二苯乙醇酸重排反應

二苯乙醇酸重排反應 (Benzilic Acid Rearrangement)
國立臺灣師範大學化學系 周明暐

二苯乙醇酸重排反應^1-4最早由德國化學家 Justus Liebig (Justus Freiherr von Liebig,1803 – 1873) 於 1838 年發表。Justus Liebig 的主要貢獻為農業化學以及生物化學領域，並且被譽為「肥料工業之父」。

圖一、Justus Freiherr von Liebig （參考資料 5）

Justus Liebig 出生於德國達姆斯特坦 (Darmstadt)，他的父親是一名化學藥品製造商，在他父親的店裡有一間小小的實驗室，而年幼的 Justus Liebig 非常喜歡在這裡做許多有趣的實驗，也因此激起了他對化學的興趣。

起初，Justus Liebig 於達姆斯特坦就讀中學，但由於成績不佳而被迫中斷。在輟學的期間，Justus Liebig 先後在黑彭海姆 (Heppenheim, Germany) 以及達姆斯特坦擔任藥鋪及其父親工作坊的學徒，後經由父親的介紹而進入德國波恩大學 (Bonn university) 就讀，並且向教授 Karl Wihelm Gottlob Kastner 學習化學。而後 Kastner 離開波恩大學前往艾爾朗根大學任教，Justus Liebig 亦跟隨其師前往，並且在艾爾朗根開始了撰寫他的博士論文。

1822 年三月，Justus Liebig 希望能夠從事更進一步的化學研究，他離開了祖國德國，前往法國巴黎的索邦大學深造，其師為著名的化學家約瑟夫‧路易‧給呂薩克 (Joseph Louis Gay-Lussac)。Justus Liebig 於 1823 年在艾爾朗根大學得到他的博士學位，於隔年四月回到達姆斯特坦，並成為吉森大學（University of Giessen，而後為了紀念 Justus Liebig，以 Justus-Liebig-University 命名之）的化學系教授。

二苯乙醇酸 (benzilic acid) 為一種芳香族羧酸，為白色晶體，可溶於許多種一級醇。二苯乙醇酸可以透過加熱二苯基乙二酮 (Benzil)、醇類以及氫氧化鉀之混合物來製備，此即二苯乙醇酸重排反應 (Benzilic acid rearrangement)。二苯乙醇酸之結構如圖二所示：

圖二、二苯乙醇酸（作者繪製）

二苯乙醇酸重排反應是由二苯基乙二酮在氫氧化鉀所提供的鹼性環境下作用、重排並得到產物二苯乙醇酸之反應。此反應為 1,2-重排反應 (1,2-rearrangement) 的代表之一。一般而言，二苯乙醇酸重排反應在進行反應之二酮類化合物不發生烯醇化的時候，可擁有最佳產率。

廣義的二苯乙醇酸重排反應可以發生在 1,2-二酮中，其產物為 $$\alpha$$-羥基酸 (α-hydroxyl-carboxylic acid)。這一類的重排反應牽涉到碳陽離子的遷移 (carbocation migration)，但由於碳陽離子的遷移通常伴隨著碳陰離子的遷移 (carboanion migration)，故此現象並不常發生。其反應如下所示：²

圖三、廣義的二苯乙醇酸重排反應（作者繪製）

圖四、二苯乙醇酸重排反應的可能反應機構（作者繪製）

在鹼性環境下，氫氧根離子對反應物二酮的其中一個羰基碳進行親核性攻擊 (nucleophilic attack)。接著，氧離子上所帶的負電荷反攻回起初被攻擊的碳，同時促使重排的發生，苯基進行遷移至相鄰的羰基碳上，得到一羧酸鹽。最後，再加入酸性物質作為酸源（在此處的酸源為鹽酸），讓羧酸鹽進行質子化 (protonation) 以後，便可得到產物 $$\alpha$$-羥基酸。

在實際應用方面，二苯乙醇酸重排反應可運用於類固醇 (steroid) 之合成，此類反應可發生於特定的類固醇，使得類固醇有更多結構上的多樣性。在類固醇的 D-HOMO 重排反應 (D-Homo Rearrangement of Steroids) 中，起始物中的五員環部份經過二苯乙醇酸重排反應後，擴展成六員環。其反應如下所示：

圖五、二苯乙醇酸重排反應的實際應用（參考資料 4）

參考文獻

1. Benzilic acid rearrangement. — Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Benzilic_acid_rearrangement
2. Hine, J. & Haworth, H. (1958). The Mechanism of the Benzilic Acid Rearrangement. J. Am. Chem. Soc., 80(9), 2274-2275. http://dx.doi.org/10.1021/ja01542a060
3. Scientists, T. & Scientists, L. (2016). Justus von Liebig – Biography, Facts and Pictures. Famousscientists.org. http://www.famousscientists.org/justus-von-liebig/
4. Wendler, N. & Taub, D. (1958). D-Homo Rearrangement of Cortical Steroids. Interrelationship of D-Homo Derivatives in the 11-Oxygenated Pregnane Series 1. J. Am. Chem. Soc., 80(13), 3402-3405. http://dx.doi.org/10.1021/ja01546a050
5. Justus von Liebig — Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Justus_von_Liebig