精細有機合成氧化反應PPT課件

1、一、概述(一）最普遍最常用的有機化學反應。借助于氧化可以合成的種類繁多的有機化合物。醇、醛、酮、羧酸、酸酐、酚、醚等含氧化合物，常由氧化反應制備。有機分子的加氧或脫氫過程稱為氧化反應。在有機化合物中，常指作用部位的碳原子的氧化數(shù)增加，失去電子的過程。 第1頁/共79頁形成：（1）加氧 OMeCHOOMeCO2HCH2=CH2H2C CH2O3OOO OO RCO3HRCO2H第2頁/共79頁（2）脫氫，減少H O第3頁/共79頁（3）增加O減少H OCH4CH2O第4頁/共79頁(二)氧化反應類型1 官能團部分的氧化ORROOROR第5頁/共79頁2 a部位氧化RRRORRROH第6頁/共79

2、頁3 非活性部位氧化OOH第7頁/共79頁（三）特點1一般氧化反應為放熱反應2氧化反應比較復雜，不易控制3選擇反應條件，選擇氧化劑是氧化反應的關鍵。第8頁/共79頁二、醇類的氧化醇經氧化可生成羰基化合物，生成的產物取決于醇的結構、所用的氧化氧化反應條件。一級醇經過溫和氧化生成醛，醛進一步氧化成羧酸。二級氧化成酮，如果劇烈氧化可發(fā)生碳碳鍵斷裂生成兩分子羧酸。 第9頁/共79頁1級醇的氧化 醛 酸 2級醇的氧化酮 CC斷裂 3級醇的氧化 X 第10頁/共79頁（一）鉻Cr (VI) 氧化劑 鉻氧化劑是一類具有多種反應性能的六價鉻試劑，幾乎可以氧化所有氧化的基團，通常可以控制氧化條件使主要生成一種產

3、物。在氧化過程中，氧化，鉻由六價被還原成四價。常用的鉻氧化劑有三氧化鉻和重鉻酸鹽(重鈉、重鉻酸鉀)。三氧化鉻是一高聚物，溶于水解聚生成鉻酸。鉻酸在水溶以多種形式的六價鉻存在，包括：HOCrO3H，H2CrO4，HCrO4-，CrO42-, Cr2O72-,HCr2O7-，H2Cr2O7。常用鉻酸稀硫酸溶液。有時加乙酸以增加反應物的溶解度。將重鉻酸鹽加到稀硫酸中即形成鉻酸溶液。三氧化鉻也可溶于乙酐、醇或吡啶，分別生成鉻酸乙酸混酐、鉻酸叔丁酯或三氧化鉻吡啶配合物。第11頁/共79頁常用：CrO3 + OH-, HCrO4-, Cr2O72-H2O 鉻酐： CrO3+H2OH2CrO4K2Cr2O7

4、H2SO4K2SO42CrO3H2O+R2CHOHHCrO4-H+R2CHCrO3-H+=O第12頁/共79頁鉻酸在有機合成中的重要用途是醇的氧化。鉻酸氧化醇的機理是鉻酸首先形成鉻酸酯中間體，醇的羥基同碳上的氫失去，同時鉻氧鍵斷裂生成酮。作用于方式有兩種解釋：一種解釋是水作為堿奪取質子，另一種是分子內鉻酸的氧質子。ROCrRRORHOOOHH2O+HCrO3-+H3O+ROCrRRORHOOOH+H2CrO3第13頁/共79頁通式： 第14頁/共79頁醇的空間位阻的大小影響鉻酸的氧化速度，形成鉻酸酯的難易為決定速度步驟。即醇羥基的空間位阻大，則不易成酯，氧化速度降低。 OHHat-BuHHHb

5、OHt-BuHHOHHaHt-BuHbOHHt-Bu 相對氧化速率3:15:1第15頁/共79頁 微堿性試劑(3)Sarett 試劑 （ CrO3Py）(4)Collins 試劑（CrO3Py2）微酸性試劑（1）鉻酸 H2CrO4， 氧化鉻 CrO3 （2）Jones試劑 H2CrO4H2SO4不氧化雙鍵 (CC)酸性試劑(5) PCC (CrO3PyHCl， CH2Cl2) (6) PDC(H2CrO4Py2)第16頁/共79頁1鉻酸 H2CrO4， 氧化鉻 CrO3一般不適用于對酸敏感的體系(醚、縮酮、縮醛等)，及易氧化的基團（如烯基、硫醚基、酚羥基、氨基等）， 還有一些易被過度氧化的醇，

6、如芐基仲醇 OHRORCOOH+ ROH第17頁/共79頁RCHO+HCrO4R COHHO CrO3HROCrOHRORHOOOHH2O+HCrO3-+H3O+ROCrRRORHOOOH+H2CrO3伯醇氧化成醛，繼續(xù)氧化成酸。第18頁/共79頁2Jones Reagent (H2CrO4, H2Cr2O7, K2Cr2O7) 267g CrO3, 230 ml濃 H2SO4 + 400ml水（dilute） 1L CrO3 + H2O H2CrO4 (aqueous solution) K2Cr2O7 + K2SO4J. Chem. Soc. 1946 39Org. Syn. Col. V

7、ol. V, 1973, 310. 氧化反應：Cr(VI) Cr(III) (black) (green) 第19頁/共79頁(1) 2o醇 酮第20頁/共79頁2）1o醇 羧酸第21頁/共79頁較為溫和，雙鍵不受影響，選擇性氧化仲醇到酮。OHJone reagentacetone,H2O15-20oCOJone reagentacetone,H2O15-20oCH3C(H2C)3C C CHOHCH3H3C(H2C)3C C COCH3第22頁/共79頁第23頁/共79頁3Sarett 試劑 （ CrO3Py）G. I. Poos, G. E. Arth, R. E. Beyler, L.

8、H. Sarett, J. Am. Chem. Soc. 75, 422 (1953). 氧化伯醇和仲醇到醛（和/或羧酸）和酮 CHOHCrO3-C5H5NO第24頁/共79頁4Collins Oxidation (CrO32pyridine)TL 1969, 3363 CollinsCollins氧化，吸潮性紅色結晶在非極性溶劑中如：CH2Cl2, 不會發(fā)生過度氧化 1o醇到醛2o醇到酮堿性，對酸不穩(wěn)定的醇可用CrO3 (anhydrous) + pyridine (anhydrous) CrO32pyridine第25頁/共79頁JACS 1969, 91, 44318. OOOHAcOO

9、OOAcOCrO3-Py2CH2Cl2H第26頁/共79頁5. Pyridinium Chlorochromate (PCC, Corey-Suggs Oxidation) 橙黃色固體，可在無水空氣中保存。反應溶劑應一般無水。 TL 1975 2647Synthesis 1982, 245 (review)CrO3 + 6M HCl + pyridine pyH+CrO3 Cl- PCC 加入 NaOAcNHCrO3Cl-第27頁/共79頁第28頁/共79頁Oxidative Rearrangements第29頁/共79頁Oxidation of Active Methylene Groups

10、第30頁/共79頁6Pyridinium Dichromate (PDC, Corey-Schmidt Oxidation)TL 1979, 399Na2Cr2O72H2O + HCl + pyridine (C5H5N)2CrO7NHCr2O72-2亮橙色固體，可以在與空氣接觸下保存，反應溶劑為干燥無水，無還原劑的，可用無水CH2Cl2，乙腈等。 第31頁/共79頁烯丙醇可氧化成醛，而普通的醇則氧化成酸。 在不同的溶劑中的氧化性不同，在極性較大的中可氧化成酸。第32頁/共79頁（二）錳試劑1KMnO41 alcohols and aldehydes are oxidized to carbo

11、xylic acids- 1:1 dicyclohexyl-18-C-6 and KMnO4 in benzene at 25C gives a clear purple solution as highas 0.06M in KMnO4.第33頁/共79頁第34頁/共79頁2. MnO2Review: Synthesis 1976, 65, 133Selective oxidation of a,b-unsatutrated (allylic, benzylic, acetylenic) alcohols.- Activity of MnO2 depends on method of pre

12、paration and choice of solvent- cis & trans allylic alcohols are oxidized at the same rate without isomerization of the double bond.第35頁/共79頁選擇性氧化烯丙仲醇到a,b-不飽和酮 第36頁/共79頁H3COH3COOHOHMnO2, acetoneH3COH3COOHO第37頁/共79頁選擇性氧化烯丙伯醇到a,b-不飽和酮 第38頁/共79頁3. Manganese (III) Acetate a-hydroxylation of enonesSy

13、nthesis 1990, 1119 TL 1984 25, 5839第39頁/共79頁(三) 銀鹽對酸不穩(wěn)定的體系可用。將醇氧化為醛，保留烯鍵和三元環(huán)。CH2OHAg2CO3CHO第40頁/共79頁（四）DMSO氧化Activated DMSO Review: Synthesis 1981, 165; 1990, 857. Organic Reactions 1990, 39, 2972第41頁/共79頁1DMSO+DCC=環(huán)乙基碳二酰亞胺（Moffatt Oxidation (DMSO/DCC) JACS 1965, 87, 5661, 5670. ） +酸（磷酸） （CF3COOH）第4

14、2頁/共79頁將1o醇氧化成醛第43頁/共79頁HNNOOHOH2CH3COCODMSO,DCC,H3PO4,25oC90%OHNNOOOHCH3COCOO第44頁/共79頁2Swern Oxidation-trifluoroacetic anhydride can be used as the activating agent for DMSO草酰氯第45頁/共79頁OHDMSO,COCl2100%OH第46頁/共79頁（五）二醇的氧化 鄰二醇 1Pb(OAc)4 CCOHOHPb(OAc)4-AcOHCCOPb(OAc)2O-Pb(OAc)2COCO第47頁/共79頁對處于順式的鄰二醇，易

15、形成環(huán)狀過渡態(tài)，可被氧化。OHOHOHHOOOLTALTAk=100k=1第48頁/共79頁2. HIO4/H5IO6 CCOHOHCCOIOCOCOHIO4OOHOOH+ HIO3 + H2O第49頁/共79頁OHOHNaIO4, SiO2, CH2Cl2, H2O, rtCHOCHO第50頁/共79頁HIO4C COHOCOCOC COHOHOC CHONHRC CHOOH第51頁/共79頁HIO4CH2OHCHOHCH2OH2HCHO + HCOOHHIO4CH2OHCH2CH2OH(非鄰二醇)CH2OHCHNH2C OOHHIO4HCHOHCOOHCO2H2ONH3第52頁/共79頁三

16、、醛酮的氧化（一） KMnO4， K2Cr2O7 R CHOR COOHKMnO4 or K2Cr2O7RROR COOHRCOOH+KMnO4 or K2Cr2O7第53頁/共79頁(二) 鹵仿反應ONaOCl, H2OCOOH+ CHCl3第54頁/共79頁(三) BaeyerVilliger反應Baeyer-Villiger ReactionA. Baeyer, V. Villiger, Ber. 32, 3625 (1899); 33, 858 (1900).The oxidation of ketones to esters or lactones by peracids:第55頁/

17、共79頁遷移能力由高到低: 叔烷基仲烷基環(huán)己基芐基苯基伯烷基甲基H可以將酮轉變?yōu)轷ポ^大的烷基遷移到O上遷移基團構型保持不變試劑進攻電子云密度較大的基團第56頁/共79頁NO2COCH3CO3HAcOH, H2SO4NO2COO95%用于醛酮的降解 第57頁/共79頁四、烯烴的氧化烯烴雙鍵可被多種氧化劑氧化，氧化劑不同，反應歷程和氧化產物也不同，在合成上都很有用途。1臭氧化O3, CH2Cl2-78oCOOOO OOPh3PNaBH4Jones reagentOOHRCOOH第58頁/共79頁2制備鄰二醇（1）過氧酸的氧化烯烴雙鍵可被過酸氧化為環(huán)氧化物。由于環(huán)氧化物是許多反應的合成中間體，故烯烴

18、的環(huán)氧化應用十分廣泛。反應被認為是過氧酸對雙鍵的親電進攻，雙鍵上連有供電子基團時，可促進反應的進行： 第59頁/共79頁由上述反應歷程可知，碳碳雙鍵連有給電子基或過氧酸帶有吸電子基時均可使環(huán)氧化的速度增加。不同過氧酸的活性次序是：過氧三氟乙酸間氯過氧苯甲酸過氧甲酸過氧苯甲酸過氧乙酸。末端單取代烯烴與大多數(shù)過氧酸的反應速度都很慢。該反應具有較高的立體選擇性，氧優(yōu)先從分子位阻較小的一面進攻。第60頁/共79頁環(huán)氧乙烷衍生物經酸水解生成二醇，由構象固定的環(huán)己烷衍生物所生成的環(huán)氧化物開環(huán)時優(yōu)先生成羥基處于雙a-鍵的反式產物：第61頁/共79頁（2）KMnO4冷稀溶液無論環(huán)內環(huán)外雙鍵利用冷的堿性為氧化劑

19、，仔細控制條件，可在溫和的條件下，高產率地轉化為順式二醇： 第62頁/共79頁反應是按形成環(huán)狀錳酸酯歷程進行的，同位素O18研究表明氧是高錳酸根轉移給生成物的。雙鍵在加熱或酸性條件下用KMnO4氧化，鏈烯雙鍵斷裂生成兩分子羰基化合物，環(huán)烯則斷裂為一分子二羰基化合物。如果雙鍵碳上有氫原子，則產物為羧酸。這個反應可用于雙鍵的結構剖析，但有時也可用于合成。 第63頁/共79頁（3） OsO4是烯烴順式羥基化的良好試劑，代替KMnO4，可避免生成的二元醇的進一步氧化，順式二元醇的收率提高，但OsO4價貴且有毒。選擇性好，得到順式加成產物。 第64頁/共79頁3.非活性部位的氧化烷烴很難氧化。在劇烈條件

20、下，鉻酸、高錳酸鉀等強氧化劑能將烷烴氧化成酮和羧酸的混合產物。其中伯、仲、叔碳被氧化的相對速率大致是11001000。雖然烷烴的氧化不是一個好的合成轉換，但在工業(yè)制備上仍有一定意義。例如，來源豐富的石蠟等高級烷烴，在KMnO4、MnO2等催化下，用空氣或氧氣氧化，可制得高級脂肪酸。 第65頁/共79頁及其它羧酸 RCH2CH2R + O2MnO2107110oCRCOOH +RCOOH其中C12C18的脂肪酸可代替動植物油作肥皂，這樣可節(jié)省大量食用油。第66頁/共79頁低級烷烴，如C4-C5的烷烴在催化劑存在下控制氧化，可制備乙酸、丙酮等基本化工原料。烷烴的叔碳-氫鍵能被鉻酸或KMnO4氧化成醇：第67頁/共79頁(1)SeO