第六章 还原反应

6.1 催化氢化（加氢反应）
虽然加氢反应的机理尚不十分明瞭，但加氢反应 通常是从空间位阻较小的一边进行顺式加成 （ Syn addition）。
一般认为，是氢气及烯（炔）类都先吸附在金属 表面，在进行一个氢原子及π -键的转移后，若很快地 再转移另一个氢原子，则必定是由同边加入；若反应 进行很慢，或在极性溶剂中，则有可能进行异构化， 而不一定得到预期产物。
H H2,Pd C EtOAc,r.t; 97%
6.1 催化氢化（加氢反应）
炔类还原成烷类，而不影响烯类，这是比较特殊 的反应，除了跟使用Ni2B为催化剂有关外，可能也受 羟基的复合效应（Complexed effect）
H Ni B OH 2 2 90%
OH
6.1 催化氢化（加氢反应）
2. 加氢反应受催化剂，取代物及溶剂等诸方面的影 响，可能产生不同的异构产物，但真正的反应机 理则尚待研究中。
6. 2 金属氢化物还原
一般官能团化合物与硼烷作用 反应性 最高 反应物 RCOOH RCH=CHR R2C=O RCN
O
产物 RCH2OH RCH2CH2R R2CHOH RCH2NH2
H OH
最低 RCO2R' RCH2Oห้องสมุดไป่ตู้/ R'OH
6. 2 金属氢化物还原
硼烷与烯烃作用时，具有极高的位置及立体选择性。 一般来说，硼加在烷基较少的官能基的碳上，而氢离子 则加在烷基较多的另一官能基碳上。 硼烷具有三个氢阴离子，故可与三当量的烯类作 用，形成 R3B。但由于受空间位阻的影响，与烯作用 的分子数会减少。
6.1 催化氢化（加氢反应）
加氢反应亦受空间效应的影响。尤其当使用铑金属关催 化剂 (R3P)3RhCl 时，通常只还原位阻最小的单取代或双取 代双键。(R3P)3RhCl 称作 Wilkinson 催化剂，是可溶于苯及 一般的有机溶剂，故反应是在同相中进行，为均相反应，有 别于一般加氢作用的非均相反应。 配体Ph3P为大分子有机物，不但促进催化剂在有机溶剂 中的溶解度，且使催化剂更具有空间效应。
6. 2 金属氢化物还原
Me Et Me H
+ BH3
Me
Me
Me
Me
Et H B H
Et H B H
O Me Me OCCH3 H BH3 95% Me
O OCCH3
Me H B H
Me2C=CH Me
BH3 Et2O
Me Me2CH CH BH Me2C=CMe2
2
BH3 Et2O
Me2CH CMe2 BH2
6. 2 金属氢化物还原
硼氢化钠的还原能力较弱，一般只能还原羰基；而氢化锂 铝是很强的还原剂，对多种官能团都能够进行还原反应，但不 与一般的烯类作用。
二异丁基氢化铝 (iso-C4H9)2AlH 会与含质子溶剂作用，但
可溶于非质子溶剂中，故反应可以低温（-78℃）下进行同相 反应。 以上三种氢化金属还原剂都是碱性试剂，与酸作用极激烈 ，产生氢气。
它们均可视为金属（Mg，Zn）给予二个电子将卤化物还原 成为有机金属化合物，而本身转移成为二价的离子（Mg2+，Zn2+ ）。
6.3
金属还原剂
一、 锂（钠）——液态氨的还原反应
1. 将炔还原成为反式烯烃：
4 equiv Li + NH3(l) CH3 t BuOH,Et2O
CH3C CCH2C C(CH2)3OCH3
O H2,(Ph3P)3RhCl PhH, 25 ¡ æ ,1 atm O
6.1 催化氢化（加氢反应）
一般官能团化合物的加氢反应
反应性 最高 反应物 RCOCl RCH2NO2 RC≡CR′ RCHO RCH=CHR′ RCOR′ ArCH2X RC≡N RCO2R′ RCONHR′ 氢化产物 RCHO RCH2NH2 RCH=CHR′(Z,Cis) RCH2OH RCH2CH2R′ RCH(OH)R′ ArCH3 RCH2NH2 RCH2OH + R′OH RCH2NHR
第六章 还原反应
还原剂（Reducing agents）大致可分为五类：
1.
2.
氢气（H2, 加氢反应）
金属氢化物（NaBH4, LiAlH4, BH3，Metal hydrides）
3. 4. 5.
金属（Metal，Na，K，Zn） 低价金属盐（如：TiCl3，TiCl2） 非金属 (如：N2H4，Me2S，Ph3P)。
氢气压在100-300大气压，温度高达300℃
6.1 催化氢化（加氢反应）
低压氢化是在催化剂的存在下进行。催化剂 有Raney 镍，铂（通常是用 PtO2氢化时就地产 生 Adams 催化剂），或在载体上的钯或铑（Pd, Rh）; 载体可以是活性碳，硫酸钡或碳酸钙。 溶剂影响催化剂的活性，从中性、非极 性溶剂，例如：从环己烷，到极性的酸性溶液， 如：乙酸，活性递增。 金属催化剂活性变化是： Pd > Rh > Pt > Ni > Ru。
第六章 还原反应
广义的还原反应是指作用部位的碳原子的 氧化数减少。
• 如：环己酮被硼氢化钠 (NaBH4) 还原成环己醇，原 来的羰基 C=O上加了一分子氢（H2）成了CHOH，即 相对的氧化态由 a 值变成 a-2 值； • 烯类加氢变成烷类，也是一种还原反应，其相对的 氧化态由 a-2 值变成 a-4 值； • 酮类与 Zn/HCl 作用变成烷类，也是一种还原反应 ，即羰基 C=O 脱去一个氧原子，又加上一个分子 氢变成 CH2，相对的氧化态由 a 值变成 a-4 值。
最低
6.1 催化氢化（加氢反应）
1. 选择性的还原炔类，而不影响双键：
CH3 CO2Me OSiMe2Bu'
N
CO2Me H2,Pd BaSO4 , MeOH ; 83% OSiMe2Bu' CH3
炔类进行加氢反应产生顺式烯类。 受空间效应影响末端炔基（terminal alkyne）较内侧炔基 更容易进行加氢反应。
6. 2 金属氢化物还原
2. 硼氢化钠（NaBH4）
硼氢化钠在一般条件下，只还原羰基，而不与卤化物或羧 基作用。
CO2CH3 CO2CH3
NaBH4 CH3OH O Br HO Br
6. 2 金属氢化物还原
硼氢化钠可与α ,β －不饱和酯类及腈类进行双键 还原，产生饱和酯类或腈类； α ,β －不饱和羰基化 合物，则进行羰基还原反应 ,尤其有CeCl3的存在下， 产生烯丙醇。
6. 2 金属氢化物还原
有机硼化合物用醋酸处理，可得到烷烃。
n C4H9CH=CH2 B2H6 diglyme, 25æ ¡ HOAc 91%
(n C4H9CH2CH2) 3 B
n C4H9CH2CH3
有机硼化合物用H2O2的碱性溶液处理，则得到醇类化合物， 并且原来接硼的碳原子在改接羟基时，保持原来的构型。
6.3
三、以钛金属为还原剂
金属还原剂
一般钛金属 TiO 是直接从三价钛盐 TiCl3 经金属锂或 LiAlH4 还原而得。可结合两个羰基，形成 1,2-双醇类或进一 步还原成烯类。
CHO O Ar
TiCl3/K or Li THF, 12 h, Ar
n C8H17CH=CH2 1) B2H6,diglyme 2) H2O2,aq NaOH n C8H17CH2CH2OH
6.3
金属还原剂
常用的金属还原剂有锂，钠，镁，锌及钛等金属。
一般是在有机溶剂中进行的非均相反应。 锂及钠常常溶于液氨中进行反应，特称为溶解性金属还原反 应 (dissolving metal reductions)。 镁金属可将卤化物 RX 还原，形成 Grignard 试剂 RMgX。 而锌金属可将α －溴酯类 Reformatsky试剂 RCH2 CO2 Et。 RCHBr CO2 Et 还 原 成
O O 2 Li,NH3(l) Et2O, 33 ¡ æ OLi (1) CH3 H (2) Br CH3 O NH4Cl CH3
CH3
6.3
金属还原剂
3 ．以锂（钠）金属将苯还原成双烯类（ diene ），称为 Brich 还原反应。此反应需在含质子溶剂中进行。
OCH3 Li,NH3 t BuOH OCH3 H3+O O
6. 2 金属氢化物还原
3. 硼烷（BH3）
硼烷（borane）是由硼氢化钠与三氟化硼制备，以
二硼烷 B2H6（diborane）的形式存在。
3 NaBH4 + 4 BF3
H B H H H B H H
2 B2H6 + 3 NaBF4
硼烷和二硼烷具有 Lewis Acid 的 特性，因此反应性与 NaBH4 或 LiAlH4 不同。 它容易与羧酸及烯烃反应，却 不与酰卤，卤代烷，砜或硝基化合物 等作用。
CO2H
Li,NH3 t BuOH
CO2H
Li,NH3 t BuOH
6.3
二、锌金属为还原剂
金属还原剂
通常加入Cu，银或 Hg 以降低锌的活性，避免其与 酸作用而产生氢气。
在盐酸或乙酸中，可将醛，酮类还原成烷类，称为 Clemmensen还原反应：
OCH3 HO CHO Zn Hg,HCl H2O,EtOH, ; 63% HO CH3 OCH3
H H2 OH O PtO2 Pd C cat cat OH H H
+
O 70% 20% OH O 30% 80%
6.1 催化氢化（加氢反应）
3. 酮类及芳香族化合物的加氢反应，通常要在强酸等 激烈的条件下方可进行：
H2,Rh O H THF,HCl; 98% HO H
O H HO H
O H2,RhCl3,NaNO3 H2PtCl6 6 H2O; 80%
6. 2 金属氢化物还原
例如：氢化锂铝与含质子溶剂（含活泼氢溶剂)，如水， 甲醇会作用生成氢气（H2）。 LiAlH4 + 3 MeOH LiAlH(OMe)3 + 3H2
因此，欲以 LiAlH4 还原有机化合物时，需在无质子溶剂 中进行，如甲苯，乙醚或四氢呋喃。
硼氢化钠 NaBH4 在甲醇或乙醇中有相当的稳定性，故在 无水溶剂中进行即可。
(CH2)3OCH3
若在强碱 NaNH2 存在时，末端炔基先转变成金属盐类，而不被还原。
CH NaNH2,Et2O,NH3 CNa 1)Na, 40¡ æ ,2h 2) NH4Cl,75% CH
6.3
金属还原剂
2．锂金属与α ,β －不饱和酮类进行1,4－还原反应， 形成烯醇化合物（enolate）。 ①再加入NH4Cl供给质子，则产生饱和酮类。 ②或改为加入一亲电子试剂，可以完成碳-碳键的连接
以氢化锂铝还原酸酐，需经过醛酸的中间体，羰基较羧基 更容易被还原，因此在低温时，为防止羰基被进一步还原，此 时将反应终止可获得内酯；若升高温度则得到二醇类为最终产 物。
O O O CH2OAl OAl O 25 æ ¡ LiAlH4 O CH2OAl CH2OAl H3+O CH2OH CH2OH excess LiAlH4 THF, 55 H3+O, 15æ ¡ CHO OAl O O LiAlH4
6. 2 金属氢化物还原
1. 氢化锂铝
一般官能团化合物与氢化锂铝 LiAlH4 作用 反应性 最高 C=O COOR 递 减 CN CONR2 C-NO2 CHBr 最低 CH2OSO2Ar 反应物 CHOH CH2OH CH2NH2 CH2NR2 CNH2 CH2 CH3 氢化产物
6. 2 金属氢化物还原
OH
.
6. 2 金属氢化物还原
某些金属氢化物是氢负离子（ H-）合成子的合成 等价物，因而是优先作用于缺电子中心的强还原剂。 然而，碱性较强的氢化物（NaH，CaH2）却不是还原 剂。 在市场上容易买到的多种氢化物还原剂中，有一 些剧烈地与水，又容易与醇作用，因此，反应必须在 无水醚或烃溶剂中进行。
NaBH4,CaCl3(cat) 20 ¡ æ ,5min O
OH
6. 2 金属氢化物还原
利用 CeCl3 容易与醛类螯合，产生类似于半缩醛 的中间体，则硼氢化钠可选择性地还原酮基。
O (CH2)6CO2Et CHO NaBH4,CeCl3 H2O,EtOH O (CH2)6CO2Et CH OH OCeCl2 CHO OH (CH2)6CO2Et
6.1 催化氢化（加氢反应）
对于有机化合物的还原来讲，催化氢化是一种 广泛应用的技术。通常，反应是在非均相催化剂的 存在下，于氢气的环境中通过搅拌或震荡化合物的 溶液而进行的。可以方便地按照两种类型的反应来 讨论催化剂和溶剂：
1. 低压氢化： 氢气压力通常在1-4大气压，温度在0~100℃ 2. 高压氢化：