第九章氧化反应

第九章氧化反应与氧化剂氧化，构建高氧化度官能团的方法概述氧化反应是化学中最常见的反应之一，也是在化合物中引入氧的最常用方法氧化反应可以按照氧化剂进行分类研究，也可以按照底物分类研究一般认为，有机化学中的氧化反应包括如下三类：氧对底物的加成即加氧反应底物氢的失去即脱氢反应底物失去电子，如酚氧负离子变为自由基9.1醇的氧化醇被不同的氧化剂氧化可以得到不同的产物（如醛酮、邻二醇及羧酸等），本章主要研究部分氧化的反应氧化的方法主要包括两类，氧化剂直接氧化法和负载氧化剂氧化法实验室中主要是使用氧化剂直接氧化法铬氧化剂是其中最为常用的一类氧化剂9.1醇的氧化一、铬氧化剂：主要包括两大类：铬酐（CrO3）和重铬酸盐（M2Cr2O7）。铬酐较常应用，其氧化能力与溶剂等密切相关铬酐即三氧化铬，墨绿色粉末，溶于水生成六价的铬酸，常用铬酸-硫酸溶液，其氧化机理为：铬酸酯9.1醇的氧化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9.1醇的氧化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。9.1醇的氧化改善氧化条件：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，保存时防止吸湿重铬酸盐：重铬酸盐的氧化能力很强，伯醇一般被氧化为酸，仲醇则氧化为酮这种强氧化作用使得该类氧化剂应用较少9.1醇的氧化9.1醇的氧化二、二氧化锰：新制备的MnO2氧化活性高，是氧化醇至醛酮的温和氧化剂，特别适合氧化烯丙醇和苄醇，不影响碳碳重键碱性下高锰酸钾与硫酸锰得到二氧化锰，固体直接加入醇的溶液中搅拌即可得到产物醛酮底物的反应活性不同，伯醇强于仲醇，这种特点使得可以进行选择性氧化，烯丙基伯醇氧化成醛酮时一般不会进一步氧化9.1醇的氧化三、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：伯醇或仲醇在室温下用二甲亚砜，DCC（二环已基碳化二亚胺）及磷酸进行处理，可得到相应的醛或酮好处：不需加热，不会过度氧化反应中叔醇等基团不受影响选择合适的活化剂可以改变反应点9.1醇的氧化四、高碘酸酯与高碘酸：高碘酸酯是中性条件下氧化醇为醛酮的氧化剂，也称为Dess-Martin（戴斯－马丁）高碘酸酯氧化反应氧化剂制备：邻碘苯甲酸与溴酸钾在硫酸中反应后再与乙酸-乙酸酐共热好处：反应效果良好，对其他官能团无损害邻二醇类则可以通过高碘酸反应制备断裂碳碳键的两个醛类化合物9.1醇的氧化五、Oppenauer（欧芬脑尔）氧化：仲醇在烷氧基铝和丙酮作用下,氧化成为相应的酮，同时丙酮还原为异丙醇。铝盐常用异丙醇铝，反应中丙酮起氧化剂作用R3=R4=Me丙酮9.1醇的氧化优点：特别适合于共轭不饱和醛酮的合成缺点：双键迁移：对非共轭的不饱和醇，反应时可能会重排成共轭不饱和醛酮，例如：羟醛缩合副反应：伯醇氧化得醛后，烷氧基下容易发生碱性缩合9.1醇的氧化六、其他使用的氧化剂：亚硝酸钠-乙酸酐：该体系在无溶剂下温和反应，氧化伯醇为醛，反应快，选择性好NMO氧化剂：N-吗啉-N-氧化物，与不同的金属可以组成不同的氧化剂。常用钌盐作为金属提供者铂催化氧化：可以控制反应时间或压力等外部条件得到醛酮或羧酸，伯醇反应快于仲醇9.1醇的氧化负载下的氧化剂氧化：负载氧化是工业上最常用的氧化方法，好处有：操作简单，反应快速、完全，环境友好相对于普通氧化，氧化活性和选择性更高负载氧化一般将氧化剂（常用高价金属阳离子）附着于具有大表面积的支撑物（如硅胶和树脂等）上，实现氧化和再生9.2碳碳双键的氧化氧化剂对碳碳双键的氧化可以得到部分氧化的环氧化合物、邻二醇化合物及完全氧化的断键酮、羧酸等完全氧化的意义稍小，本章主要研究部分氧化部分氧化除生成环氧、邻二醇外，还能在光照下得到过氧化物。另外，利用钯催化，端基烯烃可以生成良好产率的醛9.2碳碳双键的氧化一、双键的环氧化反应：利用取代过氧化氢的氧化，双键可变为环氧化合物，常使用过氧酸和烷基过氧化氢为氧化剂过氧酸的氧化能力取决于取代基的吸电子能力：过氧化氢水溶液也能发生类似反应，但速度较慢，常用V2O5，WO3等催化反应环氧化反应氧化剂的制备：过氧化氢和间氯过氧苯甲酸有市售试剂，其他过氧酸需用羧酸或酸酐与过氧化氢现场制备过氧酸不稳定，易发生危险。过氧化氢水溶液和间氯过氧苯甲酸较稳定可长时间储存m-CPBA间氯过氧苯甲酸环氧化反应的选择性：控制条件，过氧化氢仅氧化不饱和醛酮的碳碳双键，羰基不受影响：普通双键与共轭双键并存，首先氧化共轭双键香叶醛反应是亲核加成过程：问题：存在多个双键的烯烃，环氧化反应首先在哪个双键上进行？过氧化物的氧化属亲电反应富电子的、供电子取代较多的双键优先氧化反应的选择性亲电的氧化反应过程：反应举例：过氧酸的使用注意：过氧酸易发生分解，除m-CPBA外都需现配酸性过强易导致环氧产物发生开环副反应，无水体系可降低副反应的发生UPH（过氧化氢-脲氧化剂）：通过脲在过氧化氢水溶液中结晶制得，反应与过氧羧酸相似二、双键的双羟基化反应：1、KMnO4：使用稀、冷高锰酸钾等氧化剂可氧化得邻二醇类产物。氧化历程如下：KMnO4较少用于邻二醇，主要适于邻羟基酮和邻二酮的合成：含微量乙酸的丙酮中得邻羟基酮2、OsO4：四氧化锇是氧化双键为邻二醇的良好试剂与KMnO4类似，得顺式邻二醇乙酸酐中反应得到邻二酮常用共氧化试剂——催化量OsO4与H2O2或氯酸盐等氧化试剂共同使用：OsO4首先进攻位阻小的碳中心，随后其他氧化剂将生成的Os2+离子氧化为OsO4，反应循环进行原因：毒性和价格因素三、碳碳双键臭氧化反应：臭氧能氧化碳碳双键得臭氧化产物，产物加入锌粉还原可得醛或酮，强还原剂则得醇臭氧化产物除还原外还能水解和氧化得酮或酸氧化臭氧化首先在富电子的双键上反应，与过氧化物的氧化机理相同，例如：臭氧化反应装置：O2高压电铝箔接地通入反应器四、Prevost试剂的氧化：Prevost试剂（碘－碳酸银或碘－苯甲酸银）也是良好的氧化双键的试剂，产物为二醇的酯无水条件得到反式，有水条件得到顺式五、双键的催化氧化：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9.3碳-碳键的断裂氧化碳碳键的断裂氧化是通过剧烈条件下的强氧化剂进行的，这些强氧化剂对于部分其他官能团具有破坏性一、高锰酸钾高锰酸钾是最常使用的断键氧化剂，浓高锰酸钾溶液在各种pH条件下均有强氧化作用双键被氧化断裂成酮或羧酸，三键则生成两个羧酸高锰酸钾氧化的氧化三键的例子：仅使用高锰酸钾的缺陷：不易控制条件，选择性差消耗大，废弃物多改进：催化量KMnO4与高碘酸混合，称为Lemieux-vonRudloff（勒米厄-冯·鲁德洛夫）试剂改进避免了高锰酸钾的过量存在，副反应少反应中，高锰酸钾首先氧化底物，而高碘酸使KMnO4重生实现循环二、四氧化锇：OsO4－NaIO4体系能温和氧化双键成醛酮三、四氧化钌：与四氧化锇相似，四氧化钌本身氧化较弱，但与高碘酸钠结合则氧化能力加强，氧化含氢双键得到羧酸四、四乙酸铅：四乙酸铅能氧化断裂邻二醇、邻羟基酮、邻羟基酸等成为酮或醛，氧化时不影响双键，属温和氧化剂氧化经五元环状过渡态，故顺式二醇速度快于反式二醇，如：五、高碘酸：高碘酸（或其盐的水溶液）可裂解邻二醇为醛或酮，反应类似稀高锰酸钾的反应，形成环状高碘酸酯，顺式邻二醇速度快与邻二醇过程相似，高碘酸对邻羟基酮、邻羟基酸等氧化得到醛酮，对邻二酮的裂解生成羧酸9.4酮的氧化一、Baeyer-Villiger（拜耳-维立格）氧化：过氧酸氧化酮类化合物为酯的反应，反应实质是将羰基碳原子周围的一个C-C键中插入一个氧，从而得到断裂一个C-C键，形成两个C-O键的酯类产物，反应插入一个氧后停止反应“O”插入反应哪一侧是个问题酸催化下的氧化机理R向缺电子中心的迁移是反应的关键缺电子中心催化剂区别：酸催化：过氧酸的羟基进攻碱催化：过氧化氢的氧负离子进攻反应中的异构：历程中的烃基迁移是关键。迁移规律是：取代基多的基团易迁移反应中存在的问题其他特点：氧化对手性基团保持不变，即手性基团迁移是整体转移，不会发生构型翻转不饱和醛酮的氧化中高活性过氧酸和强酸性适合酮的氧化，惰性溶剂稀释和低温条件则得环氧产物：Baeyer-Villiger氧化的应用

——酯类（内酯）的合成利于酯类尤其内酯的合成二、α-苯硒基羰基化合物转化：酮可以通过α-苯硒基羰基化合物转化为α,β-不饱和酮化合物，该方法产率高，不影响敏感官能团α-苯硒基羰基化合物由羰基化合物与苯基氯化硒制备三、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β－酮基硒酸9.5C-H键氧化碳氢键断裂是另外一种重要的氧化反应，是在烃类化合物中引入氧基团的有效方法最常使用的是氧化得到C-O、C=O基团的反应，分别得到醇、醛酮、酸等KMnO4、CrO3、SeO2等均为良好的氧化剂，其中SeO2的选择性高：一、高锰酸钾：高锰酸钾氧化苯环侧链，C-H得到苯甲酸，特殊条件也能得到醛酮：反应通常在碱性水溶液中反应，结束后过滤，酸化即得产品二、Cr氧化剂类似于醇的氧化，Cr氧化剂（包括重铬酸盐、铬酐和铬酰氯等）可以氧化C-H为醛酮1、铬酰氯：由铬酐与氯化氢制备，铬酰氯复合物具有爆炸性可将苯甲基变为苯甲醛，称为Etard氧化反应。芳环有多个甲基，仅氧化一个甲基。反应收率高2、铬酐－乙酐乙酸酐中加入铬酐－硫酸可