氧化反应课程学习

§5.1概述§

5.1.1定义

广义地讲，凡是失电子的反应都属于氧化反应。

狭义地讲，有机物的氧化反应主要是指在氧化剂的存在下，有机物分子中增加氧或减少氢的反应，或者两者均有。第1页/共81页第一页，共82页。§5.1概述§

5.1.1定义减少氢原子增加氧原子，减少氢原子增加氧原子第2页/共81页第二页，共82页。§5.1概述§

5.1.2

氧化反应的目的利用氧化反应可以制备：醇、酚；醛、酮、醌；羧酸；环氧化合物；过氧化合物；腈等。第3页/共81页第三页，共82页。§5.1概述§

5.1.3

氧化反应的类型化学氧化：在化学氧化剂的直接作用完成的氧化反应。

化学氧化剂：无机氧化剂(KMnO4,K2Cr2O7,H2O2等)

有机氧化剂(异丙醇铝,四醋酸铝,过酸等)催化氧化：在催化剂存在下,使用空气或氧气实现的氧化反应。催化脱氢：在催化剂作用下，受热有机物分子中碳-氢键断裂的反应。电解氧化：在电极上发生电子转移，绿色工艺。按照氧化反应的操作条件，分为液相氧化和气相氧化。第4页/共81页第四页，共82页。§5.1概述§

5.1.4

氧化数的概念根据有机物中与碳原子相连原子的性质对有机物的氧化数进行分类。CO2CCl4RCO2HRCONH2RCHCl3炔烃RCHORCHCl2RCH2OHCH2OH烯烃ROHR-XRNH2烷烃化合物类型+4+20-2-4氧化数官能团的氧化数分类第5页/共81页第五页，共82页。§5.1概述§

5.1.4

氧化数的概念根据氧化数的定义，氧化数升高的反应属于氧化反应，氧化数降低的反应属于还原反应，没有氧化数变化的反应属于非氧化还原反应。第6页/共81页第六页，共82页。§5.2

锰氧化物高价锰氧化物氧化剂主要有：

MnO2、KMnO4第7页/共81页第七页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.1

二氧化锰对活性二氧化锰的活性有一定的要求，一般市售的二氧化锰的活性很小或没有活性，不能应用，需要新鲜制备。

氧化剂二氧化锰有两种，即活性二氧化锰以及二氧化锰和硫酸的混合物。

第8页/共81页第八页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.1

二氧化锰特点：氧化性能温和，选择性高，可使氧化反应停留在中间阶段，因此可以用来制备醛、酮，常在室温下进行；用量较多，有时重现性不好。第9页/共81页第九页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.1

二氧化锰活性二氧化锰

(选择性氧化剂)特点：

能将伯醇、仲醇氧化成相应的醛、酮双键、三键不受影响

第10页/共81页第十页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.1

二氧化锰活性二氧化锰

(选择性氧化剂)活性：烯丙醇、苄醇>饱和伯醇>饱和仲醇第11页/共81页第十一页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.1

二氧化锰活性二氧化锰

(选择性氧化剂)特点：可发生顺反异构的选择性氧化第12页/共81页第十二页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.1

二氧化锰活性二氧化锰

(选择性氧化剂)特点：邻二醇被断键氧化为相应的醛、酮第13页/共81页第十三页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.1

二氧化锰二氧化锰和硫酸的混合物特点：（1）氧化性温和，可用水为溶剂；（2）氧化芳烃侧链生成醛；（3）氧化芳胺成醌。第14页/共81页第十四页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.2

高锰酸钾特点：（1）氧化能力强，是一类强氧化剂；（2）氧化可在酸性、中性、碱性介质中反应，介质不同，氧化强度不同。MnO4-+2H2O+3e-

⇋

MnO2+4OH-E=0.558VMnO4-+8H++5e-

⇋

Mn2++4OH-E=1.51V在中性或碱性介质中：在酸性介质中：

氧化性：酸性>中性、碱性第15页/共81页第十五页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.2

高锰酸钾主要用于芳环或杂环的侧链氧化，较长侧链更易氧化条件：侧链和苯环相连的碳原子上连有氢原子。第16页/共81页第十六页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.2

高锰酸钾用于烯键的裂解氧化，氧化反应中电子云密度大的易氧化第17页/共81页第十七页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.2

高锰酸钾

温和条件下，能将烯烃氧化成顺式邻二醇或氧化成α-羟基醛酮或双键断裂产物第18页/共81页第十八页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.2

高锰酸钾高锰酸钾氧化性提高，可氧化烯烃为酮或羧酸不同条件反应产物不同，可用于不饱和键的鉴别。不同结构烯烃的氧化反应产物不同，通过分析氧化产物的结构可以推断出原来烯烃的结构。酮羧酸酸性KMnO4第19页/共81页第十九页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.2

高锰酸钾第20页/共81页第二十页，共82页。§5.2

锰氧化物§

5.2.2

高锰酸钾注意：高锰酸钾在水溶液中氧化时，碱性逐渐增强，若芳环上具有某些对碱敏感的基团，将影响收率，此时可以加入MgSO4或通入CO2，以降低溶液的碱性，使反应介质维持中性，提高收率。第21页/共81页第二十一页，共82页。§5.3

含铬氧化物常用的含铬氧化物有三氧化铬、铬酸和重铬酸，其还原产物主要是Cr3+。第22页/共81页第二十二页，共82页。§5.3

含铬氧化物§

5.3.1

三氧化铬

Collins试剂：三氧化铬-双吡啶络合物特点：（1）具有较强的氧化性，且不易过度氧化（2）极易吸潮且可燃，需无水条件下使用第23页/共81页第二十三页，共82页。§5.3

含铬氧化物

Collins试剂：三氧化铬-双吡啶络合物用途：（1）将醇氧化成醛和酮，分子中对氧化剂敏感的基团不受影响。第24页/共81页第二十四页，共82页。§5.3

含铬氧化物

Collins试剂：三氧化铬-双吡啶络合物用途：（2）将烯丙位、炔丙位亚甲基氧化成羰基，偶见双键移位重排。第25页/共81页第二十五页，共82页。§5.3

含铬氧化物

Collins试剂：三氧化铬-双吡啶络合物用途：（3）将二甲基氨基氧化成N-甲酰基-N-甲基氨基。第26页/共81页第二十六页，共82页。§5.3

含铬氧化物§

5.3.2

氯铬酸、铬酸、重铬酸及其盐

Jones试剂（CrO3/稀H2SO4）温和的氧化剂，能氧化伯醇、仲醇为相应的醛酮，不饱和键、氨基、烯丙位甲基等对氧化剂敏感的基团不发生变化。第27页/共81页第二十七页，共82页。§5.3

含铬氧化物§

5.3.2

氯铬酸、铬酸、重铬酸及其盐

铬酸三氧化铬溶于水中形成铬酸。铬酸是很强的氧化剂，能将醇氧化成醛、酮。第28页/共81页第二十八页，共82页。§5.3

含铬氧化物§

5.3.2

氯铬酸、铬酸、重铬酸及其盐

铬酸醇的空间位阻对铬酸氧化醇的速率的影响：第29页/共81页第二十九页，共82页。§5.3

含铬氧化物§

5.3.2

氯铬酸、铬酸、重铬酸及其盐

铬酸特点：（1）反应是在酸性条件下进行，氧化能力强、选择性差，不适用对酸敏感的基团和易氧化基团的醇类；（2）容易出现过度氧化现象。第30页/共81页第三十页，共82页。§5.3

含铬氧化物§

5.3.2

氯铬酸、铬酸、重铬酸及其盐

PCC（氯铬酸吡啶盐）特点：（1）制备容易，不易潮解，将醇氧化成相应的醛酮；（2）氧化能力强于Collins试剂，加入分子筛可提高反应速度。第31页/共81页第三十一页，共82页。§5.3

含铬氧化物

PCC（氯铬酸吡啶盐）应用：（1）能氧化有位阻的醇为酮第32页/共81页第三十二页，共82页。§5.3

含铬氧化物

PCC（氯铬酸吡啶盐）应用：（2）烯丙醇的氧化可能导致双键移动重排反应第33页/共81页第三十三页，共82页。§5.3

含铬氧化物

PCC（氯铬酸吡啶盐）应用：（3）氧化烯丙亚甲基为羰基第34页/共81页第三十四页，共82页。§5.3

含铬氧化物§

5.3.2

氯铬酸、铬酸、重铬酸及其盐

PDC（重铬酸吡啶盐）特点：（1）通常在无水溶剂中使用，比PCC和Collins试剂更中性，适合于含有对酸敏感底物的氧化；（2）伯醇无过度氧化，烯丙醇类双键无异构化，比Collins试剂氧化性强。第35页/共81页第三十五页，共82页。§5.3

含铬氧化物

PDC（重氯铬酸吡啶盐）应用：在CH2Cl2悬浮液中，PDC表现为温和的选择性的氧化剂，伯仲醇、炔丙醇类、烯丙醇类均氧化成相应的醛酮。加入分子筛可加快反应速率，并保持选择性，常用于糖类衍生物的合成。第36页/共81页第三十六页，共82页。§5.3

含铬氧化物

PDC（重氯铬酸吡啶盐）活性：炔丙醇、烯丙醇>饱和醇第37页/共81页第三十七页，共82页。§5.4

含氮氧化物§

5.4.1

硝酸NO3-+2H++e-

⇋

NO2+H2OE=0.80VNO3-+4H++3e-

⇋

NO+2H2OE=0.96V

浓硝酸：

稀硝酸：

氧化性：稀硝酸>浓硝酸第38页/共81页第三十八页，共82页。§5.4

含氮氧化物§

5.4.1

硝酸应用：（1）硝酸常用来氧化芳环或杂环的侧链生成羧酸；（2）氧化醇类成相应的酸或酮；（3）氧化活性亚甲基成酮；（4）氧化氢醌成醌；（5）氧化亚硝基化合物成硝基化合物。第39页/共81页第三十九页，共82页。§5.4

含氮氧化物§

5.4.1

硝酸优点：硝酸转化成氧化氮气体，反应液无残渣，分离提纯氧化产品较容易。缺点：（1）选择性差；（2）容易引起硝化或酯化等副反应；（3）对铁质设备的腐蚀性很强。第40页/共81页第四十页，共82页。§5.4

含氮氧化物§

5.4.1

硝酸加入催化剂量的铁盐、钒酸盐、钼酸盐、亚硝酸盐等可加强硝酸的氧化能力。仲醇氧化生成酮，当酮存在

-H时易通过烯醇化使产物复杂，只有生成的酮无

-H时，反应才有意义。第41页/共81页第四十一页，共82页。§5.4

含氮氧化物§

5.4.2

N-甲基吗啉氮氧化物特点：（1）是一种温和的氧化剂，主要用作共氧化剂，与OsO4共同使用，可避免大量使用价格昂贵且毒性极高的OsO4；（2）使烯丙醇的双键断裂生成顺式邻二醇。第42页/共81页第四十二页，共82页。§5.4

含氮氧化物§

5.4.3

2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧化物特点：（1）是一种稳定自由基氧化剂，作为共氧化剂使用，催化剂量即可；（2）适合常温或低温反应，高温可致其分解;

（3）氧化伯、仲醇为醛酮，底物立体化学不变。第43页/共81页第四十三页，共82页。§5.5

过氧化物最常用的过氧化物氧化剂是过氧化氢，有机过氧化物包括过氧醇、过氧酸，如：过氧叔丁醇、间氯过氧苯甲酸。第44页/共81页第四十四页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.1

过氧化氢过氧化氢俗称双氧水，是一种弱酸性的、温和的氧化剂。市售为30%的H2O2，作为高能燃料有70%、90%。特点：（1）是一种环保型的氧化剂；（2）含氧量高；（3）在酸性、中性或碱性介质中均可使用；（4）双氧水不稳定，只能在低温下使用，限制了它的使用范围。在工业生产中，主要用于制备有机过氧化合物和环氧化合物。第45页/共81页第四十五页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.1

过氧化氢

烯烃环氧化：碱性条件下选择性氧化α,β-不饱和醛酮或硝基、砜等缺电子的烯烃的双键生成环氧化物---制备环氧化物的常用方法。

第46页/共81页第四十六页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.1

过氧化氢如异佛尔酮在NaOH甲醇溶液中与H2O2作用，生成异佛尔酮环氧化合物。第47页/共81页第四十七页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.1

过氧化氢

烯烃的二羟基化：过氧化氢异裂成OH-和OH+，后者为亲电氧化剂。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，所得环氧产物遇酸开环，生成反式邻二醇。第48页/共81页第四十八页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.1

过氧化氢第49页/共81页第四十九页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.2

过氧叔丁醇（TBHP）

醇的过氧化物常用的是叔醇过氧化物，伯醇、仲醇的过氧化物易于重排分解。醇的过氧化物易溶于有机溶剂，比过氧化氢稳定且易于处理。

过氧叔丁醇是常用的有机醇类过氧化物氧化剂，生成环氧化物是TBHP的重要应用。第50页/共81页第五十页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.2

过氧叔丁醇（TBHP）环氧化反应中取代基较多的双键比取代基少的更易反应。富电子的双键比缺电子的双键易反应。第51页/共81页第五十一页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.2

过氧叔丁醇（TBHP）在碱性条件下，TBHP可氧化烯烃为邻二醇，该方法优于OsO4法，产率高，无过度氧化现象。第52页/共81页第五十二页，共82页。§5.5

过氧化物通式：RCOOOH

过氧甲酸、过氧乙酸、过氧苯甲酸、间氯过氧苯甲酸。氧化能力最强的为过氧三氟乙酸（CF3COOOH），间氯过氧苯甲酸最稳定。制备------羧酸或酸酐与过氧化氢反应第53页/共81页第五十三页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.3

间氯过氧苯甲酸（m-CPBA）（1）烯烃环氧化影响反应选择性的因素：a.双键上的取代基过氧羧酸与烯烃环氧化反应是亲电反应，双键上烃基取代越多，越易反应，从立体位阻小的一侧进攻。第54页/共81页第五十四页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.3

间氯过氧苯甲酸（m-CPBA）（1）烯烃环氧化影响反应选择性的因素：b.溶剂的影响溶剂产物分布CCl475:25C6H680:20CH2Cl2/CHCl383:17第55页/共81页第五十五页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.3

间氯过氧苯甲酸（m-CPBA）（2）Baeyer-Villiger（拜耳-菲林格）反应m-CPBA将酮氧化为酯的反应第56页/共81页第五十六页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.3

间氯过氧苯甲酸（m-CPBA）（2）Baeyer-Villiger（拜耳-菲林格）反应对于不对称酮，基团的亲核性越大，越易迁移，迁移难易顺序：3°R>2°R

≈苄基>环己基>1°R>甲苯基/对甲氧基苯基>苯基>对硝基苯基第57页/共81页第五十七页，共82页。§5.5

过氧化物§

5.5.3

间氯过氧苯甲酸（m-CPBA）（2）Baeyer-Villiger（拜耳-菲林格）反应第58页/共81页第五十八页，共82页。§5.6

含硫氧化剂§

5.6.1

过硫酸氢钾主要成份：过硫酸氢钾、硫酸氢钾、硫酸钾的混合物，可在芳环上引入磺酸基，水解后生成羟基，此类反应称为Elbs过硫酸氧化，主要在对位发生，如对位被占则生成邻位产物。第59页/共81页第五十九页，共82页。§5.6

含硫氧化剂§

5.6.2

二甲基亚砜（1）氧化α-卤代化合物------醛、酮（2）氧化伯醇、仲醇------醛、酮第60页/共81页第六十页，共82页。§5.6

含硫氧化剂§

5.6.2

二甲基亚砜（1）氧化α-卤代化合物------醛、酮在碱性条件下，单独使用DMSO可氧化α-卤代羧酸酯、α-卤代羧酸、卤代苯乙酮、卤代苄、碘代烷烃等活性卤代物，生成相应的醛、酮。常用的碱有碳酸氢钠、2,6-二甲基吡啶、三乙胺等。第61页/共81页第六十一页，共82页。§5.6

含硫氧化剂§

5.6.2

二甲基亚砜（1）氧化α-卤代化合物------醛、酮第62页/共81页第六十二页，共82页。§5.6

含硫氧化剂§

5.6.2

二甲基亚砜（2）氧化伯醇、仲醇------醛、酮反应条件温和，产率高，分离产物方便，产品纯度高，选择性好。在酸、碱或某些活化剂存在下能顺利将伯醇、仲醇分别氧化成醛、酮二环己基碳二亚胺（DCC）、乙酸酐、草酰氯常用作活化剂二甲亚砜与水互溶，使用前必须先脱水第63页/共81页第六十三页，共82页。§5.6

含硫氧化剂§

5.6.2

二甲基亚砜（2）氧化伯醇、仲醇------醛、酮DMSO/DCC可高选择性的氧化伯醇、仲醇为相应的醛、酮，而不影响分子中的不饱和碳碳键、氨基、酯基等，不能氧化叔醇，此反应称为Pfitzner-Moffatt氧化法。第64页/共81页第六十四页，共82页。§5.6

含硫氧化剂§

5.6.2

二甲基亚砜（2）氧化伯醇、仲醇------醛、酮

反应机理可能为：使用DCC会生成副产物脲，脲在DMSO中的溶解度大，给分离纯化带来了困难。第65页/共81页第六十五页，共82页。§5.6

含硫氧化剂§

5.6.2

二甲基亚砜（2）氧化伯醇、仲醇------醛、酮第66页/共81页第六十六页，共82页。§5.6

含硫氧化剂§

5.6.2

二甲基亚砜（2）氧化伯醇、仲醇------醛、酮DMSO/Ac2O，用Ac2O代替DCC可以减少由于副产物脲带来的分离困难，适用于环上位阻较大的a-键羟基。

对于低活性的底物可加入强碱DBU（1,8-二氮杂双环十一碳-7-烯）提高反应产率。第67页/共81页第六十七页，共82页。§5.6

含硫氧化剂§

5.6.2

二甲基亚砜（2）氧化伯醇、仲醇------醛、酮

DMSO/(COCl)2组合成的氧化剂发生的氧化反应称为Swern氧化。对于有立体位阻差异的邻二醇，Swern氧化反应优先发生在立体位阻小的一侧，同时没有断裂氧化产物。第68页/共81页第六十八页，共82页。§5.6

含硫氧化剂§

5.6.2

二甲基亚砜（2）氧化伯醇、仲醇------醛、酮Swern氧化剂制备时需注意：（1）制备前必须将DMSO无水处理，草酰氯也必须在

惰性气体中重蒸；（2）反应在低温进行，室温下DMSO与草酰氯可能发生爆炸反应；（3）在较低温度下加入原料醇和碱之后，可升至室温进行氧化反应。第69页/共81页第六十九页，共82页。§5.7

高价碘氧化物§

5.7.1

高碘酸高碘酸是强烈的氧化剂，能将下列化合物：断裂氧化为羰基和羧基化合物，这些反应称为Malaprade反应。第70页/共81页第七十页，共82页。如何推断这些化合物被HIO4氧化所得的产物结构？第71页/共81页第七十一页，共82页。§5.7

高价碘氧化物§

5.7.1

高碘酸第72页/共81页第七十二页，共82页。§5.7

高价碘氧化物§

5.7.1

高碘酸