有机合成课件第六章

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1、第六章 还原反应 （reduction）,一、概述 为精细有机合成化学中最广泛应用的单元反应之一。 与氧化反应相反：氧原子减少，氢原子增加，两者兼有。,氧原子减少,氢原子增加,两者兼有,特点：较氧化反应易于控制。 类型： （1）活泼金属Fe/HCl， Zn/HOAc，Na/ROH, Zn-Hg/HCl，Na-Hg/EtOH等 （2）低价元素的化合物 Na2S2O4, NaS, FeCl2, SnCl2, TiCl3, TiCl2等 （3）金属氢化物 NaBH4, LiAlH4, （4）催化加氢 Pd, Pt, Ni, /H2. (5) 有机金属还原剂: 异丙醇铝，叔丁醇铝，甲醛，葡萄糖。 （6

2、）非金属：Me2S， Ph3P,二、催化氢化（加氢反应） （一）概念：属间接还原，通过催化剂的协助还原底物（烯烃，炔烃，羰基化合物等）,多相催化剂 过渡金属吸附在催化剂的表面 催化剂：Pd, Pt, Ni, Raney Ni，PtO2，Rh等， 活性：PdRhPtNiRu 载体: 活性炭, 氧化铝, 氧化硅 溶剂: EtOH, EtOAc, Et2O, hexanes, etc. 底物在金属表面的吸附能力：炔烃双烯烃烯烃烷烃,均相催化剂 (R3P)3RhCl,多相催化 :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。,1机理,催化氢化 Hydrogenation,2.

3、类型,催化氢解 Hydrogenolysis,均相催化 Heterogenous,多相催化 Homogenous,氢化 (Hydrogenation)：使碳-碳，碳-氧，碳-氮等重键加氢。,氢解 (Hydrogenolysis) :在催化氢化的条件下，底物分子被化验裂解成两个或两个以上的小分子的反应。使一些单键发生裂解：如卤代物，苄醇类，苄胺类，酰卤类的氢解和脱硫、酯的酯解等 .,高压氢化 100300atm, 100300oC,低压或常压氢化 14atm,0100oC,P, 压力：即为压强，kg/cm2, psi-pounds per square inch 1pound=0.453kg,

4、1inch=2.54cm, 1psi=0.07kg/cm2. 1atm=1.0332kg/cm2.,立体化学： 在环状烯烃化合物中，主要生产顺式产物。因为不饱和化合物分子以空间效益较小的一面吸附到催化剂表面，与吸附在催化剂表面的清进行顺式加成。,高 RCOCl RCHO RCH2NO2 RCH2NH2 RCH=CHR（Z，cis） 氢化 RCH=CHR RCH2CH2R RCHO RCH2OH RCOR RCHOHR ArCH2X ArCH3 氢解 低 RCO2R RCH2OH + ROH RCONHR RCH2NHR,RCH2NH2,（二）加氢反应活性,炔烃的加氢,顺式加氢 Lindlar

5、催化剂：Pd/CaCO3， 喹啉 反式加氢 Na， 液氨,炔烃 + H2 Lindlar Catalyst ( Pd/ BaSO4/ quinoline) 烯烃 部分毒化用于还原反应活性高的官能团 cis olefins (Lindlar Reduction) 酰氯+ H2, Pd/BaSO4 醛 (Rosemund Reduction) Org. Rxn. 1948, 4, 362,烯，炔同时存在，还原到停留在烯的一步。,(三) 不同催化剂催化氢化反应 1装置： （1）常压或低压氢化反应装置,（2）低压或高压加氢反应装置：,2催化剂 （1）Raney Nickel兰尼镍 a.加氢催化： 可还

6、原烯烃，NO2化合物，CN， C=N-OH, 羰基，芳基，卤代烃 制备：铝镍合金（1：1）溶于600mL10%NaOH水溶液中，9095oC0.5h加完，搅拌1h,滗出液体，水洗，乙醇洗，始终有液体覆盖，酒精中保存，冰箱中保存三个月。S, P, As, Bi可使之中毒。 Raney Ni通常不加载体。,b.脱硫,（2）铂催化剂 活性很强 可以还原除了酯、羧酸和酰胺外，各种不饱和基团均可被还原。如：醛酮、腈、硝基化合物，还原氨化反应等。反应通常可在较低温度和较低氢气压力下反应。,铂黑、铂炭、二氧化铂等。,二氧化铂催化剂的制备: 在一小烧杯中放3.5克铂氯酸和10毫开水加入纯硝酸钠，用小火蒸发至干

7、。加大火焰，十分钟内温度升到350370oC，到十五分钟，反应物熔融产生气体。温度升到400oC后，气体发生渐慢，在二十分钟时，温度升到500550oC，这时气体放出比较温和。在这温度维持到三十分钟。冷却，用50毫升水处理，放置倾去水液，留下棕色沉淀，再用水洗几次滤过，用水洗到无硝酸根离子在干燥器中干燥，得催化剂1.571.6克。,比较最常用的是二氧化铂（PtO2），（Adams catalyst）, 在使用时被还原成铂。,载体铂催化剂：Pt/C 酸能促进铂的催化氢化。 缺点：价格昂贵。,（3）钯催化剂 对烯烃、炔烃加氢活性高，还原酮、腈、硝基化合物，还原氨化反应等，氢解活性也很强。 为最常用

8、的催化剂之一， 可制成氧化钯、钯黑和载体钯（Pd/C）,钯碳催化剂(10)的制备 在200ml烧杯中加入5.0氯化钯，65ml水和8.8mL浓盐酸，加热助溶。呈棕色溶液，待用。在1000ml三口瓶中放人250g粉状活性碳(化学纯)和200mL水。加热煮沸15 min。在搅拌下加入上述棕色氯化钯溶液。在剧烈搅拌下，维持温度在9095oC之间，徐徐加入22m1甲醛(40)。加毕，继续搅拌15min。然后冷却到20oC以下，在搅拌下慢慢加入30氢氧化钾水溶液，使反应混合液的pH=56。再搅拌20mL 过滤，水洗二、三次，转移到烧杯中，用5%硝酸浸泡过夜，或更长时间。过滤，水洗至中性，取出干燥，密闭保

9、存，待用。,钯硫酸钡催化剂，Pd，BaSO4(5%钯/BaSO4)的制备 8.2克氯化钯溶在20毫升浓盐酸和50毫升水中另溶126.2克氢氧化钡八水合物于1.2升水中，加热在80oC快速搅拌一次加入120毫升6N硫酸，井继续加入硫酸直到溶液呈酸性在搅拌中加入上面的氯化钯溶液和8毫升37%甲醛水溶液，并用30氢氧化钠溶液中和使反应物对石蕊纸呈碱性继续搅拌五分钟，放置使催化剂下沉倾去上层清液，加入水到原有体积，再快速搅拌，放置，倾泻如是重复八到十次最后用直径90毫米中等细度的砂芯漏斗过滤，并用250毫升水分五次洗涤最后一次尽量吸千在烘箱中烘干，重9398克，磨细，在紧塞玻瓶中保存。,小结： 烯、炔

10、：常压或低压，H2，Ni，Pd，Pt 醛、酮H2，Ni、加热，加压 酸、酯 高温，高压，Ni，Pd，Pt 200oC 酰胺，腈NiRh, 500-100oC, 高压 酰卤Pd/BaSO4 NO2 常压，Pd，Ni，Pt NOH, NH室温14atm Ar10-20Mpa,100-200oC,三、直接还原 （一）碱金属的还原作用： 碱金属：外层电子具有“亲核试剂”的性质，对缺电子的部位进行亲核加成。,1Na，醇 （1）将酯还原为相应的醇,（2）将肟还原成相应的胺,（3）萘的还原,（4）杂环,2Na/非质子溶剂 制环状a-羟基酮,3Mg， MgHg，MgZn,4Birch还原 Li， Na， K，

11、 NH3（l） （1）还原芳环,（2）炔烃 得到反式烯烃,（二）其它金属 1Fe, HCl(30%),2. Sn, HCl,3.Zn-Hg, 浓盐酸， Clemmensen 还原 Organic Reactions 1975, 22, 401 Comprehensive Organic Synthesis 1991, vol 8, 307. 还原酮到饱和烷烃,4. Wolff-Kishner Reduction Organic Reactions 1948, 4, 378 Comprehensive Organic Synthesis 1991, vol. 8, 327. 还原酮到饱和烷烃,（

12、三）金属氢化物的还原 Aluminium Hydrides 1. LiAlH4 2. AlH3 3. Li (tBuO)3AlH 4. (iBu)2AlH DIBAL-H 5. Na (MeOCH2CH2O)2AlH2 REDAL,1LiAlH4 Lithium Aluminium Hydride- LiAlH4 (LAH) Chem. Rev. 1986, 86, 763 Org. Rxn. 1951, 6, 469. 很强的还原剂 悬浮在ether or THF中 可还原羰基，羧基，酰氯，酸酐和酯基到醇。 还原硝基，酰胺,肟，亚胺，重氮化合物和芳香族硝基化合物到胺 对环氧化合物开环 还原

13、C-X 键到 C-H 还原炔基醇到 反式烯丙醇,还原活性从高到低： CO COOR CN CONR2 C-NO2 CHBr CH2OSO2Ar,制备：,遇水分解：,（1）用1M氢化铝锂溶液进行还原时很方便 （2）用较少量溶剂和粉状铝氢化锂混合成稀糊状直接应用 此时要注意氢化铝锂用量，至少要过量10，以保证有足够的纯LiAlH4进行反应在特殊的情况下有时甚至过量24倍，才能使反应进行完全。 反应完毕后，首先要破坏掉过量的铝氢化锂可以加入含水乙醚，乙醇一乙醚，乙醇， 或直接加水(小心!)但由于这些方法都产生大量氢气，必需注意安全!如果要避免氢气 的发生，可用醋酸乙酯来分解过量的氢化铝锂,反应机理：

14、,立体化学： 受甲基的位阻影响，使H的进攻比较容易从内侧进行：,氢化锂铝还原羰基的重要特征之一是非对映选择性。当与羰基直接相连的取代基是手性基团，通常用氢化锂铝还原羰基时负氢离子加到立体位阻较小的一面。,Cram规则：,如果与羰基直接相连的取代基是可旋转手性基团，视手性碳原子所连接的基团的大小差别，其中在一面进攻占优势，产生不对称还原。反应的主要产物可由Cram规则预测。例如3苯基戊2酮经氢化锂铝还原，优势产物是苏式的醇。,羰基化合物的a-碳连有极性基团，则不遵守Cram规则。例如。a-卤代酮进行反应时，由于卤原子与羰基的氧原于静电相斥作用超过立体效应，因此卤原子与羰基的氧处于反式有利。此时，

15、负氢优先进攻其余两个基团中较小的一边。,a羟基或 a氨基取代酮与氢化锂铝反应时，由于金属与相邻两个带孤对电子的原子的螯合形成一个固定的环状中间体，负氢由位阻较小的一边进功赤式构型为优势产物。,4叔丁基环己酮与氢化锂铝反应，优势产物是比较稳定的e键醇。反应起主导作用的是加成过程中CO键与两个相邻碳原子上e-键CH键之间的位阻。当负氢由e键方向进攻，则CO键转变成a键的过程中会与两个e键的CH键重叠，能量上不利；而由a键进攻时，则CO键与两个e键的C-H键距离逐渐增加，能量上有利。则优先生成e键醇。,还原醛,还原酮,还原醌类化合物,还原缩酮,还原羧酸及其衍生物： 还原酸：比酯难，多消耗0.75mol的氢化铝锂，酯消耗0.5mol的氢化铝锂.,还原酸酐：,还原酸酐：,还原酯：,还原内酯：,还原酰氯:,还原酰胺：,还原内酰胺：,还原腈：,还原环氧化合物：负氢离子进攻位阻小的一边。,还原硝基化合物：,还原肟：,还原亚胺：,还原卤代烷：,60,还原磺酸酯：可切断CO键，使醇脱氧。,2. Li (tBuO)3AlH Lithium Tri(t-Butoxy)aluminium Hydride Li+ (tBuO)3AlH 位阻较大，可选择性还原位阻小的一边。,3. (iBu)2AlH Diisobutyl Aluminium Hydride DIBAL 或 DIBAL-H,