第23章还原和氧化

高等有机化学刘幸海浙江工业大学Tel669563),存中楼610Email:xhliu@第二章还原反应(reduction)常见的还原剂羰基的还原羧酸及其衍生物的还原不饱和烃的还原含氮化合物的还原催化氢化催化氢化负氢转移还原电子转移还原联氨还原还原反应CompanyLogo负氢转移还原

(HydrogenAnionTransferReduction)

LiAlH4、LiBH4、NaBH4、KBH4、Al(i-PrO)3、BH3常还原碳-杂双键和碳-杂三键，一般不还原碳碳双键（特殊条件下例外）还原能力：LiAlH4>LiBH4>KBH4/NaBH4电子转移还原

ElectronTransferReduction

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

还原羰基、酯基和硝基等合金：Na-Hg、Al-Hg、Zn-Hg

还原羰基和双键Birch还原：碱金属＋液氨

还原芳环等共轭体系常见的还原剂羰基的还原羧酸及其衍生物的还原不饱和烃的还原含氮化合物的还原催化氢化羰基的还原

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

金属复氢化物还原：LiAlH4、NaBH4

Meerwein-Ponndorf-Verley反应：

异丙醇铝作为还原剂电子转移还原：Na＋EtOH金属复氢化物还原羰基成醇LiAlH4：还原能力强、选择性差

无水条件现主要用于羧酸及衍生物的还原K/NaBH4:可溶于水和醇不影响NO2、CN、C=C等

饱和醛酮的活性大于α,β-不饱和醛酮，可进行选择性还原异丙醇铝还原羰基成醇异丙醇铝还原羰基选择性高，不影响硝基、腈基以及碳碳重键电子转移还原：负离子自由基机理酮的双分子还原

Clemmensen反应：Zn-Hg/H+黄鸣龙反应：NH2-NH2/OH-Clemmensen反应几乎可应用于所有芳香脂肪酮的还原，反应易进行，且产率很高。Zn-Hg5%HClreflux不影响羧酸、酯、酰胺等羰基黄鸣龙反应醛或酮,85%H2NNH2,KOH溶剂：DEG(二聚乙二醇)orTEG(三聚乙二醇)温度：reflux，180~200℃压力：常压时间：2~4h收率：60~95%

CompanyLogoLeuckart胺烷基化反应：在甲酸及其衍生物存在下，羰基与取代胺进行还原胺化常见的还原剂羰基的还原羧酸及其衍生物的还原不饱和烃的还原含氮化合物的还原催化氢化羧酸及其衍生物的还原酰氯>酯、酸酐、酰胺、腈>羧酸本反应是将羧酸酯用金属钠和无水醇直接还原生成相应的伯醇，主要用于高级脂肪羧酯的还原。由于催化氢化和氢化铝锂的广泛应用，此法在实验室中已经很少采用，但是因为其简便易行，在工业上仍然广泛应用。金属钠和醇为还原剂(Bouveault-BlancReaction):溶解金属还原酯成醇酯的双分子还原利用LAH还原羧酸酯到伯醇是一个快速，后处理较为简便的方法，一般情况下，酯基可在零下30℃下反应30分钟即可被还原。因此即使分子内有酰胺或其他一些敏感的官能基存在也没什么关系。降低氢化铝锂还原能力可以提高还原反应的选择性。常用的的方法是加入不同比例的无水三氯化铝或者加入计算量的醇，取代氢化铝锂中1-3个氢原子而成铝烷、或烷氧基氢化铝锂。如用烷氧基氢化铝锂还原α,β-不饱和酯到α,β-不饱和醇，若单用氢化铝锂还原，则得到饱和醇。金属氢化物为还原剂:Rosenmund反应H2/Cat.Or金属氢化物金属氢化物：Bu3SnHandLiAlH(OtBu)3是较好的还原剂，对芳酰卤和杂环酰卤还原收率较高不影响分子中的硝基、腈基和双键适用于制备一元脂肪醛和一元芳香醛。二元羧酸的酰卤通常不能得到较好产率的二醛。LiAlH4AlCl3EtOHLiClAlH3LiAlH3(OEt)orLiAlH2(OEt)2++降低还原能力，增加选择性利用硼氢化钠（钾）还原羧酸酯到伯醇操作较为安全，简单的方法，由于硼氢化钠的还原性不够强，因此这类反应一般需要回流过夜。反应初始阶段不要去加热，而是在室温下搅拌数小时后在，再加热缓缓回流，否则反应极容易喷出来。硼氢化钠在甲醇中分解较快，这个反应尽量不要用甲醇做溶剂。硼氢化物(锂、钠、钾、锌)为还原剂:

硼氢化钠通常不能用来直接还原羧酸，但是Lewis酸的存在可大大提高其还原能力，从而用于羧酸的还原。由于LAH和硼烷的价格相对要贵，因此工业上大量生产时，一般都应用该方法，比较常用的体系为：NaBH4-BF3,NaBH4-ZnCl2.Lewis酸存在下硼氢化钠还原羧酸为醇:

NaBH4对酯的还原效果较差，但是在Lewis酸的存在下，则可顺利还原酯，甚至还可还原某些酸CompanyLogo

另外有时对于比较复杂的分子，常常将酸做成活性酯后再用NaBH4直接还原，常用的方法为与氯甲酸乙酯或氯甲酸乙酯反应生成活泼的混酐，或与CDI得到活泼酰基眯唑。最近有报道用三氟均三嗪生成酰氟后用NaBH4还原得到醇。硼氢化钠还原活性酯或酰氟为醇：

氢化铝锂还原羧酸，反应可在十分温和的条件下进行，一般不会停止在醛的阶段。即使位阻较大的酸，也有较好的收率，所以得到广泛的应用。氢化铝锂为还原剂:LiAlH3(OEt)orLiAlH(OEt)3还原酰胺成醛酰胺很难用其他方法还原成醛，因而该法更具有合成价值。

orLiAlH(OEt)3LiAlH2(OEt)2LiAlH41.LiAlH42.NaBH4/AlCl33.BH3LiAlH4NaBH4+AlCl3硼烷为亲电性还原剂，首先是由缺电子的硼原子和羰基氧原子上未共用电子相结合，然后硼原子的氢，以负氢离子形式转移到羰基碳原子上而使之还原成醇。硼烷为还原剂：在羧酸的还原过程中，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电子与缺电子的硼原子之间可能发生相互作用。生成中间体而使酰氧基硼烷中的羰基较为活波，进一步按羰基还原的方式得到相应的伯醇。硼烷还原羧基的速度比还原其他基团快，因此，当羧酸衍生物分子中有氰基、酯基时，若控制硼烷的用量并在低温反应，可选择性地还原羧基为相应的醇，而不影响其他取代基。硼烷还原羧酸的速度，脂肪酸大于芳香酸，位阻小的羧酸大于位阻大的羧酸，但羧酸盐则不能还原。对脂肪酸酯的还原速度一般较羧酸慢，对芳香酸酯几乎不发生反应，这是由于芳环和羰基的共轭效应，降低了羰基氧上的电子云密度，使硼烷的亲电进攻难于进行。硼烷为还原剂：羧酸及衍生物被BH3还原速度顺序如下：常见的还原剂羰基的还原羧酸及其衍生物的还原不饱和烃的还原含氮化合物的还原催化氢化硼氢化反应最重要的用途是硼氢化－氧化反应制备醇反马氏规则加成Birch还原芳香族化合物在液氨中用钠（或锂或钾）还原，生成非共轭二烯给电子基，生成1,4-环己二烯吸电子基，生成2,5-环己二烯常见的还原剂羰基的还原羧酸及其衍生物的还原不饱和烃的还原含氮化合物的还原催化氢化含氮化合物的还原硝基化合物的还原亚硝基和偶氮化合物的还原重氮化合物的还原硝基化合物的还原金属还原：Fe＋HCl,Sn+HCl

硫化物还原：Na2S,Na2SO3,Na2S2O4金属还原：电子转移机理1）吸电子取代基使N上部分正电荷增加，接受电子能力因而增强，利于还原反应的进行。反之，供电子取代基，不利于还原反应的进行。

2）电解质可提高溶液的导电能力，加速铁的腐蚀过程。(稀酸、亚铁盐、氯化胺）国内和国外都曾长期采用铁屑法还原。经济，操作简单。但由于产生大量含芳胺的水和含芳胺的铁泥，不利于环境保护。逐渐被加氢还原取代。但吨位较小的芳胺，还经常采用。另外在用加氢还原不理想的场合，如：含卤硝基化合物加氢时，有脱氯副反应。而用铁屑/醋酸还原，则无脱氯副反应。不能使用加氢还原硫化物还原常用Na2S,NaHS和Na2S2

主要用于多硝基物的选择性还原，不影响分子中的偶氮键，醚键，硫醚键等。反应比较缓和。产物分离较方便。缺点是收率一般稍低，废水处理比较麻烦。逐渐被加氢法所取代。

硫化物用量为理论用量的5~10%温度：40~80℃硫化物用量为理论用量的10~20%温度：60~110℃部分还原完全还原CompanyLogo亚硝基和偶氮化合物的还原本法提供了一个间接的定位引入氨基至活泼性芳环上的方法，得到不混入位置异构体的纯粹芳胺。与硝基还原剂相同：金属还原、硫化物硼烷可在温和条件下还原偶氮化物而不影响硝基。金属氢化物通常不能还原偶氮化合物

得到纯的对位氨基化产物还原剂：乙醇、NaH2PO2还原剂：NaHSO3、Sn/HCl重氮化合物的还原应用常见的还原剂羰基的还原羧酸及其衍生物的还原不饱和烃的还原含氮化合物的还原催化氢化

非均相催化气-液-固三相（液相加氢），或气-固两相（气相加氢）催化剂：过渡金属或其盐类，或金属氢化物

均相催化剂气-液两相催化剂：过渡金属和配位体生成的络合物，催化剂可溶于反应物中。三个基本过程：⑴反应物在催化剂表面的扩散，物理和化学吸附⑵吸附络合物之间发生化学反应⑶产物的解析和扩散，离开催化剂表面反应历程有机化合物加氢活性次序：烯烃>炔烃>芳烃醛>酮>腈>酸RaneyNi催化活性较弱，需要较高的氢化压力和温度，价格便宜应用十分广泛：硝基，羰基，双键等隔绝空气保存：乙醇或其他惰性有机溶剂液面下Pt/C活性高：在常温常压下即可进行加氢易中毒：S、P、As、I、酚类和有机金属化合物Pd/C催化作用比较温和常用5%、10%的钯炭催化剂载体的影响:Lindlar催化剂Pd/CaCO3气-固-液非均相催化氢化的主要影响因素温度和压力：温度：温度增加，速率增加，但有合适的温度。（温度增加，催化剂活性增加，会增加副反应）压力：压力增加，速率增加。压力和催化剂有密切关系。因：气相H2浓度增加液相H2在液相中的溶解度增加2.溶剂：使催化剂分散，利于气、液、固三相接触。影响反应速率：溶剂极性越大，速率越快活性高的催化剂易自燃，须防止着火。新制备的Pt/C、Pd/C、RaneyNi等催化剂，其中溶有大量的氢，与空气相遇时不但会着火，甚至还会爆炸在加料操作时，一定要先用N2，赶尽空气，然后加料，再通H2

催化加氢注意事项CompanyLogo催化氢解脱卤氢解脱苄氢解WilliamS.Knowles

RyojiNoyori

K.BarrySharpless

1/4oftheprize

1/4oftheprize1/2oftheprize"fortheirworkonchirallycatalysedhydrogenationreactions"

"forhisworkonchirallycatalysedoxidationreactions"

TheNobelPrizeinChemistry2001不对称催化氢化含氧化合物的还原含氮化合物的还原不饱和烃的还原还原反应小结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,非质子溶剂LiAlH4Na,非质子溶剂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,液氨第三章氧化反应高等有机化学化学试剂氧化催化氧化电解氧化生物氧化氧化反应目录123常用的化学氧化试剂催化氧化烯烃的氧化45芳烃和烷烃的氧化醇的氧化常用化学氧化剂锰化合物铬化合物过氧化物二甲亚砜四乙酸铅和高碘酸二氧化硒1）锰化合物高锰酸钾:氧化芳烃侧链、烯烃和醇通常配成水溶液使用pH不同，氧化强度不同二氧化锰反应选择性好，收率高，但反应时间长

活性二氧化锰

二氧化锰的硫酸混合物

氧化活泼羟基或芳环上甲基成醛

KMnO4氧化芳烃侧链KMnO4氧化多环芳烃KMnO4氧化烯烃KMnO4氧化醇和醛2）六价铬化合物K2Cr2O7、Na2Cr2O7：将各种甲基氧化为酸

CrO3:氧化活泼羟基或芳环上甲基成醛CrO3+H2SO4CrO3+Ac2OCrO3+pyridine酸性中性酸性中性3）过氧化物酸性和氧化性最强稳定，室温可储藏稳定，环氧化最好烯烃的环氧化顺式加成酮氧化成酯：Baeyer-Villiger反应达金反应（Dakin反应）是酚醛或酚酮与过氧化氢在氢氧化钠作用下反应生成二酚与羧酸的反应。由亨利·达金于1909年首先发现。

反应与BV氧化重排反应类似，但过氧试剂不是过氧酸，而是过氧化氢。它的一个可能的机理如下。对醛进行加成，然后苯基迁移，重排，甲酸酯水解，酸化生成二酚。Dakin反应目录123常用的化学氧化试剂催化氧化烯烃的氧化45芳烃和烷烃的氧化醇的氧化Pivotalexamplesofthepotentialofselectivecatalyzedoxidationsβ-哌烯枸橼酸月桂烯catalystoxidantDrawback:saltformationuseofbromide(10mol%)asacocatalystdichloromethaneassolvent.NaOClastheoxidantImprovement-1甲基叔丁基醚Themethodiseffective(>99%selectivity)withabroadrangeofprimaryandsecondaryaliphatic,allylicandbenzylicalcohols.preventingoveroxidationImprovement-2O2astheoxidantAseriousshortcomingofTS-1,inthecontextoffinechemicalsmanufacture,istherestrictiontosubstratesthatcanbeaccommodatedintherelativelysmall(5.1×5.5Å)poresofthismolecularsieve,e.g.cyclohexeneisnotepoxidised.H2O2astheoxidantBaeyer-VilligeroxidationOrganicsolvent-andhalide-freeoxidationThebestoxidationisnooxidation目录123常用的化学氧化试剂催化氧化烯烃的氧化45芳烃和烷烃的氧化醇的氧化烯烃的氧化环氧化富电子的烯烃优先反应氧化成连二醇orOsO4氧化裂解氧化成醛或酮Wacker反应PdCl2-CuCl2的盐酸水溶液中通入乙烯可以得到乙醛，称为Wacker（沃克尔，公司名）反应。

反应中双键首先与Pd中心结合，随后水进攻得到乙醛和金属钯；金属钯被CuCl2－氧气氧化实现催化循环。

Wacker反应的改进：

在含有相转移催化剂的苯－水体系中加入氯化钯、氯化铜并通入氧气，可以将末端烯烃氧化得到甲基酮化合物，该方法具有通用性.CatalyticepoxidationwithH2O2:stateoftheartTungstenCatalysts（钨催化）ManganeseCatalysts（锰催化）VicinalDihydroxylation（邻位羟基化）SeO2二氧化硒是高选择性的氧化剂，称为Riley氧化特点：

反应在活泼氢位置反应 反应时SeO2可借助氧气重复使用反应经过β－酮基硒酸中间体完成目录123常用的化学氧化试剂催化氧化烯烃的氧化45芳烃和烷烃的氧化醇的氧化芳烃和烷烃的氧化无水乙酸中反应，使醇酯化，从而阻止进一步氧化CAN:(NH4)2Ce(NO3)6铬酰氯：Etard试剂CrO3/Ac2O

芳环上有吸电子基也能反应OxidationofAromaticSideChainsToleranceoffunctionalgroupsinCo/Mn/Brcatalyzedaerobicoxidationofsubstitutedtoluenes.OxidationofAlkanes目录123常用的化学氧化试剂催化氧化烯烃的氧化45芳烃和烷烃的氧化醇的氧化醇的氧化铬化合物氧化(CrO3)锰化合物氧化(MnO2)DMSO氧化高碘（V）试剂氧化TEMPO氧化Ru化合物氧化(RuO4,TPAP)影响铬酸氧化的因素及缺陷：醇的结构影响铬酸氧化醇的反应能力：羟基位阻大，影响铬酸酯的生成，反应慢氢位阻大，影响消除的发生，反应慢使用铬酸-硫酸溶液的缺陷：介质酸性强；氧化能力强，选择性差；伯醇氧化成醛后容易进一步氧化为酸针对铬酸缺陷的解决方案：

换用溶剂体系：

Jones（琼斯）试剂（铬酐-硫酸-丙酮），使用时将醇的丙酮溶液滴入配好的铬酐－硫酸中

PCC（吡啶-氯铬酸盐，Corey氧化法），铬酐的盐酸溶液中加吡啶得到的结晶。该试剂仍具有一定酸性，使用范围小

Sarett（萨雷特）试剂（铬酐-双吡啶配合物），将铬酐加入吡啶中，是最常使用的铬酸氧化剂

PDC（吡啶-双铬酸盐），将吡啶加入中性的铬酐水溶液得到的吡啶双铬酸盐（Sarett试剂区别？），中性试剂，可替代PCC。

改善氧化条件：

在醛刚生成时利用蒸馏等手段加以分离，使其脱离氧化剂的接触，从而避免进一步氧化Sarett（萨雷特）试剂：

特别适用于分子中含有对酸敏感的基团（如缩醛）或易氧化基团（如碳碳双键）的醇类

制备时注意不能将吡啶加到三氧化铬固体上，防止起火，保存时防止吸湿铬化合物氧化Jones试剂:(CrO3-H2SO4-丙酮）Collins试剂:CrO3·2C5H5N-CH2Cl2Corey试剂Jones试剂:(CrO3-H2SO4-丙酮）氧化仲醇室温下进行，根据反应液颜色判断反应终点（Cr6+橙色→Cr3+绿色）不饱和键及其构型以及其他对氧化剂敏感的基团不受影响Collins试剂:CrO3·2C5H5N-CH2Cl2易吸潮，不稳定，也不易保存，需在无水条件下使用氧化伯醇Corey试剂酸性条件下反应中性条件下反应，氧化能力更强MnO2对α,β-不饱和醇进行选择性氧化二甲基亚砜（DMSO）二甲基亚砜是良好的溶剂，某些情况下也可以作为氧化剂：

Pfitzner-Moffatt（普菲茨纳-莫法特）反应：伯醇