有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)

1、chapter6 氧化反應(yīng)有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第1頁有機(jī)化合物進(jìn)行氧化反應(yīng)，只指作用部位碳原子氧化數(shù)增加而言。如：環(huán)己醇被氧化成環(huán)已酮，其作用官能團(tuán)碳原子氧化數(shù)增加2價(jià)，即相正確氧化態(tài)由-2 增為值。氧化形式能夠在該碳原子上加氧原子（或?qū)Φ任铮?，如：RCHO RCO2H， RCHO R-C N；或脫去氫分子，如: RCH2OH RCHO。氧化反應(yīng)Oxidation有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第2頁氧化劑種類很多，能夠是氧氣，氯氣，高價(jià)位金屬化合物，或過氧酸有機(jī)化合物等。在氧化反應(yīng)后，氧化劑本身是被還原，那么不難了解大部分氧化劑都是親電子試劑（electrophilic reagen

2、ts）。普通有機(jī)化合物僅需 0 0.6 伏特電位以進(jìn)行氧化反應(yīng)。通常使用無機(jī)氧化劑氧化還原電位約 1.0 伏特。氧化反應(yīng)Oxidation有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第3頁 以作用類型來分，有機(jī)化合物氧化反應(yīng)能夠分為以下三種類型：1) 在官能團(tuán)部位氧化氧化反應(yīng)Oxidation有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第4頁2) 在-碳部位氧化3) 在非活化部位氧化氧化反應(yīng)Oxidation有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第5頁6.1 醇類氧化最慣用氧化劑是鉻 Cr(VI) 氧化物，如： 酸性試劑： （1）鉻酸（H2CrO4），氧化鉻（CrO3） （2）Jones試劑（H2CrO4-S2SO4-Me2CO

3、）微堿性試劑 （3）Sarett試劑（CrO3/Pyridine） （4）Collins試劑（CrO3-2Pyridine/CH2Cl2） 微酸性試劑 （5）PCC試劑（CrO3-Pyr-Hcl/CH2Cl2,） 中性試劑 （6）PDC試劑（H2CrO7-2 Pyr,） 其中 Sarett 試劑，Collins 試劑，PCC 和 PDC 試劑是溫和氧化劑，可使一級醇氧化成為醛類，而不再深入被氧化成羧酸。有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第6頁1. 當(dāng)化合物在酸性條件下穩(wěn)定時(shí)，可用 Jones 試劑：2使用微堿性 Collins 試劑，防止雙鍵轉(zhuǎn)移成共軛雙烯，也可防止深入氧化成羧酸。醇選擇性氧化有機(jī)

4、合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第7頁3有時(shí)候，溶劑影響很大，即使用中性PDC試劑（H2Cr2O72 Pyr，pyridinum dichromate），在極性溶劑如二甲基甲酰胺中，欲生成羧酸。普通說來，在極性溶劑中反應(yīng)較激烈，而使用非極性溶劑，如：正已烷，則可能發(fā)生不溶解現(xiàn)象。醇選擇性氧化有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第8頁5. 較昂貴碳酸銀（Ag2CO3）,也收一級醇氧化成醛，而不影響環(huán)丙烷（對酸不穩(wěn)定）。4. PCC 常被使用來將一級醇氧化成醛類，不會破壞四氫吡喃部分。若是烯丙醇氧化成 ，一不飽和醛(酮)，也經(jīng)常使用二氧化錳 (MnO2)。醇選擇性氧化有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第9頁6.

5、相對有機(jī)氧化劑是二甲基亞砜，此時(shí)需要脫水劑DCC，和用酸（如磷酸）作催化劑。這種反應(yīng)稱為Moffatt反應(yīng)。若改用草酰氯及二甲基亞砜為氧化劑稱為Swern氧化反應(yīng)。醇選擇性氧化有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第10頁7. Oppenauer氧化反應(yīng)：這類反應(yīng)系以酮類（如丙酮，環(huán)已酮）為氧化劑，此三異丙基氧化鋁為催化劑，可將醇類氧化成醛酮，而氧化劑酮?jiǎng)t被還原為醇（如丙酮氧化劑在反應(yīng)后生成異丙醇）。反應(yīng)進(jìn)行方向由所加酮（氧化劑）或醇（還原劑）用量而定。 在Al（iso-PrO）3 催化下進(jìn)行，Oppenaner氧化反應(yīng)可能同時(shí)產(chǎn)生異構(gòu)化：醇選擇性氧化有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第11頁 Oppen

6、auer氧化反應(yīng)機(jī)理稍為不一樣，進(jìn)行陰離子轉(zhuǎn)移，而不是產(chǎn)生低價(jià)鋁（I）:普通來說：烯丙醇（Allyl alcohol）、芐醇（benzyl alcohol）活性比一級醇，二級醇活性高，更輕易被氧化。醇選擇性氧化有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第12頁8. 酚類氧化：酚類（Pherols）極輕易被氧化，而通常氧化劑也足以破壞酚類化合物。 選擇性地將酚類轉(zhuǎn)變成二氫醌（hydroquinone），可用過硫酸鉀（K2S2O8）；而將酚類轉(zhuǎn)變成為醌則可用O N（SO3K）2（Fremys Salt）。醇選擇性氧化有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第13頁6.2 醛酮氧化1. 醛類氧化成羧酸通常使用氧化銀（Ag

7、2O，以AgNO3在堿中制備）。有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第14頁2. 通常酮類不會被氧化成羧酸，但甲基酮類可被次鹵酸氧化降解一個(gè)碳羧酸。同時(shí)，因?yàn)榧谆谎趸蔀辂u仿，此反應(yīng)稱之為鹵仿反應(yīng)（haloform Readion）。鹵仿反應(yīng)（haloform Readion）有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第15頁3. 將酮類氧化轉(zhuǎn)成酯類或內(nèi)酯是一有用合成反應(yīng)，常以過氧酸為氧化劑，稱做Baeyer-villiger反應(yīng)：Baeyer-villiger反應(yīng)有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第16頁此反應(yīng)是經(jīng)由中間體轉(zhuǎn)移而保持構(gòu)型，故Baeyer-villger氧化產(chǎn)物是可預(yù)期其立體結(jié)構(gòu)。普通說來，在這反

8、應(yīng)中轉(zhuǎn)移次序是依親核性選擇，大致次序是: t-alkyl .(cyclohexyl, s-alkyl, benzyl, phenyl) primary alkyl methyl。Baeyer-villiger反應(yīng)有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第17頁4Beckmann重排反應(yīng)：利用羧胺（NH2OH）可水醛酮氧化成 E 式肟（Oxime）。因?yàn)榭臻g位阻結(jié)果，不可形成 Z 式異構(gòu)體。將羥基活化成Tso離去基，經(jīng) Beckmann 重排則產(chǎn)生內(nèi)酰胺。重排時(shí)，轉(zhuǎn)移鍵和離去在同一平面異邊（antiperiplanar），即肟構(gòu)型保持。Beckmann重排反應(yīng)有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第18頁6.3

9、羧酸氧化羧酸類極不輕易被氧化，但與過氧化氫（H2O2）作用產(chǎn)生過酸。若是鄰二羧酸類，則能夠在四乙酸鉛Pb（OAC）4作氧化性脫羧反應(yīng)。有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第19頁6.4 烯烴氧化最常見烯烴類氧化反應(yīng)是轉(zhuǎn)變成環(huán)氧化合物，二醇類及斷鍵成為兩個(gè)羥基化合物。1. 形成環(huán)氧化合物（epoxidation）：（產(chǎn)物仍保持烯烴立體化學(xué)）慣用氧化劑是過氧酸或叔丁基過氧化氫（需金屬催化劑）。 mCPBA (m-chloroperbenzoic Acid, m-Cl-PhCO3H),是一較穩(wěn)定過氧酸，在冰箱中可長久保留。其反應(yīng)機(jī)理以下：有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第20頁過氧酸氧化能力與對應(yīng)酸強(qiáng)度成正

10、比，即其氧化能力次序以下：過酸環(huán)氧化烯烴機(jī)理有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第21頁使用叔丁基過氧化氫（t-Buthyl hudroperoxide, t-BuOOH）時(shí)需VO(acac)2, Mo(CO)6 or Ti(OR)4等催化劑，先形成類似金屬過氧酸。Oxidation of alkenes to form epoxides有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第22頁烯烴環(huán)氧化常受空間妨礙影響，在妨礙較小一面形成環(huán)狀物；但若有羥基感應(yīng)作用，則與羥基在同邊形成環(huán)氧化物。其中以烯丙基 (Allyl alcohol) 和高烯丙基 (Homoallyl alcohol) 影響效應(yīng)最顯著，即使對非環(huán)狀

11、化合物也是有有選擇性反應(yīng)。Oxidation of alkenes to form epoxides有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第23頁1 ) 形成反式二醇類（Trans diols）： 通常將烯類環(huán)氧化后產(chǎn)物以酸水解即得反式二醇類。2. 烯烴類化合物二羥基(dihydroxylation)化反應(yīng)：有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第24頁 普通使用方法有: a. 以高錳酸鉀為氧化劑， b. 以四氧化鋨 OsO4為氧化劑， c. 以碘及濕AgOAc為氧化劑。a KMnO4為氧化劑時(shí)，條件控制十分主要，不然形成二醇類會深入氧化裂解。 2) 形成順式二醇類（Cis diols）：有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)

12、計(jì)氧化反應(yīng)第25頁若有機(jī)化合物不溶于水時(shí)，常加入相轉(zhuǎn)移劑（Phase-transfer agents）如季銨鹽等，使反應(yīng)在有機(jī)溶劑中進(jìn)行。但反應(yīng)酸堿度也會影響產(chǎn)物： 2) 形成順式二醇類（Cis diols）：有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第26頁也可將KMnO4先改變成有機(jī)鹽類，如Ph3(CH3)P+MnO4- ，則能在低溫下操作：這是分離出唯一順式二醇，因?yàn)楦咤i酸鉀鹽在較小位阻一邊進(jìn)攻烯烴緣故。 2) 形成順式二醇類（Cis diols）：有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第27頁b. 用四氧化鋨（OsO4）為氧化劑，這是將烯烴氧化為順二羥基化最可能方法。不過因?yàn)樗难趸~價(jià)格昂貴，又有毒，故最

13、近都使用催化量，而配合其它氧化劑作用。如： 2) 形成順式二醇類（Cis diols）：有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第28頁c. 以碘及濕醋酸為氧化劑，用這種方法能夠取得空間位阻較大一面順式鄰二醇: 2) 形成順式二醇類（Cis diols）：有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第29頁其反應(yīng)機(jī)理以下：有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第30頁鄰二醇化合物以高碘酸HIO4,或 Pb(OAc)4處 理，則得到兩個(gè)羰基：鄰二醇裂解有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第31頁a. 使用KMnO4-NaIO4混合氧化劑，利用KMnO4將烯烴類轉(zhuǎn)變成二醇類，再用NaIO4將醇類氧化物切斷，并深入氧化成為羧酸。因?yàn)镵M

14、nO4作用后產(chǎn)生MnO2能夠被NaIO4氧化回到KMnO4，故只需使用催化劑量KMnO4。3. 烯烴氧化裂解(Oxidatve cleavage)烯烴類化合物氧化性切斷：進(jìn)行此種類反應(yīng)慣用高錳酸鉀-高碘酸鈉混合氧化劑，或使用臭氧。有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第32頁若改用 OsO4 - NaIO4 為混合氧化劑（OsO4為催化劑量），則能夠得到醛類（通常以 2,4二硝苯腙衍生物分離）。3. 烯烴氧化裂解(Oxidatve cleavage)b. 臭氧化反應(yīng)（Ozonation）： 臭氧是很強(qiáng)氧化劑，即使在低溫下也能和烯類作用，產(chǎn)生臭氧化物（Ozonide）。有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第3

15、3頁此時(shí)若添加氧化劑 H2O2，使臭氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)轸人峄蛲悾?. 烯烴氧化裂解(Oxidatve cleavage)添加弱還原劑，如（CH3）2S，Zn，ph3P，KI使臭氧化物轉(zhuǎn)變成為酮或醛類：有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第34頁添加強(qiáng)還原劑NaBH4，使臭氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)榇碱?。因?yàn)槌粞跻彩怯H電子性，所以在適當(dāng)量臭氧處理下，電子豐盈（electron-rich）雙鍵先被作用：3. 烯烴氧化裂解(Oxidatve cleavage)有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第35頁6.5 在-碳上氧化1使用二氧化硒SeO2， 可將烯類氧化成烯丙醇或，-不飽和醛，前者僅只需0.5當(dāng)量，而后者需1.0當(dāng)量SeO

16、2。反應(yīng)位置選擇有時(shí)并不理想。有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第36頁2 使用N溴代丁二酰亞胺（NBS，N-Bromosuccinimide），在無水條件下，光照或其它自由基反應(yīng)（free radical reaction），將烯類氧化成烯丙溴化物（allyl bromide），或?qū)⑷〈窖趸善S溴化合物，有時(shí)反應(yīng)位置選擇也是不理想。Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第37頁Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第38頁反應(yīng)若在水溶液中進(jìn)行，則先以溴陽離子Br+與雙鍵作用，結(jié)果產(chǎn)生溴醇（bromohydrin

17、）。Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第39頁3以鉻酸類氧化劑，如 K2CrO4，CrO3Pyr 和 CrO2（O-tBu）2等，也選擇性氧化-碳部位：Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第40頁OOCrO2(OtBu)2,AcOH,Ac2OCO2,50 ,36hr +4利用激發(fā)態(tài)氧單線態(tài)（singlet oxygen,O2）為氧化劑，與烯烴進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生烯丙過氧化物（allyl hydroperoxides），或與共軛雙烯進(jìn)行 2+4 加成反應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)過氧化物（endoperoxides）。Oxidati

18、on of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第41頁上述反應(yīng)為協(xié)同式（Concerted）反應(yīng)機(jī)理，不但含有位置選擇性，使雙鍵同時(shí)轉(zhuǎn)移，也含有立體選擇性，產(chǎn)生羥基過氧化物 (hydroperoxide) 必定與脫去質(zhì)子在同一面，烯丙基過氧化醇能夠被還原成烯丙醇 (allyl alcohol)。慣用產(chǎn)生單線態(tài)氧方法有： 氧氣在敏化劑（sensitizer,通常為一個(gè)染料）下光照； 磷臭氧化物“熱解”（在零下17解離）。Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第42頁Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)

19、計(jì)氧化反應(yīng)第43頁單線態(tài)氧（singlet Oxygen）對于共軛雙烯則進(jìn)行類似Diels-Alder反應(yīng)，產(chǎn)生endoperixide經(jīng)還原可得二醇類，經(jīng)堿處理可得羥酮類。Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第44頁5. 使用強(qiáng)堿將羰基或羰基化合物氫脫去，再加入適當(dāng)氧化劑，則可得到X取代產(chǎn)物（X=OOH，OH，Br，SR，SeR等）。X 取代羰（羥）基化合物，深入作脫去反應(yīng)產(chǎn)生雙鍵，而取得,-不飽和羰（羥）化合物。其中脫鹵化氫HBr是經(jīng)由反式消去(anti elimination)，而脫亞硒酸PhSeOH是經(jīng)由同側(cè)脫去（syn eliminatio

20、n）。所以，產(chǎn)生雙鍵位置與化合物立體結(jié)構(gòu)相關(guān)。Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第45頁Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第46頁Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第47頁值得注意是，,-不飽和羧基化合物雙鍵性質(zhì)與普通烯類不一樣。普通烯類雙鍵是電子豐盈性，而,-不飽和羰（羧）基化合物雙鍵是電子稀少性質(zhì)，這是因?yàn)楣曹楆P(guān)系：Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第48頁Oxidation of Hydrocarbons有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)氧化反應(yīng)第49頁所以要將烯烴類化合物環(huán)氧化時(shí)可選擇親電子性過氧酸，如CH3CO3H。而要將,-不飽和羰（羧）基化合物雙鍵環(huán)氧化