第十章-还原反应.ppt

第十章还原反应,有机化合物还原反应是指在有机化合物的分子中除去氧，加上氢或者得到电子的反应。还原反应一般分为催化氢化法和化学法两种，本章涉及的还原反应是指氢对不饱和基团如烯键、羰基或芳环等的加成反应。在实际合成中，往往要求对不饱和基团进行选择性还原。,10.1催化氢化反应,催化氢化反应是指还原剂氢等在催化剂的作用下对不饱和化合物的加成反应。它是有机化合物还原的诸多方法中最方便的方法之一。,10.1.1多相催化氢化反应,多相催化氢化反应一般是指在不溶于反应体系中的固体催化剂的作用下，氢气还原在液相中的底物的反应。它主要包括碳碳、碳氧、碳氮等不饱和重键的加氢和某些单键发生的裂解反应。常用的多相催化氢化催化剂有：PtO2(Adams催化剂)，钯催化剂，铂催化剂，RaneyNi催化剂以及亚铬酸铜催化剂等。,催化加氢反应：碳碳重键的加氢反应,碳碳重键在钯、铂、镍的作用下催化加氢成为饱和键。,多相催化氢化分为催化加氢、催化氢解、催化转移氢化三类。,烯烃化合物中，双键上取代基的数目不同，其被还原的速度不同，取代基数目越多，就越难被还原，因而产生了如下由易到难的反应大致活性顺序：RCH=CH2RCH=CHRRRC=CH2RRC=CHRR2C=CR2。在相同的条件下,以Pt-SiO2作催化剂,反应温度为20,在环状化合物中也有类似情况：,例如，柠檬烯加氢是分布进行的，最后得到柠檬烷。,单独催化加氢时，烯烃加氢速度比炔烃快。,催化加氢时，底物必须首先吸附在催化剂表面上。各类烃化物在第VIII族金属表面上的吸附能力有如下顺序：炔烃双烯烃烯烃烷烃因此，烯炔烃混合物催化氢化时一定是炔烃先氢化。,催化加氢反应是合成顺式取代乙烯衍生物的重要方法。使用Lindlar催化剂可使叁键变为双键，不影响其它双键。,Lindlar催化剂,Pd/C催化加氢能实现对烯烃双键的选择性还原，除叁键、芳硝基、酰氯外的不饱和基团不受影响。,镁/甲醇体系也有同样功效：,RhCl3在相转移催化条件下可催化选择还原,-不饱和酮的C=C双键，具有高度的立体选择性。,Raney/Al2O3催化氢化选择还原柠檬醛可得到合成维生素的原料香茅醛。,Cu/SiO2等也可催化选择还原,-不饱和酮的C=C双键，其它双键不受影响。,含有腈基、酯基和双键的化合物，C=C双键优先氢化。,天然或合成高聚物（多配位基）也可作为钯的载体，并可能提高催化剂的选择性和活性，如柞蚕丝。,二茂铁胺硫钯络合物是通用性很好的催化剂，可以选择催化氢化,-不饱和醛、酮、羧酸、酯、酰胺和类酯的C=C双键，产率及选择性几乎都大于99%。,催化加氢反应：芳香环系的加氢反应,芳香族化合物也能进行催化氢化，转变成饱和脂肪族环系。但要比脂肪族化合物中的烯键氢化困难得多。,常温常压,定量分析测定非芳环的不饱和键,芳环的还原需要在特殊条件下完成：,催化加氢反应：醛、酮的加氢反应,醛几乎能被所有的催化氢化催化剂还原为醇。,选择氢化：,酮羰基的氢化要比醛羰基的氢化困难。,催化加氢反应：腈和硝基化合物的加氢反应,硝基化合物比烯键或羰基易于被氢化。,使用RaneyCo可实现腈基的选择还原，双键保留。,催化氢解反应,催化氢化反应时底物分子被还原裂解为两个或两个以上的小分子的反应称为催化氢解反应。,例如，利用芳香C-X键易于氢解，可在芳环上先用溴占位，烷基化后再氢解来合成目标产物。,卤素在催化氢解反应中表现出如下稳定性次序：FClBrI,催化氢解反应在维生素B6的合成中有重要应用。,三个基团同时还原：硝基变氨基；腈基变氨甲基；氯被氢解。,和杂原子如O、N、S等相联接的苄基型化合物在铂或钯催化剂的作用下容易发生氢解，其一般式为：,例如：,有机化合物中不同结合形式的硫都可以用RaneyNi催化氢化去除。,催化转移氢化反应,催化转移氢化反应也可用于选择性还原反应。在钯黑、钯碳、瑞尼镍、三氯化铁等催化剂作用下，用氢的给予体（doner）如肼、环己烯、环己醇等有机物做还原剂，能实现对碳碳重键，硝基的选择性还原、断裂碳卤键等，而对羰基和腈基不起作用。,环己烯还能氢解苄醇类化合物：,支撑在Al2O3上的水合肼作为氢给予体，用水合三氯化铁催化，易于将芳香族硝基化合物高产率地还原成相应的氨基化合物。,10.1.2均相催化氢化反应,多相催化氢化反应有显著地优越性，但可能引起双键移位或使一些官能团发生氢解，使产物复杂化等。均相催化氢化反应能够克服上述缺点。均相催化氢化反应的催化剂都是第八族元素的金属络合物，可带有不同的有机配体，配体的存在能促进络合物在有机溶剂中的溶解度，使反应体系成为均相，从而提高催化效率，使得反应可以在较低温度、较低氢气压力下进行，并具有很高的选择性。,以三-（三苯基磷）氯化铑【TTC】为例说明。,在均相催化反应中氢是以顺式对双键加成的。,催化特点是选择氢化碳碳双键和碳碳叁键，对于羰基、氰基、硝基、氯、叠氮等官能团都不发生还原。单取代和双取代的双键比三取代或四取代的双键还原快得多，因而含有不同类型的双键的化合物可以部分氢化。,该催化剂催化反应时，不发生氢解反应。因此烯键可以选择性地氢化，而分子中其它敏感基团并不发生氢解。,三-（三苯基磷）氯化铑能使醛脱去羰基，因而含有醛基的烯烃化合物在通常的条件下，不能用这种催化剂进行氢化。这是因为三-（三苯基磷）氯化铑对一氧化碳具有很强的亲和性的缘故.,10.2溶解金属还原反应,溶解金属进行还原反应是电子向不饱和官能团加成引起的反应。作用物从电子转移试剂得到电子后再从质子源得到质子而被还原。溶解金属进行的还原反应主要介绍以下几种：芳环的还原；醛、酮羰基的还原；碳-碳重键的还原；羧酸酯的还原；还原裂解。,10.2.1芳环的还原,碱金属锂、钠或钾与液氨组成的还原体系，能够将芳环转变为不饱和脂环【BirchA.J.还原法】：,还原历程：,芳环从碱金属得到一个电子成为游离基负离子；进而从醇中夺得质子成为中性游离基，再接受一个电子转变为负离子，最后质子化，生成二氢化合物。,胺沸点高，对有机物溶解性好，以胺替代液氨效果更好，体系中加入铵盐能促进反应进行。,芳环上供电子基阻碍电子转移，吸电子基团有利于反应完成。例如，羟基所在环不变，生成5，8-二氢-1-萘酚：,取代基的性质能对质子化的位置进行有效控制：吸电子基团质子化后生成1-取代-1，4-二氢化合物，给电子基团生成1-取代-2，5-二氢化合物。,例如，合成避孕药18-甲基炔诺酮时，还原反应就是控制在供电子的甲氧基的2，5-位进行的：,萘及取代萘在一定条件下可发生选择性还原：,杂环体系也可用钠-醇试剂还原：,10.2.2醛、酮羰基的还原,汞齐类（Na-Hg,Zn-Hg等）试剂是一类重要的还原试剂，可以在惰性或在水(盐酸)介质中使用，把碳氧双键还原成亚甲基或生成醇（Clemmenson还原）。,金属镁、镁汞齐在非质子溶剂中具有类似的还原作用：,频哪醇的合成,金属锌还原羰基化合物往往得到醇：,SmI2金是应用广泛的单电子转移偶联剂和还原剂：,脂肪醛酮同时存在时，优先还原醛基。,10.2.3碳-碳重键的还原,非末端炔烃采用碱金属-胺或碱金属-氨体系还原得到纯度和收率都很高的反式烯烃。,机理：反式结构更稳定；两次电子转移和质子化；线形炔化物转为平面结构的游离基钠化物：,端炔烃在钠-氨体系中加入硫酸铵可实现选择还原：,孤立双键通常不被碱金属胺或氨试剂还原。末端孤立双键除外：,-不饱和酸酯用钠-胺（氨)体系还原为相应的饱和酸酯，继续还原得醇。,锌粉-醋酸还原体系用于多种药物中间体-哌啶酮及其衍生物的合成，操作简捷，条件温和（室温），转化率高，同时可有效避免羰基被还原。,J.Org.Chem.,2001,66:2181.,10.2.4羧酸酯的还原,在Na-EtOH体系中，羧酸酯还原得到醇。还原效率高，特别是长链一元、二元醇的制备。,在非质子溶剂中，碱金属与羧酸酯作用，发生-羟酮缩合：,-羟酮缩合机理：,酯游离基负离子,偶联,例如，合成过程中可加入三甲基氯硅烷捕捉还原产物，促进反应进行，提高反应效率：,10.2.5还原裂解,金属胺还原剂和其他溶解金属还原体系能够进行还原裂解反应，如去除保护氨基、亚胺基、羟基和巯基等。,例如：,谷胱甘肽,红没药烯,澳白檀醇,10.3氢化物-转移试剂还原,氢化物-转移试剂还原是负氢离子转移还原，由负氢离子转移导致的还原反应在合成中非常有用，如异丙醇铝等。,10.3.1异丙醇铝转移试剂还原,异丙醇铝能使羰基化合物还原成醇，是个可逆反应。通过反应可使醛转化为伯醇，酮转化为仲醇，通常产率都很高（称为Meerwein-Pondorff-Verley还原反应）。,例如：,机理：负氢离子通过六元环过渡态转移到羰基化合物上。,反应在异丙醇铝的异丙醇溶液中进行，结果是羰基还原为醇，异丙醇被氧化为丙酮，羰基化合物中的烯键和其他不饱和基团不受影响。,10.3.2金属氢化物转移试剂还原,常用的金属氢化物转移试剂是LiAlH4和NaBH4。这两种复合氢化物的负离子是亲核试剂，它们通常进攻C=O或C=N极性重键，然后把负离子转移到正电性较强的原子上。一般不还原孤立的C=C或CC键。,各试剂中的四个氢原子都可用于还原反应。LiAlH4的还原能力比NaBH4强。,LiAlH4易与活泼氢化合物反应，要求还原体系无水或使用非羟基溶剂；NaBH4则可以在醇溶液中进行还原反应,室温下就可还原醛和酮，但一般不与酯或酰胺作用，能在多数官能团存在下选择性还原醛和酮。,烯烃双键一般不被金属氢化物还原，但-芳基,-不饱和羰基化合物的不饱和键在一定条件下可被LiAlH4还原。,乙酰乙酸乙酯可被金属氢化物进行选择性还原。,LiAlH4还原机理：,通常不对称酮羰基的还原生成外消旋醇。但含有手性中心的酮还原得到的两种醇不等量。例如，用LiAlH4还原酮主要产物是苏式醇。,Cram规则：羰基化合物的Newman投影式中，金属氢化物负离子从羰基位阻较小的一侧进攻(S、M、L分别代表小、中、大取代基)。,10.3.3固载硼氢还原剂,（1）固载硼氢还原剂的制备,和NaBH4相比，固载的硼氢还原剂大多数能在室温下反应，以分离，选择性好，产率高，可再生使用。,Gibson和Bailey应用季铵盐氯型离子交换树脂与NaBH4溶液交换，制备了硼氢阴离子交换树脂，简称BER。我国学者陈家威等将季铵盐氯型树脂用NaOH溶液浸泡交换成羟基型树脂，过滤，洗涤，不经烘干直接与KBH4溶液交换制得BER，不仅提高了树脂容量，而且成本较低、国产化。,（2）BER的还原反应,烯烃双键的还原：,还原脱卤：,BER在甲醇溶液中选择性还原卤代烃只能够的伯卤代烃，加入Ni(OAc)2,几乎定量还原伯、仲卤代烃及芳香族卤代物，其他基团不受影响。,羰基化合物的还原,BER还原醛酮为相应的醇，其他基团（酯基、酰胺基、腈基和烯键等）不受影响，反应选择性好。,醛比酮易于还原；低温时选择还原芳醛：,羧酸及其衍生物的还原,BER一般不还原羧酸。但BER/I2体系能够还原醛酮为相应的醇，其他基团（酯基、酰胺基、腈基和烯键等）不受影响，反应选择性好。,含氮化合物的还原,在过渡金属离子（Cu2+、Co2+、Ni2+等）作用下，BER可以有效还原NO2、CN及偶氮基，生成相应的胺。,10.3.4硼烷和二烷基硼烷,提供负氢离子还原的另一种试剂是硼烷和二烷基硼烷，能进攻许多不饱和基团得硼化物，再水解得到目标产物。,环氧化物经二硼烷还原主要生成取代基较少的醇。,二硼烷是Lewis酸，进攻的是负电子中心；NaBH4还是亲核试剂，通过负氢离子对偶极重键电性较正的一端进行加成。,机理：,10.4其它还原试剂,10.4.1Wolff-Kishner还原法,Wolff-Kishner还原可以将醛和酮的羰基还原为甲基或亚甲基。在强碱性条件下，将羰基化合物、水合肼与高沸点的溶剂中在180-200下反应。,还原机理：,10.4.2二酰亚胺还原法,二酰亚胺通过肼氧化、对甲苯磺酰肼热分解而来：,二酰亚胺是一种高选择性还原试剂，易于还原对称重键，极性较大的不