有机原理06还原反应

1、第六章 还原反应（reduction） 一、概述 为精细有机合成化学中最广泛应用的单元反应之一。 与氧化反应相反：氧原子减少，氢原子增加，两者兼有。 氧原子减少PhNNPhOPhNNPhH氢原子增加PhNNPhPhNH2NH2PhH两者兼有PhNO2PhNHOHPhCOOHPhCH2OHNO2NO2NH2NH2HHH特点：较氧化反应易于控制。类型：（1）活泼金属Fe/HCl， Zn/HOAc，Na/ROH, Zn-Hg/HCl，Na-Hg/EtOH等（2）低价元素的化合物 Na2S2O4, NaS, FeCl2, SnCl2, TiCl3, TiCl2等（3）金属氢化物 NaBH4, LiAl

2、H4,（4）催化加氢 Pd, Pt, Ni, /H2. (5) 有机金属还原剂: 异丙醇铝，叔丁醇铝，甲醛，葡萄糖。（6）非金属：Me2S， Ph3P 二、催化氢化（加氢反应）（一）概念：属间接还原，通过催化剂的协助还原底物（烯烃，炔烃，羰基化合物等）多相催化剂过渡金属吸附在催化剂的表面催化剂：Pd, Pt, Ni, Raney Ni，PtO2，Rh等，活性：PdRhPtNiRu 载体: 活性炭, 氧化铝, 氧化硅溶剂: EtOH, EtOAc, Et2O, hexanes, etc. 底物在金属表面的吸附能力：炔烃双烯烃烯烃烷烃 均相催化剂 (R3P)3RhClH-HH Hcatalyst

3、surfaceH HCCHCCCHCHCHC多相催化 :在不溶于反应体系中的固体催化剂的作用下，氢气还原在液相中的底物的反应。1机理催化氢化 Hydrogenation 2. 类型催化氢解 Hydrogenolysis 均相催化 Heterogenous多相催化 Homogenous RCH=CHR RCH2CH2RPd/C, H2氢化 (Hydrogenation)：使碳-碳，碳-氧，碳-氮等重键加氢。 ArCH2NR2ArCH3+Pd/C, H2R2NHOCH2PhOOHOPd/C, H2氢解 (Hydrogenolysis) :在催化氢化的条件下，底物分子被化验裂解成两个或两个以上的小分

4、子的反应。使一些单键发生裂解：如卤代物，苄醇类，苄胺类，酰卤类的氢解和脱硫、酯的酯解等 . 高压氢化 100300oC, 300oC 低压或常压氢化 14atm,0100oCP, 压力：即为压强，kg/cm2, psi-pounds per square inch 1pound=0.453kg, 1inch=2.54cm, 1psi=0.07kg/cm2.1atm=1.0332kg/cm2. 立体化学：在环状烯烃化合物中，主要生产顺式产物。因为不饱和化合物分子以空间效益较小的一面吸附到催化剂表面，与吸附在催化剂表面的清进行顺式加成。高 RCOCl RCHO RCH2NO2 RCH2NH2 RC

5、H=CHR（Z，cis） 氢化 RCH=CHR RCH2CH2R RCHO RCH2OH RCOR RCHOHR ArCH2X ArCH3 氢解低 RCO2R RCH2OH + ROH RCONHR RCH2NHRC CHRC NR RCH2NH2R R（二）加氢反应活性炔烃的加氢 顺式加氢 Lindlar 催化剂：Pd/CaCO3， 喹啉 反式加氢 Na， 液氨 炔烃 + H2 Lindlar Catalyst ( Pd/ BaSO4/ quinoline) 烯烃 部分毒化用于还原反应活性高的官能团cis olefins (Lindlar Reduction)酰氯+ H2, Pd/BaSO4

6、 醛 (Rosemund Reduction)Org. Rxn. 1948, 4, 362烯，炔同时存在，还原到停留在烯的一步。(三) 不同催化剂催化氢化反应1装置：（1）常压或低压氢化反应装置（2）低压或高压加氢反应装置：2催化剂（1）Raney Nickel兰尼镍a.加氢催化：可还原烯烃，NO2化合物，CN， C=N-OH, 羰基，芳基，卤代烃制备：铝镍合金（1：1）溶于600mL10%NaOH水溶液中，9095oC0.5h加完，搅拌1h,滗出液体，水洗，乙醇洗，始终有液体覆盖，酒精中保存，冰箱中保存三个月。S, P, As, Bi可使之中毒。Raney Ni通常不加载体。 b.脱硫（2）

7、铂催化剂活性很强可以还原除了酯、羧酸和酰胺外，各种不饱和基团均可被还原。如：醛酮、腈、硝基化合物，还原氨化反应等。反应通常可在较低温度和较低氢气压力下反应。 铂黑、铂炭、二氧化铂等。二氧化铂催化剂的制备: 在一小烧杯中放3.5克铂氯酸和10毫开水加入纯硝酸钠，用小火蒸发至干。加大火焰，十分钟内温度升到350370oC，到十五分钟，反应物熔融产生气体。温度升到400oC后，气体发生渐慢，在二十分钟时，温度升到500550oC，这时气体放出比较温和。在这温度维持到三十分钟。冷却，用50毫升水处理，放置倾去水液，留下棕色沉淀，再用水洗几次滤过，用水洗到无硝酸根离子在干燥器中干燥，得催化剂1.571.

8、6克。 比较最常用的是二氧化铂（PtO2），（Adams catalyst）, 在使用时被还原成铂。载体铂催化剂：Pt/C酸能促进铂的催化氢化。缺点：价格昂贵。（3）钯催化剂对烯烃、炔烃加氢活性高，还原酮、腈、硝基化合物，还原氨化反应等，氢解活性也很强。为最常用的催化剂之一，可制成氧化钯、钯黑和载体钯（Pd/C） 钯碳催化剂(10)的制备在200ml烧杯中加入5.0氯化钯，65ml水和8.8mL浓盐酸，加热助溶。呈棕色溶液，待用。在1000ml三口瓶中放人250g粉状活性碳(化学纯)和200mL水。加热煮沸15 min。在搅拌下加入上述棕色氯化钯溶液。在剧烈搅拌下，维持温度在9095oC之间，

9、徐徐加入22m1甲醛(40)。加毕，继续搅拌15min。然后冷却到20oC以下，在搅拌下慢慢加入30氢氧化钾水溶液，使反应混合液的pH=56。再搅拌20mL 过滤，水洗二、三次，转移到烧杯中，用5%硝酸浸泡过夜，或更长时间。过滤，水洗至中性，取出干燥，密闭保存，待用。钯硫酸钡催化剂，Pd，BaSO4(5%钯/BaSO4)的制备8.2克氯化钯溶在20毫升浓盐酸和50毫升水中另溶126.2克氢氧化钡八水合物于1.2升水中，加热在80oC快速搅拌一次加入120毫升6N硫酸，井继续加入硫酸直到溶液呈酸性在搅拌中加入上面的氯化钯溶液和8毫升37%甲醛水溶液，并用30氢氧化钠溶液中和使反应物对石蕊纸呈碱性

10、继续搅拌五分钟，放置使催化剂下沉倾去上层清液，加入水到原有体积，再快速搅拌，放置，倾泻如是重复八到十次最后用直径90毫米中等细度的砂芯漏斗过滤，并用250毫升水分五次洗涤最后一次尽量吸千在烘箱中烘干，重9398克，磨细，在紧塞玻瓶中保存。 NNCOOEtCOOEtPd/C, H2(4atm)EtOHNNCOOEtCOOEt小结： 烯、炔：常压或低压，H2，Ni，Pd，Pt醛、酮H2，Ni、加热，加压酸、酯 高温，高压，Ni，Pd，Pt 200oC酰胺，腈NiRh, 500-100oC, 高压酰卤Pd/BaSO4NO2 常压，Pd，Ni，PtNOH, NH室温14atmAr10-20Mpa,10

11、0-200oC三、直接还原（一）碱金属的还原作用：碱金属：外层电子具有“亲核试剂”的性质，对缺电子的部位进行亲核加成。 1Na，醇（1）将酯还原为相应的醇RCOORNa/ROHRCH2OH+ROH(CH2)8CO2EtCO2EtNa, EtOH(CH2)8CH2OHCH2OH（2）将肟还原成相应的胺ONH2OHNOHNa, EtOHNH2（3）萘的还原Na, 戊醇Na, 乙醇（4）杂环NNHNa,EtOH2Na/非质子溶剂制环状a-羟基酮(CH2)8CO2EtCO2EtNa, C6H6OONa+Na+OOHCH3OHCO2CH3CO2CH3NaxyleneOOH3Mg， MgHg，MgZnO+

12、Mg(Hg)benzeneMgOOH2OOHOHOMg(Hg)OHOHOMg(Hg)HOOH4Birch还原 Li， Na， K， NH3（l）（1）还原芳环 COOHCOOHOMeLi, NH3(l)OMeH3O+O（2）炔烃得到反式烯烃RCCHNaNH3RCHCH2（二）其它金属1Fe, HCl(30%)NO2Fe, HClNH22. Sn, HClNO2Sn, HClNH2COOHCOOH3.Zn-Hg, 浓盐酸， Clemmensen 还原Organic Reactions 1975, 22, 401Comprehensive Organic Synthesis 1991, vol 8

13、, 307.还原酮到饱和烷烃4. Wolff-Kishner Reduction Organic Reactions 1948, 4, 378Comprehensive Organic Synthesis 1991, vol. 8, 327.还原酮到饱和烷烃（三）金属氢化物的还原Aluminium Hydrides1. LiAlH42. AlH33. Li (tBuO)3AlH4. (iBu)2AlH DIBAL-H5. Na (MeOCH2CH2O)2AlH2 REDAL1LiAlH4Lithium Aluminium Hydride- LiAlH4 (LAH) Chem. Rev. 198

14、6, 86, 763 Org. Rxn. 1951, 6, 469.很强的还原剂悬浮在ether or THF中可还原羰基，羧基，酰氯，酸酐和酯基到醇。还原硝基，酰胺,肟，亚胺，重氮化合物和芳香族硝基化合物到胺对环氧化合物开环还原 C-X 键到 C-H还原炔基醇到 反式烯丙醇还原活性从高到低：CO COOR CN CONR2 C-NO2 CHBr CH2OSO2Ar 4LiH+ AlCl3Et2O3LiCl3+ LiAlH4制备： 遇水分解：（1）用1M氢化铝锂溶液进行还原时很方便（2）用较少量溶剂和粉状铝氢化锂混合成稀糊状直接应用此时要注意氢化铝锂用量，至少要过量10，以保证有足够的纯LiA

15、lH4进行反应在特殊的情况下有时甚至过量24倍，才能使反应进行完全。反应完毕后，首先要破坏掉过量的铝氢化锂可以加入含水乙醚，乙醇一乙醚，乙醇，或直接加水(小心!)但由于这些方法都产生大量氢气，必需注意安全!如果要避免氢气的发生，可用醋酸乙酯来分解过量的氢化铝锂 反应机理：立体化学：受甲基的位阻影响，使H的进攻比较容易从内侧进行： 氢化锂铝还原羰基的重要特征之一是非对映选择性。当与羰基直接相连的取代基是手性基团，通常用氢化锂铝还原羰基时负氢离子加到立体位阻较小的一面。 Cram规则： 还原醛还原酮还原醌类化合物 还原缩酮还原羧酸及其衍生物：还原酸：比酯难，多消耗0.75mol的氢化铝锂，酯消耗0

16、.5mol的氢化铝锂. 还原酸酐： 还原酸酐：还原酯：还原内酯： 还原酰氯:还原酰胺： 还原内酰胺： 还原腈：还原环氧化合物：负氢离子进攻位阻小的一边。 还原硝基化合物： 还原肟：还原亚胺： 还原卤代烷：2. Li (tBuO)3AlHLithium Tri(t-Butoxy)aluminium Hydride Li+ (tBuO)3AlH位阻较大，可选择性还原位阻小的一边。 OOH+OHHHABLiAlH4/(C2H5)2OA/B=1LiAl(t-OBu)3H/THFA/B13. (iBu)2AlHDiisobutyl Aluminium Hydride DIBAL 或 DIBAL-HOHO

17、OHOHDIBAL还原酮和醛到醇 还原酯到醇，醛还原内酯到半缩醛。OO1mol DIBALEt2O, -78oCCNOOCHOOOCHN AlH3O+还原腈到醛：DIBALOHO98 只进行1，2还原反应：DIBALNOHNH还原肟：4Sodium Bis(2-Methoxyethoxy)Aluminium Hydride REDALOrganic Reactions 1988, 36, 249 Organic Reactions 1985, 36, 1.双（甲氧乙氧基）铝氢化物（红铝），还原能力和氢化铝锂接近。热稳定性好，对干燥空气稳定。II 硼氢化物 Boron Hydrides Revi

18、ew: Chem. Rev. 1986, 86 , 763.LiBH4 还原酮、醛、酯和环氧化物。Na(AcO)3BH 还原酮和醛活性较低。Na(CN)BH3 还原亚胺盐、酮和醛1NaBH4 Sodium Borohydride还原醛和酮到醇，还原酰氯到醇，不还原酸，酯，内酯，环氧化合物或硝基化合物。不还原孤立的烯基，炔基，硝基，腈基，卤代物。 O2N(CH2)3COCH3NaBH4LiAlH4O2N(CH2)3CHOHCH3H2N(CH2)3CHOHCH3NaBH4 / CeCl3 Luche Reduction还原a,b-不保和酮的1，2位为烯丙醇。还可以通过加入其它的过渡金属盐使其还原性增加。TiCl4, NiCl2, CoCl2.2Sodium CyanoborohydrideNa (CN)BH3还原胺化 与对甲苯磺酰腙反应得到饱和烃。3. Na + (AcO)3BH , Me4N + (AcO)3BH还原胺化