有機(jī)原理06.還原反應(yīng)

1、第六章 還原反應(yīng)（reduction） 一、概述 為精細(xì)有機(jī)合成化學(xué)中最廣泛應(yīng)用的單元反應(yīng)之一。 與氧化反應(yīng)相反：氧原子減少，氫原子增加，兩者兼有。 氧原子減少PhNNPhOPhNNPhH氫原子增加PhNNPhPhNH2NH2PhH兩者兼有PhNO2PhNHOHPhCOOHPhCH2OHNO2NO2NH2NH2HHH特點(diǎn)：較氧化反應(yīng)易于控制。類型：（1）活潑金屬Fe/HCl， Zn/HOAc，Na/ROH, Zn-Hg/HCl，Na-Hg/EtOH等（2）低價(jià)元素的化合物 Na2S2O4, NaS, FeCl2, SnCl2, TiCl3, TiCl2等（3）金屬氫化物 NaBH4, LiAl

2、H4,（4）催化加氫 Pd, Pt, Ni, /H2. (5) 有機(jī)金屬還原劑: 異丙醇鋁，叔丁醇鋁，甲醛，葡萄糖。（6）非金屬：Me2S， Ph3P 二、催化氫化（加氫反應(yīng)）（一）概念：屬間接還原，通過(guò)催化劑的協(xié)助還原底物（烯烴，炔烴，羰基化合物等）多相催化劑過(guò)渡金屬吸附在催化劑的表面催化劑：Pd, Pt, Ni, Raney Ni，PtO2，Rh等，活性：PdRhPtNiRu 載體: 活性炭, 氧化鋁, 氧化硅溶劑: EtOH, EtOAc, Et2O, hexanes, etc. 底物在金屬表面的吸附能力：炔烴雙烯烴烯烴烷烴 均相催化劑 (R3P)3RhClH-HH Hcatalyst

3、surfaceH HCCHCCCHCHCHC多相催化 :在不溶于反應(yīng)體系中的固體催化劑的作用下，氫氣還原在液相中的底物的反應(yīng)。1機(jī)理催化氫化 Hydrogenation 2. 類型催化氫解 Hydrogenolysis 均相催化 Heterogenous多相催化 Homogenous RCH=CHR RCH2CH2RPd/C, H2氫化 (Hydrogenation)：使碳-碳，碳-氧，碳-氮等重鍵加氫。 ArCH2NR2ArCH3+Pd/C, H2R2NHOCH2PhOOHOPd/C, H2氫解 (Hydrogenolysis) :在催化氫化的條件下，底物分子被化驗(yàn)裂解成兩個(gè)或兩個(gè)以上的小分

4、子的反應(yīng)。使一些單鍵發(fā)生裂解：如鹵代物，芐醇類，芐胺類，酰鹵類的氫解和脫硫、酯的酯解等 . 高壓氫化 100300oC, 300oC 低壓或常壓氫化 14atm,0100oCP, 壓力：即為壓強(qiáng)，kg/cm2, psi-pounds per square inch 1pound=0.453kg, 1inch=2.54cm, 1psi=0.07kg/cm2.1atm=1.0332kg/cm2. 立體化學(xué)：在環(huán)狀烯烴化合物中，主要生產(chǎn)順式產(chǎn)物。因?yàn)椴伙柡突衔锓肿右钥臻g效益較小的一面吸附到催化劑表面，與吸附在催化劑表面的清進(jìn)行順式加成。高 RCOCl RCHO RCH2NO2 RCH2NH2 RC

5、H=CHR（Z，cis） 氫化 RCH=CHR RCH2CH2R RCHO RCH2OH RCOR RCHOHR ArCH2X ArCH3 氫解低 RCO2R RCH2OH + ROH RCONHR RCH2NHRC CHRC NR RCH2NH2R R（二）加氫反應(yīng)活性炔烴的加氫 順式加氫 Lindlar 催化劑：Pd/CaCO3， 喹啉 反式加氫 Na， 液氨 炔烴 + H2 Lindlar Catalyst ( Pd/ BaSO4/ quinoline) 烯烴 部分毒化用于還原反應(yīng)活性高的官能團(tuán)cis olefins (Lindlar Reduction)酰氯+ H2, Pd/BaSO4

6、 醛 (Rosemund Reduction)Org. Rxn. 1948, 4, 362烯，炔同時(shí)存在，還原到停留在烯的一步。(三) 不同催化劑催化氫化反應(yīng)1裝置：（1）常壓或低壓氫化反應(yīng)裝置（2）低壓或高壓加氫反應(yīng)裝置：2催化劑（1）Raney Nickel蘭尼鎳a.加氫催化：可還原烯烴，NO2化合物，CN， C=N-OH, 羰基，芳基，鹵代烴制備：鋁鎳合金（1：1）溶于600mL10%NaOH水溶液中，9095oC0.5h加完，攪拌1h,潷出液體，水洗，乙醇洗，始終有液體覆蓋，酒精中保存，冰箱中保存三個(gè)月。S, P, As, Bi可使之中毒。Raney Ni通常不加載體。 b.脫硫（2）

7、鉑催化劑活性很強(qiáng)可以還原除了酯、羧酸和酰胺外，各種不飽和基團(tuán)均可被還原。如：醛酮、腈、硝基化合物，還原氨化反應(yīng)等。反應(yīng)通?？稍谳^低溫度和較低氫氣壓力下反應(yīng)。 鉑黑、鉑炭、二氧化鉑等。二氧化鉑催化劑的制備: 在一小燒杯中放3.5克鉑氯酸和10毫開水加入純硝酸鈉，用小火蒸發(fā)至干。加大火焰，十分鐘內(nèi)溫度升到350370oC，到十五分鐘，反應(yīng)物熔融產(chǎn)生氣體。溫度升到400oC后，氣體發(fā)生漸慢，在二十分鐘時(shí)，溫度升到500550oC，這時(shí)氣體放出比較溫和。在這溫度維持到三十分鐘。冷卻，用50毫升水處理，放置傾去水液，留下棕色沉淀，再用水洗幾次濾過(guò)，用水洗到無(wú)硝酸根離子在干燥器中干燥，得催化劑1.571.

8、6克。 比較最常用的是二氧化鉑（PtO2），（Adams catalyst）, 在使用時(shí)被還原成鉑。載體鉑催化劑：Pt/C酸能促進(jìn)鉑的催化氫化。缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴。（3）鈀催化劑對(duì)烯烴、炔烴加氫活性高，還原酮、腈、硝基化合物，還原氨化反應(yīng)等，氫解活性也很強(qiáng)。為最常用的催化劑之一，可制成氧化鈀、鈀黑和載體鈀（Pd/C） 鈀碳催化劑(10)的制備在200ml燒杯中加入5.0氯化鈀，65ml水和8.8mL濃鹽酸，加熱助溶。呈棕色溶液，待用。在1000ml三口瓶中放人250g粉狀活性碳(化學(xué)純)和200mL水。加熱煮沸15 min。在攪拌下加入上述棕色氯化鈀溶液。在劇烈攪拌下，維持溫度在9095oC之間，

9、徐徐加入22m1甲醛(40)。加畢，繼續(xù)攪拌15min。然后冷卻到20oC以下，在攪拌下慢慢加入30氫氧化鉀水溶液，使反應(yīng)混合液的pH=56。再攪拌20mL 過(guò)濾，水洗二、三次，轉(zhuǎn)移到燒杯中，用5%硝酸浸泡過(guò)夜，或更長(zhǎng)時(shí)間。過(guò)濾，水洗至中性，取出干燥，密閉保存，待用。鈀硫酸鋇催化劑，Pd，BaSO4(5%鈀/BaSO4)的制備8.2克氯化鈀溶在20毫升濃鹽酸和50毫升水中另溶126.2克氫氧化鋇八水合物于1.2升水中，加熱在80oC快速攪拌一次加入120毫升6N硫酸，井繼續(xù)加入硫酸直到溶液呈酸性在攪拌中加入上面的氯化鈀溶液和8毫升37%甲醛水溶液，并用30氫氧化鈉溶液中和使反應(yīng)物對(duì)石蕊紙呈堿性

10、繼續(xù)攪拌五分鐘，放置使催化劑下沉傾去上層清液，加入水到原有體積，再快速攪拌，放置，傾瀉如是重復(fù)八到十次最后用直徑90毫米中等細(xì)度的砂芯漏斗過(guò)濾，并用250毫升水分五次洗滌最后一次盡量吸千在烘箱中烘干，重9398克，磨細(xì)，在緊塞玻瓶中保存。 NNCOOEtCOOEtPd/C, H2(4atm)EtOHNNCOOEtCOOEt小結(jié)： 烯、炔：常壓或低壓，H2，Ni，Pd，Pt醛、酮H2，Ni、加熱，加壓酸、酯 高溫，高壓，Ni，Pd，Pt 200oC酰胺，腈NiRh, 500-100oC, 高壓酰鹵Pd/BaSO4NO2 常壓，Pd，Ni，PtNOH, NH室溫14atmAr10-20Mpa,10

11、0-200oC三、直接還原（一）堿金屬的還原作用：堿金屬：外層電子具有“親核試劑”的性質(zhì)，對(duì)缺電子的部位進(jìn)行親核加成。 1Na，醇（1）將酯還原為相應(yīng)的醇RCOORNa/ROHRCH2OH+ROH(CH2)8CO2EtCO2EtNa, EtOH(CH2)8CH2OHCH2OH（2）將肟還原成相應(yīng)的胺ONH2OHNOHNa, EtOHNH2（3）萘的還原Na, 戊醇Na, 乙醇（4）雜環(huán)NNHNa,EtOH2Na/非質(zhì)子溶劑制環(huán)狀a-羥基酮(CH2)8CO2EtCO2EtNa, C6H6OONa+Na+OOHCH3OHCO2CH3CO2CH3NaxyleneOOH3Mg， MgHg，MgZnO+

12、Mg(Hg)benzeneMgOOH2OOHOHOMg(Hg)OHOHOMg(Hg)HOOH4Birch還原 Li， Na， K， NH3（l）（1）還原芳環(huán) COOHCOOHOMeLi, NH3(l)OMeH3O+O（2）炔烴得到反式烯烴RCCHNaNH3RCHCH2（二）其它金屬1Fe, HCl(30%)NO2Fe, HClNH22. Sn, HClNO2Sn, HClNH2COOHCOOH3.Zn-Hg, 濃鹽酸， Clemmensen 還原Organic Reactions 1975, 22, 401Comprehensive Organic Synthesis 1991, vol 8

13、, 307.還原酮到飽和烷烴4. Wolff-Kishner Reduction Organic Reactions 1948, 4, 378Comprehensive Organic Synthesis 1991, vol. 8, 327.還原酮到飽和烷烴（三）金屬氫化物的還原Aluminium Hydrides1. LiAlH42. AlH33. Li (tBuO)3AlH4. (iBu)2AlH DIBAL-H5. Na (MeOCH2CH2O)2AlH2 REDAL1LiAlH4Lithium Aluminium Hydride- LiAlH4 (LAH) Chem. Rev. 198

14、6, 86, 763 Org. Rxn. 1951, 6, 469.很強(qiáng)的還原劑懸浮在ether or THF中可還原羰基，羧基，酰氯，酸酐和酯基到醇。還原硝基，酰胺,肟，亞胺，重氮化合物和芳香族硝基化合物到胺對(duì)環(huán)氧化合物開環(huán)還原 C-X 鍵到 C-H還原炔基醇到 反式烯丙醇還原活性從高到低：CO COOR CN CONR2 C-NO2 CHBr CH2OSO2Ar 4LiH+ AlCl3Et2O3LiCl3+ LiAlH4制備： 遇水分解：（1）用1M氫化鋁鋰溶液進(jìn)行還原時(shí)很方便（2）用較少量溶劑和粉狀鋁氫化鋰混合成稀糊狀直接應(yīng)用此時(shí)要注意氫化鋁鋰用量，至少要過(guò)量10，以保證有足夠的純LiA

15、lH4進(jìn)行反應(yīng)在特殊的情況下有時(shí)甚至過(guò)量24倍，才能使反應(yīng)進(jìn)行完全。反應(yīng)完畢后，首先要破壞掉過(guò)量的鋁氫化鋰可以加入含水乙醚，乙醇一乙醚，乙醇，或直接加水(小心!)但由于這些方法都產(chǎn)生大量氫氣，必需注意安全!如果要避免氫氣的發(fā)生，可用醋酸乙酯來(lái)分解過(guò)量的氫化鋁鋰 反應(yīng)機(jī)理：立體化學(xué)：受甲基的位阻影響，使H的進(jìn)攻比較容易從內(nèi)側(cè)進(jìn)行： 氫化鋰鋁還原羰基的重要特征之一是非對(duì)映選擇性。當(dāng)與羰基直接相連的取代基是手性基團(tuán)，通常用氫化鋰鋁還原羰基時(shí)負(fù)氫離子加到立體位阻較小的一面。 Cram規(guī)則： 還原醛還原酮還原醌類化合物 還原縮酮還原羧酸及其衍生物：還原酸：比酯難，多消耗0.75mol的氫化鋁鋰，酯消耗0

16、.5mol的氫化鋁鋰. 還原酸酐： 還原酸酐：還原酯：還原內(nèi)酯： 還原酰氯:還原酰胺： 還原內(nèi)酰胺： 還原腈：還原環(huán)氧化合物：負(fù)氫離子進(jìn)攻位阻小的一邊。 還原硝基化合物： 還原肟：還原亞胺： 還原鹵代烷：2. Li (tBuO)3AlHLithium Tri(t-Butoxy)aluminium Hydride Li+ (tBuO)3AlH位阻較大，可選擇性還原位阻小的一邊。 OOH+OHHHABLiAlH4/(C2H5)2OA/B=1LiAl(t-OBu)3H/THFA/B13. (iBu)2AlHDiisobutyl Aluminium Hydride DIBAL 或 DIBAL-HOHO

17、OHOHDIBAL還原酮和醛到醇 還原酯到醇，醛還原內(nèi)酯到半縮醛。OO1mol DIBALEt2O, -78oCCNOOCHOOOCHN AlH3O+還原腈到醛：DIBALOHO98 只進(jìn)行1，2還原反應(yīng)：DIBALNOHNH還原肟：4Sodium Bis(2-Methoxyethoxy)Aluminium Hydride REDALOrganic Reactions 1988, 36, 249 Organic Reactions 1985, 36, 1.雙（甲氧乙氧基）鋁氫化物（紅鋁），還原能力和氫化鋁鋰接近。熱穩(wěn)定性好，對(duì)干燥空氣穩(wěn)定。II 硼氫化物 Boron Hydrides Revi

18、ew: Chem. Rev. 1986, 86 , 763.LiBH4 還原酮、醛、酯和環(huán)氧化物。Na(AcO)3BH 還原酮和醛活性較低。Na(CN)BH3 還原亞胺鹽、酮和醛1NaBH4 Sodium Borohydride還原醛和酮到醇，還原酰氯到醇，不還原酸，酯，內(nèi)酯，環(huán)氧化合物或硝基化合物。不還原孤立的烯基，炔基，硝基，腈基，鹵代物。 O2N(CH2)3COCH3NaBH4LiAlH4O2N(CH2)3CHOHCH3H2N(CH2)3CHOHCH3NaBH4 / CeCl3 Luche Reduction還原a,b-不保和酮的1，2位為烯丙醇。還可以通過(guò)加入其它的過(guò)渡金屬鹽使其還原性增加。TiCl4, NiCl2, CoCl2.2Sodium CyanoborohydrideNa (CN)BH3還原胺化 與對(duì)甲苯磺酰腙反應(yīng)得到飽和烴。3. Na + (AcO)3BH , Me4N + (AcO)3BH還原胺化