精細(xì)有機合成單元反應(yīng)07還原反應(yīng)講解課件

第七章 還 原,7.1 概 述 7.2 鐵粉還原 7.3 鋅粉還原 7.4 硫化堿還原 7.5 亞硫酸鹽還原 7.6 金屬復(fù)氫化合物還原 7.7 催化氫化 7.8 其它還原方法,7.1 概 述,還原反應(yīng)的方法可分為三大類： (1) 使用氫以外的化學(xué)物質(zhì)作還原劑的方法，又稱化學(xué)還原； (2) 使用氫在催化劑作用下使有機物還原的方法，稱催化氫化； (3) 在電解槽的陰極室進行還原的方法，亦稱為電化學(xué)還原。 7.1.1還原反應(yīng)的分類 還原反應(yīng)的主要類型如下： (1) 碳-碳不飽和鍵的還原 (2) 碳-氧雙鍵的還原 (3) 含氮基的還原 (4) 含硫基的還原 (5) 含鹵基的還原,7.1 概 述,7.1.2不同官能團還原難易的比較,7.1.3 化學(xué)還原的種類,主要的無機還原劑有： 活潑金屬及其合金如鐵粉、鋅粉、錫粒、鈉、鋅汞齊等； 低價元素的化合物 如NaHS，Na2S，Na2Sx，Na2SO3， NaHSO3，Na2S2O4，SO2，SnCl2，F(xiàn)eCl2，F(xiàn)eSO4， TiCl3，NH2OH，H2NNH2等； 金屬復(fù)氫化合物 如NaBH4，KBH4，LiBH4和LiAlH4等。,主要的有機還原劑有：乙醇、甲醛、甲酸、甲酸與低碳叔胺 的配合物、烷氧基鋁(如AlOCH(CH3)23)、硼烷和葡萄糖等。,7.2 鐵粉還原,鐵粉還原反應(yīng)是通過電子的轉(zhuǎn)移而實現(xiàn)的。鐵是電子給體，被還原物的某個原子首先在鐵粉的表面得到電子生成負(fù)離子自由基，后者再從質(zhì)子給體（如水）得到質(zhì)子而生成產(chǎn)物。 以芳香族硝基化合物被鐵粉還原成芳伯胺的反應(yīng)為例，其反應(yīng)歷程可簡單表示如下：,7.2.1 反應(yīng)歷程,7.2 鐵粉還原,7.2.2 應(yīng)用范圍,鐵的給電子能力比較弱，只適用于容易被還原的基團的還原，這個特點又使它成為選擇性還原劑，在還原過程中，不易被還原的基團可不受影響。其主要應(yīng)用范圍如下：,以鐵粉為還原劑，在芳環(huán)上將硝基還原成氨基的方法曾在工業(yè)上獲得廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)點是鐵粉價廉，工藝簡單。但此法中氧化鐵泥中含有芳伯胺，環(huán)污環(huán)境。,1. 芳環(huán)上的硝基還原成氨基,7.2 鐵粉還原,7.2.2 應(yīng)用范圍,2. 環(huán)羰基的還原成環(huán)羥基,環(huán)羰基還原成環(huán)羥基通常采用鐵粉還原法，實例如下： (1) 對苯醌還原制對苯二酚,對苯二酚的需要量很大，中國目前主要采用將苯胺在硫酸介質(zhì)中用二氧化錳氧化成苯醌，然后將對苯醌用鐵粉還原成對苯二酚的方法。,7.2 鐵粉還原,7.2.2 應(yīng)用范圍,2. 環(huán)羰基的還原成環(huán)羥基,(2) 四溴靛藍的還原硫酸酯化制溶靛素O4B,在無水吡啶介質(zhì)中，在氯磺酸存在下，鐵使羰基還原為羥基，然后羥基被氯磺酸硫酸化成硫酸酯，最后水解脫去吡啶，中和，就得到水溶性的溶靛素O4B。,7.2 鐵粉還原,7.2.2 應(yīng)用范圍,3. 醛基的還原成醇羥基,醛基還原成醇羥基的反應(yīng)一般采用氫氣還原法，但也有個別實例采用鐵粉還原法。例如正庚醛還原成正庚醇：,4.芳磺酰氯的還原成硫酚,芳磺酸相當(dāng)穩(wěn)定，不易被還原成硫酚。,7.2 鐵粉還原,7.2.2 應(yīng)用范圍,5. 二芳基二硫化物的還原成硫酚,6. 還原脫溴,當(dāng)不易制得相應(yīng)的芳磺酰氯時，可以改用以下合成路線，例如2-羧基苯硫酚的制備,當(dāng)需要將已經(jīng)引入的與碳原子相連的鹵原子脫去時，主要采用氫氣還原法。但有個別實例采用鐵粉還原法。例如3,6-二溴-2-甲氧基萘的還原脫溴制6-溴-2-甲氧基萘。,7.2.3 鐵粉還原的主要影響因素,7.3 鋅粉還原,鋅粉還原大都在酸性介質(zhì)中進行，最常用的酸是稀硫酸。當(dāng)被還原物或還原產(chǎn)物難溶于水時，可以加入乙醇或乙酸以增加其溶解度。有時也可以加入甲苯等非水溶劑。鋅粉容易與酸反應(yīng)放出氫氣，故一般用過量較多的鋅粉。少數(shù)情況下，鋅粉還原需在強堿性介質(zhì)中進行。 鋅粉的還原性比鐵粉強一些，其應(yīng)用范圍比鐵廣。但鋅粉的價格比鐵粉貴。,7.3 鋅粉還原,7.3.1 芳磺酰氯還原成芳亞磺酸,芳環(huán)上的磺酸基很難被還原，因此芳亞磺酸通常都是由芳磺酰氯還原而得。芳磺酰氯分子中的氯相當(dāng)活潑，容易被還原。用鋅粉還原的實例如下,7.3.2 芳磺酰氯還原成硫酚,芳磺酰氯在較強的還原條件下，可以被還原成硫酚。如：,7.3 鋅粉還原,7.3.3 碳硫雙鍵還原-脫硫成亞甲基,碳硫雙鍵比碳氧雙鍵容易被還原，用鋅粉還原時，可以選擇性地只還原鍵而不影響鍵。例如：,7.3.4 羰基還原成羥基,當(dāng)羰基容易還原時，也可以用鋅粉作還原劑。例如,鋅粉在氫氧化鈉溶液中將二苯甲酮還原成二苯甲醇,7.3 鋅粉還原,7.3.5 羰基還原成亞甲基,在一定的條件下，鋅粉可以選擇性地只將指定的羰基還原成亞甲基，而不影響其他羰基。例如：,醛、酮用Zn-Hg/HCl還原，則羰基還原成亞甲基,7.3 鋅粉還原,7.3.6 硝基化合物還原成氧化偶氮、偶氮和氫化偶氮化合物,氫化偶氮苯在強堿性介質(zhì)中發(fā)生內(nèi)分子重排而生成聯(lián)苯胺：,7.4 硫化堿還原,這類還原劑的特點是還原性溫和，主要用于將芳環(huán)上的硝基還原為氨基。當(dāng)芳環(huán)上有吸電基時使還原反應(yīng)加速，有供電基時使還原反應(yīng)變慢，因此當(dāng)芳環(huán)上有多個硝基時，在適當(dāng)條件下，可以選擇性地只還原其中的一個硝基。第一步比第二步快一千倍。,對于硝基偶氮化合物可以只還原硝基而不影響偶氮基。此外，可用于將偶氮基還原成氨基。,7.4 硫化堿還原,7.4.1 硫化堿種類的選擇,硫化堿的種類主要有S、Na2S2和NaHS，在個別情況下也用到(NH4)2S和多硫化鈉。 用Na2S作還原劑時，反應(yīng)過程中有氫氧化鈉生成，使介質(zhì)的pH值升到14因而會發(fā)生雙分子還原。所以對于堿性較敏感的硝基化合物的還原不宜用Na2S。,用Na2S2作還原劑時，在反應(yīng)過程中不生成游離堿，可避免發(fā)生雙分子還原副反應(yīng)，因此Na2S2或(NH4)2S2(或用NH4OH/S/吡啶)是最常用的硫化堿類還原劑。,7.4 硫化堿還原,7.4.2 多硝基化合物的部分還原,對于芳香族硝基化合物的部分還原通常采用Na2S2、NaHS或Na2S+NaHCO3作還原劑，硫化堿的用量量只需超過理論量的510，還原溫度4080，一般不超過100，以避免發(fā)生完全還原副反應(yīng)。有時還加硫酸鎂以降低介質(zhì)的堿性。,7.4.3 硝基化合物的完全還原,完全還原時通常用Na2S或Na2S2作還原劑，硫化堿的用量一般要超過理論量的10%20。溫度一般為60100，有時為了還原完全，縮短反應(yīng)時間，可在125160高壓釜中反應(yīng)。,7.4.4 對硝基甲苯的還原、氧化制對氨基苯甲醛,7.4 硫化堿還原,對氨基苯甲醛是重要的醫(yī)藥中間體，由對硝基甲苯在特定的條件下與多硫化鈉反應(yīng)可直接制得，收率較高。,7.5 亞硫酸鹽還原,亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉是溫和的還原劑，反應(yīng)是在水介質(zhì)中講行的。還原反應(yīng)要在適當(dāng)?shù)膒H值、反應(yīng)溫度和還原劑用量的條件下進行。 (1) 硝基還原成氨基； (2) 硝基還原-加成磺化制氨基芳磺酸； (3) 芳磺酰氯還原成芳亞磺酸。,7.5 亞硫酸鹽還原,活潑芳環(huán)重氮偶聯(lián)制得偶氮化合物，然后將其還原裂解為胺，是在活潑芳環(huán)上引入氨基的一種有效方法。如5-氨基-1-芐基-二氫吲哚的制備：,7.6 金屬復(fù)氫化合物還原,這類還原劑中最重要的是四氫鋁鋰(LiAlH4)、四氫硼鈉(NaBH4)和四氫硼鉀(KBH4)。這類還原劑中的氫是負(fù)離子H。它對碳氧雙鍵、碳氮雙鍵、氮氧雙鍵、硫氧雙鍵等極化雙鍵可發(fā)生親核進攻而加氫，但是對于極化程度比較弱雙鍵則一般不發(fā)生加氫反應(yīng)。其中四氫鋁鋰的還原能力較強，可被還原的官能團范圍廣。四氫硼鈉還原能力較弱，可被還原的官能團范圍較窄，但還原選擇性較好。這類還原劑價格很貴，目前只用于制藥工業(yè)和香料工業(yè)。,7.6 金屬復(fù)氫化合物還原,7.6.1 四氫鋁鋰,四氫鋁鋰遇到水、酸、含羥基或巰基的有機化合物會放出氫氣而生成相應(yīng)的鋁鹽。四氫鋁鋰雖然還原能力最強，除碳-碳重鍵外的其它鍵均可被其還原，但價格貴，限制了使用范圍。 (1) 酰胺羰基還原成亞甲基；(2) 羧基還原成醇羥基； (3) 酮羰基還原成醇羥基。 (4) 芳香族硝基化合物或亞硝基化合物被還原成偶氮化合物。,鋰鋁氫除可還原極性重鍵外，還可將環(huán)氧化物還原開環(huán)成醇；將鹵代烴或磺酸酯還原成烴；將二硫化物或磺酰氯還原成硫醇,7.6.2 四氫硼鈉和四氫硼鉀,四氫硼鈉和四氫硼鉀不溶于乙醚，在常溫可溶于水、甲醇和乙醇而不分解，可用無水甲醇、異丙醇或乙二醇二甲醚，二甲基甲酰胺等溶劑。,(1) 環(huán)羰基還原成環(huán)羥基；(2) 醛羰基還原成醇羥基 (3) 亞氨基還原成氨基,7.6 金屬復(fù)氫化合物還原,7.7 催化氫化,催化氫化(包括加氫和氫解)共有三種方法，即氣-固相接觸催化氫化、氣-固-液非均相催化氫化、液相均相配位催化氫化。,7.7.1 催化氫化的方法,(1) 氣-固相接觸催化氫化,(2) 均相配位催化氫化,(3) 氣-固-液非均相催化氫化,特點是氣態(tài)的氫與液態(tài)的或溶劑中的固態(tài)被氫化物被吸附在固體催化劑的表面上，然后發(fā)生氫化反應(yīng)。,7.7.2 氣-固-液非均相催化氫化的催業(yè)劑,氣-固-液非均相催化氫化所用的催化劑是元素周期表中第B族的金屬，其中最重要的是鎳、鉑和鈀，此外也用到釕、銠和銥。,7.7.3 氣-固-液非均相催化氫化的主要影響因素,(1) 溶劑 (2) 介質(zhì)的pH值 (3) 溫度和壓力,7.7.4 順丁烯二酸酐的催化氫化,順丁烯二酸酐在不同條件下催化氫化可制得1,4-丁二酸酐(琥珀酸酐)、-丁內(nèi)酯、1,4-丁二醇和四氫呋喃等產(chǎn)品：,7.7 催化氫化,7.7.5 脫鹵氫解,芳環(huán)和芳雜環(huán)上的鹵原子，在催化還原的條件下可被氫解脫除。吡啶和喹啉環(huán)的2-位和4-位鹵原子較活潑，易氫解脫去。,羅森蒙德(Rosenmund)反應(yīng)制備芳醛,7.7 催化氫化,7.7.6 脫芐氫解,在有機合成上可通過酚的氨甲基化(曼尼希Mannich反應(yīng))，然后脫芐氫解在酚環(huán)上引入甲基。,7.7.7 脫硫氫解,有機分子中的含硫基團在催化還原條件下，易于斷裂碳-硫鍵而被脫除。常用的催化劑是雷尼鎳。,7.7 催化氫化,7.8 其它還原方法,2布沃-布蘭克(Bouveault-Blanc)反應(yīng),脂肪酸用Na/C2H5OH還原，生成伯醇。,-不飽和酯的碳-碳雙鍵會同時被還原。若分子中的碳-碳雙鍵與酯基不共軛，還原時不受影響。,7.8 其它還原方法,3偶姻縮合,鈉在惰性溶劑(乙醚、甲苯、二甲苯等)還原，然后加水處理，生成雙分子還原產(chǎn)物-羥基酮，即偶姻(acyloin)。,二元縮合酯發(fā)生偶姻縮合生成環(huán)狀偶姻的收率與碳原子數(shù)有關(guān)。在有機合成上是合成C10以上大環(huán)化合物的重要方法，在大環(huán)香料的合成中有應(yīng)用。如香料環(huán)十五酮的合成：,只將醛、酮還原，選擇性很好，常用于有機中間體的合成。,4醇鋁,7.8 其它還原方法,5硼烷與氫化鋁,硼烷是將羧基還原成醇的最好的試劑，條件溫和，反應(yīng)速度快。還能順利的還原酰胺，特別是取代酰胺。但酯基、硝基、氰基還原較難。,6. 伯奇(Birch)反應(yīng),7.8 其它還原方法,芳香族化合物在醇的存在下，可被堿金屬與液氨組成的還原劑部分還原成1,4-己二烯衍生物。是將芳環(huán)轉(zhuǎn)化為脂環(huán)的有效方法。,在酸性條件下雙鍵會自動移位而轉(zhuǎn)化為含共軛雙鍵的環(huán)己烯酮：,7.8 其它還原方法,7. 沃爾夫-基日涅爾-黃鳴龍(Wolff-Kischner-Huang Minlong)反應(yīng)：,醛、酮與水合肼(或其它堿)在高沸點溶劑(如二甘醇、三甘醇等)中共熱，醛、酮羰基被還原為亞甲基。這是在堿性條件下將羰基還原為亞甲基，與在酸性條件下的克萊門森反應(yīng)及中性條件下的縮硫醛催化氫解法互為