第七章 还原反应

Ph
LiAlH4
50:50
0
Chapter 7 Reduction Reaction
对Cram规则总结：
① Cram规则讨论的属于由还原底物自身的不对称性诱导 的不对称（还原）反应。
② Cram规则主要从前手性中心——羰基上氧原子与邻位 手性碳原子上基团的相互作用出发考虑，相互作用的情况包括 非键原子之间的排斥力、羰基氧与还原剂之间的配位作用、羰 基氧与邻位基团的氢键作用以及偶极排斥力等作用综合的结果。
二、均相催化氢化反应（机理）
1．均相催化剂
过渡金属络合物：具有空d轨道的第VIII族过渡元素Co、 Rh、Ru、Pd、Pt等的配合物（或称络合物）。
常见的配体：Cl、CN、H等离子和三苯膦、胺、CO、NO等 带有孤电子对的极性分子。其中膦配体具有络合物较稳定，溶 解性好等优点，是性能特出的配体。
近年来制备含有手性配体的过渡金属络合物用于均相不对 称催化氢化反应，合成具有光学活性的产物，从而使均相催化 氢化具有更大的理论意义和实用价值。
Chapter 7 Reduction Reaction
不对称反应（合成）效率的表示： 一种立体异构体在产品中占优势的程度。
根据不同的检测方法，可有不同几种表达形式： ①光学纯度百分率（percent optical purity）：
②对映体过量百分率（percent enatiomeric excess）：
M
O
S
主要进攻方向
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Prelog规则的说明：
① α-酮酸一般是对称分子，通过酯化反应将手性醇的不 对称因素引入到该还原底物中去；
② 当 α-酮酸作为还原底物时，两个相邻的羰基氧原子由 于相互排斥而处于反式共平面；
③ 手性醇中两个较小基团（S和M）处于酯羰基两侧交叉 位置是优势构象；
i-Pr
H
H C C OH
Ph
Pr-i
1
以上反应的立体选向率为82％。
2．环状模型
R''
Z
HO
O
LC C
S
R'
Chapter 7 Reduction Reaction
R''
Z
OHO
S
R'
L
HO
LC S
OZ C R''
R'
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环状模型要点说明：
① 羰基α-手性碳原子上有羟基、氨基或烷氧基等富电 子基团，它们与羰基之间可以通过氢键、配位等相互作用与羰 基成环或形成螯环中间体；
③ 依据以上优势构象，还原剂负氢（或格氏试剂负碳） 主要从空间位阻较小的S一边进攻羰基碳原子形成构型产物。
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开链模型的反应实例：
i-Pr HC
Ph
O C
Pr-i
(1) LiAlH4 (2) H2O
i-Pr
OH
H CC H +
Ph
Pr-i
10
:
(主要构型产物）
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2．反应历程 有机过渡金属络合物的基元反应：
配体的络合和解离 氧化加成(oxidative addition)和还原消除(reductive e1imination) 插入反应和脱出反应 对于催化氢化而言：氢的活化及底物的活化经历络合或 氧化加成这些类型的基元反应，氢转移属于插入或脱出。
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*对被还原的前手性中心（或基团）的分析：
羰基（C＝O）、烯基（C＝C）、亚胺（C＝N等）一般具有 平面结构特征，平面两边是对称的——具有相同的化学环境。
非手性（还原）试剂与其反应形成不对称原子（中心）时， 由于试剂左右进攻的几率相等，所得产物为一等量立体异构体 （对映体——外消旋体）。
偶极模型反应实例：
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O C Ph
H C R'
Cl
R’
CH3
R
H
HO
H
RZ
HO C C R' + R C C R'
Ph
Cl
Ph
Cl
(1)
(2)
R－Z LiAlH4
（1）:（2） 75:25
立体选向率， ％
50
CH3
Al(OPr-i)3
66:34
32
一、非均相催化氢化反应（机理）
1．基本过程（简述） 非均相催化氢化反应具有多相催化的特征，过程中的五个
连续步骤： 底物分子向催化剂界面扩散；底物分子在催化剂表面吸附
（含物理吸附和化学吸附）；底物分子在催化剂表面反应；产 物分子从催化剂表面解吸（脱附）；产物分子由催化剂界面向 介质扩散。
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Chapter 7 Reduction Reaction
一氯三(三苯基膦)合铑[RhCl(Ph3P)3]催化乙烯加氢反应 的反应历程：
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1972年，C.A.Tolman总结和归纳了许多实验结果，明确地提 出了18电子规则：
(1)一个过渡金属反磁性有机络合物，如果它的金属价电子 壳层含有18个电子，那么，这个有机过渡金属络合物是比较稳 定的。
③ Cram规则可以预测主要产物的构型，但不能定量估计 不对称合成的程度。
④ Cram规则的讨论是我们认识不对称反应的开始与基础。
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二、α-酮酸手性醇酯的不对称还原（Prelog规则）
O
L
R C COOH + HO C M
S
次要进攻方向
O
L
RCCOC
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3．官能团对多相催化氢化的反应活性
酰卤（到醛）>硝基化合物（到伯胺）>炔（到烯）>醛（到伯 醇）>烯（到烷）>酮（到仲醇）>苄卤及苄醚或苄胺（到甲苯 及其衍生物）>腈（到伯胺）>含氮芳杂环（到含氮脂环）>稠 环芳烃（到部分氢化）>酯（到醇）>酰胺（到伯胺）>苯系芳 环（到脂环烃）>羧酸（到醇）>羧酸盐（不能氢化）
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第七章 还原反应
（Reduction Reaction）
本章概述： 有机分子还原反应定义：
使有机分子中碳原子总的氧化态（Oxidation state） 降低的反应。直观的表述为在有机分子中增加氢或减少氧 的反应。
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扩散——吸附——反应——解吸（脱附）——扩散 对于非均相催化氢化反应，通常决定总反应速度的步
骤主要是吸附和解吸两步。
（1）物理吸附与化学吸附 ①物理吸附：由分子间物理作用力——范德华力所致 ②化学吸附：底物分子与催化剂表面的活性中心之间形成新 的化学键，生成活化吸附中间物，形成具有一定选择性的单 分子吸附层。 ③活性中心：指催化剂表面晶格上具有很高活性的特定部位， 可以发生化学吸附，表现出催化活性。
还原反应分类（根据不同的还原剂及操作方法）： 催化氢化，化学还原，生物还原
催化氢化：非均相催化氢化（含多相催化氢化），均相 催化氢化
化学还原：负氢离子转移还原，电子转移还原 生物还原：微生物发酵催法，酶催化法
Chapter 7 Reduction Reaction
第一节 还原反应机理（催化氢化）
本节主要介绍非均相催化氢化、均相催化氢化的反应机理
*通常，比旋度和立体异构体的组成成线性关系，如忽略测定 的实验误差，则％e e和％op两者数值应相等。
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③立体选项百分率（不对称合成百分率）： 当产物为一非对映异构体时用立体选项百分率表示。
立体选择（选向）性与立体专一性的区别： 前者选择性（或选向率）大于0，小于100％；后者选向 率或产品关学纯度为100％。一般生物反应具有立体专一性特 征。
3．偶极模型
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δ O C R'
偶极模型说明：
L CS
Cl δ
L OS R Cl
① 羰基α-手性碳原子上有一个高度极化的基团（如卤素） 时，由于卤原子与羰基氧原子之间偶极排斥力而使它们为反式 共平面排列；
② 在偶极模型中，如卤原子属L基团，则反应结果与开链 模型一致，如卤原子属M时，则可能存在开链模型与偶极模型 的竞争，导致立体选择性较差。
② 还原试剂包括金属氢化物、醇铝（也包含格氏试剂同 类）将从所成环空间阻碍较小的一边（S所在一边）对羰基进 行加成，从而决定反应的立体选择性；
③ 环状模型中影响立体选择性的因素较之开链模型要复 杂一些，除了手性碳基团与前手性中心羰基之间的立体效应和 电子效应以外，还可能受反应试剂、溶剂、温度等因素的影响。
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（2）非均相催化氢化中的化学吸附
非均相催化氢化反应的前提是：底物与催化剂表面发生化 学吸附。
发生化学吸附的决定因素：几何因素和电性因素。
①几何因素：催化剂金属晶格参数与底物的共价键参数（键长 和键角等）匹配。
②电性因素：化学吸附过程中金属原子外层轨道与反应底物中 参与轨道之间的交叠情况。
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4．催化转移氢化反应 在金属催化剂存在下，用有机化合物作为供氢体以代替
氢气作为氢源。也属于非均相催化氢化。
C CHCOOH + H
Pd/C, Toluene reflux
CH2CH2COOH +
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① α-碳原子上的三个基团分别标以L（大）、M（中）、 S（小），它们与羰基之间没有如氢键、配位等特殊的相互作 用；
② 还原试剂包括金属氢化物、醇铝（也包含格氏试剂同 类）在对羰基碳原子发生加成反应之前，它们的金属部分先与 羰基氧原子配位，使得羰基氧原子的空间位阻效应显著增加， 从而形成以上还原前优势构象；
③ 应用Prelog规则可以推测 α-酮酸类不对称还原的优势 构型产物，而且还可以判断所用手性醇的构型。
④ 这个方法可用于将对称的 α-酮酸类转化成具有光学活 性的α-羟基酸。
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四、不对称催化氢化Asymmetric Hydrogenation
在手性药物分子及有关化合物的合成中，氢对sp2碳的不 对称加成反应即不对称氢化反应(也包括化学还原反应)是最实 用的。
催化转移反应分析： 供氢体（hydrogen donor）：不饱和脂环烃如环己烯、环
己二烯、四氢化萘及环状萜烯类等。 常用催化剂：钯黑或钯碳。 反应用途：烯键、炔键的氢化，硝基、偶氮基、亚胺基和
氰基的还原以及苄位氢解反应等。 反应优点或实用性：设备与操作简单、反应条件温和、基
团还原选择性好等。
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Chapter 7 Reduction Reaction
*不等量的立体异构产物：
指不等量的对映异构体或不等量的非对映 异构体。
（进一步说明：对于是利用还原底物分子内存在 的不对称因素实现不对称还原反应的其产物一 般是非对映异构体；对于还原底物是对称的， 且只有一个可还原的前手性中心的不对称还原， 其产物一般是不等量的对映异构体。）
④ 还原试剂硼氢化钠主要从最小基团S侧进攻，得到相应 的还原优势产物——两个非对映异构体的 α-羟基酸酯中其中 一个。
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对Prelog规则的总结：
① 通过在对称分子中引入不对称因素，使产生不对称反 应的结果；
② 还原过程优势构象分析主要依据是偶极排斥力与非键 原子排斥力；
(2)金属有机反应(包括催化反应)是通过一个个基元反应进 行的，反应中间体的金属价电子数可能是18。
铑Rh的价电子层：4d85s15p0
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第七节 不对称还原反应
不对称还原的定义： 是一种立体选择性还原。反应物具有可还原的前手性中心
（或基团），如羰基（C＝O）、烯基（C＝C）、亚胺（C＝N 等），在不对称因素作用下[包括底物中的手性中心、不对称 （手性）还原试剂或不对称（手性）催化剂]还原得到不等量 的立体异构产物的还原反应。
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一、手性醛、酮的不对称还原（Cram规则）
对于手性醛、酮，根据手性碳上连接基团性质的差异，其 立体控制途径可分为三类模型： 1．开链模型
O
Z
M
பைடு நூலகம்
S
R'
LR
OZ
M
S
R
R'
L
Chapter 7 Reduction Reaction
开链模型要点说明：