第七章+还原反应(Reduction+Reaction)

第七章还原反应

（ReductionReaction）在化学反应中，使有机物分子中碳原子总的氧化态降低的反应称还原反应。直观地讲可视为有机分子中增加氢或减少氧的反应。根据采用的还原剂和操作方法的不同，还原反应可分为：1、催化氢化反应：在催化剂存在下，反应底物与分子氢进行加氢反应。催化剂自成一相（固相）者称为非均相催化氢化，其中以气态氢为氢源称为多相催化氢化，以有机物为氢源称转移氢化；催化剂溶解于反应介质中者称均相催化氢化。2、化学还原反应：使用化学物质作为还原剂进行的反应。分为负氢离子转移还原反应、电子转移还原。3、生物还原反应：使用微生物发酵或活性酶进行底物中特定结构的还原反应。分为微生物发酵法、酶催化法。第一节还原反应机理

一、非均相催化氢化反应

第一节还原反应机理

一、非均相催化氢化反应1、基本过程固体表面的特性：固体表面上的原子或分子与液体一样，受力也是不均匀的，而且不像液体表面分子可以移动，通常它们是定位的。大多数固体比液体具有更高的表面能多相催化反应的步骤

多相催化反应在固体表面进行，即反应物分子必需化学吸附到催化剂表面上，才能发生反应。产物必须能从表面不断解吸，反应才能在表面上继续。同时，由于催化剂颗粒是多孔的，所以大量的催化剂表面是它微孔内的表面。左图即描述了这种情况。红色小球

表示反应物，绿色小球

表示产物。气体分子要在催化剂上起反应，大体要经过以下七个步骤：(a)反应物由气体主体向催化剂外表面扩散；(b)反应物由外表面向催化剂内表面扩散；(d)反应物在表面上进行反应，生成产物；(c)反应物吸附在表面上；(f)产物从内表面向外表面扩散；(e)产物从表面上解吸；(g)产物从外表面向气体主体扩散。

（1）物理吸附与化学吸附a.物理吸附：范德华力所致，使作用物分子在催化剂表面集浓。不需活化能，所以在低温即可发生。b.化学吸附：由化学键力引起，使底物分子和催化剂表面的活性中心之间形成新的化学键，生产活化吸附中间体，从而降低反应活化能。吸附为放热过程，吸附热为负值，吸热较大。过渡状态NiNiHHNiNiHH物理吸附的氢分子NiNiHH化学吸附的氢分子由物理吸附过渡到化学吸附示意图*c.活性中心理论

目前已有多种催化剂的理论，企图从微观上解释催化现象，以便指导它的应用。但都不完善，往往是一个理论只能解释一种局部现象。但它们都有一个共同点，即是都试图解释活性中心的性质。以下对应用较广的泰勒（Taylor）活性中心概念作一个简单介绍。

在1883年，法拉第等人就已经指出，固体表面上的吸附是反应加速进行的原因。他们认为气体吸附或凝聚在固体表面上，浓度大大增加，所以反映速率加快。但这种单纯增加浓度的观点，不能解释催化剂为什么有那么大的活性，也不能解释催化剂的选择性与催化剂的中毒现象。

后来，泰勒等人提出了，多相催化主要是由于化学吸附，而不是物理吸附的作用，并认为催化剂表面只有一小部分能起催化作用，这部分就称为活性中心。

反应物被化学吸附在活性中心上，引起分子变形和活化，所以反应得以加速。由于化学吸附带有化学键的性质，所以一种催化剂只能催化一些特定的反应，这就是催化剂选择性的来由。由于活性中心是分散在固体表面上的一些活性的点，它只占总面积的一个很小分数，所以微量的毒物就足以盖住全部活性中心，而使催化剂失效。这就是催化剂的中毒。

泰勒认为活性中心是表面上微晶的角、棱等突起的位置，因为这种位置上的原子，其价键力不饱和性较大。催化剂使用中，若温度过高，微晶会熔结，所以会丧失活性。泰勒理论的缺陷是，他没有注意到活性中心的几何排列与反应的关系，因而对于选择性的解释不能完全令人满意。（2）非均相催化氢化中的化学吸附非均相催化氢化反应的必要条件是底物在催化剂表面发生化学吸附。其发生由底物与催化剂之间的几何因素和电性因素决定。

a.几何因素

催化剂应具有一定的晶格组态和原子半径。b.电性因素氢化催化剂的活性与金属原子最外层电子的空d轨道有关。优良的催化剂要求其d轨道有一定的电子占有程度，当d轨道有8～9个电子最为合适（如Pt、Rh、Ni等）。二、均相催化氢化反应

三、氢负离子转移还原

四、电子转移还原

第二节不饱和烃的还原

炔、烯和芳烃均可被还原为饱和烃。炔、烯的还原活性大于芳烃。炔、烯的还原广泛采用催化氢化法，芳烃的还原，除在较剧烈的条件下催化氢化外，通常用化学还原法。一、炔、烯的还原

炔、烯易于催化加氢，且具有较好的官能团选择性。对通常使用的化学还原剂，除硼烷、氢化铝锂等外，一般对炔、烯还原的活性较差。1、多相催化氢化（1）常用氢化催化剂：最常用为金属镍、钯、铂。a.镍催化剂：主要有Raney镍、载体镍、还原镍和硼化镍等。Raney镍的制备是将铝镍合金粉末加入一定浓度的氢氧化钠溶液中，使合金中的铝形成铝酸钠而除去，得到比表面积很大的多孔状骨架镍。在中性和弱碱性条件下，可用于炔键、烯键、硝基、氰基、羰基，芳杂环和芳稠环的氢化以及碳－卤键、碳－硫键的氢解。b.钯和铂催化剂：钯黑、铂黑、钯碳（Pd/C）、铂碳（Pt/C）、Lindlar催化剂（Pd-硫酸钡）、二氧化铂（Adams催化剂）等。（2）影响氢化反应速度和选择性的因素：催化剂种类和反应条件。a.毒剂（poisons）和抑制剂（inhibitors）

在催化剂的制备或氢化反应过程中，由于引入少量杂质，使催化剂的活性大大降低或完全丧失，并难以恢复到原有活性，这种现象称催化剂中毒；如仅使其活性在某一方面受到抑制，经过适当活化处理可以再生，这种现象称为阻化。使催化剂中毒的物质称毒剂，使其阻化的物质称抑制剂。

添加抑制剂使催化剂化学下降，但在一定条件下可提高反应选择性。b.反应温度和压力

温度增高，反应速度相应加快，但可使反应选择性下降。氢压增大，使反应速度增加，有利于反应的进行完全，但也往往会导致还原选择性下降。c.溶剂及介质的酸碱度

常用的溶剂有水、甲醇、乙醇、乙酸、乙酸乙酯、四氢呋喃、环己烷和DMF等。介质的酸碱度，可影响反应速度和选择性，且对产物的构型也有较大的影响。(3)炔、烯的选择性加氢及立体化学

除酰卤和芳硝基外，分子中存在其他可还原官能团时，均可用氢化法选择性地还原炔键和烯键。炔键活性大于烯键，位阻较小的不饱和键活性大于位阻较大的不饱和键。

用乙酸镍和氢化硼钾反应得到硼化镍（nickelboride）是选择性还原不饱和烃的优良催化剂。水溶液中制备者称P-1型，乙醇中制备者称P-2型。P-2型活性较P-1型低，但还原选择性较好，选择性还原炔键和末端烯键。P-2型在还原多烯化合物时，不导致烯键异构化，也不导致苄基或烯丙基的氢解。在炔和环烯烃的加氢产物中，由于同向加成，产物以顺式为主，但由于向更稳定的反式转化等因素，仍有一定量的反式体。多西环素的合成中，（1）的4－二甲氨基、5，12α－羟基均在分子的α－面，因而β－面位阻较小，顺式加氢得6α－甲基。（4）转移氢化

二酰亚胺（diimide）也可用作氢转移试剂，选择性地还原炔键和烯键。其机理可能是：不饱和键与二酰亚胺首先生成过渡态中间体，然后，氢转移至不饱和键并放出氮气。加氢为同向加成。二酰亚胺极不稳定，可用肼为原料，加入适当的氧化剂制备，不经分离直接参与反应。二酰亚胺转移氢化还原具有较好的选择性，不影响分子中硝基、羰基等易还原基团，对末端双键及反式双键的活性较高。如下例：E型氢化速度是Z型的3～10倍，且产率较高。用二酰亚胺还原下列化合物时，不影响二硫键，其它方法多导致二硫键断裂。2.均相催化氢化

主要用于选择性还原碳－碳重键。选择性高，对毒剂不敏感，不易发生异构化、氢解等副反应。3.硼氢化反应

硼烷与碳－碳不饱和键加成形成烃基硼烷的反应称为硼氢化反应。所形成的烃基硼烷加酸水解而得到饱和烃。硼烷与不对称烯烃加成时，硼原子主要加成取代基较少的碳原子上。如烯烃碳原子上取代基数目相等，则取代基的位阻大的位置生成的硼加成物较少。如选用位阻大的二（2－甲基丙基）硼烷为试剂，选择性更高。硼烷与不饱和键加成生成的烷基取代硼烷，不经分离，直接进行氧化，可得到相应的醇，进而可氧化成酮。醇羟基的位置与取代硼烷中硼原子的位置相当。NaBH4/冰乙酸、NaBH4/BiCl3可选择性硼氢化碳－碳双键。二、芳烃的还原

1.催化氢化法

Pd-C/HOAc体系中取代基的活性:ArOH>ArNH2>ArH>ArCOOH>ArCH3。铂、钌催化剂活性大于钯催化剂。2.化学还原法-----Birch反应

芳香族化合物在液氨中用钠（锂或钾）还原，生成非共轭二烯的反应。一元取代苯，若取代基为释电子基，生成1－取代－1，4－环己二烯；若为吸电子基，则生成1－取代－2，5－环己二烯。Birch反应历程为电子转移，当环上具有吸电子基时，加速反应；具有释电子基时，则阻碍反应。例如18－甲基炔诺酮中间体的合成：苯甲醚和苯胺的Birch反应产物能迅速水解成环己酮衍生物。第三节羰基(醛、酮）的还原反应

醛、酮还原可得到烃、醇（酚）、胺或取代胺。一、还原成烃的反应

常用方法：在强酸条件下用锌汞齐还原（Clemmensen反应）；在强碱条件下，首先与肼反应成腙，然后分解为烃（Wolff-Кижер-黄鸣龙反应）；催化氢化和金属氢化物还原。1.Clemmensen反应

在酸性条件下，用锌汞齐或锌粉还原醛基、酮基为甲基和亚甲基的反应称Clemmensen反应。

锌汞齐是将锌粉或锌粒用5％～10％的二氯化汞水溶液处理后得到。将锌汞齐与羰基化合物在约5％盐酸中回流，醛基还原成甲基，酮基还原成亚甲基。反应历程有两种解释：Clemmensen反应几乎可用于所有芳香脂肪酮的还原。底物分子中有羧基、酯、酰胺等羰基存在时，可不受影响。但对α－酮酸及其酯类只能将酮基还原成羟基，而对β－或γ－酮酸及其酯类则可将酮基还原亚甲基。还原不饱和酮时，一般情况下分子中的孤立双键可不受影响，与羰基共轭的双键，则同时被还原，而与酯羰基共轭的双键，则仅双键被还原。该反应一般不能适用于对酸和热敏感的羰基化合物的还原。如采用比较温和的条件，即在无水有机溶剂中，用干燥氯化氢与锌，于0℃左右反应。2.Wolff-Кижер-黄鸣龙还原反应

醛、酮在强碱性条件下，与水合肼缩合成腙，进而放氮分解转变为甲基或亚甲基。如抗癌药苯丁酸氮芥（chlorambucil）中间体的合成：该反应弥补了Clemmensen反应的不足，能适用于对酸敏感的吡啶、四氢呋喃衍生物，对于甾族羰基化合物及难溶的大分子羰基化合物尤为适用。若结构中存在对高温和强碱敏感的基团时，可先将醛或酮制得相应的腙，然后在25℃左右加入叔丁醇钾的二甲亚砜溶液，可在温和条件下放氮反应，但有连氮（＝N-N=）副产物生成。选用氰基硼氢钠或邻苯二氧基硼烷等还原剂与羰基化合物与对甲苯磺酰肼生成的腙反应，能使羰基化合物在十分温和条件下，还原成相应的烃，而酯、酰胺、氰基等不受影响。3.金属复氢化物和催化氢化还原

用金属复氢化物和催化氢化还原羰基化合物，通常得到相应的醇。但对于某些特定结构的羰基，在一定的反应条件下，也可进一步氢解还原得到相应的烃。其应用范围远不及前面的两个还原。二芳基酮或烷基芳基酮，在三氯化铝存在下，用氢化铝锂还原，可得良好产率的烃。乙硼烷和三氟化硼能有效地将某些环丙基酮还原成烃。在加压或酸性条件下，钯催化芳香族醛、酮氢化成醇，进一步氢解得到甲基或亚甲基。二、还原成醇的反应

醛、酮可被多种化学还原剂（如Na－醇、锌－氢氧化钠、铁－乙酸、连二亚硫酸钠等）还原成醇。1、金属复氢化物为还原剂

金属复氢化物是目前还原羰基化合物为醇的首选试剂。（1）反应机理(2)试剂的主要性质及反应条件

这类还原剂都是由两种金属氢化物之间形成复氢负离子的盐形式而存在。这类还原剂的还原能力，氢化铝锂最大，氢化硼锂次之，氢化硼钠较小。

还原剂的反应活性和稳定性不同，使用时反应条件也有所不同：

LiAlH4:遇水、酸或含羟基、巯基化合物，分解放出氢气。反应需无水，且不能使用含羟基或巯基的化合物作溶剂。常用乙醚或四氢呋喃作溶剂。

KBH4(NaBH4)：遇水、醇较稳定，不溶于乙醚及四氢呋喃。常用醇作溶剂。

(3)应用

氢化铝锂主要用于羧酸及其衍生物的还原，氢硼化物则应用更广。饱和醛、酮的反应活性往往大于α，β－不饱和醛酮，可进行选择性还原。但对α，β－不饱和醛酮还原，可用9－硼双环（3.3.1）－壬烷（9BBN）。有些还原剂还显示极好的立体选择性。2.醇铝为还原剂（Meerwein-Ponnodorf-Verley反应）

将醛、酮和异丙醇铝在异丙醇中共热，可还原得到相应的醇，同时异丙醇氧化为丙酮。反应选择性高。反应机理：3.催化氢化还原

脂肪族醛、酮的氢化活性较芳香族醛、酮低，通常用Raney镍和铂为催化剂。一般需在较高的温度和压力下还原。催化剂钌、铑、铱等金属的三苯膦配合物，在强碱条件下，可还原酮为醇。三、还原胺化反应

在还原剂存在下，羰基化合物与氨、伯胺或仲胺反应，分别生成伯胺、仲胺或叔胺。常用的还原剂有催化氢化、活泼金属与酸、金属氢化物、甲酸及其衍生物。1、羰基的还原胺化反应

首先羰基与胺加成得羟胺，继之脱水成亚胺，最后还原为胺类化合物。2、Leuckart反应——在甲酸及其衍生物存在下，羰基化合物与氨、胺的还原胺化反应。不溶于水的脂肪酮、脂肪芳香酮及杂环酮，用甲酸铵或甲酰胺还原，然后水解，可得伯胺，如用N－烷基取代或N，N－二烷基取代的甲酰胺代替甲酸铵，则可得仲胺或叔胺。伯胺或仲胺亦可通过本反应进行N－甲基化，生成N，N－二甲基或N－甲基衍生物。Leuckart反应历程：首先生成Shiff碱，然后，被甲酸质子化转变为正碳离子，最后，来源于甲酸的负氢离子转移与此碳正离子完成还原反应而得产物胺。四、羰基化合物双分子还原偶联反应

羰基化合物与镁汞齐或铝汞齐一起在苯中回流反应，发生双分子还原偶联，生成频哪醇。羰基化合物和镁、三甲基氯硅烷一起反应，先生成频哪醇的三甲硅醚，继而水解可得频哪醇。低价钛试剂可使羰基化合物还原偶联。第四节羧酸及其衍生物的还原

羧酸及其衍生物酰卤、酯、酰胺及酸酐，均易被还原成醛，并可进一步还原为醇；腈可被还原成胺。一般，酰氯活性最高，酯、酰胺、酸酐及腈次之，羧酸较难还原。一、酰氯的还原

酰卤在适当的条件下，用催化氢化或金属氢化物选择性还原为醛的反应称Rosenmund反应。改变条件，可还原得醇。Rosenmund反应中，酰卤与加有活性抑制剂（硫脲、喹啉-硫、2，6-二甲基吡啶）的钯催化剂或以硫酸钡为载体的钯催化剂，于适当溶剂中，通入略高于理论量的氢，即可使反应停止在醛阶段。酰氯亦可被金属氢化物还原成醛，如三丁基锡氢（Bu3SnH）、三（叔丁氧基）氢化铝锂（LiAl-H[OC(CH3)3]）。二、酯及酰胺的还原1、还原成醇（1）金属氢化物为还原剂

羧酸酯用0.5mol的氢化铝锂还原，可得伯醇。如仅用0.25mol并在低温下反应或降低氢化铝锂的还原能力，可使反应停留在醛阶段。

降低氢化铝锂还原能力的方法是加入不同比例的无水三氯化铝或加入计算量的无水乙醇，取代氢化铝锂中1～3个氢原子而成铝烷或烷氧基氢化铝锂。如下反应，仅酯被还原，双键不受影响。氢化硼钠单独使用时对酯还原效果较差，可用Lewis酸如三氯化铝提