氧化反应ppt课件.ppt

第四章氧化反应 OxidationReaction 1 本章要点计划学时 4 1 引言2 氧化剂概述3 催化氧化4 高价金属化合物为氧化剂的氧化反应5 高价非金属化合物为氧化剂的反应6 无机富氧化合物为氧化剂的氧化反应7 有机富氧化合物为氧化剂的氧化反应8 其他氧化剂的氧化反应 2 引言 狭义 加氧去氢 广义 失去电子或电子转移 使C上电子云降低 1 氧化的定义 3 广义的氧化反应 氧化数升高的反应 狭义的氧化反应 得到氧或失去氢的反应 得氧 失氢 4 2 氧化反应的特点 1 氧化剂种类多 同样的氧化剂能完成不同底物的氧化 同样的底物可被不同的氧化剂所氧化 氧化产物强烈地依赖于反应条件 2 氧化反应为强放热反应 反应过程中应及时移走反应热 使反应平稳进行 3 氧化反应在热力学上均可看做不可逆反应 尤其是完全氧化反应 4 氧化反应过程中 伴随副反应很多 5 3 氧化反应在药物合成中的应用 局麻药普鲁卡因Procaine中间体 维生素类药烟酸NicotinicAcid 6 第一节氧化剂概述 1 氧化反应的类型 空气氧化法化学氧化法 使用化学氧化剂 液相 电化学氧化法 在电极上发生电子转移 绿色工艺 7 2 氧化剂的类型 1 金属元素的高价化合物 例如 KMnO4 MnO2 CrO3 K2Cr2O7 PbO2 Tl NO3 3 Ce NO3 4等 2 非金属元素的高价化合物 例如 HNO3 N2O4 SO3 NaCIO NaClO3 NaIO4 DMSO等 3 无机富氧化合物 例如 臭氧 双氧水 过氧化钠 过碳酸钠与过硼酸钠等 4 有机富氧化合物 例如 有机过氧化合物 如 过氧乙酸 叔丁基过氧化氢等 5 非金属元素单质 例如 卤素 Cl2 Br2 等 8 3 氧化剂和氧化方法的选择依据 选择性好收率高 产品质量好成本低 工艺简单 9 第二节催化氧化 1 液相催化氧化 空气 O2 价廉易得 应用广泛 反应历程生产实例液相催化氧化的特点 10 1 反应历程 链引发 11 链增长 无 H 稳定 可分离出来 12 当有机过氧化物有 H时 或在金属催化剂存在下 不稳定 容易分解形成醇 酚 醛 酮 酸等 醛 酮 13 链的终止 抑制剂氧化深度反应器壁 影响因素 14 2 生产实例 甲苯氧化制苯甲酸 催化剂 Co Ac 2用量 0 01 0 015 反应温度 150oC 170oC压力 1MPa 15 优点 1 选择性好 2 反应温度低100 200 防止热分解 3 催化剂和氧化剂便宜 4 按要求控制反应深度 缺点 1 氧化能力有限 收率低 2 反应物分离及后处理困难 3 液相催化氧化的特点 16 其它 氧化深度控制适宜的单程转化率 即氧化深度 未反应的原料经分离后可循环使用如异丙苯空气氧化的单程转化率为20 25 原料中不应有自由基捕获剂 如酚 胺 醌 烯烃等 17 3 气相催化氧化 1 反应历程 2 应用事例 3 气相法和液相法比较 18 1 反应历程 19 2 应用事例 芳烃气相氧化反应 烯烃气相环氧化 烃类氨氧化 20 芳烃气相氧化反应 由萘制备邻苯二甲酸酐或顺丁烯二酸酐 所用的催化剂是钒的氧化物 萘或邻苯二甲酸酐可以进一步氧化为顺丁烯二酸酐 21 烯烃气相环氧化 烯烃气相环氧化 主要是环氧乙烷的制备 在银催化剂上 乙烯用空气或氧气氧化 22 烃类氨氧化 烃类与氧和氨反应 生成腈 是制备腈的重要方法 23 3 气相法和液相法比较 反应温度气相法的温度300 500 液相法温度100 200 反应压力液相法的压力低 气相法的压力高 一般几十个压力 催化剂液相法的催化剂一般用过氧化物 或乙酸钴 气相法的催化剂一般用钒 银等 24 3 气相法和液相法比较 溶剂液相法一般需要溶剂 气相法一般不需要溶剂 反应器液相法可采用塔式 板式塔 和釜式反应器 气相法一般列管式或流化床反应器 25 一 四氧化锇 OsO4 为氧化剂 应用四氧化锇的氧化反应称为Criegee氧化反应 用于烯烃氧化制备顺式1 2 二醇 其选择性高于KMnO4氧化法 也用于甾醇结构测定 其氧化机理是四氧化锇与烯键顺式加成生成环状锇酸酯 而后水解成顺式二醇 第三节高价金属化合物为氧化剂的氧化反应 26 一 四氧化锇 OsO4 为氧化剂 不同对映休的手性配体如O 4 氯苯甲酰 氢奎并啶 DHQD CLB 作为配体与OsO4形成的络合物能高对映选择性催化地氧化烯 获得光学纯度的对映异构体 在合成不对称 2S 普萘洛尔 Propanol 的过程中 就使用类似的策略 27 二 氧化银 Ag2O 和碳酸银 Ag2CO3 为氧化剂 氧化银可使醛基氧化成羧基 酚羟基氧化成醌 分子中的双键及对强氧化剂敏感的基团不受影响 在工业上 采用负载氧化银的氧化铜为催化剂 以空气为氧化剂实施反应 工业上用此法将糠醛氧化为糠酸 28 二 氧化银 Ag2O 和碳酸银 Ag2CO3 为氧化剂 碳酸银可直接用作催化剂 也可将其沉积在硅藻土上使用 碳酸银是氧化伯醇 仲醇的较理想的氧化剂 氧化反应有一定的选择性 位阻大的羟基不容易被氧化 优先氧化仲醇 烯丙位羟基比仲醇更容易被氧化 1 4 二醇 1 5 二醇 1 6 二醇等二元伯醇 可氧化生成环内酯 29 三 四价铅 PbO2 Pb OAc 4 为氧化剂 邻二醇被四乙酸铅氧化 邻二醇的碳碳键断裂生成两个羰基化合物 环状邻二醇则生成二羰基化合物 氧化机理是形成五元环状中间体 后者分解为羰基化合物 例如 30 三 四价铅 PbO2 Pb OAc 4 为氧化剂 四乙酸铅可与烯烃反应 反应中四乙酸铅脱掉两个乙酰氧基 两个乙酰氧基加到烯键的两个碳原子上生成双乙酸酯 31 四 高价钌为氧化剂 具有对酸或碱不稳定的羟基内酯结构的醇 以及张力大的环丁醇类化合物 RuO4能高收率的将它们氧化成相应的酮 32 四 高价钌为氧化剂 R RuO4 类型的盐 R Pr4N Bu4N PPh4 N PPh3 2 可以催化计量与氧化剂合用 在更温和的反应条件下实现对醇的氧化 制得醛 酮等产物 并且有出色的选择性 TPAP N C3H7 4RuO4 四正丙基过钌酸铵 是这些催化剂中的典型代表 33 五 锰化合物为氧化剂 锰化合物主要包括高锰酸钾和二氧化锰 高锰酸钠易潮解 高锰酸钙可发生剧烈氧化反应而很少使用 一 高锰酸钾氧化 1 属于通用型氧化剂 氧化能力强 2 反应介质为酸性 中性或碱性介质 3 应用 34 一 高锰酸钾氧化 烯键的裂解 芳环或杂环侧链的氧化制羧酸 35 二 二氧化锰 MnO2 为氧化剂 活性二氧化锰 36 二 二氧化锰 MnO2 为氧化剂 二氧化锰和硫酸的混合物 37 六 高价铬化合物为氧化剂 Jones试剂 CrO3 丙酮 H2SO4 不饱和键 分子构型及氨基 羰基等对氧化剂敏感的基团不发生变化 如果起始原料是醛 可氧化成酸 38 六 高价铬化合物为氧化剂 Jones试剂 CrO3 丙酮 H2SO4 39 六 高价铬化合物为氧化剂 Jones试剂 CrO3 丙酮 H2SO4 40 六 高价铬化合物为氧化剂 SarretandCollinsRegent 制备存在危险性 产品从吡啶中分离困难 41 六 高价铬化合物为氧化剂 CrO3 Ac2O为氧化剂 CrO3 Ac2O H2SO4试剂 先生成二醋酸酯 再水解成醛 42 六 高价铬化合物为氧化剂 重铬酸钠 1 通用型氧化剂 氧化能力强 2 氧化反应以不同浓度的H2SO4为介质 3 实例 43 以铬试剂为基础的氧化方法 Jones CrO3 H2SO4 Acetone 条件太剧烈 对酸敏感则不适用 Sarrat CrO3 Py 条件相对温和 但催化剂制备危险 伯醇难于氧化 产物分离困难 Collins CrO3 Py CH2Cl2 解决了伯醇氧化的问题 分离依然困难 PCC 吡啶和CrO3在盐酸溶液中的络合盐 弱酸性 伯醇氧化问题用此得以解决 但对烯丙醇较差 PDC 中性 适用范围广 烯丙醇更有效 PDC DMF可把非共轭伯醇氧化为羧酸 44 第四节高价非金属化合物为氧化剂的反应 一 二氧化硒 SeO2 为氧化剂 1 醛 酮 甲基或亚甲基氧化 2 烯丙位氧化 45 一 二氧化硒 SeO2 为氧化剂 氧化双键碳上取代基较多的一边的烯丙位烃基 烯丙位氧化遵循如下规则 46 一 二氧化硒 SeO2 为氧化剂 遵循如下规则 在不违背上述规则情况下的氧化顺序 CH2 CH3 CH 34 1 47 当上述两规则有矛盾时 一般遵循 1 双键在环内时 双键碳上取代基较多一边的环上烯丙位碳氢键被氧化 48 末端双键氧化时 发生烯丙位重排 羟基引入末端 49 二 硝酸 HNO3 为氧化剂 优点 被还原成氧化氮气体 无残渣 便于分离提纯缺点 腐蚀性强 剧烈 选择性低 副反应实例 50 二 硝酸 HNO3 为氧化剂 51 三 含卤氧化剂 1 卤素 X2 为氧化剂 氯气作为氧化剂实际上是将氯气通人水或碱水中生成次氯酸或次氯酸盐而进行氧化反应的 氯气氧化时被还原成盐酸 容易处理 但氧化反应常伴有氯化反应 52 三 含卤氧化剂 1 卤素 X2 为氧化剂 溴的氧化能力比氯弱 反应可在四氯化碳 氯仿 二硫化碳或冰醋酸中进行 53 三 含卤氧化剂 2 次氯酸钠NaOCl 将稠环或具有侧链的芳香烃氧化成羧酸 使羰基 位活泼亚甲基或甲基氧化断裂 生成羧酸 54 三 含卤氧化剂 3 用过碘酸氧化 反式不被氧化 55 一 臭氧 O3 为氧化剂 第五节无机富氧化合物为氧化剂的氧化反应 56 一 臭氧 O3 为氧化剂 57 二 过氧化氢 H2O2 为氧化剂 碱性介质中 过氧化氢分解成亲核性离子HOO 可选择的氧化 不饱和羰基或硝基化物 不饱和砜等 是制备相应环氧化合物常用的方法 例 58 二 过氧化氢 H2O2 为氧化剂 酸性介质中 在有机酸介质中 过氧化氢首先生成过氧酸 而后进行氧化反应 所得的环氧化合物遇酸开环 常用于烯烃的氧化 最终产品为反式二醇 例 59 三 硫酸过氧化物为氧化剂 作为氧化剂的过二硫酸盐主要是过二硫酸钾和过二硫酸铵 反应可以在中性 碱性或酸性介质中进行 水杨醛 Salicylaldehyde 氧化合成龙胆醛 2 5 Dihydroxybenzaldehyde 2 羟基吡啶氧化合成2 5 二羟基吡啶采用这一方法取得良好的效果 60 三 硫酸过氧化物为氧化剂 过硫酸H2SO5是在0 下由K2S2O8与浓硫酸以10 7比例经复分解反应获得的一种具有强氧化性能的酸性氧化剂 可实现氨基到亚硝基 酮氧化为酯的官能团的转化 61 一 有机过氧酸及酯为氧化剂 第六节有机富氧化合物为氧化剂的氧化反应 62 一 有机过氧酸及酯为氧化剂 1 有机过酸 氧化芳醛 63 一 有机过氧酸及酯为氧化剂 1 有机过酸 氧化芳醛 64 一 有机过氧酸及酯为氧化剂 氧化机理是双键上的亲电加成 过氧酸从位阻较小的一边向双键进攻 双键上电子云密度高 环氧化容易 过氧酸的反应活性强弱次序为F3CO3H PhCO3H CH3CO3H 环氧化合物水解生成反式邻二醇 这是制备反式邻二醇的重要方法之一 65 一 有机过氧酸及酯为氧化剂 2 Baeyer Villiger贝耶尔 菲林格氧化 66 2 Baeyer Villiger贝耶尔 菲林格氧化 67 68 一 有机过氧酸及酯为氧化剂 3 有机过酸酯 引入酰氧基后水解 69 二 烷基过氧化物为氧化剂 烷基过氧化物也是常用的氧化剂 例如叔丁基过氧化氢 当用过氧化叔丁醇来处理 不饱和羰基化合物时 生成不饱和键环氧化产物 与过氧酸反应结果基本一致 且也得到顺式环氧化物 70 二 烷基过氧化物为氧化剂 在过渡金属配合物催化下 烷基过氧化氢可氧化其他烯烃的不饱和键生成环氧化合物 若烯键碳原子上连有多个烃基时 可加快环氧化速度 分子中有多个双键时 往往连有较多烃基的双键优先环氧化 71 三 Sharpless不对称环氧化反应 在过渡金属配合物催化下 用烷基过氧化氢作氧化剂 可选择性地对烯丙醇的双键进行环氧化 用四异丙醇钛提供金属配位中心 在反应中引入不对称结构的酒石酸导引实现了氧化反应的对映选择性 形成了Sharpless反应 72 三 Sharpless不对称环氧化反应 73 一 酮为氧化剂 Oppenauer氧化奥芬脑尔 反应可逆 加大丙酮量 既作溶剂又作氧化剂 氧化特点 第七节其他氧化剂的氧化反应 74 一 酮为氧化剂 Oppenauer氧化实例 75 二 二甲亚砜 DMSO 为氧化剂 76 二 二甲亚砜 DMSO 为氧化剂 二甲基亚砜可被DCC Ac2O 三氟乙酸酐 草酰氯 三氧化硫等活化 在温和条件下将醇氧化 适合于甾族 生物碱及碳水化合物等的氧化 二甲亚砜 DCC 77 二 二甲亚砜 DMSO 为氧化剂 78 二 二甲亚