有機(jī)反應(yīng)- 氧化反應(yīng)

1、第五章：氧化反應(yīng) Oxidation 一、概述(一）最普遍最常用的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)。借助于氧化可以合成的種類(lèi)繁多的有機(jī)化合物。醇、醛、酮、羧酸、酸酐、酚、醚等含氧化合物，常由氧化反應(yīng)制備。有機(jī)分子的加氧或脫氫過(guò)程稱(chēng)為氧化反應(yīng)。在有機(jī)化合物中，常指作用部位的碳原子的氧化數(shù)增加，失去電子的過(guò)程。 形成：（1）加氧 OMeCHOOMeCO2HCH2=CH2H2C CH2O3OOO OO RCO3HRCO2H（2）脫氫，減少H O（3）增加O減少H OCH4CH2O(二)氧化反應(yīng)類(lèi)型1 官能團(tuán)部分的氧化ORROOROR2 a部位氧化RRRORRROH3 非活性部位氧化OOH（三）特點(diǎn)1一般氧化反應(yīng)為放熱反

2、應(yīng)2氧化反應(yīng)比較復(fù)雜，不易控制3選擇反應(yīng)條件，選擇氧化劑是氧化反應(yīng)的關(guān)鍵。二、醇類(lèi)的氧化醇經(jīng)氧化可生成羰基化合物，生成的產(chǎn)物取決于醇的結(jié)構(gòu)、所用的氧化氧化反應(yīng)條件。一級(jí)醇經(jīng)過(guò)溫和氧化生成醛，醛進(jìn)一步氧化成羧酸。二級(jí)氧化成酮，如果劇烈氧化可發(fā)生碳碳鍵斷裂生成兩分子羧酸。 1級(jí)醇的氧化 醛 酸 2級(jí)醇的氧化酮 CC斷裂 3級(jí)醇的氧化 X （一）鉻Cr (VI) 氧化劑 鉻氧化劑是一類(lèi)具有多種反應(yīng)性能的六價(jià)鉻試劑，幾乎可以氧化所有氧化的基團(tuán)，通常可以控制氧化條件使主要生成一種產(chǎn)物。在氧化過(guò)程中，氧化，鉻由六價(jià)被還原成四價(jià)。常用的鉻氧化劑有三氧化鉻和重鉻酸鹽(重鈉、重鉻酸鉀)。三氧化鉻是一高聚物，溶于

3、水解聚生成鉻酸。鉻酸在水溶以多種形式的六價(jià)鉻存在，包括：HOCrO3H，H2CrO4，HCrO4-，CrO42-, Cr2O72-,HCr2O7-，H2Cr2O7。常用鉻酸稀硫酸溶液。有時(shí)加乙酸以增加反應(yīng)物的溶解度。將重鉻酸鹽加到稀硫酸中即形成鉻酸溶液。三氧化鉻也可溶于乙酐、醇或吡啶，分別生成鉻酸乙酸混酐、鉻酸叔丁酯或三氧化鉻吡啶配合物。常用：CrO3 + OH-, HCrO4-, Cr2O72-H2O 鉻酐： CrO3+H2OH2CrO4K2Cr2O7H2SO4K2SO42CrO3H2O+R2CHOHHCrO4-H+R2CHCrO3-H+=O鉻酸在有機(jī)合成中的重要用途是醇的氧化。鉻酸氧化醇的

4、機(jī)理是鉻酸首先形成鉻酸酯中間體，醇的羥基同碳上的氫失去，同時(shí)鉻氧鍵斷裂生成酮。作用于方式有兩種解釋?zhuān)阂环N解釋是水作為堿奪取質(zhì)子，另一種是分子內(nèi)鉻酸的氧質(zhì)子。ROCrRRORHOOOHH2O+HCrO3-+H3O+ROCrRRORHOOOH+H2CrO3通式： 醇的空間位阻的大小影響鉻酸的氧化速度，形成鉻酸酯的難易為決定速度步驟。即醇羥基的空間位阻大，則不易成酯，氧化速度降低。 OHHat-BuHHHbOHt-BuHHOHHaHt-BuHbOHHt-Bu 相對(duì)氧化速率3:15:1 微堿性試劑(3)Sarett 試劑 （ CrO3Py）(4)Collins 試劑（CrO3Py2）微酸性試劑（1）鉻

5、酸 H2CrO4， 氧化鉻 CrO3 （2）Jones試劑 H2CrO4H2SO4不氧化雙鍵 (CC)酸性試劑(5) PCC (CrO3PyHCl， CH2Cl2) (6) PDC(H2CrO4Py2)1鉻酸 H2CrO4， 氧化鉻 CrO3一般不適用于對(duì)酸敏感的體系(醚、縮酮、縮醛等)，及易氧化的基團(tuán)（如烯基、硫醚基、酚羥基、氨基等）， 還有一些易被過(guò)度氧化的醇，如芐基仲醇 OHRORCOOH+ ROHRCHO+HCrO4R COHHO CrO3HROCrOHRORHOOOHH2O+HCrO3-+H3O+ROCrRRORHOOOH+H2CrO3伯醇氧化成醛，繼續(xù)氧化成酸。2Jones Rea

6、gent (H2CrO4, H2Cr2O7, K2Cr2O7) 267g CrO3, 230 ml濃 H2SO4 + 400ml水（dilute） 1L CrO3 + H2O H2CrO4 (aqueous solution) K2Cr2O7 + K2SO4J. Chem. Soc. 1946 39Org. Syn. Col. Vol. V, 1973, 310. 氧化反應(yīng)：Cr(VI) Cr(III) (black) (green) (1) 2o醇 酮2）1o醇 羧酸較為溫和，雙鍵不受影響，選擇性氧化仲醇到酮。OHJone reagentacetone,H2O15-20oCOJone rea

7、gentacetone,H2O15-20oCH3C(H2C)3C C CHOHCH3H3C(H2C)3C C COCH33Sarett 試劑 （ CrO3Py）G. I. Poos, G. E. Arth, R. E. Beyler, L. H. Sarett, J. Am. Chem. Soc. 75, 422 (1953). 氧化伯醇和仲醇到醛（和/或羧酸）和酮 CHOHCrO3-C5H5NO4Collins Oxidation (CrO32pyridine)TL 1969, 3363 CollinsCollins氧化，吸潮性紅色結(jié)晶在非極性溶劑中如：CH2Cl2, 不會(huì)發(fā)生過(guò)度氧化 1o

8、醇到醛2o醇到酮堿性，對(duì)酸不穩(wěn)定的醇可用CrO3 (anhydrous) + pyridine (anhydrous) CrO32pyridineJACS 1969, 91, 44318. OOOHAcOOOOAcOCrO3-Py2CH2Cl2H5. Pyridinium Chlorochromate (PCC, Corey-Suggs Oxidation) 橙黃色固體，可在無(wú)水空氣中保存。反應(yīng)溶劑應(yīng)一般無(wú)水。 TL 1975 2647Synthesis 1982, 245 (review)CrO3 + 6M HCl + pyridine pyH+CrO3 Cl- PCC 加入 NaOAcNH

9、CrO3Cl-Oxidative RearrangementsOxidation of Active Methylene Groups6Pyridinium Dichromate (PDC, Corey-Schmidt Oxidation)TL 1979, 399Na2Cr2O72H2O + HCl + pyridine (C5H5N)2CrO7NHCr2O72-2亮橙色固體，可以在與空氣接觸下保存，反應(yīng)溶劑為干燥無(wú)水，無(wú)還原劑的，可用無(wú)水CH2Cl2，乙腈等。 烯丙醇可氧化成醛，而普通的醇則氧化成酸。 在不同的溶劑中的氧化性不同，在極性較大的中可氧化成酸。（二）錳試劑1KMnO41 alco

10、hols and aldehydes are oxidized to carboxylic acids- 1:1 dicyclohexyl-18-C-6 and KMnO4 in benzene at 25C gives a clear purple solution as highas 0.06M in KMnO4.2. MnO2Review: Synthesis 1976, 65, 133Selective oxidation of a,b-unsatutrated (allylic, benzylic, acetylenic) alcohols.- Activity of MnO2 de

11、pends on method of preparation and choice of solvent- cis & trans allylic alcohols are oxidized at the same rate without isomerization of the double bond.選擇性氧化烯丙仲醇到a,b-不飽和酮 H3COH3COOHOHMnO2, acetoneH3COH3COOHO選擇性氧化烯丙伯醇到a,b-不飽和酮 3. Manganese (III) Acetate a-hydroxylation of enonesSynthesis 1990,

12、1119 TL 1984 25, 5839(三) 銀鹽對(duì)酸不穩(wěn)定的體系可用。將醇氧化為醛，保留烯鍵和三元環(huán)。CH2OHAg2CO3CHO（四）DMSO氧化Activated DMSO Review: Synthesis 1981, 165; 1990, 857. Organic Reactions 1990, 39, 29721DMSO+DCC=環(huán)乙基碳二酰亞胺（Moffatt Oxidation (DMSO/DCC) JACS 1965, 87, 5661, 5670. ） +酸（磷酸） （CF3COOH）將1o醇氧化成醛HNNOOHOH2CH3COCODMSO,DCC,H3PO4,25oC

13、90%OHNNOOOHCH3COCOO2Swern Oxidation-trifluoroacetic anhydride can be used as the activating agent for DMSO草酰氯OHDMSO,COCl2100%OH（五）二醇的氧化 鄰二醇 1Pb(OAc)4 CCOHOHPb(OAc)4-AcOHCCOPb(OAc)2O-Pb(OAc)2COCO對(duì)處于順式的鄰二醇，易形成環(huán)狀過(guò)渡態(tài)，可被氧化。OHOHOHHOOOLTALTAk=100k=12. HIO4/H5IO6 CCOHOHCCOIOCOCOHIO4OOHOOH+ HIO3 + H2OOHOHNaI

14、O4, SiO2, CH2Cl2, H2O, rtCHOCHOHIO4C COHOCOCOC COHOHOC CHONHRC CHOOHHIO4CH2OHCHOHCH2OH2HCHO + HCOOHHIO4CH2OHCH2CH2OH(非鄰二醇)CH2OHCHNH2C OOHHIO4HCHOHCOOHCO2H2ONH3三、醛酮的氧化（一） KMnO4， K2Cr2O7 R CHOR COOHKMnO4 or K2Cr2O7RROR COOHRCOOH+KMnO4 or K2Cr2O7(二) 鹵仿反應(yīng)ONaOCl, H2OCOOH+ CHCl3(三) BaeyerVilliger反應(yīng)Baeyer-

15、Villiger ReactionA. Baeyer, V. Villiger, Ber. 32, 3625 (1899); 33, 858 (1900).The oxidation of ketones to esters or lactones by peracids:遷移能力由高到低: 叔烷基仲烷基環(huán)己基芐基苯基伯烷基甲基H可以將酮轉(zhuǎn)變?yōu)轷ポ^大的烷基遷移到O上遷移基團(tuán)構(gòu)型保持不變?cè)噭┻M(jìn)攻電子云密度較大的基團(tuán)NO2COCH3CO3HAcOH, H2SO4NO2COO95%用于醛酮的降解 四、烯烴的氧化烯烴雙鍵可被多種氧化劑氧化，氧化劑不同，反應(yīng)歷程和氧化產(chǎn)物也不同，在合成上都很有用途。1臭

16、氧化O3, CH2Cl2-78oCOOOO OOPh3PNaBH4Jones reagentOOHRCOOH2制備鄰二醇（1）過(guò)氧酸的氧化烯烴雙鍵可被過(guò)酸氧化為環(huán)氧化物。由于環(huán)氧化物是許多反應(yīng)的合成中間體，故烯烴的環(huán)氧化應(yīng)用十分廣泛。反應(yīng)被認(rèn)為是過(guò)氧酸對(duì)雙鍵的親電進(jìn)攻，雙鍵上連有供電子基團(tuán)時(shí)，可促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行： 由上述反應(yīng)歷程可知，碳碳雙鍵連有給電子基或過(guò)氧酸帶有吸電子基時(shí)均可使環(huán)氧化的速度增加。不同過(guò)氧酸的活性次序是：過(guò)氧三氟乙酸間氯過(guò)氧苯甲酸過(guò)氧甲酸過(guò)氧苯甲酸過(guò)氧乙酸。末端單取代烯烴與大多數(shù)過(guò)氧酸的反應(yīng)速度都很慢。該反應(yīng)具有較高的立體選擇性，氧優(yōu)先從分子位阻較小的一面進(jìn)攻。環(huán)氧乙烷衍生物經(jīng)

17、酸水解生成二醇，由構(gòu)象固定的環(huán)己烷衍生物所生成的環(huán)氧化物開(kāi)環(huán)時(shí)優(yōu)先生成羥基處于雙a-鍵的反式產(chǎn)物：（2）KMnO4冷稀溶液無(wú)論環(huán)內(nèi)環(huán)外雙鍵利用冷的堿性為氧化劑，仔細(xì)控制條件，可在溫和的條件下，高產(chǎn)率地轉(zhuǎn)化為順式二醇： 反應(yīng)是按形成環(huán)狀錳酸酯歷程進(jìn)行的，同位素O18研究表明氧是高錳酸根轉(zhuǎn)移給生成物的。雙鍵在加熱或酸性條件下用KMnO4氧化，鏈烯雙鍵斷裂生成兩分子羰基化合物，環(huán)烯則斷裂為一分子二羰基化合物。如果雙鍵碳上有氫原子，則產(chǎn)物為羧酸。這個(gè)反應(yīng)可用于雙鍵的結(jié)構(gòu)剖析，但有時(shí)也可用于合成。 （3） OsO4是烯烴順式羥基化的良好試劑，代替KMnO4，可避免生成的二元醇的進(jìn)一步氧化，順式二元醇的收

18、率提高，但OsO4價(jià)貴且有毒。選擇性好，得到順式加成產(chǎn)物。 3.非活性部位的氧化烷烴很難氧化。在劇烈條件下，鉻酸、高錳酸鉀等強(qiáng)氧化劑能將烷烴氧化成酮和羧酸的混合產(chǎn)物。其中伯、仲、叔碳被氧化的相對(duì)速率大致是11001000。雖然烷烴的氧化不是一個(gè)好的合成轉(zhuǎn)換，但在工業(yè)制備上仍有一定意義。例如，來(lái)源豐富的石蠟等高級(jí)烷烴，在KMnO4、MnO2等催化下，用空氣或氧氣氧化，可制得高級(jí)脂肪酸。 及其它羧酸 RCH2CH2R + O2MnO2107110oCRCOOH +RCOOH其中C12C18的脂肪酸可代替動(dòng)植物油作肥皂，這樣可節(jié)省大量食用油。低級(jí)烷烴，如C4-C5的烷烴在催化劑存在下控制氧化，可制備乙酸、丙酮等基本化工原料。烷烴的叔碳-氫鍵能被鉻酸或KMnO4氧化成醇：(1)SeO2的氧化烯丙位的C-H鍵也能被氧化，生成醇或酮。常用的選擇性氧化劑為二氧化硒。SeO2對(duì)烯丙位的氧化優(yōu)先于碳-碳雙鍵。反應(yīng)的第一步是SeO2對(duì)碳-碳雙鍵加成，產(chǎn)物為硒酸烯丙酯。后者水解為烯丙醇，再加MnO2氧化，或?qū)⑽嵯┍峤?，則得，-不飽 和酮。 57%例如：羰基的a-C-H鍵也可被SeO2氧化成羰基。例如：(2)KM