第四章氧化反应.

第四章氧化反应（OxidationReaction）引言狭义：加氧去氢；广义：失去电子或电子转移，使C上电子云降低。1、氧化的定义HCHHHCHOHHCOOCOH氧化数：-3-1+1+3广义的氧化反应：氧化数升高的反应狭义的氧化反应：得到氧或失去氢的反应CHOCOOHF3CCOOHO得氧失氢2、氧化反应的特点1）氧化剂种类多，同样的氧化剂能完成不同底物的氧化，同样的底物可被不同的氧化剂所氧化。氧化产物强烈地依赖于反应条件；2）氧化反应为强放热反应，反应过程中应及时移走反应热，使反应平稳进行；3）氧化反应在热力学上均可看做不可逆反应，尤其是完全氧化反应；4）氧化反应过程中，伴随副反应很多。CH3O2NNa2Cr2O7,H2SO4140度，30minCOOH(86.5%)O2NNCH3KMnO4,H2O80-90度HClNCOOH(81-91%)3、氧化反应在药物合成中的应用（局麻药普鲁卡因Procaine中间体）（维生素类药烟酸NicotinicAcid）第一节氧化剂概述1、氧化反应的类型空气氧化法化学氧化法：使用化学氧化剂（液相）电化学氧化法：在电极上发生电子转移，绿色工艺空气液相氧化气固相接触催化氧化2、氧化剂的类型1)：金属元素的高价化合物。例如：KMnO4、MnO2、CrO3、K2Cr2O7、PbO2、Tl(NO3)3、Ce(NO3)4等。2)：非金属元素的高价化合物。例如：HNO3、N2O4、SO3、NaCIO、NaClO3、NaIO4、DMSO等。3)：无机富氧化合物。例如：臭氧、双氧水、过氧化钠、过碳酸钠与过硼酸钠等。4)：有机富氧化合物。例如：有机过氧化合物，如：过氧乙酸、叔丁基过氧化氢等。5)：非金属元素单质。例如：卤素（Cl2、Br2）等。3、氧化剂和氧化方法的选择依据选择性好收率高，产品质量好成本低，工艺简单第二节催化氧化1、液相催化氧化空气（O2）：价廉易得，应用广泛•反应历程•生产实例•液相催化氧化的特点2）生产实例•甲苯氧化制苯甲酸CH3+1.5O2COOH+H2OCo(Ac)2催化剂：Co(Ac)2用量：0.01%-0.015%反应温度：150oC-170oC压力：1MPa•优点（1）选择性好；（2）反应温度低100～200℃，防止热分解；（3）催化剂和氧化剂便宜；（4）按要求控制反应深度。•缺点（1）氧化能力有限，收率低；（2）反应物分离及后处理困难。3）液相催化氧化的特点3、气相催化氧化1）、反应历程2）、应用事例3）、气相法和液相法比较氧化态催化剂+原料还原态催化剂+氧化产物还原态催化剂+氧(空气)氧化态催化剂1）反应历程2）应用事例①芳烃气相氧化反应；②烯烃气相环氧化；③烃类氨氧化。◘芳烃气相氧化反应由萘制备邻苯二甲酸酐或顺丁烯二酸酐，所用的催化剂是钒的氧化物。萘或邻苯二甲酸酐可以进一步氧化为顺丁烯二酸酐。CCOOO+9/2O2+2CO2+2H2OCH3CH3CCOOO+3O2+3H2O◘烯烃气相环氧化烯烃气相环氧化，主要是环氧乙烷的制备，在银催化剂上，乙烯用空气或氧气氧化。CH2CH2CH2CH2O+1/2O2◘烃类氨氧化烃类与氧和氨反应，生成腈，是制备腈的重要方法。RCH3NH3RCN++3/2O2+3H2O3）气相法和液相法比较①反应温度气相法的温度300-500℃，液相法温度100-200℃。②反应压力液相法的压力低，气相法的压力高，一般几十个压力。③催化剂液相法的催化剂一般用过氧化物，或乙酸钴，气相法的催化剂一般用钒、银等。3）气相法和液相法比较④溶剂液相法一般需要溶剂，气相法一般不需要溶剂。⑤反应器液相法可采用塔式（板式塔）和釜式反应器；气相法一般列管式或流化床反应器。一、四氧化锇（OsO4）为氧化剂应用四氧化锇的氧化反应称为Criegee氧化反应，用于烯烃氧化制备顺式1,2-二醇，其选择性高于KMnO4氧化法，也用于甾醇结构测定。其氧化机理是四氧化锇与烯键顺式加成生成环状锇酸酯，而后水解成顺式二醇。CC+OsOOOOCHHCOOOsOOH2OCCOHOH+H2OsO4第三节高价金属化合物为氧化剂的氧化反应一、四氧化锇（OsO4）为氧化剂不同对映休的手性配体如O-(4-氯苯甲酰)氢奎并啶（DHQD-CLB）作为配体与OsO4形成的络合物能高对映选择性催化地氧化烯，获得光学纯度的对映异构体。在合成不对称(2S)-普萘洛尔（Propanol）的过程中，就使用类似的策略。二、氧化银（Ag2O）和碳酸银（Ag2CO3）为氧化剂氧化银可使醛基氧化成羧基，酚羟基氧化成醌，分子中的双键及对强氧化剂敏感的基团不受影响。在工业上，采用负载氧化银的氧化铜为催化剂，以空气为氧化剂实施反应。工业上用此法将糠醛氧化为糠酸。(86%~90%)OCOOHOCHOO2/NaOH/Cu.Ag2O二、氧化银（Ag2O）和碳酸银（Ag2CO3）为氧化剂碳酸银可直接用作催化剂，也可将其沉积在硅藻土上使用。碳酸银是氧化伯醇、仲醇的较理想的氧化剂，氧化反应有一定的选择性。位阻大的羟基不容易被氧化，优先氧化仲醇，烯丙位羟基比仲醇更容易被氧化。1,4-二醇、1,5-二醇，1,6-二醇等二元伯醇，可氧化生成环内酯。三、四价铅（PbO2,Pb(OAc)4）为氧化剂邻二醇被四乙酸铅氧化，邻二醇的碳碳键断裂生成两个羰基化合物，环状邻二醇则生成二羰基化合物。氧化机理是形成五元环状中间体，后者分解为羰基化合物。例如:CH3HCCHCH3OHOH+Pb(OAc)4-AcOHCH3HCCHCH3OHOPb(OAc)3-AcOHHCHCCH3CH3OOPb(OAc)22CH3CHO+Pb(OAc)2三、四价铅（PbO2,Pb(OAc)4）为氧化剂四乙酸铅可与烯烃反应，反应中四乙酸铅脱掉两个乙酰氧基，两个乙酰氧基加到烯键的两个碳原子上生成双乙酸酯。四、高价钌为氧化剂具有对酸或碱不稳定的羟基内酯结构的醇，以及张力大的环丁醇类化合物，RuO4能高收率的将它们氧化成相应的酮。四、高价钌为氧化剂R(RuO4)类型的盐[R=Pr4N,Bu4N,PPh4,N(PPh3)2]可以催化计量与氧化剂合用，在更温和的反应条件下实现对醇的氧化，制得醛、酮等产物，并且有出色的选择性，TPAP(N(C3H7)4RuO4，四正丙基过钌酸铵)是这些催化剂中的典型代表。五、锰化合物为氧化剂锰化合物主要包括高锰酸钾和二氧化锰。高锰酸钠易潮解，高锰酸钙可发生剧烈氧化反应而很少使用。一）高锰酸钾氧化（1）属于通用型氧化剂，氧化能力强；（2）反应介质为酸性、中性或碱性介质；（3）应用：一）高锰酸钾氧化②烯键的裂解NO2NO2COOHCOOHKMnO4OH-①芳环或杂环侧链的氧化制羧酸CH3CH2CH2CH3CH3COOHCOOHCOOHNH2COOHCOOHKMnO4OH-二）二氧化锰（MnO2）为氧化剂活性二氧化锰二）二氧化锰（MnO2）为氧化剂二氧化锰和硫酸的混合物六、高价铬化合物为氧化剂Jones试剂（CrO3/丙酮/H2SO4）不饱和键、分子构型及氨基、羰基等对氧化剂敏感的基团不发生变化。如果起始原料是醛，可氧化成酸。六、高价铬化合物为氧化剂Jones试剂（CrO3/丙酮/H2SO4）六、高价铬化合物为氧化剂Jones试剂（CrO3/丙酮/H2SO4）六、高价铬化合物为氧化剂SarretandCollinsRegent制备存在危险性；产品从吡啶中分离困难。六、高价铬化合物为氧化剂CrO3-Ac2O为氧化剂CrO3/Ac2O/H2SO4试剂，先生成二醋酸酯，再水解成醛六、高价铬化合物为氧化剂重铬酸钠（1）通用型氧化剂，氧化能力强；（2）氧化反应以不同浓度的H2SO4为介质（3）实例：H2CCH3KMnO4Na2Cr2O7275oCCOOHCH2COOH96%以铬试剂为基础的氧化方法•Jones:CrO3/H2SO4/Acetone,条件太剧烈，对酸敏感则不适用。•Sarrat：CrO3/Py,条件相对温和，但催化剂制备危险，伯醇难于氧化，产物分离困难。•Collins:CrO3/Py/CH2Cl2,解决了伯醇氧化的问题，分离依然困难。•PCC:吡啶和CrO3在盐酸溶液中的络合盐,弱酸性，伯醇氧化问题用此得以解决,但对烯丙醇较差。•PDC:中性，适用范围广，烯丙醇更有效。PDC/DMF可把非共轭伯醇氧化为羧酸。第四节高价非金属化合物为氧化剂的反应一、二氧化硒(SeO2)为氧化剂1、醛、酮α-甲基或亚甲基氧化2、烯丙位氧化一、二氧化硒(SeO2)为氧化剂①氧化双键碳上取代基较多的一边的烯丙位烃基；烯丙位氧化遵循如下规则:一、二氧化硒(SeO2)为氧化剂遵循如下规则:②在不违背上述规则情况下的氧化顺序:CH2CH3CHCH3CH3CH3CH2CHOHCSeO2CH3CH3CH3CH2CHCCH3CH3CH2CHCCHOH34:1③当上述两规则有矛盾时,一般遵循(1)H3CCCH3CHCH2CH3SeO2H3CCCH2OHCHCH2CH3④双键在环内时，双键碳上取代基较多一边的环上烯丙位碳氢键被氧化；CH2CH3SeO2CH2CH3HO⑤末端双键氧化时，发生烯丙位重排，羟基引入末端二、硝酸(HNO3)为氧化剂优点：被还原成氧化氮气体，无残渣，便于分离提纯缺点：腐蚀性强，剧烈，选择性低，副反应实例：ClCH2CH2CH2OHHNO3ClCH2CH2CH2COOHOH67%HNO3,V2O555oC-60oCH2CH2CH2CH2CCOOHCOOH二、硝酸(HNO3)为氧化剂三、含卤氧化剂1、卤素(X2)为氧化剂氯气作为氧化剂实际上是将氯气通人水或碱水中生成次氯酸或次氯酸盐而进行氧化反应的。氯气氧化时被还原成盐酸，容易处理，但氧化反应常伴有氯化反应。HOOHOHCOOHOOOCOOH(55%)液氯，冰HOAc,H2O10~20℃三、含卤氧化剂1、卤素(X2)为氧化剂溴的氧化能力比氯弱，反应可在四氯化碳、氯仿、二硫化碳或冰醋酸中进行。Br2/CHCl3(69%)C6H5COCONNHC6H5C6H5COCONNHC6H5三、含卤氧化剂2、次氯酸钠NaOCl①．将稠环或具有侧链的芳香烃氧化成羧酸：NaOClOH-H+COOHCOOHCH3NaOClOH-H+COOH②．使羰基α-位活泼亚甲基或甲基氧化断裂，生成羧酸。+RCOCH3RCOOHHCCl3NaOClOH-RCOCCl3H2OOCH3CH3ONaOClCOOHCH3COOHCH3三、含卤氧化剂3、用过碘酸氧化(反式不被氧化)一）臭氧(O3)为氧化剂OOOOOOOOO异裂开环裂解OOO[3+2]OOOOOOOOO++环合OOOH2OOO+第五节无机富氧化合物为氧化剂的氧化反应一）臭氧(O3)为氧化剂(CH3O)3PCH3CO3HO3OOOCHOCHOCO2HCO2H①O3,60℃②(CH3O)3PCHOCHOOO(80%)二）过氧化氢(H2O2)为氧化剂①．碱性介质中,过氧化氢分解成亲核性离子HOO-,可选择的氧化α，β-不饱和羰基或硝基化物，α，β-不饱和砜等，是制备相应环氧化合物常用的方法。HOOH++H2OOHHOO例：HOO-/CH3OHOCH3CH3CH3O-OHOCH3CH3CH3OHOCH3CH3CH3O二）过氧化氢(H2O2)为氧化剂②．酸性介质中：在有机酸介质中，过氧化氢首先生成过氧酸，而后进行氧化反应，所得的环氧化合物遇酸开环。常用于烯烃的氧化，最终产品为反式二醇。OHRCOOHHOOH++H2OR-C-O-OHO或R-C-OO++H2O例：R'CH=CH2+RC-O-OHOR'CH-CH2O-HH+R'CH-CH2ORCOOHR'CH-CH2OO-CORR'CH-CH2O-H水解OHR'CH-CH2O-H三）硫酸过氧化物为氧化剂NNNOHK2S2O8NaOHFeSO4O3KSOOHH+OHHO作为氧化剂的过二硫酸盐主要是过二硫酸钾和过二硫酸铵，反应可以在中性、碱性或酸性介质中进行。水杨醛（Salicylaldehyde）氧化合成龙胆醛（2,5-Dihydroxy