有機(jī)合成 第十章 還原反應(yīng)

第十章還原反應(yīng)還原，氧化反應(yīng)的逆過程，降低官能團(tuán)氧化度的方法有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)還原反應(yīng)概述還原反應(yīng)就是有機(jī)分子中除去氧或得到氫的反應(yīng)，現(xiàn)在將得到電子的反應(yīng)通稱為還原反應(yīng)還原反應(yīng)一般分為兩類，催化加氫和化學(xué)法還原，兩類反應(yīng)在很多情況下可得相同產(chǎn)物還原反應(yīng)的困難在于選擇性還原特定基團(tuán)本章主要介紹對不飽和鍵的還原，如碳碳雙鍵、羰基等有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)10.1催化加氫催化加氫是指在催化劑（均相或非均相）存在下對底物進(jìn)行的加氫反應(yīng)這是還原反應(yīng)中最為簡便的方法之一選擇合適的催化劑是實現(xiàn)選擇性加氫的關(guān)鍵催化劑選擇的特點：越活潑選擇性越差，具有選擇性的催化劑活性都較低催化活性受負(fù)載物等外部條件影響催化加氫的關(guān)鍵是了解各催化劑的使用范圍有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)10.1.1異相催化氫化一、常見的催化劑：RaneyNi：用NaOH溶去鎳鋁合金中的Al，洗滌后的殘余物為RaneyNi催化劑，主要含Ni、Al(1～8%）及少量NiO和Al2O3水合物。類似海綿狀的微粒，總表面積為50～130m2/g。LindlarPd：將單質(zhì)鈀負(fù)載于CaCO3上，然后使用醋酸鉛毒化，或者使用BaSO4為負(fù)載物，使用喹啉毒化處理有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)催化劑的還原同樣的鈀催化劑，活性炭負(fù)載時催化活性高，硫酸鋇負(fù)載時活性低；一般而言，同一催化劑的表面積越大，活性越高二、金屬催化劑的催化機(jī)理一般認(rèn)為：金屬催化劑的催化是通過同時吸附氫氣和不飽和鍵，生成的活潑氫原子從同側(cè)進(jìn)攻削弱的不飽和鍵，因此加氫是順式的，且從位阻較小的方向進(jìn)攻為主有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)三、各官能團(tuán)的還原：碳碳重鍵可通過選擇催化劑分別得到烷或烯羰基一般還原為醇，用單質(zhì)鈀催化則能得烴同時存在雙鍵和羰基時，需選擇特殊催化劑以還原特定基團(tuán)，如鈀還原雙鍵，鋨則還原羰基通過控制條件可以使α,β-不飽和酮變?yōu)轱柡屯趸螂娴群倌軋F(tuán)可以在不同催化劑條件下得到氨基有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)各官能團(tuán)的還原烯烴催化還原的特點為：取代基越多，越難加氫，其穩(wěn)定性如下：反式比順式烯烴穩(wěn)定，乙炔加氫活性高于乙烯鈀和銠（Pd,Rh）最常用，優(yōu)先還原碳碳雙鍵R2C=CR2>R2C=CHR>R2C=CH2>RCH=CH2>CH2=CH2有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)炔烴的催化還原：Pd、Pt、RaneyNi等催化劑都還原得到烷烴LindlarPd等催化劑可還原三鍵為順式烯烴，不還原羰基有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)羰基的催化還原：不同催化劑得到不同的產(chǎn)物：羰基和雙鍵的選擇性還原需注意條件：有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)二、催化氫解底物分子催化下加氫變?yōu)閮蓚€或更多分子的還原過程。常用于被保護(hù)基團(tuán)的去保護(hù)，如芐酯、芐醚等的芐基可以被Pd-C催化加氫而除去，從而用于羥基的保護(hù)－去保護(hù)方案常用的催化氫解催化劑：Pd－C和RaneyNi最常使用鹵代烴可以通過催化氫解除去，活性為I>Br>Cl>F有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)舉例：有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)10.1.2均相催化氫化均相催化氫化：使用可溶性的催化劑（銠、釕、銥等的磷配位絡(luò)合物，如RhCl2(PPh3)3），使催化劑和底物在同一相中進(jìn)行還原反應(yīng)反應(yīng)可以在較低溫度和較低壓力下進(jìn)行均相催化的好處：避免烯烴異構(gòu)化和氫解等副反應(yīng)還原的選擇性高利用手性配體催化劑，可以實現(xiàn)手性還原有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)一、均相催化機(jī)理：氫分子被吸附在金屬中心上并加成到底物上與非均相催化不同，金屬中心是絡(luò)合物而非單質(zhì)均相催化氫化的機(jī)理均相催化四步循環(huán)：加氫、吸附、加成和脫離有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)RhCl2(PPh3)3的應(yīng)用：選擇性還原端烯避免氫解反應(yīng)有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)10.2溶解金屬還原溶解金屬還原：將活潑金屬（如鋰、鈉、鉀等）加到質(zhì)子性溶劑（如乙醇、乙酸）中進(jìn)行還原的方法稱作溶解金屬還原，該方法具有良好的化學(xué)選擇性及立體選擇性反應(yīng)本質(zhì)是電子對不飽和鍵的加成反應(yīng)涉及的方面主要包括芳環(huán)、羰基、碳碳重鍵的還原目前的研究中，大部分此類反應(yīng)已經(jīng)可以被其他方法代替，但仍具有重要意義有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)一、溶解金屬還原的原理：金屬溶解于質(zhì)子性溶劑而將電子直接轉(zhuǎn)移到底物，隨后底物從溶劑中獲得質(zhì)子完成還原常用的金屬有鋰、鈉、鎂、鋅、鐵等，溶劑有醇、乙酸、液氨、濃鹽酸等反應(yīng)的原理決定加氫是分步的，故必為反式有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)二、芳環(huán)的還原——Birch（伯奇）還原：堿金屬－液氨體系可以還原苯環(huán)為1，4－二烯烴，稱為Birch還原該還原的重要之處在于苯甲醚及苯胺類化合物還原后水解可得環(huán)己烯酮衍生物使用金屬鈣代替堿金屬可以得到相同的還原產(chǎn)物，其安全性和操作性更好有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)伯奇還原生成環(huán)己二烯，雙鍵以供電子基團(tuán)為取代基：有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)三、醛酮的還原溶解金屬法還原酮具有良好的立體選擇性，產(chǎn)物以熱力學(xué)穩(wěn)定異構(gòu)體為主立體選擇性源于反應(yīng)中間體：負(fù)離子自由基的存在，隨后中間體得質(zhì)子形成產(chǎn)物，該過程是熱力學(xué)控制條件負(fù)離子自由基有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)Clemmensen還原：鋅汞齊－濃鹽酸還原醛/酮成為亞甲基的反應(yīng)稱為Clemmensen還原，是重要的還原反應(yīng)有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)Clemmensen還原的缺陷：強(qiáng)酸性條件，底物含對酸敏感基團(tuán)時不能使用Clemmensen還原的改進(jìn)：鋅粉－氯化氫氣體加非質(zhì)子性溶劑（乙醚或乙酐）是溫和的還原體系，可使部分對酸敏感基團(tuán)在還原時保持穩(wěn)定Wolff-Kishiner-黃鳴龍還原:堿性下的還原方法，是Clemmensen還原的替代方案通常采用KOH－二甘醇－水合肼體系加熱回流有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)芐基的裂解：溶解金屬還原可以將芐基醚和芐基胺通過還原裂解的方式還原為甲苯類化合物和相應(yīng)的醇或胺芐基醚的直接還原較為容易，而芐胺的直接還原則較困難，解決的方法是將芐胺先變?yōu)榧句@鹽，還原就可以順利進(jìn)行，該反應(yīng)也稱為Emde（埃姆德）降解反應(yīng)霍夫曼降解：酰胺與次鹵酸鈉的堿溶液作用生成少一個碳的伯胺，羰基被消除生成碳酸鹽，也稱霍夫曼重排R-CONH2+NaOX+2NaOHR-NH2+Na2CO3有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)炔烴的溶解金屬還原：非末端炔烴還可通過溶解金屬法（Na-NH3(L)）還原。反應(yīng)主要生成反式構(gòu)型烯烴，與催化氫化產(chǎn)物相反反應(yīng)歷程：反應(yīng)時炔烴首先得到電子生成負(fù)離子自由基，隨后從溶劑中得到一個質(zhì)子為雙鍵中間體，該中間體反式穩(wěn)定中間體再重復(fù)得電子－加氫生成烯烴反應(yīng)注意：末端炔烴可與金屬形成金屬炔化物（炔氫酸性），阻止了還原的進(jìn)行，所以末端炔烴不能用此法還原有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)能用溶解金屬法還原的其他基團(tuán)：酯基可以被還原為醇，但位阻大的酯不能反應(yīng)，還原體系為鋰或鈉混于液氨-乙醚中鄰二鹵代物可以通過此法還原得到烯烴，金屬需使用鋅或鎂環(huán)氧化合物和環(huán)丙基可以通過此類方法開環(huán)，得到醇或烴氯化物可以通過此類方法脫鹵還原得到烴類，但要防止Wurtz偶聯(lián)的影響有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)10.3負(fù)氫轉(zhuǎn)移還原負(fù)氫是由金屬氫化物等負(fù)氫轉(zhuǎn)移試劑提供的，反應(yīng)中負(fù)氫作為親核體進(jìn)攻被還原底物從而達(dá)到還原目的負(fù)氫轉(zhuǎn)移試劑按照分子結(jié)構(gòu)包括兩類：硼氫化鈉為代表的硼氫化物和四氫鋁鋰為代表的鋁氫化物；按照轉(zhuǎn)移試劑的進(jìn)攻方式可以分為親核性和親電性負(fù)氫轉(zhuǎn)移試劑典型還原劑的制備：硼氫化鈉：氫化鈉+硼酸三甲酯四氫鋁鋰：氫化鋰+無水三氯化鋁有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)10.3.1LiAlH4與NaBH4還原舉例有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)反應(yīng)機(jī)理：親核加成－水解

LiAlH4的反應(yīng)機(jī)理與硼氫化鈉相同，也是親核加成后水解有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)四氫鋁鋰與硼氫化鈉還原總結(jié)：相同點：都是合成中常見的負(fù)氫來源還原劑，都能還原碳氧及碳氮雙鍵，都不還原碳碳雙鍵對羰基的還原機(jī)理均為對羰基的親核加成。它們對亞胺基團(tuán)的還原也是相似的機(jī)理，這些還原都是不可逆反應(yīng)不同點：四氫鋁鋰親核性更強(qiáng)，活性更高，能夠還原各種羰基為醇硼氫化鈉的選擇性更高，只能還原醛、酮、酰鹵和含強(qiáng)吸電子基的酯基，同時其反應(yīng)條件要求較低，儲存方便，可以在質(zhì)子性溶劑中反應(yīng)，因此應(yīng)用也很廣泛有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)10.3.2其他負(fù)氫提供者：烴氧基鋁氫化物：四氫鋁鋰反應(yīng)選擇性差，硼氫化鈉反應(yīng)活性低，而烴氧基鋁氫化物活性介于兩者之間制備：四氫鋁鋰與三倍量的醇反應(yīng)可得三烴氧基氫化鋁鋰烴氧基的不同可使其具有不同的還原能力紅鋁溶液：紅鋁（Red-Al）：雙（甲氧乙氧基）鋁氫化鈉，結(jié)構(gòu)類似于烴氧基鋁氫化物，但多一個氫有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)紅鋁制備：將鈉及鋁在氫氣下加壓即可得到紅鋁：市售的紅鋁溶液為重量比70%的雙（甲氧乙氧基）鋁氫化鈉的甲苯溶液烴氧基鋁氫化合物雙（甲氧乙氧基）鋁氫化鈉有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)紅鋁的反應(yīng)特點：其甲苯溶液還原能力介于NaBH4和LiAlH4之間，大多數(shù)情況下紅鋁溶液可替代氫化鋁鋰。而且紅鋁本身為70%溶液，避免了異相反應(yīng)的問題對于腈類，使用紅鋁溶液可以選擇性還原芳香腈類而不還原脂肪腈類為什么紅鋁應(yīng)用廣泛？四氫鋁鋰反應(yīng)活性高，但本身的儲存要求較高，保管不利容易引發(fā)火災(zāi)，大規(guī)模使用時的儲存成本高有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)醇鋁：醇鋁（如異丙醇鋁）能還原羰基化合物為醇，被稱為Meerwein-Pondorff-Verley（MPV）反應(yīng)，是高產(chǎn)率的可逆反應(yīng)反應(yīng)具有良好的選擇性，只還原羰基而不影響雙鍵及其他不飽和基團(tuán)反應(yīng)是通過六元過渡態(tài)將負(fù)氫轉(zhuǎn)移到羰基上的有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)硼烷：硼烷是強(qiáng)路易斯酸，能與富電子的雙鍵結(jié)合，因此可還原醛酮、羧酸衍生物等，也能與碳碳雙鍵加成得到有機(jī)硼化合物與硼氫化鈉不同，硼烷進(jìn)攻雙鍵屬于親電加成，因此帶吸電子基團(tuán)的醛酮較難反應(yīng)，如：三氯乙醛的還原，硼烷還原較硼氫化鈉還原困難叔丁基乙醛（新戊醛）則硼烷容易反應(yīng)有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)硼烷應(yīng)用：硼烷還原主要用于羧酸的選擇性還原，活性強(qiáng)于硼氫化鈉弱于四氫鋁鋰在合適條件下，含鹵素、腈、酯、酮等基團(tuán)的羧酸可以被還原為醇，而這些基團(tuán)保持不變立體效應(yīng)使大位阻的硼烷還原選擇性更高有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)其他還原劑：氫化鋁：與乙硼烷相似。也是通過親電反應(yīng)還原醛酮、羧酸衍生物等四氫鋁鋰與三氯化鋁反應(yīng)制備，合成中的主要應(yīng)用是選擇性還原α,β-不飽和羰基化合物的羰基生成烯丙醇類結(jié)構(gòu)烴基鋁氫化物：類似于烴基硼烷，常用二異丁基氫化鋁，主要用于還原酯，內(nèi)酯和腈類成為醇有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)10.4其他的還原劑烷基硅烷：烷基硅烷中含有Si-H結(jié)構(gòu)，可以對不飽和鍵進(jìn)行加成，從而還原雙鍵為烴在過渡金屬催化劑存在下，反應(yīng)速度加快肼及水合肼：醛酮與肼反應(yīng)通過轉(zhuǎn)化為肟，進(jìn)而還原為甲基或亞甲基的反應(yīng)稱為Wolff-Kishiner-黃鳴龍反應(yīng)，是堿性條件下還原醛酮的重要反應(yīng)最初是Wolff-Kishiner使用的無水肼反應(yīng)，而后黃鳴龍改進(jìn)使用普通肼并降低溫度，從而使得反應(yīng)得到了廣泛應(yīng)用有機(jī)合成第十章還原反應(yīng)其他還原試劑黃鳴龍還原的改進(jìn)是在DMSO中使用叔丁醇鉀為堿，反應(yīng)可以在室溫下進(jìn)行偶氨：偶氨不是單獨存在的試劑，是肼被氧化的產(chǎn)物。使用時需要現(xiàn)場制備，屬于反應(yīng)活性中間體偶氨通過六元環(huán)狀過渡態(tài)還原對稱的不飽和鍵，而不還原極性