有机合成课件——Chapter 2 氧化反应

O
O
Se H
C
CH
C
"ene" reaction
HO
O
Se
H
CC
C
allylseleninic acid
HO
O
Se
solvolysOis, EtOH) (H 2 heating
H -H2O -Se
CC
C
selenoxylic acid allyl ester
OH H oxidation MnO2, Cr6+
DMSO, (COCl)2
OH
100%
CHO
38
3、Oppenauer 氧化剂 由酮和烷氧基铝催化剂组成
机理: H-转移, 不生成低价铝Al1+
HO + Al O 3
H
PrO O Al
PrO H
O
+ HO O
39
第二节 活性非官能团碳原子的氧化
40
一、SeO2 (二氧化硒): 氧化烯烃为烯丙醇(0.5 eq)或α,β-不饱和醛(1.0 eq)
OH
X OHX
1. HOCl, HOBr; anti 2. NCS, NBS/H2O
3. (a) peracids (b) HX
syn
CrO2Cl2
17
碳碳三键的氧化
HH
H
R
R
(a) R2BH (b) H2O2/OH-
O
O
R
Hg2+/H+
注意位置选择性
18
3
R
R'
R
H
O R
R' O
KMnO4/RuO4
场制备, 例如 DCC (二环己基碳二亚胺), Ac2O、SO3、P4O10。
Me2SO + DCC
H3C S
O
CH2
ON S
N H
SO H
H3C S
+
CH2
O HN N
HO
O
S H3C CH3
+
DCC:
NC N
36
6
Moffatt-Pfitner氧化反应举例
O
(1) DCC/DMSO
HO
N
NH H3PO4, 20h, rt DnpHN N O DnpNHNH2, aqH2SO4
CH3CHO
CH3CN (+1 +3)
11
氧化剂的应用范围
含氧官能团的氧化 活性非官能团碳原子的氧化 非活性碳原子的氧化 碳碳双键、三键的氧化 酮的氧化重排和裂解
大多数氧化剂的选择仍然依靠经验
12
2
本章教学计划
1、醇的氧化
H OH
CrO3/Py O CrO3/H2SO4
Me2CO/Al(OR)3 (Oppenauer ox.) DMSO + DCC, Ac2O, SO3, or P4O10
R-CH2OH
R-CHO R-COOH
Ag2CO3 Pb(OAc)4 CrO2(OBut)2
many strong oxidations, AgO
13
HH R OR'
O R OR'
RuO4
OH H
O MnO2, DDQ
OH H
O
Cu(OAc)2
14
2、活性非官能团碳原子的氧化
H
OH
SeO2; Hg(OAc)2
官能团转换
(Functional Group Interconversion, FGI)
1
1. 通过碳链构筑直接获得目标分子通常很难. 2. 所合成的化合物，其官能团有时并不是我们想要的 (或者氧化态不对，或者所含杂原子不对).
官能团转换不可避免
大多数目标分子或中间体含有几个官能团
官能团的转换必须有选择性
H2Cr2O7-2Py COOH
DMF (83%)
H2Cr2O7-2Py CH2OH CH2Cl2
CHO
7
官能团转换的类型
氧化还原反应：改变某一个特定碳原子的氧 化态；
加成、取代或消除反应：杂原子的引入、取 代或除去；
偶联或环化：通过形成新的 C-X-C 或 CC=X 键进行偶联或环化；
R-COOH
KMnO4
19
5、酮的氧化重排和裂解
R1
H O
R2
R3
R1
O
R2 R3
OH, OMe Tl3+/H2O, MeOH
O
OO
peracids
H NO
(a) NH2OH (b) H+ (Beckmann rearr.)
O H
COOH O
KMnO4 (a) SeO2, (b) HIO4
20
第一节 醇的氧化 (氧化为醛、酮及羧酸)
2
官能团转换不可避免
+
HO
OH Br
K2CO3, CuCl
NO 2
O2N
O
O
NO2
[H]
O 2N
O
O
NO 2
H2N
O
O
NH2
3
官能团的转换必须有选择性
OCH3
NO 2 Br
Fe NH4Cl
OCH3
NH2 Br
COOH PtO2, H2
H2SO4, H2O NH2
HOOC
NH2
4
选择性产生的原因
各个官能团间电子结构的差异 例如：C=C 比 C=O 亲核性强
O
NH NO
OAc
OAc
(1) DCC/DMSO H3PO4, 20h, rt
OHC
O
NH N
O
DnpNHNH2, aqH2SO4
OAc
37
2、Swern氧化剂
J. Org. Chem. 1976, 41, 957 and 3329
Swern氧化剂: 在二甲基亚砜 (DMSO) 加入草酰氯 (COCl)2现场制备。
O
O3 Zn
O
H2O HCHO + O
OOO
OOO
OOO
5
选择性产生的原因
空间环境不同 例如：有空间位阻的酮不与NaHSO3或CN-反应。
O C
Nu
O
H2O
OH
C
C
Nu
Nu
Nu NaCN, NaHSO3
6
来自百度文库
1
选择性产生的原因
试剂及溶剂的选择性不同
OH OH
O OH
NaClO 90%
CH3COOH
Sarett、Collins、PCC 和 PDC 试剂是温和氧化剂, 可以将仲醇氧化为醛而不再进一步氧化.
22
1、Sarett和Collins试剂
Tetrahedron Lett. 1968, 3363; Org. Syn. 1972, 52, 5.
CrO3–2Py, 碱性氧化剂 性状: 容易吸潮的红色晶体 可以购买，也可通过 CrO3 + pyr反应现场制备
COOH 86%
NO2
CrO3, CH3COOH 含 水H 2SO 4
O COOH
+
48
8
五、强碱脱氢（氧化）
羰基的α容易脱氢， 形成碳负离子，碳负离子 可以和各种亲电试剂反应 。
O CH3 (1) NaOCH3
(2) X2
O X
CH3
49
第三节 非活性碳原子的氧化
酶 HLF (Hofmmann-Loeffler-Freytag 反应): Cl-
Substituted benzene to Benzyl bromide
NBS, CCl4 hν, heating
Br
Br Br
Alkane to allyl bromide
NBS, CCl4 (PhCO)2, heating
Br
43
三、Cr(VI ) 氧化剂
K2CrO4, CrO3.Py 和 CrO2(O-tBu)2: 烯烃αC氧化
21
一、Cr(VI ) 氧化剂
R2CHOH + HCrO4- + H+
R2C=O + HCrO3- + H+
酸性试剂: H2CrO4, CrO3
Jone’s Regent: H2CrO4-H2SO4-Me2CO 弱碱性试剂: Sarett Reagent: CrO3/Pyridine
Collins Reagent: CrO3—2Py/CH2Cl2 弱酸性试剂: PCC Reagent (CrO3-Py-HCl,铬酸吡啶) 中性试剂: PDC Reagent (H2Cr2O7-2Py, 重铬酸吡啶)
23
使用弱碱性的 Collins Reagent 可以避免双键位移 或氧化
CrO3-2Py/CH2Cl2
OH
O
24
4
2、Jones 试剂
Jones J. Chem. Soc. 1953, 2548; J. Chem. Soc. 1946, 39.
通常以丙酮为溶剂，可以避免底物被进一步氧化
对酸敏感底物不适合
4、碳碳双键、三键的氧化
O
OH
anti
OH OHOH
syn
1.(a) Br2, (b) OH2. peracids: less hindered epoxide
过氧酸
1. (a). peracids (b) OH2.(a) AgOAc/I2/C6H6 (b) OH-, LiAH4
1. KMnO4 2. OsO4
酸性条件下氧化, H+ 催化下发生副反应; 仲醇在酸性条件下氧化最可能发生的副反应:
25
26
通常底物或反应产物在酸性条件下稳定是才使用Jones试 剂。
OH H2CrO4-H2SO4-Me2CO
O
20 oC, 3h
3、吡啶氯铬酸盐
Pyridinium Chlorochromate (PCC)
HO
O
CrO3-Py-HCl H O
O
O
or MnO2
O
29
30
5
4、吡啶重铬酸盐
(Pyridinium Dichromate, PDC)
Corey Tetrahedron Lett. 1979, 399.
溶剂效应 (PDC)
稳定，市场上可以购买； 酸性不如 PCC； 氧化性比 PCC 或其它氧化剂弱； 根据溶剂的不同，可以选择性地将 伯醇氧化为醛 或
O
41
反应举例
SeO 2 (0.5 m ol) C2H5O H , heating
H O H 2C H O H 2C
SeO2 (2.0 m ol) O HC C2H 5O H , heating
70% 2%
CHO 42
7
二、NBS 氧化剂 (N-溴代丁二酰亚胺)
--NBS /hν或过氧化物 (自由基反应)
J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 422. Note: Add CrO3 to pyr, not pyr to CrO3 (inflames) 适用于对酸敏感的底物的氧化 Ratcliffe对Collins试剂的改进: 在CH2Cl2溶剂中制备, J. Org. Chem. 1970, 35, 4000. Sarett和Collins试剂的区别？
Basic condition
KMnO4(VII) +MnSO4 (II)
MnO2
34
三、昂贵的 Ag2CO3氧化剂
在苯中, 将伯醇氧化为醛
Ag2CO3 CH2OH
CHO
Unstable in the acid
35
四、重要的有机氧化剂
1、Moffatt-Pfitner 氧化剂: 通常由DMSO中加入脱水剂现
Corey and Suggs Tetrahedron Lett. 1975, 2647
反应在CH2Cl2溶剂中进行 反应速率:
27
28
通常只需要 1~2 当量的 Cr(VI) (Jones & Collins 通常需要 6 当量)
PCC 是弱酸性的，可能引起一些副反应，如:
PCC: 不影响四氢吡喃环
H H
O H
O
SeO2; CrO2(OBut)2
CrO3Py2; K2CrO4
O OH
O2/KOBut/(EtO)3P LDA/[Mo5+O(O2)2(Hmpta)(Py)]
15
3、非活性碳原子的氧化
H
OH Microoganism; enzymes
H HH
Cl
ArICl2
O Ar Ar' hγ
16
保护与去保护：活性部位 (官能团) 的保护与 去保护。
8
官能团转换中反应试剂的合理选择 (氧化剂、还原剂、酸、碱、亲核试剂….)
强、弱适中 体积大小合适 溶解性好 后处理 (workup) 容易
9
Chapter 2 氧化反应
10
前言
氧化: (碳)原子的氧化数增加
CH3CH2OH
CH3CHO (-1 +1)
可以选择性地将烯丙位或苄基位的醇氧化为醛或酮； 非极性溶剂 (CH2Cl2, CHCl3, pentane, benzene, etc.) 氧化剂 : 底物 = 10:1
33
双键不会异构化. Cr氧化剂由于H+作用将引起双键异构
例如
MnO2(Et2O), 1h CH2OH
CHO (64%)
46
HOOC
CF3
KMnO4
CF3
HOOC
COOH
CF3
CF3 COOH
HOOC
CF3
HNO3
CF3
HOOC
COOH
CF3
CF3 COOH
CF3
O2, HOAc
HOOC CF3
CF3
Co(OAc)2, Mn(OAc)2 HOOC
COOH CF3 COOH
47
NO2
Na2Cr2O7, aq. H2SO4 煮沸
羧酸 ；
氧化仲醇时反应速度慢，通常需要加入酸作为催化剂 (吡啶三氟乙酸盐 或 3 A MS)
31
H2Cr2O7-2Py COOH
DMF (83%)
H2Cr2O7-2Py CH2OH CH2Cl2
CHO
32
二、温和氧化剂：活性 MnO2
非常温和的氧化剂, 特殊活性的MnO2往往需要现场制 备；
C rO 3.2P y CH 2Cl2, rt, 24 h O
44
四、KMnO4
H2O KMnO4
HOOC
COOH COOH
COOH
KMnO4(KOH/H2O, pH = 13) 0.5 h, 60 oC
COOH
H
OH
79%, 6% ee
45
应用举例
KMnO4
HOOC
HNO3
HOOC
COOH COOH