第23章還原和氧化

高等有機(jī)化學(xué)劉幸海浙江工業(yè)大學(xué)Tel669563),存中樓610Email:xhliu@第二章還原反應(yīng)(reduction)常見的還原劑羰基的還原羧酸及其衍生物的還原不飽和烴的還原含氮化合物的還原催化氫化催化氫化負(fù)氫轉(zhuǎn)移還原電子轉(zhuǎn)移還原聯(lián)氨還原還原反應(yīng)CompanyLogo負(fù)氫轉(zhuǎn)移還原

(HydrogenAnionTransferReduction)

LiAlH4、LiBH4、NaBH4、KBH4、Al(i-PrO)3、BH3常還原碳-雜雙鍵和碳-雜三鍵，一般不還原碳碳雙鍵（特殊條件下例外）還原能力：LiAlH4>LiBH4>KBH4/NaBH4電子轉(zhuǎn)移還原

ElectronTransferReduction

溶解金屬：Na+ROH、Zn+ROH/HA、Fe+HCl/CH3COOH、Sn+HCl

還原羰基、酯基和硝基等合金：Na-Hg、Al-Hg、Zn-Hg

還原羰基和雙鍵Birch還原：堿金屬＋液氨

還原芳環(huán)等共軛體系常見的還原劑羰基的還原羧酸及其衍生物的還原不飽和烴的還原含氮化合物的還原催化氫化羰基的還原

Reductionofcarbonyl成烴(alkane)成胺(amine)成醇(alcohol)

金屬?gòu)?fù)氫化物還原：LiAlH4、NaBH4

Meerwein-Ponndorf-Verley反應(yīng)：

異丙醇鋁作為還原劑電子轉(zhuǎn)移還原：Na＋EtOH金屬?gòu)?fù)氫化物還原羰基成醇LiAlH4：還原能力強(qiáng)、選擇性差

無水條件現(xiàn)主要用于羧酸及衍生物的還原K/NaBH4:可溶于水和醇不影響NO2、CN、C=C等

飽和醛酮的活性大于α,β-不飽和醛酮，可進(jìn)行選擇性還原異丙醇鋁還原羰基成醇異丙醇鋁還原羰基選擇性高，不影響硝基、腈基以及碳碳重鍵電子轉(zhuǎn)移還原：負(fù)離子自由基機(jī)理酮的雙分子還原

Clemmensen反應(yīng)：Zn-Hg/H+黃鳴龍反應(yīng)：NH2-NH2/OH-Clemmensen反應(yīng)幾乎可應(yīng)用于所有芳香脂肪酮的還原，反應(yīng)易進(jìn)行，且產(chǎn)率很高。Zn-Hg5%HClreflux不影響羧酸、酯、酰胺等羰基黃鳴龍反應(yīng)醛或酮,85%H2NNH2,KOH溶劑：DEG(二聚乙二醇)orTEG(三聚乙二醇)溫度：reflux，180~200℃壓力：常壓時(shí)間：2~4h收率：60~95%

CompanyLogoLeuckart胺烷基化反應(yīng)：在甲酸及其衍生物存在下，羰基與取代胺進(jìn)行還原胺化常見的還原劑羰基的還原羧酸及其衍生物的還原不飽和烴的還原含氮化合物的還原催化氫化羧酸及其衍生物的還原酰氯>酯、酸酐、酰胺、腈>羧酸本反應(yīng)是將羧酸酯用金屬鈉和無水醇直接還原生成相應(yīng)的伯醇，主要用于高級(jí)脂肪羧酯的還原。由于催化氫化和氫化鋁鋰的廣泛應(yīng)用，此法在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)很少采用，但是因?yàn)槠浜?jiǎn)便易行，在工業(yè)上仍然廣泛應(yīng)用。金屬鈉和醇為還原劑(Bouveault-BlancReaction):溶解金屬還原酯成醇酯的雙分子還原利用LAH還原羧酸酯到伯醇是一個(gè)快速，后處理較為簡(jiǎn)便的方法，一般情況下，酯基可在零下30℃下反應(yīng)30分鐘即可被還原。因此即使分子內(nèi)有酰胺或其他一些敏感的官能基存在也沒什么關(guān)系。降低氫化鋁鋰還原能力可以提高還原反應(yīng)的選擇性。常用的的方法是加入不同比例的無水三氯化鋁或者加入計(jì)算量的醇，取代氫化鋁鋰中1-3個(gè)氫原子而成鋁烷、或烷氧基氫化鋁鋰。如用烷氧基氫化鋁鋰還原α,β-不飽和酯到α,β-不飽和醇，若單用氫化鋁鋰還原，則得到飽和醇。金屬氫化物為還原劑:Rosenmund反應(yīng)H2/Cat.Or金屬氫化物金屬氫化物：Bu3SnHandLiAlH(OtBu)3是較好的還原劑，對(duì)芳酰鹵和雜環(huán)酰鹵還原收率較高不影響分子中的硝基、腈基和雙鍵適用于制備一元脂肪醛和一元芳香醛。二元羧酸的酰鹵通常不能得到較好產(chǎn)率的二醛。LiAlH4AlCl3EtOHLiClAlH3LiAlH3(OEt)orLiAlH2(OEt)2++降低還原能力，增加選擇性利用硼氫化鈉（鉀）還原羧酸酯到伯醇操作較為安全，簡(jiǎn)單的方法，由于硼氫化鈉的還原性不夠強(qiáng)，因此這類反應(yīng)一般需要回流過夜。反應(yīng)初始階段不要去加熱，而是在室溫下攪拌數(shù)小時(shí)后在，再加熱緩緩回流，否則反應(yīng)極容易噴出來。硼氫化鈉在甲醇中分解較快，這個(gè)反應(yīng)盡量不要用甲醇做溶劑。硼氫化物(鋰、鈉、鉀、鋅)為還原劑:

硼氫化鈉通常不能用來直接還原羧酸，但是Lewis酸的存在可大大提高其還原能力，從而用于羧酸的還原。由于LAH和硼烷的價(jià)格相對(duì)要貴，因此工業(yè)上大量生產(chǎn)時(shí)，一般都應(yīng)用該方法，比較常用的體系為：NaBH4-BF3,NaBH4-ZnCl2.Lewis酸存在下硼氫化鈉還原羧酸為醇:

NaBH4對(duì)酯的還原效果較差，但是在Lewis酸的存在下，則可順利還原酯，甚至還可還原某些酸CompanyLogo

另外有時(shí)對(duì)于比較復(fù)雜的分子，常常將酸做成活性酯后再用NaBH4直接還原，常用的方法為與氯甲酸乙酯或氯甲酸乙酯反應(yīng)生成活潑的混酐，或與CDI得到活潑?；[唑。最近有報(bào)道用三氟均三嗪生成酰氟后用NaBH4還原得到醇。硼氫化鈉還原活性酯或酰氟為醇：

氫化鋁鋰還原羧酸，反應(yīng)可在十分溫和的條件下進(jìn)行，一般不會(huì)停止在醛的階段。即使位阻較大的酸，也有較好的收率，所以得到廣泛的應(yīng)用。氫化鋁鋰為還原劑:LiAlH3(OEt)orLiAlH(OEt)3還原酰胺成醛酰胺很難用其他方法還原成醛，因而該法更具有合成價(jià)值。

orLiAlH(OEt)3LiAlH2(OEt)2LiAlH41.LiAlH42.NaBH4/AlCl33.BH3LiAlH4NaBH4+AlCl3硼烷為親電性還原劑，首先是由缺電子的硼原子和羰基氧原子上未共用電子相結(jié)合，然后硼原子的氫，以負(fù)氫離子形式轉(zhuǎn)移到羰基碳原子上而使之還原成醇。硼烷為還原劑：在羧酸的還原過程中，可能是先生成三酰氧基硼烷，然后酰氧基中氧原子上未共用的電子與缺電子的硼原子之間可能發(fā)生相互作用。生成中間體而使酰氧基硼烷中的羰基較為活波，進(jìn)一步按羰基還原的方式得到相應(yīng)的伯醇。硼烷還原羧基的速度比還原其他基團(tuán)快，因此，當(dāng)羧酸衍生物分子中有氰基、酯基時(shí)，若控制硼烷的用量并在低溫反應(yīng)，可選擇性地還原羧基為相應(yīng)的醇，而不影響其他取代基。硼烷還原羧酸的速度，脂肪酸大于芳香酸，位阻小的羧酸大于位阻大的羧酸，但羧酸鹽則不能還原。對(duì)脂肪酸酯的還原速度一般較羧酸慢，對(duì)芳香酸酯幾乎不發(fā)生反應(yīng)，這是由于芳環(huán)和羰基的共軛效應(yīng)，降低了羰基氧上的電子云密度，使硼烷的親電進(jìn)攻難于進(jìn)行。硼烷為還原劑：羧酸及衍生物被BH3還原速度順序如下：常見的還原劑羰基的還原羧酸及其衍生物的還原不飽和烴的還原含氮化合物的還原催化氫化硼氫化反應(yīng)最重要的用途是硼氫化－氧化反應(yīng)制備醇反馬氏規(guī)則加成Birch還原芳香族化合物在液氨中用鈉（或鋰或鉀）還原，生成非共軛二烯給電子基，生成1,4-環(huán)己二烯吸電子基，生成2,5-環(huán)己二烯常見的還原劑羰基的還原羧酸及其衍生物的還原不飽和烴的還原含氮化合物的還原催化氫化含氮化合物的還原硝基化合物的還原亞硝基和偶氮化合物的還原重氮化合物的還原硝基化合物的還原金屬還原：Fe＋HCl,Sn+HCl

硫化物還原：Na2S,Na2SO3,Na2S2O4金屬還原：電子轉(zhuǎn)移機(jī)理1）吸電子取代基使N上部分正電荷增加，接受電子能力因而增強(qiáng)，利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。反之，供電子取代基，不利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。

2）電解質(zhì)可提高溶液的導(dǎo)電能力，加速鐵的腐蝕過程。(稀酸、亞鐵鹽、氯化胺）國(guó)內(nèi)和國(guó)外都曾長(zhǎng)期采用鐵屑法還原。經(jīng)濟(jì)，操作簡(jiǎn)單。但由于產(chǎn)生大量含芳胺的水和含芳胺的鐵泥，不利于環(huán)境保護(hù)。逐漸被加氫還原取代。但噸位較小的芳胺，還經(jīng)常采用。另外在用加氫還原不理想的場(chǎng)合，如：含鹵硝基化合物加氫時(shí)，有脫氯副反應(yīng)。而用鐵屑/醋酸還原，則無脫氯副反應(yīng)。不能使用加氫還原硫化物還原常用Na2S,NaHS和Na2S2

主要用于多硝基物的選擇性還原，不影響分子中的偶氮鍵，醚鍵，硫醚鍵等。反應(yīng)比較緩和。產(chǎn)物分離較方便。缺點(diǎn)是收率一般稍低，廢水處理比較麻煩。逐漸被加氫法所取代。

硫化物用量為理論用量的5~10%溫度：40~80℃硫化物用量為理論用量的10~20%溫度：60~110℃部分還原完全還原CompanyLogo亞硝基和偶氮化合物的還原本法提供了一個(gè)間接的定位引入氨基至活潑性芳環(huán)上的方法，得到不混入位置異構(gòu)體的純粹芳胺。與硝基還原劑相同：金屬還原、硫化物硼烷可在溫和條件下還原偶氮化物而不影響硝基。金屬氫化物通常不能還原偶氮化合物

得到純的對(duì)位氨基化產(chǎn)物還原劑：乙醇、NaH2PO2還原劑：NaHSO3、Sn/HCl重氮化合物的還原應(yīng)用常見的還原劑羰基的還原羧酸及其衍生物的還原不飽和烴的還原含氮化合物的還原催化氫化

非均相催化氣-液-固三相（液相加氫），或氣-固兩相（氣相加氫）催化劑：過渡金屬或其鹽類，或金屬氫化物

均相催化劑氣-液兩相催化劑：過渡金屬和配位體生成的絡(luò)合物，催化劑可溶于反應(yīng)物中。三個(gè)基本過程：⑴反應(yīng)物在催化劑表面的擴(kuò)散，物理和化學(xué)吸附⑵吸附絡(luò)合物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)⑶產(chǎn)物的解析和擴(kuò)散，離開催化劑表面反應(yīng)歷程有機(jī)化合物加氫活性次序：烯烴>炔烴>芳烴醛>酮>腈>酸RaneyNi催化活性較弱，需要較高的氫化壓力和溫度，價(jià)格便宜應(yīng)用十分廣泛：硝基，羰基，雙鍵等隔絕空氣保存：乙醇或其他惰性有機(jī)溶劑液面下Pt/C活性高：在常溫常壓下即可進(jìn)行加氫易中毒：S、P、As、I、酚類和有機(jī)金屬化合物Pd/C催化作用比較溫和常用5%、10%的鈀炭催化劑載體的影響:Lindlar催化劑Pd/CaCO3氣-固-液非均相催化氫化的主要影響因素溫度和壓力：溫度：溫度增加，速率增加，但有合適的溫度。（溫度增加，催化劑活性增加，會(huì)增加副反應(yīng)）壓力：壓力增加，速率增加。壓力和催化劑有密切關(guān)系。因：氣相H2濃度增加液相H2在液相中的溶解度增加2.溶劑：使催化劑分散，利于氣、液、固三相接觸。影響反應(yīng)速率：溶劑極性越大，速率越快活性高的催化劑易自燃，須防止著火。新制備的Pt/C、Pd/C、RaneyNi等催化劑，其中溶有大量的氫，與空氣相遇時(shí)不但會(huì)著火，甚至還會(huì)爆炸在加料操作時(shí)，一定要先用N2，趕盡空氣，然后加料，再通H2

催化加氫注意事項(xiàng)CompanyLogo催化氫解脫鹵氫解脫芐氫解WilliamS.Knowles

RyojiNoyori

K.BarrySharpless

1/4oftheprize

1/4oftheprize1/2oftheprize"fortheirworkonchirallycatalysedhydrogenationreactions"

"forhisworkonchirallycatalysedoxidationreactions"

TheNobelPrizeinChemistry2001不對(duì)稱催化氫化含氧化合物的還原含氮化合物的還原不飽和烴的還原還原反應(yīng)小結(jié)1)LiAlH42)NaBH43)Al(OiPr)34)Na/EtOH1)LiAlH4(0.5mol)2)NaBH4/AlCl33)Na/EtOHLiAlH(OtBu)3OrBu3SnH1)Zn-Hg,HCl2)NH2NH2,KOHR’NH2,HCOOHLiAlH2(OEt)2orLiAlH(OEt)31)LiAlH4(0.25mol)2)LiAlH4/AlCl33)LiAlH3(OEt)orLiAlH2(OEt)2Na,非質(zhì)子溶劑LiAlH4Na,非質(zhì)子溶劑LiAlH4

2)NaBH4/AlCl33)BH31)Fe/HCl,Sn/HCl2)Na2S等1)Fe/HCl,Sn/HCl2)Na2S等3)BH3EtOHorNaH2PO2Na2SO3orSn/HCl1)BH3,2)H+1)BH3,2)H2O2Na,液氨第三章氧化反應(yīng)高等有機(jī)化學(xué)化學(xué)試劑氧化催化氧化電解氧化生物氧化氧化反應(yīng)目錄123常用的化學(xué)氧化試劑催化氧化烯烴的氧化45芳烴和烷烴的氧化醇的氧化常用化學(xué)氧化劑錳化合物鉻化合物過氧化物二甲亞砜四乙酸鉛和高碘酸二氧化硒1）錳化合物高錳酸鉀:氧化芳烴側(cè)鏈、烯烴和醇通常配成水溶液使用pH不同，氧化強(qiáng)度不同二氧化錳反應(yīng)選擇性好，收率高，但反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)

活性二氧化錳

二氧化錳的硫酸混合物

氧化活潑羥基或芳環(huán)上甲基成醛

KMnO4氧化芳烴側(cè)鏈KMnO4氧化多環(huán)芳烴KMnO4氧化烯烴KMnO4氧化醇和醛2）六價(jià)鉻化合物K2Cr2O7、Na2Cr2O7：將各種甲基氧化為酸

CrO3:氧化活潑羥基或芳環(huán)上甲基成醛CrO3+H2SO4CrO3+Ac2OCrO3+pyridine酸性中性酸性中性3）過氧化物酸性和氧化性最強(qiáng)穩(wěn)定，室溫可儲(chǔ)藏穩(wěn)定，環(huán)氧化最好烯烴的環(huán)氧化順式加成酮氧化成酯：Baeyer-Villiger反應(yīng)達(dá)金反應(yīng)（Dakin反應(yīng)）是酚醛或酚酮與過氧化氫在氫氧化鈉作用下反應(yīng)生成二酚與羧酸的反應(yīng)。由亨利·達(dá)金于1909年首先發(fā)現(xiàn)。

反應(yīng)與BV氧化重排反應(yīng)類似，但過氧試劑不是過氧酸，而是過氧化氫。它的一個(gè)可能的機(jī)理如下。對(duì)醛進(jìn)行加成，然后苯基遷移，重排，甲酸酯水解，酸化生成二酚。Dakin反應(yīng)目錄123常用的化學(xué)氧化試劑催化氧化烯烴的氧化45芳烴和烷烴的氧化醇的氧化Pivotalexamplesofthepotentialofselectivecatalyzedoxidationsβ-哌烯枸櫞酸月桂烯catalystoxidantDrawback:saltformationuseofbromide(10mol%)asacocatalystdichloromethaneassolvent.NaOClastheoxidantImprovement-1甲基叔丁基醚Themethodiseffective(>99%selectivity)withabroadrangeofprimaryandsecondaryaliphatic,allylicandbenzylicalcohols.preventingoveroxidationImprovement-2O2astheoxidantAseriousshortcomingofTS-1,inthecontextoffinechemicalsmanufacture,istherestrictiontosubstratesthatcanbeaccommodatedintherelativelysmall(5.1×5.5?)poresofthismolecularsieve,e.g.cyclohexeneisnotepoxidised.H2O2astheoxidantBaeyer-VilligeroxidationOrganicsolvent-andhalide-freeoxidationThebestoxidationisnooxidation目錄123常用的化學(xué)氧化試劑催化氧化烯烴的氧化45芳烴和烷烴的氧化醇的氧化烯烴的氧化環(huán)氧化富電子的烯烴優(yōu)先反應(yīng)氧化成連二醇o(jì)rOsO4氧化裂解氧化成醛或酮Wacker反應(yīng)PdCl2-CuCl2的鹽酸水溶液中通入乙烯可以得到乙醛，稱為Wacker（沃克爾，公司名）反應(yīng)。

反應(yīng)中雙鍵首先與Pd中心結(jié)合，隨后水進(jìn)攻得到乙醛和金屬鈀；金屬鈀被CuCl2－氧氣氧化實(shí)現(xiàn)催化循環(huán)。

Wacker反應(yīng)的改進(jìn)：

在含有相轉(zhuǎn)移催化劑的苯－水體系中加入氯化鈀、氯化銅并通入氧氣，可以將末端烯烴氧化得到甲基酮化合物，該方法具有通用性.CatalyticepoxidationwithH2O2:stateoftheartTungstenCatalysts（鎢催化）ManganeseCatalysts（錳催化）VicinalDihydroxylation（鄰位羥基化）SeO2二氧化硒是高選擇性的氧化劑，稱為Riley氧化特點(diǎn)：

反應(yīng)在活潑氫位置反應(yīng) 反應(yīng)時(shí)SeO2可借助氧氣重復(fù)使用反應(yīng)經(jīng)過β－酮基硒酸中間體完成目錄123常用的化學(xué)氧化試劑催化氧化烯烴的氧化45芳烴和烷烴的氧化醇的氧化芳烴和烷烴的氧化無水乙酸中反應(yīng)，使醇酯化，從而阻止進(jìn)一步氧化CAN:(NH4)2Ce(NO3)6鉻酰氯：Etard試劑CrO3/Ac2O

芳環(huán)上有吸電子基也能反應(yīng)OxidationofAromaticSideChainsToleranceoffunctionalgroupsinCo/Mn/Brcatalyzedaerobicoxidationofsubstitutedtoluenes.OxidationofAlkanes目錄123常用的化學(xué)氧化試劑催化氧化烯烴的氧化45芳烴和烷烴的氧化醇的氧化醇的氧化鉻化合物氧化(CrO3)錳化合物氧化(MnO2)DMSO氧化高碘（V）試劑氧化TEMPO氧化Ru化合物氧化(RuO4,TPAP)影響鉻酸氧化的因素及缺陷：醇的結(jié)構(gòu)影響鉻酸氧化醇的反應(yīng)能力：羥基位阻大，影響鉻酸酯的生成，反應(yīng)慢氫位阻大，影響消除的發(fā)生，反應(yīng)慢使用鉻酸-硫酸溶液的缺陷：介質(zhì)酸性強(qiáng)；氧化能力強(qiáng)，選擇性差；伯醇氧化成醛后容易進(jìn)一步氧化為酸針對(duì)鉻酸缺陷的解決方案：

換用溶劑體系：

Jones（瓊斯）試劑（鉻酐-硫酸-丙酮），使用時(shí)將醇的丙酮溶液滴入配好的鉻酐－硫酸中

PCC（吡啶-氯鉻酸鹽，Corey氧化法），鉻酐的鹽酸溶液中加吡啶得到的結(jié)晶。該試劑仍具有一定酸性，使用范圍小

Sarett（薩雷特）試劑（鉻酐-雙吡啶配合物），將鉻酐加入吡啶中，是最常使用的鉻酸氧化劑

PDC（吡啶-雙鉻酸鹽），將吡啶加入中性的鉻酐水溶液得到的吡啶雙鉻酸鹽（Sarett試劑區(qū)別？），中性試劑，可替代PCC。

改善氧化條件：

在醛剛生成時(shí)利用蒸餾等手段加以分離，使其脫離氧化劑的接觸，從而避免進(jìn)一步氧化Sarett（薩雷特）試劑：

特別適用于分子中含有對(duì)酸敏感的基團(tuán)（如縮醛）或易氧化基團(tuán)（如碳碳雙鍵）的醇類

制備時(shí)注意不能將吡啶加到三氧化鉻固體上，防止起火，保存時(shí)防止吸濕鉻化合物氧化Jones試劑:(CrO3-H2SO4-丙酮）Collins試劑:CrO3·2C5H5N-CH2Cl2Corey試劑Jones試劑:(CrO3-H2SO4-丙酮）氧化仲醇室溫下進(jìn)行，根據(jù)反應(yīng)液顏色判斷反應(yīng)終點(diǎn)（Cr6+橙色→Cr3+綠色）不飽和鍵及其構(gòu)型以及其他對(duì)氧化劑敏感的基團(tuán)不受影響Collins試劑:CrO3·2C5H5N-CH2Cl2易吸潮，不穩(wěn)定，也不易保存，需在無水條件下使用氧化伯醇Corey試劑酸性條件下反應(yīng)中性條件下反應(yīng)，氧化能力更強(qiáng)MnO2對(duì)α,β-不飽和醇進(jìn)行選擇性氧化二甲基亞砜（DMSO）二甲基亞砜是良好的溶劑，某些情況下也可以作為氧化劑：

Pfitzner-Moffatt（普菲茨納-莫法特）反應(yīng)：伯醇