第四章氧化反应.

1、第四章第四章 氧化反应氧化反应（Oxidation Reaction） 本章要点本章要点 计划学时：计划学时：41、引言、引言2、氧化剂概述氧化剂概述3、催化氧化催化氧化4、高价金属化合物为氧化剂的氧化反应高价金属化合物为氧化剂的氧化反应5、高价非金属化合物为氧化剂的反应高价非金属化合物为氧化剂的反应6、无机富氧化合物为氧化剂的氧化反应无机富氧化合物为氧化剂的氧化反应7、有机富氧化合物为氧化剂的氧化反应有机富氧化合物为氧化剂的氧化反应8、其他氧化剂的氧化反应其他氧化剂的氧化反应引言引言狭义：加氧去氢；狭义：加氧去氢；广义：失去电子或电子转移，使广义：失去电子或电子转移，使C上电子云降低。上电子

2、云降低。1 1、氧化的定义、氧化的定义HCHHHCHOHHCOOCOH氧化数：-3-1+1+3广义的氧化反应：广义的氧化反应：氧化数升高的反应氧化数升高的反应狭义的氧化反应：狭义的氧化反应：得到氧或失去氢的反应得到氧或失去氢的反应CHOCOOHF3CCOOHO得氧得氧失氢失氢2 2、氧化反应的特点、氧化反应的特点1）氧化剂种类多，同样的氧化剂能完成不同底物的氧化，同样的底物可被不同的氧化剂所氧化。氧化产物强烈地依赖于反应条件；2）氧化反应为强放热反应，反应过程中应及时移走反应热，使反应平稳进行；3）氧化反应在热力学上均可看做不可逆反应，尤其是完全氧化反应；4）氧化反应过程中，伴随副反应很多。C

3、H3O2NNa2Cr2O7,H2SO4140度，30minCOOH (86.5%)O2NNCH3KMnO4,H2O80-90度HClNCOOH(81-91%)3 3、氧化反应在药物合成中的应用、氧化反应在药物合成中的应用 （局麻药普鲁卡因（局麻药普鲁卡因Procaine中间体）中间体）（维生素类药烟酸（维生素类药烟酸Nicotinic Acid）第一节第一节 氧化剂概述氧化剂概述1 1、氧化反应的类型、氧化反应的类型空气氧化法空气氧化法化学氧化法：使用化学氧化剂（液相）化学氧化法：使用化学氧化剂（液相）电化学氧化法：在电极上发生电子转移，电化学氧化法：在电极上发生电子转移， 绿色工艺绿色工艺空

4、气液相氧化空气液相氧化气固相接触催化氧化气固相接触催化氧化2 2、氧化剂的类型、氧化剂的类型1)：金属元素的高价化合物。：金属元素的高价化合物。 例如：KMnO4、MnO2、CrO3、K2Cr2O7、PbO2、Tl(NO3)3、Ce(NO3)4等。2)：非金属元素的高价化合物。：非金属元素的高价化合物。 例如：HNO3、N2O4、SO3、NaCIO、NaClO3、NaIO4、DMSO等。3)：无机富氧化合物。：无机富氧化合物。 例如：臭氧、双氧水、过氧化钠、过碳酸钠与过硼酸钠等。4)：有机富氧化合物。：有机富氧化合物。 例如：有机过氧化合物，如：过氧乙酸、叔丁基过氧化氢等。5)：非金属元素单质

5、。：非金属元素单质。 例如：卤素（Cl2、Br2）等。3 3、氧化剂和氧化方法的选择依据、氧化剂和氧化方法的选择依据n选择性好选择性好n收率高，产品质量好收率高，产品质量好n成本低，工艺简单成本低，工艺简单第二节第二节 催化氧化催化氧化1 1、液相催化氧化、液相催化氧化空气（空气（O2）：价廉易得，应用广泛）：价廉易得，应用广泛 反应历程反应历程 生产实例生产实例 液相催化氧化的特点液相催化氧化的特点1 1）反应历程）反应历程 链引发链引发R CHHHR CHHh , + H热裂解法热裂解法光离解法光离解法电子转移法：变价金属盐引发电子转移法：变价金属盐引发 + O2R+ HO2RCHHH 链

6、增长链增长R COOHHR CHHR COOHHR CHHR COOHHHR CHH过氧化自由基有机过氧化物+ O2H+COOHCH3CH3 无无-H-H，稳定，稳定，可分离出来。可分离出来。R CHOOHHR CHOHHR CHH+ RCH3+ OH +醇 当有机过氧化物有当有机过氧化物有-H-H时，或在金属催时，或在金属催化剂存在下，不稳定，容易分解形成醇、酚、化剂存在下，不稳定，容易分解形成醇、酚、醛、酮、酸等。醛、酮、酸等。 R CHOOH(R)R COH(R)+ Co2+ OH- + Co3+醛、酮醛、酮 链的链的终止终止R + R R-RR-O-O + R R-O-O-RA.A.抑

7、制剂抑制剂B.B.氧化深度氧化深度C.C.反应器壁反应器壁影响因素影响因素2 2）生产实例）生产实例 甲苯氧化制苯甲酸甲苯氧化制苯甲酸CH3+ 1.5 O2COOH+ H2OCo(Ac)2催化剂：催化剂： Co(Ac)2 用量：用量：0.01%-0.015%反应温度：反应温度：150oC -170oC 压力：压力：1 MPa 优点优点 （1 1）选择性好；）选择性好； （2 2）反应温度低）反应温度低1001002 20 000，防止热分解；，防止热分解； （3 3）催化剂和氧化剂便宜；）催化剂和氧化剂便宜； （4 4）按要求控制反应深度。）按要求控制反应深度。 缺点缺点 （1 1）氧化能力有

8、限，收率低；）氧化能力有限，收率低； （2 2）反应物分离及后处理困难。）反应物分离及后处理困难。3 3）液相催化氧化的特点）液相催化氧化的特点其它：其它： 氧化深度氧化深度 控制适宜的单程转化率，即氧化深度，未反应控制适宜的单程转化率，即氧化深度，未反应的原料经分离后可循环使用的原料经分离后可循环使用 如异丙苯空气氧化的单程转化率为如异丙苯空气氧化的单程转化率为20%20%25%25% 原料中不应有自由基捕获剂，如原料中不应有自由基捕获剂，如酚、胺、酚、胺、 醌、烯烃醌、烯烃等。等。3 3、气相催化氧化、气相催化氧化1）、反应历程）、反应历程 2）、应用事例）、应用事例 3）、气相法和液相法

9、比较）、气相法和液相法比较 氧 化态催化剂+原料还原态催化剂+氧 化产物还原态催化剂+氧 (空 气 )氧 化态催化剂1 1）反应历程）反应历程2 2）应用事例）应用事例 芳烃气相氧化反应；芳烃气相氧化反应；烯烃气相环氧化；烯烃气相环氧化；烃类氨氧化。烃类氨氧化。 芳烃气相氧化反应芳烃气相氧化反应由萘制备邻苯二甲酸酐或顺丁烯二酸酐，所用的催化由萘制备邻苯二甲酸酐或顺丁烯二酸酐，所用的催化剂是钒的氧化物。剂是钒的氧化物。 n萘或邻苯二甲酸酐可以进一步氧化为顺丁烯二酸酐。萘或邻苯二甲酸酐可以进一步氧化为顺丁烯二酸酐。 CCOOO+9/2O2+2CO2+2H2OCH3CH3CCOOO+3O2+3H2O

10、 烯烃气相环氧化烯烃气相环氧化 n烯烃气相环氧化，主要是环氧乙烷的制备，烯烃气相环氧化，主要是环氧乙烷的制备，在银催化剂上，乙烯用空气或氧气氧化。在银催化剂上，乙烯用空气或氧气氧化。 CH2CH2CH2CH2O+1/2O2 烃类氨氧化烃类氨氧化 n烃类与氧和氨反应，生成腈，是制备腈烃类与氧和氨反应，生成腈，是制备腈的重要方法。的重要方法。 RCH3NH3RCN+3/2O2+3H2O3 3）气相法和液相法比较）气相法和液相法比较 n反应温度反应温度 气相法的温度300-500，液相法温度100-200。n反应压力反应压力 液相法的压力低，气相法的压力高，一般几十个压力。n催化剂催化剂 液相法的催

11、化剂一般用过氧化物，或乙酸钴，气相法的催化剂一般用钒、银等。3 3）气相法和液相法比较）气相法和液相法比较 n溶剂溶剂 液相法一般需要溶剂，气相法一般不需要溶剂。n反应器反应器 液相法可采用塔式（板式塔）和釜式反应器；气相法一般列管式或流化床反应器。 一、四氧化锇（一、四氧化锇（OsOOsO4 4）为氧化剂）为氧化剂 应用四氧化锇的氧化反应称为Criegee氧化反应，用于烯烃氧化制备顺式1,2-二醇，其选择性高于KMnO4氧化法，也用于甾醇结构测定。其氧化机理是四氧化锇与烯键顺式加成生成环状锇酸酯，而后水解成顺式二醇。CC+OsOOOOCHHCOOOsOOH2OCCOHOH+H2OsO4第三节

12、第三节 高价金属化合物为氧化剂的氧化反应高价金属化合物为氧化剂的氧化反应一、四氧化锇（一、四氧化锇（OsOOsO4 4）为氧化剂）为氧化剂 不同对映休的手性配体如O-(4-氯苯甲酰)氢奎并啶（DHQD-CLB）作为配体与OsO4形成的络合物能高对映选择性催化地氧化烯，获得光学纯度的对映异构体。在合成不对称(2S)-普萘洛尔（Propanol）的过程中，就使用类似的策略。二、氧化银（二、氧化银（AgAg2 2O O）和碳酸银（）和碳酸银（AgAg2 2COCO3 3）为氧化剂）为氧化剂 氧化银可使醛基氧化成羧基，酚羟基氧化成醌，分子中的双键及对强氧化剂敏感的基团不受影响。在工业上，采用负载氧化银

13、的氧化铜为催化剂，以空气为氧化剂实施反应。工业上用此法将糠醛氧化为糠酸。(86%90%)OCOOHOCHOO2/NaOH/Cu.Ag2O二、氧化银（二、氧化银（AgAg2 2O O）和碳酸银（）和碳酸银（AgAg2 2COCO3 3）为氧化剂）为氧化剂 碳酸银可直接用作催化剂，也可将其沉积在硅藻土上使用。碳酸银是氧化伯醇、仲醇的较理想的氧化剂，氧化反应有一定的选择性。位阻大的羟基不容易被氧化，优先氧化仲醇，烯丙位羟基比仲醇更容易被氧化。1,4-二醇、1,5-二醇，1,6-二醇等二元伯醇，可氧化生成环内酯。三、四价铅（三、四价铅（PbOPbO2 2, Pb(OAc), Pb(OAc)4 4）为氧

14、化剂）为氧化剂 邻二醇被四乙酸铅氧化，邻二醇的碳碳键断裂生成两个羰基化合物，环状邻二醇则生成二羰基化合物。氧化机理是形成五元环状中间体，后者分解为羰基化合物。例如:CH3HCCHCH3OHOH+Pb(OAc)4-AcOHCH3HCCHCH3OHOPb(OAc)3-AcOHHCHCCH3CH3OOPb(OAc)22CH3CHO+ Pb(OAc)2三、四价铅（三、四价铅（PbOPbO2 2, Pb(OAc), Pb(OAc)4 4）为氧化剂）为氧化剂 四乙酸铅可与烯烃反应，反应中四乙酸铅脱掉两个乙酰氧基，两个乙酰氧基加到烯键的两个碳原子上生成双乙酸酯。四、高价钌为氧化剂四、高价钌为氧化剂 具有对酸

15、或碱不稳定的羟基内酯结构的醇，以及张力大的环丁醇类化合物，RuO4能高收率的将它们氧化成相应的酮。四、高价钌为氧化剂四、高价钌为氧化剂 R(RuO4)类型的盐R=Pr4N,Bu4N,PPh4,N(PPh3)2可以催化计量与氧化剂合用，在更温和的反应条件下实现对醇的氧化，制得醛、酮等产物，并且有出色的选择性，TPAP (N(C3H7)4RuO4，四正丙基过钌酸铵)是这些催化剂中的典型代表。五、锰化合物为氧化剂五、锰化合物为氧化剂 锰化合物主要包括高锰酸钾和二氧化锰。高锰酸钠易潮解，高锰酸钙可发生剧烈氧化反应而很少使用。一）高锰酸钾氧化一）高锰酸钾氧化（1 1）属于通用型氧化剂，氧化能力强；）属于

16、通用型氧化剂，氧化能力强；（2 2）反应介质为酸性、中性或碱性介）反应介质为酸性、中性或碱性介质；质；（3 3）应用：）应用：一）高锰酸钾氧化一）高锰酸钾氧化烯键的裂解烯键的裂解NO2NO2COOHCOOHKMnO4 OH-芳环或杂环侧链的氧化制羧酸芳环或杂环侧链的氧化制羧酸CH3CH2CH2CH3CH3COOHCOOHCOOHNH2COOHCOOHKMnO4 OH-二）二氧化锰（二）二氧化锰（MnOMnO2 2）为氧化剂）为氧化剂活性二氧化锰二）二氧化锰（二）二氧化锰（MnOMnO2 2）为氧化剂）为氧化剂二氧化锰和硫酸的混合物六、高价铬化合物为氧化剂六、高价铬化合物为氧化剂nJonesJo

17、nes试剂试剂（CrO3/丙酮/H2SO4） 不饱和键、分子构型及氨基、羰基等对氧不饱和键、分子构型及氨基、羰基等对氧化剂敏感的基团不发生变化。化剂敏感的基团不发生变化。 如果起始原料是醛，可氧化成酸。如果起始原料是醛，可氧化成酸。六、高价铬化合物为氧化剂六、高价铬化合物为氧化剂nJonesJones试剂试剂（CrO3/丙酮/H2SO4）六、高价铬化合物为氧化剂六、高价铬化合物为氧化剂nJonesJones试剂试剂（CrO3/丙酮/H2SO4）六、高价铬化合物为氧化剂六、高价铬化合物为氧化剂nSarret and Collins Regent制备存在危险性；制备存在危险性；产品从吡啶中分离困难

18、。产品从吡啶中分离困难。六、高价铬化合物为氧化剂六、高价铬化合物为氧化剂nCrO3-Ac2O为氧化剂为氧化剂 CrO CrO3 3/Ac/Ac2 2O/HO/H2 2SOSO4 4试剂，先生成二醋酸酯，试剂，先生成二醋酸酯，再水解成醛再水解成醛六、高价铬化合物为氧化剂六、高价铬化合物为氧化剂n 重铬酸钠重铬酸钠（1 1）通用型氧化剂，氧化能力强；）通用型氧化剂，氧化能力强；（2 2）氧化反应以不同浓度的）氧化反应以不同浓度的H H2 2SOSO4 4为介质为介质（3 3）实例：）实例：H2CCH3KMnO4Na2Cr2O7275 oCCOOHCH2COOH96%以铬试剂为基础的氧化方法以铬试剂

19、为基础的氧化方法 Jones: CrO3/H2SO4/Acetone, 条件太剧烈，对酸敏感则条件太剧烈，对酸敏感则 不适用。不适用。 Sarrat：CrO3/Py, 条件相对温和，条件相对温和， 但催化剂制备危险，但催化剂制备危险， 伯醇难于氧化，产物分离困难。伯醇难于氧化，产物分离困难。 Collins: CrO3/Py/CH2Cl2, 解决了伯醇氧化的问题，解决了伯醇氧化的问题， 分分 离依然困难。离依然困难。 PCC: 吡啶和吡啶和CrO3在盐酸溶液中的络合盐在盐酸溶液中的络合盐,弱酸性，弱酸性， 伯醇氧伯醇氧化问题用此得以解决化问题用此得以解决, 但对烯丙醇较差。但对烯丙醇较差。 P

20、DC: 中性，适用范围广，烯丙醇更有效。中性，适用范围广，烯丙醇更有效。PDC/DMF 可把非共轭伯醇氧化为羧酸。可把非共轭伯醇氧化为羧酸。第四节第四节 高价非金属化合物为氧化剂的反应高价非金属化合物为氧化剂的反应一、二氧化硒一、二氧化硒(SeO(SeO2 2) )为氧化剂为氧化剂1、醛、酮-甲基或亚甲基氧化2、烯丙位氧化一、二氧化硒一、二氧化硒(SeO(SeO2 2) )为氧化剂为氧化剂 氧化双键碳上取代基较多的一边的烯丙位烃基；氧化双键碳上取代基较多的一边的烯丙位烃基；烯丙位氧化遵循如下规则烯丙位氧化遵循如下规则: :一、二氧化硒一、二氧化硒(SeO(SeO2 2) )为氧化剂为氧化剂遵循

21、如下规则遵循如下规则: : 在不违背上述规则情况下的氧化顺序在不违背上述规则情况下的氧化顺序: CH: CH2 2CHCH3 3CHCH CH3CH3CH3CH2CHOHCSeO2CH3CH3CH3CH2CHCCH3CH3CH2CHCCHOH34 : 134 : 1 当上述两规则有矛盾时当上述两规则有矛盾时, ,一般遵循一般遵循(1)(1)H3CCCH3CHCH2CH3SeO2H3CCCH2OHCHCH2CH3双键在环内时，双键碳上取代基较多一边的双键在环内时，双键碳上取代基较多一边的环上烯丙位碳氢键被氧化；环上烯丙位碳氢键被氧化；CH2CH3SeO2CH2CH3HO末端双键氧化时，发生烯丙位

22、重排，末端双键氧化时，发生烯丙位重排，羟基引入末端羟基引入末端二、硝酸二、硝酸(HNO(HNO3 3) )为氧化剂为氧化剂优点优点：被还原成氧化氮气体，无残渣，便于分离：被还原成氧化氮气体，无残渣，便于分离 提纯提纯缺点缺点：腐蚀性强，剧烈，选择性低，副反应：腐蚀性强，剧烈，选择性低，副反应实例：实例：ClCH2CH2CH2OHHNO3ClCH2CH2CH2COOHOH67% HNO3, V2O555 oC-60 oCH2CH2CH2CH2CCOOHCOOH二、硝酸二、硝酸(HNO(HNO3 3) )为氧化剂为氧化剂三、含卤氧化剂三、含卤氧化剂1、卤素、卤素(X2)为氧化剂为氧化剂 氯气作为氧

23、化剂实际上是将氯气通人水或碱水中生成次氯酸或次氯酸盐而进行氧化反应的。氯气氧化时被还原成盐酸，容易处理，但氧化反应常伴有氯化反应。HOOHOHCOOHOOOCOOH(55%)液氯，冰HOAc,H2O1020三、含卤氧化剂三、含卤氧化剂1、卤素、卤素(X2)为氧化剂为氧化剂 溴的氧化能力比氯弱，反应可在四氯化碳、氯仿、二硫化碳或冰醋酸中进行。Br2 / CHCl3(69%)C6H5COCONNHC6H5C6H5COCONNHC6H5三、含卤氧化剂三、含卤氧化剂2 2、次氯酸钠、次氯酸钠 NaOCl将稠环或具有侧链的芳香烃氧化成羧酸：将稠环或具有侧链的芳香烃氧化成羧酸：NaOClOH-H+COOH

24、COOHCH3NaOClOH-H+COOH使羰基使羰基-位活泼亚甲基或甲基氧化断裂，生成位活泼亚甲基或甲基氧化断裂，生成羧酸。羧酸。+RCOCH3RCOOHHCCl3NaOClOH-RCOCCl3H2OOCH3CH3ONaOClCOOHCH3COOHCH3三、含卤氧化剂三、含卤氧化剂 3 3、用过碘酸氧化、用过碘酸氧化 ( (反式不被氧化反式不被氧化) )一）臭氧一）臭氧(O3)(O3)为氧化剂为氧化剂OOOOOOOOO异裂开环裂解OOO3+2OOOOOOOOO+环合OOOH2OOO+第五节第五节 无机富氧化合物为氧化剂的氧化反应无机富氧化合物为氧化剂的氧化反应一）臭氧一）臭氧(O3)(O3)

25、为氧化剂为氧化剂(CH3O)3PCH3CO3HO3OOOCHOCHOCO2HCO2H O3, 60 (CH3O)3PCHOCHOOO(80%)二）二）过氧化氢过氧化氢(H2O2)为氧化剂为氧化剂碱性介质中, 过氧化氢分解成亲核性离子HOO-,可选择的氧化，-不饱和羰基或硝基化物，-不饱和砜等，是制备相应环氧化合物常用的方法。HOOH + H2OOHHOO例：例：HOO-/CH3OHOCH3CH3CH3O-OHOCH3CH3CH3OHOCH3CH3CH3O二）二）过氧化氢过氧化氢(H2O2)为氧化剂为氧化剂酸性介质中： 在有机酸介质中，过氧化氢首先生成过氧酸，而后进行氧化反应，所得的环氧化合物遇

26、酸开环。常用于烯烃的氧化，最终产品为反式二醇。OHRCOOHHOOH + H2OR-C-O-OHO或R-C-OO+ H2O例：例：RCH=CH2+RC-O-OHORCH-CH2O-HH+RCH-CH2ORCOOHRCH-CH2OO-CORRCH-CH2O-H水解OHRCH-CH2O-H三）三）硫酸过氧化物为氧化剂硫酸过氧化物为氧化剂NNNOHK2S2O8NaOHFeSO4O3KSOOHH+OHHO 作为氧化剂的过二硫酸盐主要是过二硫酸钾和过二硫酸铵，反应可以在中性、碱性或酸性介质中进行。 水杨醛（Salicylaldehyde）氧化合成龙胆醛（2,5-Dihydroxybenzaldehyde

27、）、2-羟基吡啶氧化合成2,5-二羟基吡啶采用这一方法取得良好的效果。三）三）硫酸过氧化物为氧化剂硫酸过氧化物为氧化剂 过硫酸H2SO5是在0下由K2S2O8与浓硫酸以10:7比例经复分解反应获得的一种具有强氧化性能的酸性氧化剂，可实现氨基到亚硝基、酮氧化为酯的官能团的转化。NH2NOH2SO5KHSO3,KHSO4,K2SO4H2SO4,HOAcPhCO3HCH3CO3H 环氧化合物水解生成反式邻二醇，这是制备反式邻二醇的重要方法之一。一）一）有机过氧酸及酯为氧化剂2 2、Baeyer-Baeyer-VilligerVilliger贝耶尔贝耶尔-菲林格菲林格 氧化氧化R、R重排顺序： 叔碳苯

28、环-环己烷苄基-CH2CH32 2、Baeyer-Baeyer-VilligerVilliger贝耶尔贝耶尔-菲林格菲林格 氧化氧化一）一）有机过氧酸及酯为氧化剂3 3、有机过酸酯、有机过酸酯 （引入酰氧基后水解）（引入酰氧基后水解）OHCH3CO3C(CH3)3二）二）烷基过氧化物为氧化剂 烷基过氧化物也是常用的氧化剂，例如叔丁基过氧化氢。当用过氧化叔丁醇来处理,-不饱和羰基化合物时，生成不饱和键环氧化产物，与过氧酸反应结果基本一致，且也得到顺式环氧化物。t-BuOOHOH3CCH3CH3OH3CCH3CH3O二）二）烷基过氧化物为氧化剂 在过渡金属配合物催化下，烷基过氧化氢可氧化其他烯烃的

29、不饱和键生成环氧化合物。若烯键碳原子上连有多个烃基时，可加快环氧化速度，分子中有多个双键时，往往连有较多烃基的双键优先环氧化。t-BuOOHMo(CO)6OO+(92%)(8%)三）三） Sharpless不对称环氧化反应 在过渡金属配合物催化下，用烷基过氧化氢作氧化剂，可选择性地对烯丙醇的双键进行环氧化。用四异丙醇钛提供金属配位中心，在反应中引入不对称结构的酒石酸导引实现了氧化反应的对映选择性，形成了Sharpless 反应。三）三） Sharpless不对称环氧化反应一）一）酮为氧化剂OppenauerOppenauer氧化氧化奥芬脑尔奥芬脑尔 RHCHORRCORH3CHCOHCH3CH3CCH3O+Al(O-iPr)3+a)烯丙位易氧化b)甾醇烯丙位氧化，双键位移 反应可逆，加大丙酮量（既作溶剂又作氧化剂）反应可逆，加大丙酮量（既作溶剂又作氧化剂） 氧化特点：氧化特点：第七节第七节 其他氧化剂的氧化反应其他氧化剂的氧化反应一）一）酮为氧化剂HOOCH3CCH3OOOAl(O-ipr)360%OAl(O-ipr)383%黄体酮OppenauerOppenauer氧化实例氧化实例二）二）二甲亚砜（DMSO）为氧化剂二）二）二甲亚砜（DMSO）为氧化剂二甲基