有机合成化学与路线设计chapter6氧化反应

1、chapter6 chapter6 氧化反应氧化反应有机化合物进行氧化反应，只指作用部位有机化合物进行氧化反应，只指作用部位的碳原子的氧化数增加而言。的碳原子的氧化数增加而言。如：环己醇被氧化成环已酮，其作用的官能团碳原子的氧化数增加2价，即相对的氧化态由-2 增为值。氧化的形式可以在该碳原子上加氧原子（或对等物），如：RCHO RCO2H， RCHO R-C N；或脱去氢分子，如: RCH2OH RCHO。氧化反应氧化反应Oxidation氧化剂的种类很多，可以是氧气，氯气，高价位的金属化合物，或过氧酸有机化合物等。在氧化反应后，氧化剂本身是被还原，那么不难了解 大 部 分 的 氧 化 剂

2、都 是 亲 电 子 的 试 剂（electrophilic reagents）。一般的有机化合物仅需 0 0.6 伏特电位以进行氧化反应。通常使用的无机氧化剂的氧化还原电位约 1.0 伏特。氧化反应氧化反应Oxidation 以作用的类型来分，有机化合物的氧化反应可以分为以下三种类型：1) 在官能团的部位氧化RCCH2ROOROCCH2RORCH2OHORCHOORCO2HRCH2OCH2RORCOCH2RO氧化反应氧化反应Oxidation2) 2) 在在-碳的部位氧化碳的部位氧化R2C=CHCH2ROR2C=CHCHROH,R2C=CHCHRBrRCH2CH2CROORCH=CHCRO,R

3、CH2CHCROHO3) 3) 在非活化部位氧化在非活化部位氧化OOH氧化反应氧化反应Oxidation6.1 6.1 醇类的氧化醇类的氧化最常用的氧化剂是铬最常用的氧化剂是铬 Cr(VI) 的氧化物，如：的氧化物，如： 酸性试剂：酸性试剂： （1）铬酸（）铬酸（H2CrO4），氧化铬（），氧化铬（CrO3） （2）Jones试剂（试剂（H2CrO4-S2SO4-Me2CO）微碱性试剂微碱性试剂 （3）Sarett试剂（试剂（CrO3/Pyridine） （4）Collins试剂（试剂（CrO3-2Pyridine/CH2Cl2） 微酸性试剂微酸性试剂 （5）PCC试剂（试剂（CrO3-Pyr

4、-Hcl/CH2Cl2,） 中性试剂中性试剂 （6）PDC试剂（试剂（H2CrO7-2 Pyr,） 其中其中 Sarett 试剂，试剂，Collins 试剂，试剂，PCC 和和 PDC 试剂是温试剂是温和的氧化剂，可使一级醇氧化成为醛类，而不再进一步被和的氧化剂，可使一级醇氧化成为醛类，而不再进一步被氧化成羧酸。氧化成羧酸。1. 当化合物在酸性条件下稳定时，可用 Jones 试剂：OHOH2CrO4H2SO4Me2COJones20 ,3h;80%2使用微碱性 Collins 试剂，避免双键转移成共轭双烯，也可避免进一步氧化成羧酸。OHCHOCollinsCrO3Pyr CH2Cl22醇的选择

5、性氧化醇的选择性氧化3有时候，溶剂的影响很大，即使用中性的PDC试剂（H2Cr2O72 Pyr，pyridinum dichromate），在极性溶剂如二甲基甲酰胺中，欲生成羧酸。CO2HCH2OHCHOPDCDMF, 83%PDCCH2Cl2,92%一般说来，在极性溶剂中反应较激烈，而使用非极性溶剂，如：正已烷，则可能发生不溶解的现象。醇的选择性氧化醇的选择性氧化HOOOOOOHPCCor MnO25. 较昂贵的碳酸银（Ag2CO3）,也收一级醇氧化成醛，而不影响环丙烷（对酸不稳定）。4. PCC 常被使用来将一级醇氧化成醛类，不会破坏四氢吡喃的部分。若是烯丙醇氧化成 ，一不饱和醛(酮)，也

6、常常使用二氧化锰 (MnO2)。CH2OHCHOAg2CO3醇的选择性氧化醇的选择性氧化6. 相对的有机氧化剂是二甲基亚砜，此时需要脱水剂DCC，和用酸（如磷酸）作催化剂。这种反应称为Moffatt反应。OOCOCH3NNHOOHOCH2OOCOCH3NNOOCHOMe2SO, DCCH3PO4 cat, 25 ,90%若改用草酰氯及二甲基亚砜为氧化剂称为Swern氧化反应。OHMe2SO, (COCl)2100%OH醇的选择性氧化醇的选择性氧化7. Oppenauer7. Oppenauer氧化反应：此类反应系以酮类（如丙酮，环氧化反应：此类反应系以酮类（如丙酮，环已酮）为氧化剂，此三异丙基

7、氧化铝为催化剂，可将已酮）为氧化剂，此三异丙基氧化铝为催化剂，可将醇类氧化成醛酮，而氧化剂酮则被还原为醇（如丙酮醇类氧化成醛酮，而氧化剂酮则被还原为醇（如丙酮氧化剂在反应后生成异丙醇）。氧化剂在反应后生成异丙醇）。HOOOOHAl O3+反应的进行方向由所加酮（氧化剂）或醇（还原剂）的用量而定。 在Al（iso-PrO）3 的催化下进行，Oppenaner氧化反应可能同时产生异构化：醇的选择性氧化醇的选择性氧化HOO+OAl O390% Oppenauer氧化反应的机理稍为不同，进行阴离子的转移，而不是产生低价的铝（I）:HOH+Al O3OHPrOPrOOAlOOHH+一般来说：烯丙醇（Al

8、lyl alcohol）、苄醇（benzyl alcohol）的活性比一级醇，二级醇的活性高，更容易被氧化。醇的选择性氧化醇的选择性氧化8. 酚类的氧化：酚类（Pherols）极容易被氧化，而通常的氧化剂也足以破坏酚类化合物。 选择性地将酚类转变成二氢醌（hydroquinone），可用过硫酸钾（K2S2O8）；而将酚类转变成为醌则可用O N（SO3K）2（Fremys Salt）。OHRK2S2O8KOHOO3SOHSO4R_2_O_RO OSO3O3S_OHOSO3HROHOHRH+OHRON(SO3K)2OOR醇的选择性氧化醇的选择性氧化6.2 6.2 醛酮的氧化醛酮的氧化1. 醛类氧化

9、成羧酸通常使用氧化银（Ag2O，以AgNO3在碱中制备）。CHOOHOCH3+AgNO3+NaOHHCl88%CO2HOHOCH32. 通常酮类不会被氧化成羧酸，但甲基酮类可被次卤酸氧化降解一个碳的羧酸。同时，因为甲基被氧化成为卤仿，此反应称之为卤仿反应（haloform Readion）。OCO2HCHCl3NaOCl, H2O87%+卤仿反应（卤仿反应（haloform Readion）3. 将酮类氧化转成酯类或内酯是一有用的合成反应，常以过氧酸为氧化剂，称做Baeyer-villiger反应：RCORH+RCROH(1)RCO3H(2)H+_COORRHO CORRCO ORRCO2H+

10、Baeyer-villiger反应反应此反应是经由中间体的转移而保持构型，故Baeyer-villger氧化的产物是可预期其立体结构。一般说来，在这反应中转移次序是依亲核性选择，大致的次序是: t-alkyl .(cyclohexyl, s-alkyl, benzyl, phenyl) primary alkyl methyl。Baeyer-villiger反应反应4Beckmann重排反应：利用羧胺（NH2OH）可水醛酮氧化成 E 式肟（Oxime）。由于空间位阻的结果，不可形成 Z 式异构体。OHHH3CNHHH3COHNH2OH HCl+(2) 65(1)TsCl, PyNHCH2CH3

11、HH3CO将羟基活化成Tso的离去基，经 Beckmann 重排则产生内酰胺。重排时，转移键和离去在同一平面的异边（antiperiplanar），即肟的构型保持。Beckmann重排反应重排反应6.3 6.3 羧酸的氧化羧酸的氧化羧酸类极不容易被氧化，但与过氧化氢（H2O2）作用产生过酸。若是邻二羧酸类，则可以在四乙酸铅Pb（OAC）4作氧化性的脱羧反应。CO2EtCO2HCO2HCO2EtOOHOPb(OAc)3OPb(OAc)4+71%Py C6H6CO2Et+2CO2OOO+Pb(OAc)4Py2CO2+6.4 6.4 烯烃的氧化烯烃的氧化最常见的烯烃类氧化反应是转变成环氧化合物，二醇

12、类及断键成为两个羟基化合物。1. 形成环氧化合物（形成环氧化合物（epoxidation）：）：（产物仍保持烯烃的立体化学）常用的氧化剂是过氧酸或叔丁基过氧化氢（需金属催化剂）。OCH3CH380%MCPBACHCl3, mCPBA (m-chloroperbenzoic Acid, m-Cl-PhCO3H),是一较稳定的过氧酸，在冰箱中可长期保存。其反应机理如下：过氧酸的氧化能力与对应酸的强度成正比，即其氧化能力顺序如下：CF3CO3H p NO2C6H4CO3H HCO3H m ClC6H4CO3H C6H5CO3H CH3CO3H过酸环氧化烯烃的机理过酸环氧化烯烃的机理使用叔丁基过氧化氢

13、（t-Buthyl hudroperoxide, t-BuOOH）时需VO(acac)2, Mo(CO)6 or Ti(OR)4等催化剂，先形成类似的金属过氧酸。OOH+Ti O4O OTiO3OOxidation of alkenes to form epoxidesOCOCH3OCCH3OOArCO3HOHOOHArCO3H96%烯烃的环氧化常受空间阻碍的影响，在阻碍较小的一面形成环状物；但若有羟基的感应作用，则与羟基在同边形成环氧化物。其中以烯丙基其中以烯丙基 (Allyl alcohol) 和高烯丙基和高烯丙基 (Homoallyl alcohol) 的影响效应最明显，即使对非环状的影

14、响效应最明显，即使对非环状化合物也是有有选择性反应。化合物也是有有选择性反应。Oxidation of alkenes to form epoxides1 ) 形成反式二醇类（形成反式二醇类（Trans diols）：）： 通常将烯类环氧化后产物以酸水解即得反式二醇类。HHOH2O H2SO4HOHOH2. 烯烃类化合物的二羟基(dihydroxylation)化反应： 一般使用的方法有一般使用的方法有: a. 以高锰酸钾为氧化剂，以高锰酸钾为氧化剂， b. 以四氧化锇以四氧化锇 OsO4为氧化剂，为氧化剂， c. 以碘及湿的以碘及湿的AgOAc为氧化剂。为氧化剂。a KMnO4为氧化剂时，条

15、件控制十分重要，否则形成为氧化剂时，条件控制十分重要，否则形成的二醇类会进一步氧化裂解。的二醇类会进一步氧化裂解。CH2=CHCH(OCH3)2+KMnO4H2O5 , 67%CH2CHCH(OCH3)2OH OH 2) 形成顺式二醇类（形成顺式二醇类（Cis diols）：）：若有机化合物不溶于水时，常加入相转移剂（若有机化合物不溶于水时，常加入相转移剂（Phase-transfer agents）如季铵盐等，使反应在有机溶）如季铵盐等，使反应在有机溶剂中进行。但反应的酸碱度也会影响产物：剂中进行。但反应的酸碱度也会影响产物： 2) 形成顺式二醇类（形成顺式二醇类（Cis diols）：）：

16、也 可 将也 可 将 K M n O4先 改 变 成 有 机 盐 类 ， 如先 改 变 成 有 机 盐 类 ， 如Ph3(CH3)P+MnO4- ，则能在低温下操作：，则能在低温下操作：这是分离出唯一的顺式二醇，由于高锰酸钾盐在较小位阻的一边进攻烯烃的缘故。 2) 形成顺式二醇类（形成顺式二醇类（Cis diols）：）：b. 用四氧化锇（用四氧化锇（OsO4）为氧化剂，这是将烯烃氧）为氧化剂，这是将烯烃氧化为顺二羟基化最可能的方法。但是因为四氧化锇化为顺二羟基化最可能的方法。但是因为四氧化锇的价格昂贵，又有毒，故近来都使用催化量，而配合的价格昂贵，又有毒，故近来都使用催化量，而配合其他的氧化

17、剂作用。如：其他的氧化剂作用。如： 2) 形成顺式二醇类（形成顺式二醇类（Cis diols）：）：MeO2CMeO2C+ONOMe+_+OsO4 (cat)tBuOH/THF/H2O25 ,4hMeO2CMeO2COHOHHH76%c. 以碘及湿的醋酸为氧化剂，用这种方法以碘及湿的醋酸为氧化剂，用这种方法可以获得空间位阻较大一面的顺式邻二醇可以获得空间位阻较大一面的顺式邻二醇:HHHHHOHOHI2, CH3CO2AgCH3CO2H, H2O 2) 形成顺式二醇类（形成顺式二醇类（Cis diols）：）：其反应机理如下：其反应机理如下：Ag+OCCH3OIICH3C OO_IHCH3COO

18、IOOCHCH3HHOCH3COOHHOHO邻二醇化合物以高碘酸HIO4,或 Pb(OAc)4处 理，则得到两个羰基：OHOHOO+HIO4邻二醇的裂解邻二醇的裂解a. 使用KMnO4-NaIO4混合氧化剂，利用KMnO4将烯烃类转变成二醇类，再用NaIO4将醇类氧化物切断，并进一步氧化成为羧酸。由于KMnO4作用后产生的MnO2可以被NaIO4氧化回到KMnO4，故只需使用催化剂量的KMnO4。3. 烯烃的氧化裂解烯烃的氧化裂解(Oxidatve cleavage)烯烃类化合物的氧化性切断：进行此种类反应常用烯烃类化合物的氧化性切断：进行此种类反应常用高高锰酸钾锰酸钾- -高碘酸钠高碘酸钠的

19、混合氧化剂，或使用的混合氧化剂，或使用臭氧臭氧。CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CO2HNaIO4, KMnO4 (cat)K2CO3, H2O, tBuOHCH3(CH2)7CO2HHO2C(CH2)7CO2H+若改用若改用 OsO4 - NaIO4 为混合氧化剂（为混合氧化剂（OsO4为催为催化剂量），则可以得到醛类（通常以化剂量），则可以得到醛类（通常以 2,4二硝苯腙二硝苯腙的衍生物分离）。的衍生物分离）。3. 烯烃的氧化裂解烯烃的氧化裂解(Oxidatve cleavage)b. 臭氧化反应（臭氧化反应（Ozonation）：）： 臭氧是很强的氧化剂，即使在低温下也能和烯类臭

20、氧是很强的氧化剂，即使在低温下也能和烯类作用，产生臭氧化物（作用，产生臭氧化物（Ozonide）。）。R3R4R1R2O3OOOR1R2R3R4OOOR3R4R1R2+此时若添加氧化剂 H2O2，使臭氧化物转变为羧酸或酮类：CO2HCO2HO3, MeOH(1)H2O2, NaOH(2)3. 烯烃的氧化裂解烯烃的氧化裂解(Oxidatve cleavage)添加弱还原剂，如（添加弱还原剂，如（CH3）2S，Zn，ph3P，KI使臭氧化物转变成为酮或醛类：使臭氧化物转变成为酮或醛类：OOOMe2S(2)O3, MeOH(1)添加强还原剂添加强还原剂NaBH4，使臭氧化物转变为醇类。，使臭氧化物转

21、变为醇类。因为因为臭氧也是亲电子性，所以在适当量的臭氧处理下，臭氧也是亲电子性，所以在适当量的臭氧处理下，电子丰盈（电子丰盈（electron-rich）的双键）的双键先被作用：先被作用：Me3SiOHHOOO3 ( equiv), CH2Cl2, MeOHNaBH4(1)(2)13. 烯烃的氧化裂解烯烃的氧化裂解(Oxidatve cleavage)6.5 6.5 在在-碳上的氧化碳上的氧化1使用二氧化硒使用二氧化硒SeOSeO2 2， 可将烯类氧化成烯丙醇或可将烯类氧化成烯丙醇或，-不饱和醛，前者仅只需不饱和醛，前者仅只需0.50.5当量，而后者需当量，而后者需1.01.0当当量的量的Se

22、OSeO2 2。反应的位置选择有时并不理想。反应的位置选择有时并不理想。HOCH2EtOH,SeO2 ( equiv)0.5EtOH,SeO2 ( equiv)2.0CHOOHCOHOHCH2OH+SeO2 ,H2O,OO+Other Oxidation Products2 使 用使 用 N 溴 代 丁 二 酰 亚 胺 （ 溴 代 丁 二 酰 亚 胺 （ N B S ， N -Bromosuccinimide），在无水条件下，光照或其他），在无水条件下，光照或其他自由基反应（自由基反应（free radical reaction），将烯类氧化），将烯类氧化成烯丙溴化物（成烯丙溴化物（allyl

23、 bromide），或将取代苯氧化），或将取代苯氧化成苄溴化合物，有时反应的位置选择也是不理想。成苄溴化合物，有时反应的位置选择也是不理想。Oxidation of Hydrocarbons(44%)(39%)+CH2BrHHCH3(CH2)4CH2BrHCH3(CH2)4HOxidation of Hydrocarbons反应若在水溶液中进行，则先以溴阳离子反应若在水溶液中进行，则先以溴阳离子Br+与双键与双键作用，结果产生溴醇（作用，结果产生溴醇（bromohydrin）。）。Oxidation of Hydrocarbons3以铬酸类氧化剂，如以铬酸类氧化剂，如 K2CrO4，CrO3P

24、yr 和和 CrO2（O-tBu）2等，也选择性的氧化等，也选择性的氧化-碳的部位：碳的部位：OCH2Cl2,25 ,24hrCrO3, Pyr2Oxidation of HydrocarbonsOOCrO2(OtBu)2,AcOH,Ac2OCO2,50 ,36hr +4利用激发态氧单线态（激发态氧单线态（singlet oxygen,O2）为氧化剂，与烯烃进行反应，产生烯丙过氧化物（allyl hydroperoxides），或与共轭双烯进行 2+4 加成反应产生内过氧化物（endoperoxides）。Oxidation of Hydrocarbons上述反应为协同式（Concerted）

25、的反应机理，不但具有位置选择性，使双键同时转移，也具有立体选择性，产生的羟基过氧化物 (hydroperoxide) 必定与脱去的质子在同一面，烯丙基过氧化醇可以被还原成烯丙醇 (allyl alcohol)。常用产生单线态氧的方法有：常用产生单线态氧的方法有： 氧气在敏化剂氧气在敏化剂（sensitizer,sensitizer,通常为一种染料）下光照；通常为一种染料）下光照； 磷的臭磷的臭氧化物氧化物“热解热解”（在零下（在零下1717解离）。解离）。Oxidation of HydrocarbonsHHO(2) NaI, 73%(1)O2,hv,dye,PyrHHHONaBH444%(2

26、),(1)O2,hv,dye,PyrOxidation of Hydrocarbons单线态氧（单线态氧（singlet Oxygen）对于共轭双烯）对于共轭双烯则进行类似则进行类似Diels-Alder的反应，产生的的反应，产生的endoperixide经还原可得二醇类，经碱处理可得经还原可得二醇类，经碱处理可得羟酮类。羟酮类。O2HOOHOOHO OO O+baseLiAlH4N2H2Oxidation of Hydrocarbons5. 使用强碱将羰基或羰基化合物的使用强碱将羰基或羰基化合物的氢脱去，再加入氢脱去，再加入适当的氧化剂，则可得到适当的氧化剂，则可得到X取代产物（取代产物（X

27、=OOH，OH，Br，SR，SeR等）。等）。X2=O2,(phCO2)2,MnO5,Br2,(phS)2,(phSe)2NaOCH3X2(1)(2)OOXCH3X 取代的羰（羟）基化合物，进一步作脱去反应产生双键，而获得,-不饱和羰（羟）化合物。其中脱卤化氢HBr是经由反式消去(anti elimination)，而脱亚硒酸PhSeOH是经由同侧脱去（syn elimination）。因此，产生的双键的位置与化合物的立体结构相关。Oxidation of HydrocarbonsAcOOAcOOOOHO2,tBuONatBuOH,10min,25Zn,AcOHor (Et)3PAcOOOHO

28、xidation of HydrocarbonsOOCHOHOOCHOHO(1)iPr2NLi,THF(2)78_MoO(O2)2,(HMPA) Pyr,(3)NaSO3 (aqueous)OOHBrHCH3OOHHCH2Li2CO3LiBrOxidation of Hydrocarbons值得注意的是，值得注意的是，,-,-不饱和羧基化合物不饱和羧基化合物的双键性质与一般的烯类不同。一般烯类的双的双键性质与一般的烯类不同。一般烯类的双键是电子丰盈性的，而键是电子丰盈性的，而,-,-不饱和羰（羧）不饱和羰（羧）基化合物的双键是电子稀少的性质，这是因为基化合物的双键是电子稀少的性质，这是因为共轭

29、的关系：共轭的关系：Oxidation of HydrocarbonsOO+_(70%)OH2O2,NaOHMeOH, 20_OO OHOOOxidation of Hydrocarbons因此要将因此要将烯烃类化合物环氧化时可选择亲电子性的烯烃类化合物环氧化时可选择亲电子性的过氧酸，如过氧酸，如CH3CO3H。而要。而要将将,-不饱和羰（羧）基化不饱和羰（羧）基化合物的双键环氧化，则必须选择亲核性的过氧化氢离子合物的双键环氧化，则必须选择亲核性的过氧化氢离子OOH，OCl或或t-BuOO等，在碱性条件下反应。若使用等，在碱性条件下反应。若使用过氧酸则可能进行过氧酸则可能进行Baeyet-Villhger反应：反应：Oxidation of Hydrocarbons6.6 6.6 在非活化部位的氧化在非活化部位的氧化除了利用微生物的方法外，最重要的是利用羟基和除了利用微生物