高等有机第十章-还原

1、第十章第十章 还原反应还原反应第一节第一节 加氢还原加氢还原一、催化氢化催化氢化是在碳碳双键上加氢的最常用方法，除空阻很大的烯烃外，一般此反应进行的很快、很彻底。常用催化剂是过渡金属（铂，钯，铑，钌，镍等和其可溶性络合物。在不同条件下，其它官能团也可被还原。RCHCHR+ H2catRCH2CH2R大多数情况下，催化氢化是顺式加成，氢原子从空阻小的一面加到双键上。但也有例外情况，因此，每个反应的立体化学都需分别证实。例1 从空阻小的一面顺式加成CH2CH3HH2 / PtCH3HCH3H+CH3HHCH370%30%CH3CH3H2 / Pt+70%85% 30%15% H2 / PtHHCH

2、3CH3HPtBH4H2CH3CH3CH3CH3例2例外的情况H2 / Pd+75%25%HCOOCH3CH2CH2COOCH3H2 / PtHCOOCH3CH2CH2COOCH3OHNi / PtOHH95%CH3CH3HCH3HPt, H2CH3CO2H+80%20%例CH3OOOXH2催化氢化的立体化学受极性官能团取代基的影响，因为它们能控制在催化剂表面的吸附方式。例如，很多实验表明有羟基存在时，氢原子从羟基占据的方向加到双键上。CH3OOOXH+CH3OOOXH94%15%85%6%X=CH2OHX=CO2CH3CH3OCH2OH带羟基取代基的底物氢化的立体化学有时与溶剂极性有关：CH

3、3OCH2OHHCH3OCH2OHH+cistrans 溶剂cistrans 己烷61%39%DMF20%80%EtOH6%94%极性溶剂与羟基之间的作用减弱羟基与催化剂之间的相互作用，定位效应也减弱了。一些过渡金属络合物是有效的氢化均相催化剂，最常用的是三（三苯基膦氯化铑（Ph3P)3RhCl, (Wilkinson 催化剂)。均相催化剂可减少异构化。反应机理涉及形成金属氢化物中间体，它与烯烃形成p络合物，然后将氢原子从铑转移到碳原子上。OO(Ph3P)3RhClD2ODDH3C56%O(Ph3P)3RhClH2O94%还原位阻小的双键CH3OCHCHNO2(Ph3P)3RhClH2CH3O

4、CH2CH2NO290%膦配位基不仅使催化剂可溶于有机溶剂，而且能调节金属中心的反应性。均相催化剂使还原反应在各种可被还原的官能团中具有高度选择性。均相催化剂还原的立体化学常受反应物上官能团控制，加氢方向一般与羟基、酰胺基、酯基、醚基等取代基成顺式。OOHR3PI Ir(COD)PyPF4H2OOHHCONR3PI Ir(COD)PyPF4H2CONHR3PI Ir(COD)PyPF4COD：1,5环辛二烯, Py：吡啶基CH3OCH(CH3)2R3PI Ir(COD)PyBF4H2CH3OCH(CH3)2HH3C这种立体选择性可能是由于反应前铱与官能团配位。具有立体选择性的催化剂必须具备和定

5、向基团及双键配位的能力，而且还能形成氢化反应必须的金属氢化物。在上述铱催化剂中，与反应物配位时，环辛二烯被释放。各种官能团催化氢化的条件：官能团产物催化剂反应条件Pd,Pt,Ni,Ru,Rh室温,1atm， 快Pd / 喹啉室温,1atmPd,Pt50100,510atmPt,Ru室温,14atm,H+ORRHHRCHOHR选择性氢化可将炔部分还原成顺式烯烃，异相或均相催化均可实现此转化。异相催化剂中最成功的是Lindlar催化剂，均相的铑催化剂也有很好的选择性。许多其它官能团对催化氢化也很活泼，但大多数情况下比烯烃还原慢。官能团产物催化剂反应条件Pd室温,14atm,H+Pd / 喹啉室温,

6、1atmCu-Cr,Ni200,高压Ni,Rh50100,高压Pd,Ni,Pt室温,14atmPdOH-催化活性I Br I Br ClClPt,Pd室温, 14atm,H+COHRCRORCOClRCOOR1RCNRNO2RXOCH2RRCHORCH2OHRCH2NH2RNH2RHOHH二、其它氢转移剂催化氢化反应通过一系列络合物和中间体将分子氢转移到不饱和基团上。偶氮(diimide)， HNNH，是原位产生的不稳定的氢给体，它能有效还原简单烯烃，而其它大部分易被还原的官能团不受影响。反应历程通过一个非极性过渡态将氢转移到重键上，同时放出N2, 反应为顺式加成。HNNH+CCNNHHCCH

7、H偶氮还原反应速度受烯烃结构影响，张力大的双键反应速度快。例如，顺，反1,5-环癸二烯分子中反式双键比顺式易还原。在多不饱和键体系中，空阻小的末端双键比中间双键易还原。NH2NH2Cu2+ O2Cu2+ 催化将肼氧化为偶氮NH2NH2Cu2+ O2CH2CHCH2OHCH3CH2CH2OHNNCO2NaNaO2CRCOOH, 25CO2EtNO2NNCO2KKO2CMeOHHOAcCO2EtNO2反应中原位产生HN=NH第二节第三族的负氢离子转移剂第二节第三族的负氢离子转移剂一、一、羰基化合物还原羰基化合物还原羰基化合物还原常采用硼或铝负氢离子转移剂，很多此类还原剂有很好的选择羰基化合物还原常

8、采用硼或铝负氢离子转移剂，很多此类还原剂有很好的选择性和立体化学控制。性和立体化学控制。亚胺酰卤醛酮酯酰胺羧酸盐LiAlH4胺醇醇醇醇胺醇LiAlH2O(CH2)2OCH32醇醇醇醇胺醇LiAlHOC(CH3)33醛醇醇醇醛NaBH4胺醇醇醇NaBH3CN胺醇B2H6醇醇胺醇AlH3醇醇醇醇胺醇醇醇醛原料还原剂(CH3)2CHCH2BHCH3所有第三族负氢离子转移剂的还原机理都涉及负氢离子对羰基的亲核转移，在反应中，羰基与金属阳离子配位而被活化。由于四个氢最终都被转移，在还原过程中实际存在几种不同的还原剂。NaBH4还原常在水或醇溶液中进行，最初产物为烷氧基硼。BH4+ R2COR2CHOB-

9、H3R2COR2CHO2B-H2R2COR2CHOB-H+RCH2OHR2CHO3B-HR2COLiAlH4还原机理类似NaBH4,但LiAlH4会与质子溶剂反应，所以还原需在非质子溶剂中进行。O+MAl-HO+MB-H用负氢离子还原羧酸衍生物时，除负氢离子转移外还发生消除。COROR+AlH2H_CHOAlH3ROR_CORH+ROAlH3_RCH2OAlH2OR_H+RCH2OHRCNH2OLiAlH4RCNHOAlH4-RCHNHOAl H3RCHNHRCH2NH2酰胺的还原产物为胺，因氨基比烷氧基更难离去。LiAlH4能脱去酰胺质子，反应底物为酰胺的共轭碱。CONLiAlH4 / 乙醚

10、35 15hCH2NNHOLiAlH4 / THF65 8hNH影响硼和铝氢化物反应活性的因素是金属正离子和配位基的性质。由于Li比Na+具有较强的Lewis酸强度和硬度，Li+与C=O配位更强，所以LiAlH4比NaBH4更活泼。若加入冠醚，则冠醚会和M+ 络合，导致反应速度减慢。LiBH4和Ca(BH4)2比NaBH4更活泼，因为Li+和Ca2+比Na+具有更强的Lewis酸络合能力，更易与羰基结合。这两种试剂能有效还原酯和內酯。CO2EtCNCa(BH4)2CNCH2OHOOC7H15LiBH4C7H15CHCH2CH2CH2OHOH用计算量的醇与LiAlH4反应可得一系列四氢铝锂衍生物

11、：LiAlH4 + 2 ROHLiAlH2(OR)2 + 2 H2这些衍生物在有机溶剂中有一定溶解度。在低温下对一些选择性还原很有用。烷基化的硼氢化物比硼氢负离子具有更大的空间位阻，在空间因素控制下具有更高的立体选择性。R3B + NaHNaBHR3例：LiHBCHCH(CH3)23LiHB(CHCH2CH3)3CH3CH3硼烷（BH3铝烷（AlH3 的中性衍生物分子中氢原子也可作负离子还原剂，但它们与负离子氢化物不同之处在于亲电试剂是硼或铝的空P轨道。反应历程是底物与还原剂之间Lewis酸碱络合物分子内的负氢离子转移。R2MH +RROH+RCHROHRROMR2HRCROMR2H还原剂的选

12、择性分反应选择性和立体选择性。反应选择性包括两方面：一是部分还原的选择性，即将某一官能团部分还原；二是对多官能团化合物进行选择性还原。羧酸衍生物转化成醛的部分还原反应可采用空间位阻大的复合氢化物。例如：RCOCl(t-BuO)3AlHLiRCHO- 78oCNaAlH2(OCH2CH2OCH3)2 红铝双（2甲氧基乙氧基）铝钠氢化物（红铝）是一种选择性还原剂，具有极好的溶解性，在700C能溶于甲苯将酯还原成醛，内酯还原成环状半缩醛。THPOOO(CH2)4CO2C(CH3)3OTHPTHPOOOH(CH2)4CO2C(CH3)3OTHP红 铝CH3CH2CH2CO2CH3NaAlH2(OCH2

13、CH2OCH3)2CH3CH2CH2CHO二异丁基铝氢在低温下可控制还原酯基到醛基，在较高温度酯基则完全还原成伯醇。NH3COH3COC2H5CH2CO2C2H5(i-Bu)2AlH / toluene- 600C, 2hNH3COH3COC2H5CH2CHOOOOTHPCH=CHCHC5H11OTHP(i-Bu)2AlH / Toluene- 600COOHOTHPCH=CHCHC5H11OTHPCH3CHCH(CH2)3CN(i-Bu)2AlHCH3CHCH(CH2)3CHNAl(i-Bu)2H+ / H2OCH3CHCH(CH2)3CHO腈类化合物可部分还原成亚胺，经水解得到醛，常用还原

14、剂是二异丁基铝氢。第二种选择性还原是在多官能团化合物中还原一种官能团。例如，NaBH4还原醛酮比酯基快很多，控制还原剂用量和反应时间可选择还原醛酮。OCO2EtNaBH4OHCO2Et氰基硼氢化钠常用于还原亚胺，在PH67时，NaBH3CN对羰基基本无活性，但很易还原质子化的亚胺。合成上可利用羰基与伯胺制备仲胺，中间体亚胺原位被还原。3RCOOH + BH3(RCOO)3B + 3H2羧酸与硼酸形成混合酐RCOBOOCROOCROBH3RCH2OHR2C=O + RNH2 + H+R2C=NHRNaBH3CNR2CHNHR硼烷能在温和的条件下将羧基还原成一级醇，而酯基不受影响，NO2，CN 对

15、硼烷也比较迟钝。羧基与硼烷形成酰氧基硼中间体。硼烷也可还原酰胺，三级胺和二级酰胺均很易被还原，一级酰胺反应很慢。二硼烷还原酰胺可在酯或NO2存在下进行。RCNR2OBH3RCHNRROBH2BH3RCH2NH2AlH3-70RCNR2OBH2HRCNHRR铝烷也能在酯存在下还原酰胺。铝烷能将氮杂环丁酮还原成氮杂环丁烷，其它还原剂一般给出开环化合物。NOCCHC2H5C4H9OOHHCO2CH3OCH3PhCH2NOCCHC2H5C4H9OHHCO2CH3OCH3PhCH2AlH3NPhO(H3C)3CNPh(H3C)3Ca,b不饱和羰基化合物可选择性还原羰基生成烯丙醇或还原双键成饱和羰基化合物

16、。CORR2C=CH H - HCORR2C=CHHCOHRR2C=CHCORR2C=CH H - CORR2HCHCCORR2HCHC1,2-还 原1,4-还 原NaBH4-CeCl2可全部进行1，2还原，（i-Bu)2AlH和9BBN可还原各种不饱和羰基化合物中的羰基。催化氢化还原双键，Wikinson催化剂三乙基硅烷选择性还原与羰基共轭的碳碳双键，非共轭双键不受影响。(CH3)2C=CH(CH2)2C=CHCH=OCH3Et3SiH(Ph3P)3RhCl(CH3)2C=CH(CH2)2CHCH=CHOSiEt3CH3H2O(CH3)2C=CH(CH2)2CHCH2CH=OCH3b-二羰基

17、化合物的烯醇醚用LiAlH4还原后水解形成a,b-不饱和酮。OPhPhOC2H5LiAlH4OPhPhOC2H5HH+PhPhO负氢还原剂的立体选择性：ROHB R3-ROHHa-键醇键醇 动力学控制动力学控制e-键醇热力学控制键醇热力学控制RHOH环己酮用负氢还原剂还原，环己酮用负氢还原剂还原，R为大体积基团时，产物以直立键醇为大体积基团时，产物以直立键醇为主，还原剂从空阻小的一面进攻。为主，还原剂从空阻小的一面进攻。NaBH4，LiAlH4还原则平伏还原则平伏键产物为主。键产物为主。OONaBH4NaBH4OHHOHHOHHHOH+86%14%14%86%还原剂从空阻小还原剂从空阻小的一面

18、进攻。的一面进攻。COOOO OH% OH% OH%(内式) e OH%(外式) 20588686 8838992 9399.899.699.6NaBH4LiAlH4(CH3CH2CH)3BHLiCH3二、其它官能团的还原负氢离子还原剂也能有效还原卤代烃和磺酸基 RX (X=Cl，Br，I I，OTs)还原剂：LiAlH4，NaBH4，NaBH3CN溶剂：极性非质子溶剂，如DMSO，DMF，HMPA完全还原条件完全还原条件NaBH3CNCH3(CH2)9I IHMPA25 4hNaBH4CH3(CH2)9BrDMSO85 1.5hLiAlH4CH3(CH2)7BrTHF25 1hNaBH3CN

19、CH3(CH2)11OTSHMPA70 8hNaBH4CH3(CH2)11OTSHMPA70 8hLiAlH4CH3(CH2)7OTSDME25 8h离去基团活性：IBrCl取代位置活性：苄基烯丙基一级R二级R三级R。对烷基卤代烃或磺酸酯，反应按SN2历程进行。芳基卤和桥头卤代烃也能被还原，这些反应物不能按SN2历程进行，其反应历程可能是单电子转移引起的自由基负离子的形成和分解。RX + eRXR+XHRH+ eLiAlH4还原5-己烯溴和碘代物没有环化产物生成，而还原2,2-二甲基5-己烯溴和碘代物有很多环化产物生成。CH2=CH(CH2)3CH2I + LiAlH450oC, 1hCH2=

20、CH(CH2)3CH394%CH2=CH(CH2)2CCH2ICH3CH3+ LiAlH4CH2=CH(CH2)2CCH3CH3CH3+3%81%此结果表明至少还原此结果表明至少还原2,2-二甲基二甲基5-己烯碘存在自由基中间体。己烯碘存在自由基中间体。CH2PhCHOLiAlH4RCHCH3OHROHHLiAlH4ROHH对不活泼或易重排的还原化物，三乙基硼氢化锂是最好的还原剂。环氧化物被LiAlH4还原成醇，H 进攻位阻小的碳。对环己烯环氧化物，亲核试剂通过直立键进攻开环：LiAlH4还原炔成反式烯，邻近的羟基可加速反应，在THF中丙炔醇还原只需几小时，但一般烷基炔还原需更高的反应温度。这

21、种差异可能由于羟基与铝配位形成环状中间体。HOCH2CCH +LiAlD4D3AlOCH2CCHAlOHDDDD2OH2OHHHOH2CDDHHOH2CD还原反应实例：CH3(CH2)5CHCH3ClNaBH4DMSOCH3(CH2)6CH367%BrLiAlH4THF79%OCH3LiAlH4OHCH389%H3CH2CCCCH2CH3LiAlH4120-1500C4.5 hH3CH2CCH2CH3OHCHOCH3CCCH3LiAlH465oC, 45minOHCHOCH3CCHCH3H第三节溶解金属还原剂第三节溶解金属还原剂一、氢加成一、氢加成在液氨或醇中，酮从金属上得一电子形成羰负离子自

22、由基（Ketyl),根据结构和介质不同，中间体可被质子化、歧化或二聚。在质子溶剂中，两种可能质子化反应超过二聚反应，在其他条件下，二聚可成为主要反应。RCH2CR1OeRCH2CR1ORCH2CR1ORCH2CR1OHRCH2CHR1ORCH2CHR1OHS-HeS-HS-HRCH2CHR1ORCH=CR1OS-HRCH2CR1OeRCH2CR1O非质子溶剂二聚RCH2CCCH2RR1R1OOH2ORCH2CCCH2RR1R1OH OHa,b-不饱和羰基化合物在液氨中用金属锂还原成饱和酮的烯醇离子，一般后处理需加入醇作质子来源。RRCORHLieRRCHOReS-HR2CHCH=CRONH3比

23、脂肪酮酸性弱，它不是烯醇的质子给体，要得到饱和酮，后处理需加入质子给体。溶解金属体系提供了部分还原芳香环的有效方法，即Birch 还原。还原介质是锂或钠的液氨溶液，反应历程是单电子转移，生成的自由基负离子由溶剂质子化。OCH3Li/NH3CH2=CHCH2BrOCH3CH2CH=CH243-47%+OCH2CH=CH2CH32-2.5%OLi/NH3n-C4H9IOHHC4H947%共轭还原的立体化学由质子对共轭还原的立体化学由质子对b b- -碳原子的转移决定。碳原子的转移决定。Birch 还原RLiROHROHRHHLi+eRHHROHRHHHH负离子自由基二氢化产物中非共轭双键不如共轭环

24、系容易还原，因此，反应能停止在二氢化阶段。反应速度受取代基影响，给电子基减缓电子转移，不利于还原反应； R为吸电子基有利于Birch还原。取代基还决定质子化的位置，一般给电子基有利于邻位质子化，生成2,5-二氢化合物；吸电子基有利于对位质子化，生成1,4-二氢化合物。OCH3Li NH3EtOH+OCH3OCH3主CO2CO2Li, NH3EtOH主用Na/NH3, Li/NH3, Na/t-BuOH, Na/HMPA 还原炔成反式烯：CCRReRRS-HRRHeRRHS-HRRHH二、官能团的还原消除二、官能团的还原消除OCCH3OClClClClClNa / EtOHOHClClNa /

25、t-BuOH钠或锂在THF叔丁醇体系中可还原卤代烃成烃，钠/乙醇还原多卤化合物很有效。THFCl1. Mg2. (CH3)2CHOHDR-XeR-X- X -ReRS-HR-H磷酸酯基也能用溶解金属还原除去。磷酸乙烯酯可由烯醇负离子与氯代磷酸二乙酯或氯代四甲基二磷酰胺制备：RCH2CORLiNR2X2POClRCH=CROPX2OLi, RNH2t-BuOHRCH=CHRX=OEt, NMe2还原二乙基芳基磷酸酯可从芳香环上除去氧。ArOH+ClP(OC2H5)2OArOP(OC2H5)2OK/NH3ArH锌汞齐或铝汞齐可选择性除去羰基化合物a-碳上的氧或硫官能团。反应历程是二个电子的还原反应

26、，氧或硫作为负离子脱去。反应为协同过程，因为孤立的氧、硫官能团在同样条件下不能被还原。插烯的氧或硫官能团也能被还原除去。RCOCHROAcZn- AcORCOCHRS-HRCOCH2ROOCOCH3Zn(CH3CO)2OO63%例：OOHZn/HClCH3CO2HO75%CH3OCH3OOSO2CH3ZnNH4Cl1.2.3.(CH3)3CSiPhPhOCH3OOOAl-Hg(CH3)3CSiPhPhOCH3OHO2C: AlNOOOOCH3C5H11Zn: ZnNHOOCH3C5H11双键移位4.5.三、形成CC键的还原反应1）生成Pinacol的反应O MgHgOH OHOMg(Hg)Ti

27、Cl4OH OH95%Mg(Hg) + TiCl4Ti + MgCl2由于金属原子还原反应中涉及自由基中间体，调节反应条件使有利于自由基偶联则形成碳碳键。活性还原剂是由镁还原TiCl4产生的金属钛。CH3CCH2CH2CCH3OOMg(Hg)TiCl4CH3CH3OHOH81%用更强的还原剂（Li，LiAlH4，Na与TiCl4还原醛酮生成烯烃：OTiCl4 / Li85%OHC(CH2)12CHOTiCl4ZnCu71%还原偶联剂TiCl3-Zn-Cu可用于合成大环烯烃：酯类化合物被金属钠还原偶联成a-羟基酮的反应称偶姻反应（acyloins).二酯能进行分子内偶姻反应生成环状化合物。CH3

28、OC(CH2)8COCH3OO Na / 二甲苯 CH3COOHOHORCOR1O+ NaRCOR1ORCCROR1OR1OO2Na偶姻反应的历程很复杂，一般认为是单电子转移产生的自由基偶联反应：R CC ROORCCROORCCROORCCROHOHRCCHROOH由于对存在邻二酮中间体有疑问，也有提出其它历程。但反应中和前产物是烯二醇双负离子，可用三甲基氯硅烷捕获形成稳定的三甲基硅醚，水解可使硅醚转化成偶姻。例1Pinacol的形成OHCH2CHO Mg-Al / (CH3)2SiCl2 OH-HHOHOPhO(CH2)3CHOTiCl4ZnCuPh例2形成烯烃CHOOHCTiCl3Zn-Cu例3 偶姻反应EtO2CCH2CH2CO2EtOOHEtOH Na / 甲苯 (CH3)3SiCl第六节 羰基的还原去氧将羰基还原成亚甲基的经典试剂是Zn+HCl (Clemmensen 还原), 醇不是反应中间体，因同样条件下醇不能被还原成碳氢化合物。反应历程不明确。此反应对芳香酮很有效，对脂肪酮产率低，反应不适合对酸敏感的化合物。Z