第六章-氧化反应

有机合成主讲人：南光明第六章氧化反应氧化反应是有机合成的一类常用的重要反应。有机化学中氧化反应常定义为加氧反应或脱氢反应6.1醇的氧化6.2碳-碳双键氧化反应6.3碳-碳键断裂氧化6.4碳-氢键的氧化6.1醇的氧化醇经氧化可生成羰基化合物，生成的产物取决于醇的结构、所用的氧化剂及氧化反应条件。一级醇经过温和氧化成醛，醛进一步氧化成羧酸。二级醇可氧化成酮，如果剧烈氧化可发生碳-碳键的断裂生成两分子羧酸6.1.1铬氧化剂铬氧化剂是一类具有多种性能的六价铬试剂，几乎可以氧化所有可被氧化的基团，通常可以控制氧化条件使主要生成一种产物。在氧化过程中，如醇的氧化，铬由六价被还原为四价。常用的铬氧化剂有三氧化铬和重铬酸盐。铬酸在有机合成中的重要用途是醇的氧化。•机理：铬酸与醇首先形成酯，醇的羟基同碳上的氢失去，同时铬氧键断裂生成酮RRHOHH2CrO4RRHOCrOOHORR'OHHH2CrO4R'RHOCrOOOHH2ORR'O+HCrO3+H3O醇的空间位阻对铬酸氧化醇的速率的影响：t-BuHOHHat-BuHHbOH3:1HOHHaHHbOHHHBu-tBu-t5:1•铬酸氧化剂特点：氧化能力强、反应是在酸性条件下。不适用对酸敏感的基团（醚、缩醛等）和易氧化基团（烯基、硫醚基、酚羟基、氨基等）的醇类，一些极易被过度氧化的醇也不适用铬酸的氧化。PhROHCr(Ⅵ)PhOR+PhOH+ROH•伯醇用铬酸氧化成醛，随之被氧化成酸，采用随时蒸出的方法。•Jonesreagent：对于铬酸酸性敏感的或其他易氧化基团的醇，采用此试剂（三氧化铬-稀硫酸-丙酮）CrO3,acetone/H2O稀H2SO4,15-20deO•Sarettreagent:三氧化铬与双吡啶形成的配合物，可使一级醇氧化成醛，二级醇氧化成酮，产率很高，因是在吡啶这种碱性条件下的反应，双键、缩醛等敏感基团不受影响。R-CC-CH2OHCrO3-Py2/CH2Cl2R-CC-CHO6.1.2二氧化锰•二氧化锰在中性条件下将醇氧化成醛或酮。新制的二氧化锰可将β-碳上为不饱和键的一级、二级醇氧化成相应的醛、酮，不饱和双键不受影响，用二氧化锰氧化剂，烯丙醇、苄醇比饱和醇容易氧化，伯醇比仲醇易氧化，利用这一活性差异，可以进行选择性氧化OHMnO2CHOHOHO6.1.3二甲亚砜•二甲亚砜与α-卤代酮加热反应可生成α-羰基醛。氧化反应可能机理如下：SORRXSORRH:BRRO+S+HBOBrDMSO,100deOHOOHDMSO,refluxOMoffatt氧化反应•在活化剂DCC存在下，二甲亚砜氧化醇成酮。（其它活化剂有乙酐、五氧化二磷、三氧化硫等）OHODMSO,DCCH3PO4OONCN6.1.4高碘酸酯•是一类在中性条件下氧化醇成醛酮的氧化剂，尤其适用对酸、热不稳定的化合物的氧化。由邻碘苯甲酸与溴酸钾在硫酸中反应，再经过与乙酸/乙酸酐在100℃加热反应制备。该试剂在室温条件下即可将醇氧化成相应的醛酮。ICOOHKBrO3H2SO4OIHOOOAc2O,AcOH100deOICAOOACOOAcOICAOOOOAcOH高碘酸酯CH2Cl2O6-1-5Oppenauer氧化•在温和条件下，在丙酮中用烷氧基铝（异丙基铝）将伯醇或仲醇氧化成醛或酮的反应。醇和酮之间发生氢的转移，双键或其它对酸不稳定的基团利用此反应OHAl(OPri)3acetone/benzeneO此反应的局限性在于当碳-碳双键与所生成的羰基不是共轭状态时，会发生双键的迁移，得到共轭的不饱和酮6-1-6其它氧化剂•铂催化氧化反应：用铂催化剂和氧进行催化氧化是在温和条件下氧化伯醇或仲醇的一种有效方法。氧化伯醇时，可以根据产物来控制反应条件，双键不受催化氧化反应的影响。RCH2OHO2/Pt0.5hO2/Pt2hRCHORCOOH•三苯基碳酸铋氧化：在温和的条件下可以选择性地将伯醇或仲醇氧化成醛或酮，其它官能团如巯基、氨基等不受影响。试剂尤其适用氧化烯丙醇或苄醇成羰基化合物。RC=CHCH2OH+Ph3BiOOOCH2Cl2RC=CHCHO6-2碳-碳双键氧化反应•碳-碳双键用不同的氧化剂氧化可以得到不同的氧化产物。强氧化剂氧化可发生碳-碳键的断裂生成酮或羧酸。控制反应条件可以得到环氧化合物、羟基化合物、双羟基化合物等6-2-1碳-双键环氧化反应•最常用的氧化剂是过氧化合物如过氧化氢、过氧羧酸、醇的过氧化物。不同的过氧化试剂的氧化能力取决于离去基团的共轭酸的酸性强弱，过氧化试剂氧化能力如下：CF3CO3HNO2CO3HCO3HCH3CO3HHO-OHt-BuO-OHROOH+OORHO+ROHROOH+R'R''MR'R''O+ROH•过氧化氢可以氧化烯烃为环氧化物，常在水或与水混溶的溶剂中反应，通常反应较慢，但在金属催化剂的催化作用下，反应明显加快。催化剂有：三氧化钼、五氧化二钒•醇的过氧化物常用的是叔醇过氧化物，伯醇、仲醇的过氧化物易于重排分解。醇的过氧化物易于溶于有机溶剂，比过氧化氢稳定且易于处理。•环氧化反应中取代基较多的双键比取代基少的更易反应。富电子的双键比缺电子的双键易反应。t-BuOOH,PhHMo(CO)6,refluxOCHOt-BuOOHTi(Ⅳ),SiO2CHOO•对于含烯丙醇结构的烯烃，在金属催化剂存在下，叔丁基过氧化氢可区域选择性或立体选择性的环氧化反应。CH2OHt-BuOOH/V(acac)2CH2OHOOHt-BuOOH/V(acac)2OHO•过氧化氢在碱性介质中产生过氧负离子，对α，β-不饱和羰基化合物的双键进行共轭加成式的环氧化反应。OHOOHOHHOOOOHOOOOMeOHH2O2,NaOHOO•α，β-不饱和腈在过氧化氢碱性介质中，首先在氰基上加成，随之在双键上的环氧化反应得到环氧酰胺，叔丁基过氧化氢碱性条件环氧化α，β-不饱和腈可以得到环氧腈CNH2O2,NaOHNHOOHOONH2PhPhCNOPhCNPht-BuOOHNaOH•过氧羧酸是最常用的环氧化试剂。是用相应的羧酸与过氧化氢反应制取。过氧羧酸大多不稳定，现用现配。•过氧羧酸与烯烃反应是合成环氧化物最简便的方法。尤其对孤立双键、单独用过氧化氢或过氧醇（不存在金属催化剂）不易被环氧化，而用过氧羧酸很容易反应，其环氧化烯烃的反应机理是过氧羧酸对碳-碳双键的氢电性进攻MeClCO3H+CHCl3MeOOHOOR+OHOORO+RCOOH•过氧羧酸与烯烃环氧化反应是亲电性反应，双键上烃基取代越多，越易反应。CH3CO3HCHCl3,refluxO•单取代的烯烃反应活性较低，通常用较强的过氧羧酸（三氟过氧乙酸、间氯过氧苯甲酸）•对于构象固定的环状烯，过氧羧酸的环氧化从位阻较小的一面进攻，原茨烯优先生成外向环氧化物m-CPBACHCl3O+OHHHH外型内型6-2-2碳-碳双键的双羟基化反应•烯烃用高锰酸钾或四氧化锇氧化得到邻二醇。高锰酸钾稀碱水溶液在控制反应温度下可将底物氧化得到顺式邻二醇，对非水溶性的底物，可采用水与有机溶剂混溶或相转移催化剂，使烯烃在水和有机相的两相体系中反应。KMnO4,NaOHH2O/CH2Cl2,TEBAOHOH•四氧化锇氧化：是氧化碳-碳双键成邻二醇的有效氧化剂。•四氧化锇的双羟基化反应是经过环加成与烯烃生成六价锇酯，在水或醇溶液中分解成邻二醇。•双羟基化反应从位阻小的一面进攻。•氧化剂毒性和价格昂贵，如果化学剂量的使用，使其有局限性，采用催化剂量的四氧化锇与过氧化氢等配合使用。0.2%OsO4,t-BuOOHt-BuOH/H2O,Et4NOHOHOH+OsOOOOEt2OHHOOOsOOLLH2OHHOHOH+OsO3MeOCO2EtOsO4MeOCO2EtHOOH6-2-3碳-碳双键的臭氧化反应•烯烃在低温下与臭氧反应，生成臭氧化加成产物。臭氧化经过进一步处理，分解成醛、酮。碳-碳双键被氧化裂解。臭氧化物所用的还原剂的还原能力不同，会影响最终生成产物。弱还原剂（Ｚｎ粉/乙酸），产物为醛、酮；强还原剂（LiAlH4NaBH4）生成的醛酮被进一步还原成醇OPh(1)O3(2)Zn,AcOHOPhCHOOAcOHOAc(1)O3,Et2O,0de(2)LiAlH4,0deHOHHOHOOCH3(1)O3/MeOH(2)Me2SOCHOMeO(1)NaBH4(2)NH4ClOCH2OHMeO6-3碳-碳键断裂氧化•6-3-1高锰酸钾•高锰酸钾稀碱溶液低温氧化烯烃得到顺式邻二醇，但在剧烈条件下，通常是提高氧化剂浓度、反应温度和酸性溶液，可进一步氧化成羰基化合物RR'R''HOHOHR'HRR''RR'OOR''OH6-3碳-碳键断裂氧化6-3-1高锰酸钾高锰酸钾稀碱溶液低温氧化烯烃得到顺式邻二醇，但在剧烈条件下，通常是提高氧化剂浓度、反应温度和酸性溶液，可进一步氧化成羰基化合物RR'R''HOHOHR'HRR''RR'OOR''OH•实际操作是：催化剂量的高锰酸钾、与计量（化学量）的高碘酸混合（LemieuxvonRudloffreagent）KMnO4HIO4COOHCOOH•6-3-2钌氧化剂•四氧化钌可氧化烯烃成醛、酮或羧酸。通常单独使用四氧化钌时产量不稳定，与高碘酸钠联合使用，可显著提高氧化收率。联合氧化剂氧化能力强，氧化含有氢的双键主要产物是羧酸HOHRuO4,NaIO4CCl4,CH3CNHHOHO2CHO2CHHO2CO•6-3-3四乙酸铅•是氧化1，2-二醇、α-羟基酮、邻二酮、α-羟基酸的有效试剂。四乙酸铅的氧化裂解反应通常在非水溶剂中进行。PhOOHOHPb(OAc)4PhOCH2CHO+HCHO+Pb(OAC)2Pb(OAc)4OHOHOO•四乙酸铅氧化邻二醇成醛或酮，不破坏碳-碳双键OHOHPb(OAc)4Et2OCHO•烯醇酯、烯醇三甲基硅醚或烯胺在四乙酸铅氧化作用下得到α-乙酰氧基酮HOOAcPb(OAc)4(Ac)2O,AcOHHOOAcOOSiMe3Pb(OAc)4OOAc•6-3-4高碘酸•高碘酸或高碘酸盐水溶液是1，2-二醇氧化裂解试剂。溶剂为甲醇、乙醇、乙酸、二氧六环等。能定量的反应，根据高碘酸的消耗，推知多元醇中相邻羟基的数目，根据产物推知原化合物的结构。RHCOHHCOHCH2CH2COOHKIO4/H2SO4EtOH/H2ORCHO+CHO-CH2CH2COOH机理：HHOHOHIO4HHOOIOHOOHO2CH3CHOOHOH+IOHOOHOHOHOH5IO6IOHOOHOOOOO+IO3+H2OHIO4α-羟基酮、α-氨基醇、α-羟基酸、邻二酮、α-酮酸与高碘酸的反应OOH+IO4AcOH/H2OOOH+O+IO3+H2OIO4ROOR2RCOOH+IO3+H2O6-3-5Baeyer-Villiger氧化反应•过氧羧酸或过氧化氢氧化酮成酯或内酯的反应R1R2ORCO3HHR1R2OOOROHR1OOR2+HOORHOOHOHR1R2OOOHR1OOR2+HO•对于羰基相连的两个烃基不同时，两个基团都可能发生迁移，容易得到混合物，但是不同的烃基之间有一定的选择性；迁移顺序为R3C≈R2CH≈CH2CH2=CHRCH2CH3•常用的Baeyer-Villiger氧化剂有：过氧苯甲酸、过氧乙酸、三氟过氧乙酸等OCH3CF3CO3HNa2HPO4,CH2Cl2OCH3O6-4碳-氢键的氧化•二氧化硒是氧化碳-氢键的最常用的氧化剂。烯丙基或苄基的碳-氢键经二氧化硒氧化可得到烯丙基醇或羰基化合物。含氮芳环的苄基经二氧化硒氧化得到醛或羧酸，芳环的氮原子并不受影响。反应机理为：ROSeOHRSeOOHOSeOHRH2OROHSeO2,H2O2t-BuOHOHNCH3BrBrSeO2DMSONCHOBrBrNNCH3SeO2/PytolueneNNpyrazineCOOH•酮或醛的羰基化合物经二氧化锡氧化得到邻二羰基化合物OH2SeO3dioxaneOOH2SeO3dioxaneOOCHO6-4-2铬、锰化合物氧化剂•是氧化芳烃甲基的有效氧