是增加羧酸碳链的好方法。
从碳原子到氮原子的1,2-重排
在这一类反应中，亲核基团将通过[1,2]-迁移从碳原子重排至氮原子上，因此要求氮原子为六隅体，才能使此反应顺利进行。Hofmann重排、Curtius重排、Lossen重排以及Schmidt重排等反应均属于此类反应。
X = Br: Hofmann; X = N₂: Curtius, Schmidt; X = OCOR¹: Lossen
酰胺在溴和氢氧化钠作用下转化为异氰酸酯，再水解得到伯胺。
酰基叠氮化物在加热或光照下分解，失去N₂生成异氰酸酯。
此外，还有Beckmann重排反应。为了使羟基成为易离去基团，反应通常需要在强酸性条件下进行，如浓硫酸、甲酸、PCl₅或一些Lewis酸。迁移基团通常处于离去基团的反位，但是由于肟在强酸性条件下经常会发生异构化反应，因此有时处在与离去基团顺式位置的基团也可以迁移。
（1）迁移基团的构型保持不变
（2）反应为一级动力学反应
（3）为分子内的重排反应
（4）迁移基团自身不会发生重排反应
从碳原子到氧原子的1,2-重排
从碳原子到氧原子的1,2-重排反应在前面的章节中已经讨论了很多，如Baeyer-Villiger氧化重排和Dakin反应等。在这些过程中，需要了解的是Criegee中间体：
1948年，R. Criegee提出了氧化过程中的中间体结构，但直到2013年才完全确认此结构。
R-C(O⁻)(R¹R²)(-O-O-R)
研究结果表明，Baeyer-Villiger重排过程受一级和二级立体电子效应控制。首先，立体电子效应是指过氧基团中的O-O键必须与迁移基团处在反式共平面上，这种取向可以使迁移基团的σ成键轨道与过氧基团的σ反键轨道在最大限度上重叠。
当迁移基团具有手性时，重排后其构型保持不变。对于不对称酮，羰基两旁的基团不同，两个基团均可以迁移，但有一定的选择性，迁移能力的顺序为：
烯丙基的迁移顺序与二级烷基一致。
氧化重排的总结
| 反应名称 | 底物 | 试剂 | 产物 |
|---|---|---|---|
| Beckmann重排 | 肟 | H₂SO₄, H₃PO₄等 | 酰胺 |
| Schmidt重排 | 酮 | HN₃等 | 酰胺 |
| Baeyer-Villiger氧化 | 酮 | RCO₃H, H₂O₂等 | 酯 |
| Dakin氧化 | 芳香醛 | RCO₃H, H₂O₂等 | 酚 |
| Curtius重排 | 酰基叠氮 | △或hv | 异氰酸酯 |
| Lossen重排 | 异羟肟酸 | X=H, H₂SO₄; TsCl等 | 异氰酸酯 |
| Hofmann重排 | 酰胺 | Br₂, NaOH | 异氰酸酯 |
从杂原子到碳原子的重排
这一类重排反应包含多种重要的人名反应，是有机合成中常用的工具反应。
1933年，W. Baker报道了邻酰氧基苯乙酮在碱性条件下可以重排为1,3-二羰基化合物。1934年，K. Venkataraman也报道了类似的结果。此后，此类反应统称为Baker-Venkataraman重排。
其具体转换的过程是，先在碱性条件下烯醇负离子对羰基亲核加成，接着发生分子内消除反应。产物2'-羟基芳基-β-二酮是合成色酮、黄酮、异黄酮以及香豆素等衍生物的重要原料。
1935年，E. P. Kohler和C. L. Bickel阐述了某些羟甲基取代的环氧乙烷在催化量强碱作用下会异构成2,3-环氧醇。1962年，G. B. Payne报道了在0.5 mol·L⁻¹ NaOH水溶液中于室温下就可以发生此重排。
由于对映体纯的α位羟基取代的环氧化合物可以通过Sharpless不对称环氧化制备，这使得此反应得以进一步推广，而且在后续的环氧开环过程中，可以实现C2位的构型翻转。
1894年，H. Henriques报道了双-(2-羟基-1-萘基)硫醚在碱性条件下可以异构化为2-羟基-2'-巯基-双-(1-萘基)醚。20年后，O. Hinsberg以亚砜为原料进行了类似的实验，但是一直没有能确定产物的具体结构。后来，S. Smiles确定了此重排的产物，并认为这属于分子内芳香亲核取代反应。
（1）芳香环必须在离去基团的邻位或对位有强的吸电子基团取代
（2）给电子基团将大大减慢此反应的速率，也可能使反应不能进行
（3）当Y=SO₂，XH=CH₃时，即使没有活化基团，此反应也能进行
（4）在碱性条件下反应，离去基团Y⁻的稳定性非常重要，此负离子越稳定，反应越容易进行
1928年，T. S. Stevens报道了N-苄基-N,N-二甲基-2-氧代-2-苯基乙基-1-溴化铵在NaOH水溶液处理下，可以转化为2-(二甲氨基)-1,3-二苯基-1-酮。几年后，他发现硫鎓盐也可以进行类似的转换。
此后，将α位上具有吸电子基团的季铵盐或硫鎓盐在强碱（醇钠或氨基钠）作用下，脱去一个α活泼氢生成叶立德，然后氮或硫原子上烃基进行分子内的[1,2]-迁移，生成叔胺或硫醚的反应，称为Stevens重排。
1937年，M. Sommelet发现保存在保干器中（内有P₂O₅）的N-二苯甲基三甲基氢氧化铵转化为邻苄基苄基-二甲胺。后来的研究发现，此反应与保干器中P₂O₅无关，N-二苯甲基三甲基氢氧化铵可以在加热到145℃下就进行同样的转换。
此后，将苄基四级铵盐在强碱作用下的[2,3]-σ迁移重排称为Sommelet-Hauser重排。
1909年，R. Pummerer发现在矿物酸中加热苯亚磺酰基乙酸，可以得到苯硫醇和乙醛酸。在这个转换中，亚砜被还原为硫醇，而亚甲基被氧化为甲酰基，产物可以水解转化为硫醇和醛或酮。
其反应首先在于酸酐对亚砜的活化，接着发生分子内的消除反应，生成硫代羰基正离子，最后亲核试剂或基团对其进行亲核加成，转化为硫醚。
1922年，K. H. Meyer和K. Schuster报道了1,1,3-三苯基-2-丙炔醇在浓硫酸和乙醇中转化成1,3,3-三苯基丙炔酮。此反应称为Meyer-Schuster重排。
此反应的启动点在于三级醇在酸性条件下失水形成碳正离子，接着碳正离子与炔烃离域转化为丙二烯正离子，最终再与亲核试剂水结合。
几年后，H. Rupe发现，当三级醇的一个取代基为末端炔烃（即R¹=H）且另一个β位为CH₂时，其产物不是醛，而是甲基酮。此反应称为Rupe重排。
参见17.3.3节。Fries重排是酚酯在Lewis酸或质子酸催化下，酰基从氧原子迁移到芳环上的反应。
从杂原子到杂原子的亲核重排——硼氢化氧化
烯烃硼氢化后的产物三烷基硼在双氧水和NaOH的作用下会发生氧化重排，这也是一个非常典型的亲核试剂从硼原子到氧原子的亲核[1,2]-迁移重排。
烷基硼与双氧水负离子形成盐后，烷基作为亲核基团迁移，HO⁻离去。这个过程基本上与Baeyer-Villiger反应一致，其迁移基团的迁移规律也基本相同。如果双氧水过量，可以连续发生三次的烷基迁移。
产物硼酸酯水解后生成醇。迁移基团的立体构型保持不变。此反应可以高产率地制备大空阻的醇。三烷基硼还可以与CO发生类似的反应。
σ迁移重排
邻近一个或多个π体系的一个原子或基团的σ键迁移至新的位置，同时其π体系发生转移进行重组，这种分子内非催化的异构化协同反应称为σ(迁移)重排。
σ迁移重排的表达方式为方括号中用逗号区分的两个数字[i,j]。这两个数字i和j分别表示发生迁移从而断裂的σ键至新形成的σ键过程中参与反应的原子个数。
立体化学：同面与异面
与环加成反应类似，σ重排过程的立体化学同样受分子轨道的对称性制约，具体可分为两类：同面（suprafacial）重排或异面（antarafacial）重排。
断裂的键和形成的键在共轭体系的同一面。
断裂的键分别在共轭体系的两面。
24.9.1 [1,j]-氢σ迁移重排
在此类迁移重排中，[1,3]-和[1,5]-氢σ迁移（重排）最为常见。此类反应可以在加热或光照下进行。例如，烯丙基在光照情况下的[1,3]-氢σ迁移重排以及1,3-共轭双烯在加热下的[1,5]-氢σ迁移重排。
在此氢迁移过程中，同面迁移是对称性允许的，而异面迁移是对称性禁阻的；而同面迁移又是分子立体构型所允许的，因此，协同的[1,5]-氢迁移重排是非常容易进行的。
以此类推，对于同面[1,j]-氢迁移重排，当j+1=4n+2时，是对称性允许的同面迁移；而当j+1=4n时，其同面迁移是对称性禁阻的，则是异面迁移。
24.9.2 [1,j]-碳σ迁移重排
烷基或芳基的σ迁移重排与相应的氢σ迁移重排相比要少得多，也难得多，而且其进行的方式也与氢σ迁移重排有非常不同之处。在氢σ迁移重排中，氢原子中1s轨道上的电子只有一个波瓣，而碳的自由基中在一个2p轨道上有奇数个电子存在两个相位相反的波瓣。
[1,3]-氢同面σ迁移在所有情况下均是对称性禁阻的；而[1,3]-碳σ迁移则是不同的，这是由于碳原子可以利用其2p轨道进行重排反应。
[1,3]-同面，对称性允许
[1,3]-异面，对称性禁阻
[1,3]-碳σ迁移常在光照下才能进行；如果在加热条件下要求进行同面迁移，迁移基团的构型必须发生翻转，而且反应温度将会变得很高。
24.9.3 [3,3]-σ迁移重排
[3,3]-σ迁移重排主要有Cope重排、Claisen重排、Fischer吲哚合成以及金属原子参与的重排反应。Claisen重排已经在17.3.2中讨论过。
1940年，A. C. Cope发现2-(1-甲基丙烯基)-2-烯丙基氰基乙酸酯在蒸馏时转化为2-氰基-3,4-二甲基-戊-2,6-二烯酸酯。A. C. Cope认识到，此重排反应类似于Claisen重排。此后，将1,5-二烯经[3,3]-σ重排异构化成1,5-二烯的反应称为Cope重排。
Cope重排中的六元环过渡态全部由碳原子参与，其反应的结果为底物与产物的基本骨架是一样的，因此它看上去是可逆循环的。为了使此反应顺利地向正方向进行，最主要的方法就是打破产物中的1,5-二烯体系，使其不能再形成六元环的6电子体系。
[3,3]-σ迁移重排总结
| X | Y | 反应名称 |
|---|---|---|
| O | R | Claisen重排 |
| O | OSiR₃ | Ireland-Claisen重排 |
| O | OR | Johnson-Claisen重排 |
| O | NMe₂ | Eschenmoser-Claisen重排 |
| CR₂ | R | Cope重排 |
| CRO⁻ | R | 氧负离子Cope重排 |
24.9.4 [2,3]-σ迁移重排和[1,2]-σ迁移重排
1942年，G. Wittig和L. Löhmann报道了苄基甲基醚经苯基锂摘取氢后，再经酸性条件下后处理生成了1-苯基乙醇。随后的深入研究表明，芳基烷基醚的α位氢被摘取后均会进行类似的重排生成烷氧基锂，其总的结果就是烷基进行了[1,2]-迁移。
此后，将这类苄基烷基醚在强碱作用下转化为相应的二级或三级醇的反应称为[1,2]-Wittig重排。此反应的关键在于，当醚的α位氢被摘取形成碳负离子时，与碳负离子相连的基团必须能稳定此碳负离子（如苯基等）。
在对此反应的机理研究过程中，G. Wittig和T. S. Stevens分别发现，在去质子化后，烯丙基醚可以进行[2,3]-σ迁移生成高烯丙基醇。
1968年，K. Mislow发现光活性的烯丙基亚砜经加热后会发生消旋现象。机理研究表明，这些转化是一个分子内的、可逆的[2,3]-σ重排过程。随后，D. A. Evans认为，这个重排反应可以用于将烯丙基亚砜为原料合成烯丙醇衍生物，或在反应中捕捉烯丙基中间体。
章末习题
涉及pinacol重排中不同底物立体化学导致的不同产物分布。需要考虑碳正离子的稳定性和迁移基团的位置关系。
涉及Favorskii重排、二烯酮-苯酚重排、Payne重排和Demjanov重排等机理。
产物不是羟基失水后形成的正离子与苯环发生傅-克反应形成的，而是经过Wagner-Meerwein重排得到的。
化合物A在乙酸溶液中溶剂解，得到了一对消旋的产物；而化合物B在同样条件下其构型保持不变。需要考虑分子内邻基参与效应。
涉及Lewis酸催化下的环氧开环和1,2-重排反应。需要考虑碳正离子的稳定性和几何构型要求。
涉及溴加成后的重排反应，需要考虑正离子中间体的稳定性和可能的重排路径。
在1,3-丁二烯衍生物发生电环化反应形成取代的环丁烯时，其立体化学的控制性比较差，也就是说1,3-丁二烯衍生物中双键的位置很容易变化。需要考虑[1,5]-氢σ迁移重排的影响。
涉及芳香化合物的多步重排，需要考虑亲核加成、消除和重排等多个步骤的组合。