高等有机合成化学 03.2 还原反应

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2013-4-26
B2H6
( CH C )3B
RCOOH
CH CH
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硼氢化反应为顺式加成过程,炔烃硼氢化得顺式烯烃。
C C B2H6 C C H BH2 C C ( C H H CH CH (RCOO)3B O R C )3B O
当分子中同时存在叁键和双键时,双键优先反应。若同时存在多 个双键,使用位阻大的硼烷可以选择性地还原较少取代的双键
100%
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虽然烯键催化加氢比羰基容易,但如果采用亚铬酸 铜作催化剂,则可选择性地将羰基还原成醇羟基, 而烯键不受影响。这与Pd/C催化时的结果恰好相 反,从而提供了一种双键存在时选择性还原羰基 的方法。
CuCr2O4 COOC2 H5 H2, 150oC
OH
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在催化氢化反应中,很多情况下可优先选择对催化氢化 活性高的基团。不同基团被催化氢化的大致难易次序为:
RCOCl(→ RCHO) RNO2(→RNH2)-CC- (→-C=C-) RCHO (→RCH2OH) -C=C- (→-CH2-CH2-) RCOR’ (→RCHOHR’) PhCH2OR (→PhCH3 + ROH) RCN (→RCH2NH2) 萘 RCO2R’ RCONHR’ 苯 RCOOH 催化氢化反应活性还与催化剂种类、催化剂用量、反应 温度、压力等直接相关。常用低活性催化剂有: Lindlar催化剂,0.3%Pd-CaCO3等;活性较高的催化剂 可用Raney镍、Pd-C等。
)[(CH3)2CH-CH(CH3)2]2BH C2H5
1 2
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)CH3CO2H
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4. 其它还原剂 非共轭的、非末端的烯烃对碱金属的液氨还原剂、 电解还原等是稳定的。共轭的或被吸电子基团活 化的烯键,则比较容易被溶解金属法和电解还原 法还原。 例如,、-不饱和酮用Li-NH2还原时,可得饱和酮。 产物的构型由碳负离子中间体的稳定性确定。
根据还原剂这类和还原过程的不同,还原反应可 分为催化氢化法和化学还原剂法。而化学还原剂又 可分为金属氢化物还原剂、溶解金属还原剂、醇铝 还原剂以及其它类型还原剂等。不同的还原剂具有 不同的还原活性和选择性。
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3.2.1 烯和炔的还原
1.催化氢化法
催化氢化是有机合成中最简便的还原方法,可分为催化加 氢和催化氢解。 在过渡金属(Pt、Pd、Rh、Ru、Ni)或其化合物催化 下,不饱和化合物加氢还原生成饱和化合物的反应称为催 化加氢。 有机分子中碳-杂原子键发生破裂生成新的碳-氢键, 这种反应称为氢解。 催化氢化的应用范围很广,从双键到叁键,从芳环到 杂环,都可被还原成饱和结构,许多官能团也可被还原。 催化氢化法具有操作简便、反应快速、产物纯、产率高等 特点。
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了解 小心控制反应条件可将萘或其它稠环芳烃还原成不同产物: 小心控制反应条件可将萘还原成二氢萘、四氢萘、异四氢萘、 八氢萘 Na C2H5OH
Na C5H11OH Na NH3 C2H5OH Li NH3 C2H5OH
Na C2H5OH
Li NH3 THF
NH2NH2 O2/Cu2+ NH=NH H+ NH=NH ArSO3H
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KOOC N=N COOK ArSO2NHNH2
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OH50-150 C
NH=NH
3、硼氢化
硼烷(BH3),通常以乙硼烷(B2H6)的形式存在,是一个强还原 剂,能还原醛、酮、酯、羧酸、酰胺和腈等。硼烷可 由氢化锂与三氟化硼反应或硼氢化钠与三氟化硼制得。
多烯化合物进行催化加氢时,也是位阻小的双键优先被还原 (环外双键优先被还原)。
H2 Pd/C
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98%
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环丙烷在某种意义上可看成是一种特殊结构的 烯烃,在一定条件下可进行催化加氢,反应时取代 最少的键断裂加氢,产物是开链烷烃。
H2, Pd/C AcOH
95%
H2, Pd/C AcOH
3.2
还原反应
3.2.1 3.2.2
烯和炔的还原 共轭烯烃的还原
3.2.3
3.2.4 3.2.5 3.2.6
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芳ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的还原
卤代烷和醇的还原 醛和酮的还原 羧酸及其衍生物的还原
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本节预备知识
已学化合物的还原方法:烯烃、炔烃、芳 烃、卤代烃、醛酮、羧酸、羧酸衍生物
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有机化合物的脱氧、加氢或获得电子的过程称为 还原反应。该反应是有机合成中最普遍的反应之一, 在官能团的转换方面具有极其广泛的用途。
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叁键比双键容易被氢化,所以当叁键与双键共存时,以喹啉部 分毒化的钯作为催化剂可将叁键还原成双键,得到二烯类产物。 叁键比双键容易氢化,可能是由于叁键比双键容易被催化剂表 面吸附的缘故。
RCH=CHCH2C CH 5% Pd BaSO4 H2, quinoline RCH=CHCH2CH=CH2
100%
Hg
electrolysis H C 2 COOH C C C4H9-n
COOH C2H5 H C C
Pt, electrolysis LiCl,CH3NH2
H
98
%
C4H9-n
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3.2.2
共轭烯烃的还原
共轭二烯烃可用溶解金属法还原。反应按1,4-加成的方式 进行。共轭双键从反应体系中获得一个溶剂化电子,成为负 离子自由基。后者再从反应液中获得一个电子,并且生成 1,4-双负离子,随后,从溶剂中夺取质子而得单烯产物。 在还原反应中,活泼碱金属是优良的电子供体,它与液氨 混合后,立即产生还原能力很强的溶剂化电子并且形成一种 带特征蓝色的溶液。加入二烯烃,反应迅速进行。但是应注 意,从钢瓶中放出液氨是比较麻烦的,液氨毒性较强,能伤 烧皮肤和粘膜。因此,应当穿防毒服装,在冷却浴上取放液 氨,并应在通风良好的橱中进行反应。另外,由于液氨提供 质子的能力很弱,反应中一般需要加入乙醇等作为质子源。
H O MeO R O H2/Pt C MeO R O O
R=CH2OH, 95% R=CONH2, 5%
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炔烃用Pd-C或二异丁基氢化铝作为催化剂进行氢 化,可得顺式烯烃;而用Na-NH3作为还原剂进行还原, 则得反式烯烃。这种立体化学差异性提供了合成不同 立体异构体产物的根据。
CH3 OMe Na,NH3(L) HO H CH3 OMe HH O
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CH3 .. Li
+
OMe HH H
O
C2H5OH, Et2O
65
%
20
H
H
非末端炔烃可由碱金属的液氨溶液还原为烯烃, 而末端炔烃易于形成金属炔化物,炔碳上的负电 荷阻止了进一步还原的发生。同时具有末端炔烃 和非末端炔烃的化合物,可采用该法将非末端炔 烃还原而末端炔烃不受影响。
H eH NH3 H H H eH H H H+ H H H H
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在Birch还原中,芳环上已有的取代基对产物影响很大。环上 的吸电子基团由于可稳定负离子中间体,从而可促进还原的进 行,并且在形成的中间体中,以吸电子基直接与负电荷相连占 优势,其还原产物是1,4-二氢苯衍生物。
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RCH RCH
CH CH CH3
CH
CHR
+
+ eRCH2
. RCH CH
CH CH
CH CH2R
+ eCHR
H CHR
CH2
C
CH
CHCH3
Na,NH3(L) C2H5OH CH3
CH3 C CH C2H5
98%
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3.2.3
芳烃的还原
芳烃可用催化氢化法还原。由于破坏芳环的共轭 体系需要较高的能量,故反应条件比较强烈。例 如,在PtO2催化下,需要在1-1.5 MPa的压力下, 芳烃才能还原成环己烷衍生物。 一种选择性还原芳环的方法是溶解金属法。用碱 金属的液氨溶液的还原称为伯奇(Birch)还原。反 应机理与共轭的溶解金属还原相同,表现为溶剂 化电子的1,4-加成。
NO2 Na NH3 H NO2 NH3,C2H5OH H H NO2 1) e 2) H+ H H
-
H
NO2
供电子基团不利于负电荷的分散而使反应难于进行。并且在 形成的负离子中间体中,供电子基团与负电荷或单电子尽可 能远离时,对反应有利。这时产物是2,5-二氢化苯衍生物。
OH HO
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H COOH D2 (Ph3 P)3RhCl D H H D H COOH COOH COOH
H
COOH
D2 (Ph3 P)3RhCl H HOOC
D COOH H D HOOC
D H COOH D
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HOOC
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H
+
H
另外,当分子平面的某一方向存在对催化剂有特殊亲和力的 取代基时,会导致较高的立体选择性。如四氢芴衍生物催化氢 化时:
H2,Pd/C quinoline COOH Na/NH3 -40oC COOH COOH
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98
%
98%
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除立体化学的差异以外,两种还原的位臵选择性也不相同。 例如多炔用Pd/C进行催化加氢时,位阻小的末端叁键优先反 应,而用Na/NH3还原时,则位阻大的链中叁键优先被还原。
H2,Pd/C quinoline H Na/NH3 - 40 C 75% 97%
碳碳双键催化氢化的活性比酮羰基高,所以,当双键与羰基 共存时可以选择性地还原双键而保留羰基。
CH3 CH3 O H2/Pt CH3COOH CH2COOH CH3
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O CH2COOH
CH3
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催化氢化的机理目前还不完全清楚,比较一致的看法是, 氢气和不饱和键首先被催化剂表面吸附,氢气分子内键被打 开,通过p-轨道与金属络合而被吸附的烯键发生松弛,随后 发生氢原子从催化剂表面向不饱和键的转移,被还原分子脱 吸附而完成反应。
H HO H+ H H
H
Na NH3
1) e 2) H+ H
-O
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了解 -萘酚和-萘酚的伯奇还原产物显著不同。前者在不 含羟基的环上进行反应,后者则在含羟基的环上进行,该 差异可能是由于中间体稳定性不同的关系。
OH Li NH3 C2H5OH OH Na C2H5OH O 45% OH 98%
2. 二亚胺还原法
二亚胺是一种有效的高选择性氢化剂,它能与C=C、CC 、 N=N等非极性不饱和键起氢化反应,对于C=O、C=N、CN、 NO2、NO、S=O、S-S等强极性基团则不起作用。 二亚胺氢化反应的机理可能是二亚胺对双键的顺式加成,并 经六元环过渡态实现。
N N H H N N H H H H N N
实验结果表明,反式烯烃比顺式烯烃容易氢化,位阻小的烯 烃比位阻大的烯烃容易氢化。
N2H2
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64-85%
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OTHP N2H4,H2O2 Cu(OAc)2,EtOH
OTHP
二亚胺很不稳定,一经生成需立即进行氢化,否则即分解成 氮和氢。所以,二亚胺总是在被还原物存在下进行制备。 水合肼用铜盐氧化、偶氮二羧酸钾分解或磺酰肼在碱性条 件下热分解等方法可制备二亚胺。
Na/NH3(l) H C C H (CH2)4C CH
CH3(CH2)2C C(CH2)4C CH
CH3(CH2)2
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被活化的烯键、炔键的电解还原可在电解池中进行。 电解池底部覆盖汞作为负极,正极由铅板制成。在 搅拌下通以30 V和10 A的电流,反应即可进行。
HC HC C2H5 COOH H2C COOH
6LiH + 8BF3-OEt2 3NaBH4 + 4BF3 -OEt2 B2H6 + 6LiBF4 2B2H6 + 3NaBF4
乙硼烷及其类似物与碳碳重键加成所得的有机硼化合物, 与有机酸发生溶剂解反应生成饱和烃,该反应称为硼氢化。
C C B2H6 (CH C )3B RCOOH CH CH
C C
•其立体化学特征是 —— Syn-addition
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催化加氢是发生在重键空间位阻较小的一面 的顺式加成反应。如蒎烯衍生物氢化时:
COOH H2/PtO2 AcOH
COOH H
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在分子结构较难区分哪一面位阻较小时,较难预测氢化 的立体化学过程,但对一些具有特定结构的化合物,也可利 用氢化的立体专一性,可将不饱和化合物还原成一定构型的 产物。例如,顺丁烯二酸可氘化为内消旋氘化丁二酸,反丁 烯二酸则得外消旋产物
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