第3章 还原反应

1、第第3章章 还原反应还原反应 有机化合物还原反应的含义早已明确，那就是在有机化合物的分子中除去氧除去氧，加上氢加上氢或者得到电子得到电子的反应。还原反应，内容丰富，范围广泛，几乎所有的复杂化合物的合成都涉及到还原反应。还原反应，一般来说，可分为催化氢化法催化氢化法和化学法化学法两种，这两种方法各有优点，在许多还原反应中都能得到相同的结果。本章所讲的还原反应是指氢对不饱和基团如烯键、羰基或芳环等的加成反应，以及伴随有两原子间键断裂的加氢反应。在实际合成中，一个有机化合物分子存在只有一种不饱和基团，该不饱和化合物的还原并不困难，或者存在有其它不饱和基团，那么这个不饱和化合物的完全还原也并不十分困难

2、，然而要求有选择性地还原某一个基团，这就需要在某一特定情况下来选择某种方法以达到合成之目的。 n催化氢化反应催化氢化反应n溶解金属还原反应溶解金属还原反应n氢化物氢化物转移试剂还原转移试剂还原n其它还原试剂其它还原试剂 催化氢化反应是指还原剂氢等在催化剂的作用下对不饱和化合物的加成反应。它是有机化合物还原的诸多方法中最方便的方法之一。氢化反应的选择性是我们要讨论的重要内容。 第一节第一节 催化氢化反应催化氢化反应C6H5CO2C2H5C6H11CO2C2H5C6H5CH2OHH2, Raney Ni160 ， 2.53107 Pa50 ， 1.01107 PaH2, CuCr2O4一、多相催化

3、氢化反应一、多相催化氢化反应 多相催化氢化反应一般是指在不溶于反应体系中的固固体催化剂体催化剂的作用下，氢气还原在液相中的底物液相中的底物的反应。它主要包括 C=C、 CC、C=O、C=N、C N 等不饱和重键的加氢和某些单键发生的裂解反应。 常用的多相催化氢化催化剂： PtO2 (Adams 催化剂) 钯催化剂 Raney Ni 催化剂 铂催化剂 亚铬酸铜催化剂1.1.催化加氢反应催化加氢反应碳碳-碳重键的加氢反应碳重键的加氢反应CHCO2HCHCO2HCH2CO2HCH2CO2HH2+CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7CO2RCH3(CH2)7CH=CH(CH2)7C

4、O2RCH3(CH2)4CH=CH(CH2)10CO2RCH3(CH2)16CO2R+H2/NiH2/Ni亚油酸酯油酸酯异油酸酯烯烃化合物中，双键上取代基的数目不同，其被还原的速度不同，取代基数目越多，就越难被还原取代基数目越多，就越难被还原，因而产生了如下由易到难的反应大致活性顺序：RCH=CH2 RCH=CHR RRC=CH2 RRC=CHR R2C=CR2在相同的条件下，以Pt-SiO2作催化剂，反应温度为20，在环状化合物中也有类似情况：H2H2(1)(2)(3)C-C-C-CC=C-C=CC=C-C-CC-C=C-C各类烃化物在第VIII族金属表面上的吸附能力有如下顺序：炔烃 双烯烃

5、 烯烃 烷烃OHOHHHOHOH86%RH2HHRCCRCCRCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CO2HH2, PtO2+82%18%CO2CH3CH3CO2CH3CO2DDD2, PtO2HH23H HHCCCHH113ACCCHHH23CCCHH123H123HHDB催化剂表面CCCCH1CCC231H2CCCHOOH2, PdOO5%Pd/C, 1%Na2CO3348K, 4h, H296%CO2EtCO2EtHHHOHOMg/MeOH98%HCHC6H5(C8H17)3NCH3+RhCl4-H2O/(CH2Cl)2,H2,4h,r.t.96%4-CH3C6H4COCH4-CH3

6、C6H4CO(CH2)2C6H5C6H5HCCHCOC6H5C6H5(CH2)2COC6H5RuCl2PPh33,HCOONaPTC,H2O,10min,382K转化率 99%对对C=C催化活性：催化活性：Pd Rh Pt Ni RuCHOCHORaney Ni/Al2O32-Propanol, H2, 290K90%OCu/Al2O3,PhMeH2,363K81%OCH(CN)CO2EtCH(CN)CO2EtEtO2CCH2EtO2CCH2H2/PtO2 或 Pd/Al2O395%CH3CH=CHCHOCH3CH2CH2CHOPdCl2-Ts303K, C2H5OH, H2OOPdCl2 络

7、合物 4PdCl2 Complex 4r.t., 6h, H2100%4: R1=Me, R2=n-Pr, R3=HFeSNPdCl2MeMeR2R1HR3PdPdPPPPRRRRRHRHROOR5, THFr.t., 6h, H2(R=Bu+)5芳香环系的加氢反应芳香环系的加氢反应H2 芳香族化合物也能进行催化氢化，转变成饱和的脂肪族环系。但它要比脂肪族化合物中的烯键氢化困难得多。 H2 (4MPa) /Ni170230OHOHRaneyNi+ 3 H2CNCHNHCH2HC10 H2 (10MPa)Pd-C/200C6H5CH2CO2HC6H5CH(OH)-CO2HH2, Pd-CH2,

8、Rh-Al2O3C6H11CH(OH)-CO2H3 H23 H24 H23 H24 H23 H2醛、酮的加氢反应醛、酮的加氢反应OHHOOHOHCHOOHOHOHHOCH2OHCH2OHCH2OHH2/CuCrO2 或 Raney NiCHOCH2OHPtO2 (FeCl2)H2 (0.35MPa) r.t.CH3CH=CHCHOCH3CH=CHCH2OHH2, 5% Os-C, 100, 7 MPa90%PhCH=CHCHOPhCH=CHCH2OHH2, 5% Os-C, 100, 6 MPa95%PhCH=CHCH2OHPhCH=CHCHOPt/Al2O3, EtOH308K, 5h, H

9、2100%PhCHOPhCH2OHH2 / Pt, 0.2 MPaEt OH, 20100%CH3COCH3CH3CH(OH)CH3H2/ R-Ni, 0.10.3MPa2530, 38min100%PhCOCH3PhCH(OH)CH3H2/ Ni-NaH,EtOH, 0.1MPa25, 2.5h92%腈和硝基化合物的加氢反应腈和硝基化合物的加氢反应CNCNNH2NH2KOH, NH3, 乙醇Ni, 100, 2.5MPa95%810CH2CNCH2CH2NH2H2 / R-Co, 60, 9.5MPa90%PhCH=CHNO2PhCH2CH2NH2H2, Pd-CEtOH, 25, H2SO

10、42. 催化氢解反应催化氢解反应 在催化氢化的反应条件下底物分子被还原裂解为两个或两个以上的小分子的反应称为催化氢解反应。OHOHOHBrBrH2 / PdH2CCH2OMeMeOOH2NCH2CNONHCH2OMeCNMeOPOCl3HNO2NH3, H2OH2, Pd/CH , H2O+HNO3, Ac2ONHCH2OMeCNMeOO2NNCH2OMeCNMeClO2NNCH2OMeCH2NH2MeH2NNCH2OMeCH2OHMeHONCH2OHCH2OHMeHO+ 卤素在催化氢解反应中表现出如下稳定性次序：F Cl Br I RNHCH2ArArCH3RNH2+ArCH3ROH +RO

11、CH2ArAr=Ph 或 其它芳香基R=烷基或酰基RSCH2ArArCH3RSH+ 和杂原子如O原子、N原子、S原子等相联接的苄基型化合物在铂或钯催化剂的作用下容易发生氢解，其一般式为：PhOHNNHHNOOOMeH2NNHHNOOMeH2, 10% Pd/CMeOHCHOCHBnOCO2EtH2NCH2NNNOHOBnHSNNOHOBnNNOHOHS+H2 / Ni83%定量H2 / PdNHHNSO(CH2)4CO2HNHHNH3CCH2(CH2)4CO2HOH2 / R-Ni3. 催化转移氢化反应催化转移氢化反应 催化转移氢化反应也可用于选择性还原反应。该反应所用的催化剂多是钯黑、钯碳、

12、瑞尼镍、三氯化铁等。还原剂通常称为氢的给予体（doner）。如环己烯、环己醇等有机物，还可以是肼。它能选择性还原碳-碳重键，硝基，断裂碳-卤键等，而对羰基和腈基不起作用。 PdCH3CH2CH2Ph2120h85%CH2CHCH2Ph+PhHPhHPdPhCH2CH2Ph+217h100%PdPhCH2CH2CO2HPhCH=CHCO2H + 264h90%PdCHCH15h100%+2CO2HCO2HH2CH2CCO2HCO2HPdPhCH2CH2Ph+ 223hPhCCPh100% 还能氢解苄醇类化合物：ArCOHR/ Pd-C / Al2O3RArCHRR其中R和R可以是芳基、烷基或氢，

13、 收率为74%94%。NO2RRMWI, 3070W 81%97%R= H, OCH3, Cl, I, OH, NH2R= H, CH3, 5-CF3H2NNH2 H2O / FeCl3 6H2ONH2RR二、均相催化氢化反应二、均相催化氢化反应 多相催化氢化反应中所用的催化剂尽管很有用，但仍有以下缺点：它们可能引起双键移位双键移位；而双键移位常常使氘化反应生成含有两个以上位置不确定的氘代原子化合物；一些官能团容易发生氢解，使产物复杂化产物复杂化等。而均相催化氢化反应能够克服上述一些缺点。 均相催化氢化反应的催化剂都是第八族元素第八族元素的金属络合物，它们带有多种多样的有机配体。这些配体能促进

14、络合物在有机溶剂中的溶解度，使反应体系成为均相，从而提高了催化效率提高了催化效率。使得反应可以在较低温度、较低氢气压力较低温度、较低氢气压力下进行，并具有很高的选择性。 (Ph3P)3RhCl + Ph3PCl2RhCl3 3H2O + 4 PPh3 催化特点催化特点是选择氢化碳碳双键和碳碳叁键，对于羰基、氰基、硝基、氯、叠氮等官能团都不发生还原。单取代和双取代的双键比三取代或四取代的双键还原快得多，因而含有不同类型的双键的化合物可以部分氢化。 OOC6H6H2, (Ph3P)3RhCl香芹酮PhCH=CHNO2C6H6PhCH2CH2NO2H2, (Ph3P)3RhCl在均相催化反应中氢是以

15、顺式对双键加成的在均相催化反应中氢是以顺式对双键加成的 不发生氢解反应。因此，烯键可以选择性地氢化，而分子不发生氢解反应。因此，烯键可以选择性地氢化，而分子中其它敏感基团并不发生氢解中其它敏感基团并不发生氢解 PhCH=CHCO2CH2PhPhCH2CH2CO2CH2PhCH2=CHCH2SPhC3H7SPh 三-（三苯基磷）氯化铑能使醛脱去羰基，因而含有醛基醛基的烯烃化合物在通常的条件下，不能用这种催化剂进行氢化。这是因为三-（三苯基磷）氯化铑对一氧化碳具有很强的亲和性的缘故。 OODDD2, (Ph3P)3RhClC6H6EtOH85%PhCH=CHCHOPhCH=CH2 + COH2,

16、(Ph3P)3RhClPhCOClPhCl + COH2, (Ph3P)3RhCl(Ph3P)2Rh(S)Cl(Ph3P)2Rh(S)ClH2(Ph3P)2Rh(Cl)(RCH=CHR)H2RCH2CH2R +(Ph3P)2Rh(S)ClH2RCH=CHR(Ph3P)2Rh(S)Cl(Ph3P)2Rh(S)ClH2(Ph3P)2Rh(Cl)(RCH=CHR)H2RCH2CH2R +(Ph3P)2Rh(S)ClH2RCH=CHR(Ph3P)2Rh(S)Cl(Ph3P)2Rh(S)ClH2(Ph3P)2Rh(Cl)(RCH=CHR)H2RCH2CH2R +(Ph3P)2Rh(S)ClH2RCH=C

17、HRRh6(CO)16,苯H2/CO,303KPhOH88%PhHOHCo(CN)5HCo(CN)5CH2CHCHCH2+CH2CHCHCo(CN)5CH333CH2CHCH2CH3+332 Co(CN)52 HCo(CN)52 Co(CN)5 + H233第二节第二节 溶解金属还原反应溶解金属还原反应 溶解金属进行还原反应是溶解金属进行还原反应是电子电子对不饱和官能团加成引起的反对不饱和官能团加成引起的反应。作用物从应。作用物从电子转移试剂电子转移试剂得到电子后再从得到电子后再从质子源质子源得到质子得到质子而被还原。溶解金属进行还原主要涉及以下类型的化合物而被还原。溶解金属进行还原主要涉及以

18、下类型的化合物: : u芳环的还原芳环的还原 u醛、酮羰基的还原醛、酮羰基的还原 u碳碳-碳重键的还原碳重键的还原 u羧酸酯的还原羧酸酯的还原 u还原裂解还原裂解 一、芳环的还原一、芳环的还原碱金属锂、钠或钾与液氨组成的还原体系，能够转变芳环为碱金属锂、钠或钾与液氨组成的还原体系，能够转变芳环为不饱和脂环不饱和脂环(Birch A. J.还原法还原法) ROHLi, NH3EtEtLi, 甲胺异丙醇78%CH(CH3)2CH(CH3)2Li, 甲胺异丙醇85%C(CH3)3C(CH3)3Li, 甲胺异丙醇87%CO2HCO2HEtOHNa, NH3OMeOMeEtOHH3O+OLi, NH3吸

19、电子基团质子化后生成1-取代-1，4-二氢化合物，给电子基团生成1-取代-2，5-二氢化合物。 OHMeOOHMeOLi, NH3苯胺异丙醇铝OHOOCHMeO H3O+18-甲基炔诺酮 KC NH2NH2Na, 戊醇NH2NH2Na, 戊醇Me2NHHHNa + EtOH或Na-HgNa + C5H11OHNa + NH3 + EtOH Li + EtNH22 EtOH二氢化萘四氢化萘异四氢化萘+八氢化萘NNHNa + EtOH二、醛、酮羰基的还原二、醛、酮羰基的还原 汞齐类（Na-Hg, Zn-Hg等）试剂是一类重要的还原试剂，可以在惰性或在水(酸)介质中使用，把碳氧双键还原成亚甲基或生成

20、醇。所用的酸仅限于氯化氢所用的酸仅限于氯化氢 。OH2OCHOH+ 2 Na-Hg+ 2 NaOH + 2 HgOCH2Na-Hg, HClHOHOCOCH3CH2CH3OHOHZn-Hg, HCl 在酸性条件下，用锌汞齐或锌粉还原醛基、酮基为甲基或亚甲基的反应称Clemmensen反应。常用于芳香脂肪酮的还原，反应易于进行且收率较高。 特点：（1）底物分子中有羧酸、酯、酰胺等羰基存在时，可不受影响（2）-酮酸及其酯类只能将酮基还原成羟基，而对-或-酮酸及其酯类则可将酮基还原为亚甲基（3）还原不饱和酮时，分子中的孤立双键可不受影响；与羰基共轭的双键被还原；而与酯羰基共轭的双键，则仅仅双键被还原

21、。OHOCH3OHCOHOCH3MeZn-Hg, HClCOCH2CH2COOHCH2CH2CH2COOHHClHg-Zn羧基不被还原COCH2Zn-Hg/ZnHClZn-Hg 活性ZnHgCl2+HCl+ZnZn-HgCHH3CH2CH2CH2CH3CCHCPhCCCCH3PhHCCHCH2CH3HClHg-ZnHClHg-Zn,-不饱和醛酮同时被还原OOH3CHCOHCOOEtHClHg-ZnHClHg-Zn-酮 酸 酯 只 能 被 还 原 为 -HO-酮 酸 酯 能 很 好 的 被 还 原CH3COCOOEtC H3C O C H2C O O EtC H3C H2C H2C O O Et

22、对 比金属镁、镁汞齐在非质子溶剂中具有类似的还原作用 OOOOHOHMgH2O2+ Mg(Hg)苯OOH OH+ Mg(Hg)苯2PhMeOOPhMeOOHZn, AcOHDMF， H2OSbCl3, ZnR= aryl, alkylRCHORCH2OHCHOCH2Zn, H2OPd/C, 回流OHZnPhHOPhOHCH2Cl2TiCl4,OPhH2OOZn-CuH2OHOOH+CH3(CH2)6CHO2SmI2CH3(CH2)6CH2OHTHF, 2% MeOH25 C, 24h+o100%PhCOCH32SmI2PhCHOHCH3THF, 2% MeOH+o25 C80%2PhCHO2S

23、mI2THF,H3O+o25 CPhHOHOHHPh15min95%NCOCH3NCOHCH3CH3OHCN2SmI2THF, MeOH+291%三、碳三、碳- -碳重键的还原碳重键的还原 采用碱金属-胺或碱金属-氨体系还原非末端炔烃得到纯度和收率都很高的反式反式烯烃。CH3CH2C(CH2)3CH3Na, NH3HH(CH2)3CH3Et97%99%CCH3(CH2)7CC(CH2)7CO2HHH(CH2)7CO2HCH3(CH2)7Li, NH3HHNa, NH3RCCRRNaRRHRHNaNaRHRHHRHR+ Na游 离 基 钠 化 物钠 化 物RCCHNa, NH3RCH=CH2 +

24、3RCCNa2CH(NH4)2SO4CH3(CH2)5CCH3(CH2)5CH=CH2Na, NH390%PhCH=CHCH=CH2EtOH2NaPhCHCH CHCH2PhCH2CH CHCH3CH2=CH(CH2)3CH3CH3(CH2)4CH3CH3OHNa, NH341%RCH=CHCO2R + Na + EtOHRCH2CH2CO2RH2OPhCH=CHCO2Na + 2 Na-HgPhCH2CH2CO2Na + 2 NaOH 当碳-碳叁键与吸电子基团相邻存在时，用锌粉可以高选择性地还原炔键成烯键，与传统的Lindar催化剂催化氢化不同的是，利用金属锌或锌合金和质子溶剂还原炔烃，锌提

25、供电子，溶剂提供质子，可以高选择性顺式加成生成烯烃，而且还可以防止过度还原。炔醇类的化合物对锌粉还原，活性非常高，在乙醇溶液中回流，可以获得95以上的转化率。White等利用Rieke Zn试剂，还原共轭烯炔成共轭的二烯，还原二炔为烯炔和二烯烃，其反应条件非常温和：温度为65，反应时间1060min EtOHEtOHZn, 乙醇回流， 3hOHOHRieke, ZnRRRTHF / MeOH / H2ORRROHHORR Zn-Cu, 还原 PhCOClROBzBzORTi(0)RRNONORCO2RRCO2RZn, AcOH91%95%R= Vinyl, Me, Ph, PhCH2CH2,

26、EtO2CCH=CH(CH2)3R=Ph, Bn四、羧酸酯的还原四、羧酸酯的还原CH3(CH2)10CO2EtNa, EtOHCH3(CH2)10CH2OH + EtOH75%(H2C)8(H2C)8CH2OHCH2OHCO2EtCO2EtNa, EtOH73%75%OOOOOHOC4H9OHOOH Li, NH3 (EtO)2POCl(EtO)2POLi, EtNH2HHROHOOHHHROPhSeOHPhSeCNHHROOH(C4H9)3SnH(C4H9)3PTHF, -23甲苯，回流偶氮二异丁腈R= PhCH2第三节第三节 氢化物氢化物转移试剂还原转移试剂还原 氢化物转移试剂还原是负氢离

27、子转移还原，由负氢离子转移导致的还原反应在有机合成中非常有用。这类试剂中最有用的是异丙醇铝和各种氢化物的还原剂。一、异丙醇铝转移试剂还原一、异丙醇铝转移试剂还原 异丙醇铝能使羰基化合物还原成醇，这叫Meerwein-Pondorff-Verley反应。是个可逆反应。通过反应可使醛转化为伯醇，酮转化为仲醇，通常产率都很高。 PhCH=CHCHOAl(OPr-i)3PhCH=CHCH2OHNO2NO2CHOCH2OHAl(OPr-i)3COCH2BrCH(OH)CH2BrAl(OPr-i)3二、金属氢化物转移试剂还原二、金属氢化物转移试剂还原LiAlH4LiH + AlH3NaBH4NaH + B

28、H3这两种复合氢化物的负离子是亲核试剂亲核试剂，它们通常进攻C=O或CN极性重键，然后把负离子转移到正电性较强的原子上。一般情况它们不还原孤立的C=C或CC键。 LiAlH4LiH + AlH3 NaBH4与水或大多数醇在室温下进行缓慢反应，因此，这与水或大多数醇在室温下进行缓慢反应，因此，这种试剂种试剂可以在醇液中进行可以在醇液中进行。NaBH4的活性低于的活性低于LiAlH4，所以，所以它的选择性高于它的选择性高于LiAlH4，在室温下很易还原醛和酮，但一般，在室温下很易还原醛和酮，但一般它不与酯或酰胺作用，用这种试剂能在多数官能团存在下它不与酯或酰胺作用，用这种试剂能在多数官能团存在下选

29、选择性的还原醛和酮择性的还原醛和酮。 LiAlH4毒性较大，遇水和醇发生剧烈反应，一般需在无水乙毒性较大，遇水和醇发生剧烈反应，一般需在无水乙醚和四氢呋喃等惰性溶剂中使用。醚和四氢呋喃等惰性溶剂中使用。LiAlH4CH2=CHCH=CHCHO或 NaBH4CH2=CHCH=CHCH2OHNCHOOONOOOHLiAlH4THF, 0 Co98%O2NCHOO2NCH2OHNaBH4, EtOHHOCO2HOCO2HHOCO2HNaBH4MeMgI-20 C 0 CooONCOHNCNaBH4H2OCHC(CH2)2CCHC(CH2)2CHLiAlH4CHCH2OHCCO2EtHCCCH(OH)

30、C4H9HHDCH(OH)C4H9 LiAlH4 D2OPhCH=CHCHOPhCH2CH2CH2OHPhCH=CHCH2OH过量 LiAlH4， 乙醚35NaBH4 或 LiAlH4， 乙醚-10CH3CH=CHCHOCH3CH=CHCH2OH LiAlH4低温82%MeMeOOH低温98% LiAlH4NCCOClNCCHOLiAlH(OBu-t)3-78 CoH3+OCONMe2CHO85%LiAlH(OEt)3CH3COCH2CO2EtCH3CH(OH)CH2CH2OHCH3CH(OH)CH2CO2EtOHOHOCOCH3COCH2CH2OHH+ LiAlH4, 乙醚NaBH4, EtOH LiAlH4 H3OCH2CO2EtH3C+H3AlHH3Al-HMe2COMe2C