有机合成化学第二章

1、课 程 内 容第一章 绪 论第二章 氧化反应第三章 还原反应第四章 有机金属 试剂第五章 杂环化合物 的合成第六章 有机合成与路 线设计的基础知识第七章 分子的拆开第八章 导向基的引入第九章 保护基团第十章 合成问题的 简化 第二章 氧化反应2.1 烯烃的氧化2.2 醛、酮的氧化2.3 羧酸的氧化2.4 醇类的氧化2.5 -碳原子上的氧化2.6 在非活化部位的氧化 氧化还原反应是有机化学中的一类十分重要的反应。这类反应不仅在石油化工中能使简单的烷，烯，炔烃转化生成具有化学活性的醇、醛，酮，羧酸等，而且是精细有机合成中官能团互相转换的必不可少的反应过程。 在有机合成研究和工业生产中常用到氧化反应

2、。通过氧化反应不但可以变换化合物的基团以适应各种合成上的需要，而且可将化学活性不大的化合物(如烃类)转变为具有化学活性的物质。例如。从乙烷氧化脱氢获得具有活性的中间体乙烯，丙烷经同样的方法可得到丙烯，而从2-丁烯经一系列的氧化及还原过程得到一系列的活性中间体和有用的试剂。 氧化剂的种类很多，可以是氧气、氯气、过氧化氢、高价位的金属化合物或有机过氧酸化合物等。在氧化反应后，氧化剂本身是被还原，那么不难了解大部分的氧化剂都是亲电子试剂。一般的有机化合物仅需0-0.6V电位以进行氧化反应。通常的无机物进行氧化反应的氧化还原电位约1.0V。 以作用的类型来分，有机化合物的氧化反应可以分为以下3种类型：

3、 1在官能团的部位氧化2在-碳的部位氧化3在非活化部位氧化 选择适当的氧化剂是很重要的。虽然至今仍依赖经验法则选择氧化剂，但若能从下列各种因素去探讨，并加以归纳与演绎，则有助于对氧化反应的了解和选择：氧化剂本身的化学性质；被作用化合物的性质；使用的溶剂与反应条件；氧化反应的机理。 最常见的烯烃类氧化反应是转变成环氧化合物，二醇或断键成为两个羰基化合物。下面按几类不同化合物的生成，讨论各种氧化剂的选择以及反应条件的控制等，并按氧化剂出现的先后，对几类氧化剂进行重点介绍。 2.1 烯烃的氧化2.1.1 环氧化合物的生成2.1.2 烯烃的二羟基化反应2.1.3 烯烃类化合物的氧化性切断返回2.1.1

4、 环氧化合物的生成 在工业生产和实验室中，以烯烃为原料，经氧化制备环氧化合物是重要的途径之一。依氧化剂的不同有：有机过氧酸氧化环化，有机过氧化氢(或过氧化氢)氧化环化以及银催化的空气氧化环化等方法。一. 用有机过氧酸氧化环化 有机过氧酸是一个典型的亲电性试剂，它与烯烃的环氧化反应属亲电加成过程。在反应中，两个C-O键是同时生成的。其反应机理如下： RCOOOH RCOO- + OH+(亲电试剂)1. 有机过氧酸的制备 有机过氧酸,现巳成为一类典型的有机酸衍生物。几乎每一种有机酸都可以转变成相应的有机过氧酸。例如，过苯甲酸就是以相应的苯甲酸为原料，用H2O2氧化而制得。 其次，从苯甲酰氯也可氧化

5、制得过苯甲酸。这一制备方法可推广到许多其他过酸的制备。例如，以乙酐为原料，可制备无水过氧乙酸。 这一方法适宜实验室制取过氧酸。但为了满足大量的需要，工业生产一般以乙醛为原料，以钻、锰、铁等金属盐或臭氧、紫外光的催化作用下与空气中的氧反应而制得。 但必须注意，由于过氧酸不稳定，一般都是需要用的时候，临时制取，及时用掉。m-CPBA(m-Cl-PhCO3H)，是一较稳定的过氧酸，在冰箱中能够长期保存。2. 有机过氧酸的性质酸性: 有机过氧酸与酸相比，酸性较弱。从下面的两数据即可看出。 酸 PKa 酸 Pka HCOOH 3.7 CH3COOH 4.8 HCOOOH 7.1 CH3COOOH 8.2

6、 氢键：有机过氧酸随着溶剂性质的不同而以不同的形式存在于溶液中。如果与溶剂不形成氢键，则过酸可形成分子内氢键。即分子内羟基上的氢与羰基上的氧缔合，成为一五员环。在形成氢键的液剂中,如丙酮，则过酸与溶剂形成分子间氢键。 这样，过氧酸在不同的溶剂中的反应能力就可能不同。例如：苯甲醛氧化制备过苯甲酸时，只能在丙酮溶剂中获得。而在不与过氧酸形成氢键的溶剂中,则生成的过氧酸很快与原料苯甲醛作用，而生成甲酸苯酯。 过氧酸和其它过氧化合物一样，在高浓度时遇热容易分解，发生爆炸。过苯二甲酸等稳定性较好。近年来，以高聚物为栽体的过氧酸，既能起到很好的氧化效果，也能克服以上的不足之处。3. 有机过氧酸氧化环化实例

7、 一般来说，烯类都可以用过氧酸氧化得到环氧化合物。78 - 8369 - 7573 但由于该反应过程是亲电加成，这就与烯烃和过酸的自身结构有关系。若烯烃分子中含有氨基、羟基等易被氧化的基团存在时，结果不太好，有时甚至不能应用此法，对于，-烯酮在环氧化时常伴随着羰基的酯化反应，有些情况下甚至只发生酯化反应。71而卤代烯烃在环氧化时发生重排，烯醇醚或烯醇酯也是这样。61494. 用有机过氧酸氧化环化的特点 反应物结构对反应速率的影响： 由于过氧酸与烯烃的环氧化反应是典型的亲电加成过程，所以，反应物分子中双键碳原子上连有推电子取代基的烯烃反应速率大于连有拉电子取代基的烯烃。而对于烷基取代多的烯烃比取

8、代基少的烯烃反应速率大。如下表所列数据： 烯烃用过氧乙酸氧化的相对速度 烯烃 相对速度 CH2CH2 1 CH2CH2一CH3 21 C2H5一CHCH2 56 CH3CHCHCH3 450 (CH3)2CCHCH3 5600 又因为过氧酸与烯烃的加成是立体定向的反应，所以当环状烯烃参与反应时，生成环氧物的氧原子占据着轴向的位置，而在分子空间位阻的情况下，-键则从具有较少阻力的方向被进攻。若有羟基存在，由于其感应作用，则形成与羟基在同一边的环氧化物：例如，3-羟基环已烯的环氧化产物主要为顺式环氧化物。而3-乙酰氧基环已烯的环氧化则得到反式环氧化物。受羟基的影响，可能经过的过渡态： 其中以烯丙基

9、和高烯丙基(homoallyl)的影响效应最明显，即使对非环状化合物也是有选择性的反应： 过氧酸的氧化能力与对应酸的强度成正比，即其氧化能力顺序如下： 溶剂对反应速率的影响：除醋酸外，极性溶剂参与的反应要比非极性溶剂参与的反应速率慢。 有些烯烃用过氧酸环氧化结果不太好，但用过氧化氧或有机过氧化氢氧化，具有一定的选择性。如以上提到的,-不饱和酮中的烯烃环氧化，若用过氧化氢氧化，则得到比较好的结果。二. 用过氧化氢和有机过氧化氢的氧化环化70-7273 上述反应被认为是通过过氧化氢负离子在不饱和酮的-碳原子上亲核加成，然后通过分子内的对羟基离子的取代进行的。（亲核） 使用类似的反应条件，还可以使、

10、-不饱和的硝基化合物， 、-不饱和砜及瞵酸乙烯脂环氧化。而-氰基烯烃在这样的条件下，与双键环氧化的同时，氰基水解生成酰胺。67 61 23 碱性H2O2和过酸的环氧化反应的差别，在于前者不是立体专一的（即反应物和产物的立体化学彼此没有肯定的关系），而是立体选择的（即只生成一个立体异构的产物，并与反应物的立体化学没有肯定的关系）。 使用叔丁基过氧化氢时，需用Ti()，V(V)，W()或Mo()等作为催化剂，先形成类似的金属过氧酸：常用的催化剂如: Ti(OPr-i)4，VO(AcAc)2和Mo(CO)6。 另外，烯烃还可在金属银催化下空气氧化海备环氧化合物。虽然需要贵重的金属银，但由于它的催化选

11、择性好，目前工业上仍继续延用。如乙烯氧化制环氧乙烷，工业方法仍是用银作催化剂。三. 环氧化合物在有机合成中的用途1. 环氧化物的开环反应 亲核性开环发生在酸性或碱性水介质中，环氧物被打开成具有立体专一性的反式邻二醇，这是反式加成的过程。碱催化开环时，亲核试剂一般涉及取代基较少的碳，如：5310063b. 酸性开环时，亲核试剂一般涉及取代基较多的碳，如：762. 环氧化合物可经氢化锂铝(LiAlH4)还原得到相应的醇；993. 环氧化合物与Lewis酸如BF3作用得到羰基化合物；100754. 环氧化合物与二甲亚砜（DMSO）作用可制得-羟基酮。2.1.2 烯烃的二羟基化反应1形成反式二醇类 通

12、常将烯类环氧化后产物以酸水解即得反式二醇类：2形成顺式二醇类 使用不同的氧化剂，也可形成顺式二醇类。一般使用的氧化剂有：高锰酸钾；四氧化锇OsO4；碘及湿AgOAc。 (1)以KMnO4为氧化剂时，条件控制十分重要，否则形成的二醇类会进一步氧化裂解：其反应机理如下： 从上机理可看出,环状的锰酸酯被OH-离子的开环反应和被MnO4-进一步氧化之间进行竞争，产物的分配明显受到溶液的pH值的影响。结果是：依溶液pH值的不同，可得到顺式二醇或-羟基酮。如：3854-66 40反应的酸碱度也会影响产物： 若有机化合物不溶于水时，常加入相转移剂，如季铵盐等，使反应在有机溶剂中进行：750(2)用四氧化锇(

13、OsO4)为氧化剂，这是将烯烃氧化为顺-二羟基化最可靠的方法。它比高锰酸钾有更好的选择性。四氧化锇与双键反应形成环状锇酸酯，经水解得邻二醇。是较好的制备邻二醇的试剂。7090 反应都是遵循空间效应，从阻碍小的一面作用。又因为OsO4系亲电子性，所以反应不在氢较少的双键发生： 四氧化锇价格昂贵，因此应用上受到限制。克服这一缺点的办法是使用催化量四氧化锇，并加入氧化剂令其再生。氧化剂可用高氯酸盐或氮氧化物等。常用叔胺氧化物是：N-甲基吗啉-N-氧化物,简称NMO,为白色片状结晶。此化合物制备方法比较容易，也易保存，反应如下：(3)以碘和湿的醋酸银为氧化剂，用这种方法可以获得空间位阻较大一面的顺式邻

14、二醇：其反应机理如下：2.1.3 烯烃类化合物的氧化性切断1. 高碘酸HIO4和四醋酸铅Pb(OAc)4氧化 邻位二醇可进一步氧化断裂碳-碳键。常用的氧化剂是四醋酸铅和高碘酸。氧化机制是双电子过程。使六价铅变成四价铅，七价碘变成五价碘。例如： 用过碘酸氧化糖类化合物中的邻二醇，以测定其结构，曾是一个十分有用的反应。cis-二醇较trans-二醇易于氧化。 (环已烷1，2-二醇的氧化中，cis-二醇比trans-二醇快25倍。)非环状trans二醇则以下述机制进行：-氨基醇、 -酮醇以及-二羰基化合物均可被高碘酸氧化。2. 使用KMn04-Nal04混合氧化剂 利用KMnO4将烯烃类转变成二醇类

15、，再用Nal04将醇类氧化物切断，并进一步氧化成为羧酸。 由于KMnO4作用后产生的MnO2可以被NaIO4氧化回到KMnO4 ，故只需使用催化剂量的KMnO4。 若改用OsO4 -NaIO4为混合氧化剂(OsO4为催化剂量)，则可以得到醛类。3. 臭氧的氧化 当含有臭氧(O3，6-8)的氧气和烯烃作用时，臭氧很快地被烯烃吸收，生成臭氧化物(Ozonide)： 臭氧化物是一类不稳定的化合物，容易发生爆炸。因此，通常都不把它分离出来而直接在溶液里使它进行下一步反应，或加水分解。臭氧化物水解后的产物是醛、酮和过氧化氢。 为了避免生成的醛再被过氧化氢氧化，所以通常在臭氧化物水解时还加一个还原剂，如二

16、甲硫醚、锌粉或三苯基膦。例如： 如果同时加入过氧化氢，双键臭氧化则转化成酸类化合物。例如：4. 高锰酸钾和铬酸氧化 十分稳定的烯烃，即没有其它敏感基团的烯烃，也可用高锰酸钾进行氧化。铬酸也能完成碳-碳双键的氧化反应。例如：2.2 醛、酮的氧化2.2.1 醛类氧化成羧酸2.2.2 甲基酮被次卤酸氧化2.2.3 酮被氧化成酯或内酯2.2.4 Beckmann重排反应2.2.5 用过渡金属氧化物氧化 2.2.1 醛类氧化成羧酸 通常使用氧化银(Ag20，以AgNO3在碱中制备)。若是，-不饱和醛，可以用MnO2，在甲醇和氰氢酸作催化剂的条件下，直接氧化成甲酯：此反应首先将醛转变成为氰醇，然后二氧化锰

17、将氰醇氧化成为酸与氰盐，最后酸被甲醇转变成为甲酯。2.2.2 甲基酮被次卤酸氧化 通常酮类不会被氧化成羧酸，但甲基酮类可被次卤酸氧化成降解一个碳的羧酸。同时，甲基被氧化成为卤仿，此反应称为卤仿反应：2.2.3 酮被氧化成酯或内酯 将酮类氧化成酯类或内酯是有用的合成反应，称做BaeyerVilliger反应，常以过氧酸为氧化剂： 在对称酮的氧化中，产物比较单一。混合酮的氧化反应中，需两个羰基相连基团相差比较悬殊才好。由于是向正性氧上面的迁移，取代较多的烃基容易重排。迁移基团中有手性原子时，构型保持，这说明重排是与过氧键断裂协同发生的。故BaeyeVilliger反应氧化的产物是可预期其立体结构的

18、。 一般说来，在这类反应中转移次序是取决于迁移基团的亲核性，大致的次序是： 叔烷基(环己基、S烷基、苄基、苯基)伯烷基甲基，凡芳香基上含有供电子基的基团容易迁移。例如:用过氧硫酸H2SO5也可进行此反应。902.2.4 Beckmann重排反应 利用羟胺(NH2OH)可将醛酮氧化成E式肟。由于空间位阻的结果，不易形成Z式异构体： 在上述重排中有两个现象。首先迁移基团是肟分子中与氮原子上羟基处于反式的烃基发生迁移。另外，如果这个迁移基团具有手性时，则其构型在迁移中维持不变。这说明BecKmann重排反应中也是协同进行的。 将羟基活化成TsO的离去基，经Beckmann重排则产生内酰胺。可引起重排

19、的试剂十分广泛。例如硫酸、盐酸、聚磷酸、五氯化磷、氧氯化磷以及磺酰氯等均可。它在用来制备酰胺时常需在两个烃基对称，或迁移能力相差悬殊才有实用价值。2.2.5 用过渡金属氧化物氧化 由于Cr()化合物氧化能力较强，会发生C-C断键：2.3 羧酸的氧化 羧酸类极不容易被氧化，但与过氧化氢(H2O2)作用产生过氧酸。若是邻二羧酸类，则可以在四乙酸铅Pb(OAc)4作用下，发生氧化性脱羧反应： 羧酸与四醋酸铅和碘作用形成酰基次碘酸，这个化合物很易发生均裂反应。最后生成碘化物和二氧化碳。例如： 羧酸盐和银盐交换形成的羧酸银盐在四氯化碳溶液中与溴回流加热，则脱去羧基形成少一个碳原子的卤化物。反应也是自由基

20、反应，经过酰基次卤酸中间体，即羧酸与次卤酸的酸酐，加热脱去羧基。例如： 羧酸银盐的脱羧反应通常用于脂肪卤化物的制备，称Hansdiecker反应。例如：2.4 醇类的氧化2.4.1 铬Cr()的氧化物2.4.2 碳酸银2.4.3 锰化合物的应用2.4.4 有机氧化剂2.4.5 酚类的氧化返回2.4.1 铬Cr()的氧化物 一级醇氧化得醛，然后继续氧化得羧酸；第二级醇氧化得酮；三级醇是耐氧化的，除非条件极为激烈时，才发生碳碳键的断裂。 通常在基础有机课上，较少讲氧化反应的选择性，使用的试剂一般都是热的高锰酸钾或热的铬酸。在这里我们按氧化剂的不同种类分别讨论。把醇选择性地氧化成羰基化合物的各种方法

21、。 这是最常用的氧化剂，它的氧化机理如下： 存在形式： CrO3 +OH-，HCrO4-，Cr2O72-+H2O 铬()与醇的反应： R2CHOH + HCrO4- + H+ R2CO+ HCrO3- + H+ 碳的氧化数由0增加到+2；铬的氧化数由+6减小到+4。 铬()氧化剂的种类繁多：酸性试剂：(1)铬酸(H2CrO4)、氧化铬(CrO3) (2)JOnes试剂(H2CrO4-H2SO4-Me2CO)微碱性试剂：(3)Sarett试剂(CrO3吡啶) (4)Co11ins试剂(CrO3 -2吡啶CH2Cl2)微酸性试剂: (5)PCC试剂(CrO3-Py-HCl/CH2Cl2 ，铬酸 吡

22、啶)中性试剂: (6)PDC试剂(H2Cr2O7 -2 Py，重铬酸吡啶) 其中，Sarett试剂、Collins试剂、PCC和PDC试剂是温和的氧化剂，可使一级醇氧化成为醛类，而不再进一步被氧化成羧酸。醇与重铬酸在无水溶剂中，或与铬酐反应时，均经中间体铬酸酯。例如： 铬酸酯分解，六价铬形成四价铬，醇转化为醛或酮。(1)当化合物在酸性条件下稳定时，可用Jones试剂：(2)使用微碱性Collins试剂，避免双键转移成共轭双烯，也可避免进一步氧化成羧酸：(3)有时候，溶剂的影响很大，例如使用中性的PDC试剂(H2Cr2O7 -2 Py)，在极性溶剂，如二甲基甲酰胺(DMF)中，醇可生成羧酸。一般

23、说来，在极性溶剂中反应较激烈，而使用非极性溶剂，如正己烷，反应温和，但可能发生不溶解的现象：(4)PCC常用来将一级醇(如下列反应中的醇)氧化成醛类，不会破坏四氢吡喃的部分。此时，烯丙醇则氧化成，-不饱和醛(酮)，反应对烯不起作用。4585832.4.2 碳酸银 另一个氧化伯，仲醇为醛，酮的试剂是附积在一类硅藻土上的Ag2CO3 。该氧化反应条件温和，反应干净利索，付反应少，产率高，后处理简单等优点，有些还可以进行选择性氧化。 在苯溶剂中，也可将一级醇氧化成醛。在下列反应中不影响环丙烷(对酸不稳定)： 对于某些二醇来说，由于它们的结构特点，1.4-丁二醇，1.5-戊二醇，1.6-己二醇等，用A

24、g2CO3氧化得到-，-和-内酯。如：95 对于乙二醇，环己二醇反应得到-羟基酮或-羟基醛。如：而1.3-丁二醇则形成4-羟基-2-丁酮。452.4.3 锰化合物的应用 高锰酸钾由于氧化能力强很少用于醇的氧化，常用活性二氧化锰(MnO2)。它是一种缓和的氧化剂，但需活化，即利用高锰酸钾()与硫酸锰()在碱溶液中新制备出来的二氧化锰()。反应中锰由+4价还原到+2价。反应对烯不起作用，可用于烯丙醇等有活性基团的醇类化合物氧化。942.4.4 有机氧化剂 常用的有机氧化剂有下列几种： 1. Moffatt氧化反应和Swern氧化反应 由二甲基亚砜与另一个亲电性试剂反应可形成多种复合氧化剂。可提供亲

25、电试剂的化合物有三氟醋酐、二环已基碳二亚胺(DCC)、草酰氯及三氧化硫等。适用于有对酸敏感基团的醇类的氧化，反应条件比较温合，可将一级醇氧化成醛： 草酰氯与DMSO作氧化剂的反应尤其常用，称Swern氧化。例如：2. Oppenauer氧化反应 此类反应系以酮类(如丙酮、环己酮)为氧化剂，以三异丙基氧化铝为催化剂，可将醇类氧化成醛酮，而氧化剂酮则被还原为醇(如丙酮在反应后生成异丙醇)，如: 这是一个酮与一个醇的互相交叉氧化还原反应，所以反应的进行方向由所加酮(氧化剂)或醇(还原剂)的用量而定。氧化剂酮过量则反应向右进行。Oppenauer氧化反应的机理如下： 从这里可以看出三异丙基氧铝的催化作

26、用，进行的是氢负离子的转移，而不是产生低价的一价铝。 这个反应只氧化仲醇，不能氧化伯醇。对于其它易被氧化的基团也极少受干扰。一般，烯丙醇、苄醇的活性比一级醇、二级醇的活性高，更容易被氧化。3. Pb(OAc)4氧化反应 Pb(OAc)4在C6H6 ,CHCl3等中回流，对伯、仲醇氧化生成醛、酮也是一种良好试剂。而以吡啶为溶剂，室温下对下列化合物的氧化，能得到较好的产率。892.4.5 酚类的氧化 酚类极容易被氧化，通常的氧化剂足以破坏酚类化合物。选择性地将酚类转变成二氢醌，可用过硫酸钾(K2S2O8)；而将酚类转变成醌则可用ON(SO3K)2(Fremys salt)：2.5 -碳原子上的氧化

27、2.5.1 使用二氧化硒2.5.2 使用N-溴代丁二酰亚胺(NBS)2.5.3 以铬酸类为氧化剂2.5.4 以KMnO4为氧化剂2.5.5 用强碱脱去-氢2.5.6 用O2氧化2.5.1 使用二氧化硒 使用二氧化硒(SeO2)，可将烯类氧化成烯丙醇或，-不饱和醛，前者仅只需0.5mol，而后者需1.Omol的SeO2 。反应的位置选择有时并不理想： 反应机制是二氧化硒向烯烃进行亲电加成反应，脱去-位碳原子上的氢，形成相邻烯烃的硒酸。继续进行分子内重排成为亚硒酸酯，经水解生成烯丙醇。如果进一步氧化，形成，-不饱和羰基化合物。 二氧化硒氧化三取代烯烃时，与碳-碳双键中取代较多碳原子相连的烃基上的-

28、碳-氢键被氧化。这种选择性与上述二氧化硒亲电加成的机制有关。 碳-碳双键烯丙位碳氢键还可经芳基硒化物氧化。氧化时首先在碳-碳双键上加成，加成产物进一步被氧化为硒氧化物。经Syn-消除而形成移位烯烃。反应的结果使原有碳-碳双键上引入含氧基团。例如：高价硒化物也能将芳环上甲基侧键氧化控制在醛的阶段。例如： 使用二氧化硒也可将酮类化合物的-氢氧化成羰基，它是制备-二酮的方法。其氧化机制也是通过烯醇式进行的。例如：2.5.2 使用N-溴代丁二酰亚胺(NBS) 在无水条件下，光照或采用其他自由基反应，将烯类氧化成烯丙基溴化物或将取代苯氧化成苄溴化合物，有时反应的位置选择也是不理想： 反应若在水溶液中进行，则先以溴阳离子Br+与双键作用，结果产生溴醇：2.5.3 以铬酸类为氧化剂 如K2CrO4，CrO3吡啶和CrO2(O-Bu-t)2等，可选择性的将烯丙位碳氢键氧化成羰基： 铬酐吡啶在二氯甲烷中也可将烯丙位碳氢键氧化成羰基。实验证明这种氧化为自由基反应。反应时，也有用3，5-二甲基吡啶代替吡啶的。例如：65-66 另外一种易于被氧化的碳氢键就是芳环上的甲基，或苄基碳氢键。铬酐-醋酐混合物可因生成双醋酸酯