第2章氧化反应.课件.ppt

1、第 2 章 氧化反应 是自然界普遍存在的一类重要反应。在有机合成中，多数有机化学家认为，它应包括下列几个方面： （1）氧对底物的加成，如乙烯转化为环氧乙烷的反应； （2）脱氢，如乙醇氧化为乙醛的反应； （3）从分子中除去一个电子，如酚氧负离子转化为酚氧自由基的反应。醇羟基和酚羟基的氧化反应醛、酮的氧化反应烯烃双键的氧化反应芳烃侧链烯丙位的氧化反应第一节第一节 醇的氧化醇的氧化伯醇氧化伯醇氧化醛醛酸酸仲醇氧化仲醇氧化酮酮叔醇很难氧化叔醇很难氧化 介绍介绍 3 大类金属氧化剂和大类金属氧化剂和 2 类有机氧化剂类有机氧化剂 一、一、Cr()氧化剂氧化剂 (Chromium-based Oxidat

2、ion Reagents) 1. 酸性条件酸性条件 Jones Reagent: H2CrO4- H2SO4-Me2CO Acetone solvent serves to protect substrate from over oxidation.-丙酮溶剂的作用是防止底物进一步氧化。丙酮溶剂的作用是防止底物进一步氧化。 Acidic media! Not a good method for H+ sensitive groups and compounds.-酸性催化剂，对那些对酸敏感的化合物不适用。酸性催化剂，对那些对酸敏感的化合物不适用。 2alcohols are oxidized

3、to ketones. - 2 2级醇被氧化成酮。级醇被氧化成酮。 Saturated 1 alcohols are oxidized to carboxylic acids. -饱和的饱和的1 1级醇被氧化成羧酸。级醇被氧化成羧酸。OHH2CrO4-H2SO4, Me2COO80%OHOOOJones 试 剂用铬酸氧化伯醇通常都不是理想的方法：用铬酸氧化伯醇通常都不是理想的方法： 醛会继续氧化成羧酸。醛会继续氧化成羧酸。 醛会和还没有反应的醇形成半缩醛进一步氧化成酯。醛会和还没有反应的醇形成半缩醛进一步氧化成酯。 2. 弱酸性条件弱酸性条件 PCC : CrO3-Py-HCl/ CH2Cl2

4、OHCHOPCCNaOAc Stable, commercially available reagent. -稳定、易得的氧化剂。 Reaction usually carried out in CH2Cl2 no over oxidation. -此氧化反应通常在CH2Cl2中进行，不会发生过度氧化，伯醇被氧化成醛类，不会破坏四氢呋喃的部分。 Usually only need 12 equiv of Cr(VI) reagent (Jones & Collins usually require 6 equiv) -Cr(VI)试剂通常只需要12个当量，相对较少。 PCC slightly

5、acidic which can cause side reactions, To avoid H+ catalyzed side reaction, use sodium acetate buffer. -为了避免PCC弱酸性条件引起的副反应，使用NaOAc做缓冲剂。反应速率：烯丙醇伯醇、仲醇 OOOHPCCMnO2OOOH或 3. 中性条件中性条件 PDC : Na2Cr2O72H2O-HCl-2Py/ CH2Cl2Py2Cr2O7 -稳定，商业化试剂；稳定，商业化试剂；-与与PCC不同，不具有酸性；不同，不具有酸性；-与其他氧化剂相比，氧化速度比较慢；与其他氧化剂相比，氧化速度比较慢；-

6、通过调整溶剂，可以控制通过调整溶剂，可以控制1醇氧化程度，氧化成醛或酸；醇氧化程度，氧化成醛或酸；-2醇醇 氧化很慢，有时需要一个酸性催化剂（如氧化很慢，有时需要一个酸性催化剂（如CF3COOPy 或或3 MS）OHCOOHCH2Cl2CHOPDCDMFPDC92%83%3. 弱碱性条件弱碱性条件 Collins Reagent : CrO3-2Py-CH2Cl2（无水条件）（无水条件）HOHOOOCHHCHHOHOHOCHOHO33 H3O+3CH3CHO,H+CrO3, 吡啶，CH2Cl2HOHOOOCHHCHHOHOHOCHOHO33 H3O+3CH3CHO,H+CrO3, 吡啶，CH2

7、Cl2OHOCrO3-2Py/CH2Cl21and 2alcohols are oxidized to aldehydes and ketones in non-aqueous solution (CH2Cl2 )(without over-oxidation disadvantage)-在无水二氯甲烷中1and 2醇被氧化成醛和酮，不会进一步氧化成羧酸，也可避免双键转移成共轭双烯。Collins reagent can be prepared and isolated or generated in situ. Isolation of the reagent often leads to

8、improved yields.-Collins试剂现制现用，及时地分离产物有利于提高收率。Useful for the oxidation of H+ sensitive cmpds.-适用于对酸敏感的化合物Not particularly basic or acidic.Must use a large excess of the rgt. （disadvantage）-不足：用量很大。二、二、MnO2氧化剂氧化剂 (Manganese Dioxide) 二氧化锰是一种能将伯醇和仲醇氧化成羰基化合物的常用的温和试剂，它特别适合于烯丙醇烯丙醇和苄醇苄醇羟基的氧化，反应在室温下，中性溶剂（水、

9、苯、石油醚、氯仿）中即可进行。常用的方法是将醇与MnO2在溶剂中搅拌几个小时即可完成。 二氧化锰要经特殊方法制备才能具有最高活性，最好的方法是让硫酸锰与KMnO4在碱性溶液中反应来制备。 烯键和炔键不与该试剂发生反应。 -Very mild oxidizing reagent.-Selectively oxidizes allylic and benzylic alcohols to aldehyde or ketone.-Requires nonpolar solvent (CH2Cl2, CHCl3, pentane, benzene, etc.),RT.-Oxidizing reagen

10、t : substrate = 10:1 (10 wt. equiv).-it is best to prepare the manganese dioxide immediately prior to use.-非常温和的氧化剂，需要制备活性高的MnO2；-选择性地氧化烯丙基醇和苄基醇成醛或酮；-需要非极性溶剂，如CH2Cl2、CHCl3、苯或环己烷）；-氧化剂:底物=10:1（质量比）；-次氧化剂需要现有现制。OHMnO2OHOHOHMnO2OOH No isomerization of conjugated double bond.Cr-based reagent will cause

11、problem due to H+ catalysis.-不会引起共轭双键的异构化。而Cr氧化剂因为有H+催化会引起异构。 Hydoxyl group adjacent to triple bonds and cyclopropane rings are also easily oxidized.-连在三键或环丙烷上的-OH也很容易被氧化。OHMnO2OH，己 烷00.5h，0 90%OHMnO2Et2OOH 1h, r.t.64%OHHOHOHOMnO2,CHCl3室温OOH82%在以下条件下，可以在以下条件下，可以将醇转变为酯将醇转变为酯，而不引起，而不引起C=C异构化异构化（Corey

12、and Ganem J.Am.Chem.Soc. 1968,90,5616）ROHMnO2HOAcNaCNMeOHROHROHHCNRCNOROOMe三、三、AgCO3氧化剂氧化剂Fetizons reagent Siliver carbonate precipitated（沉淀） on celite（硅藻土） Is carried out in refluxing solvent such as benzene.-将碳酸银负载在硅藻土上；在溶剂（苯）回流状态下进行反应。 Is highly chemoselective and other functional groups are norm

13、ally unaffected. oxidation of only the most reactive hydroxyl。-具有很高的化学选择性，其他官能团一般不受影响，只氧化活性最高的OH。 - Oxidation of 2 alcohol over a 1 alcoholTreatment of a diol with silver carbonate normally promotes oxidation of only of the hydroxyl groups.-氧化二醇时，通常会发生进一步的氧化。OOOHOHAgCO3 on celitePhH,refluxOOOOHHWill

14、iams, W.; Sun, X.; Jebaratnam, D.* J. Org. Chem., 1997, 62, 4364-4369. OAcOOHOHAg2CO3,celiteOAcOOO66%Li, et al. Org. Lett. 2005, 7, 2917四、有机氧化剂四、有机氧化剂1. DMSODMSO-DCC Moffatt 氧化反应 DCC为脱水剂，酸为催化剂 -1醇氧化为醛NCNDCCNHCNHO 二环己基碳二亚胺 1,3-二环己基脲 dicyclohexylcarbodiimideDMSO-(COCl)2 - Swern氧化反应 条件温和，适用范围广泛，也是有机合成中

15、第一个不依靠含金属氧化剂的氧化反应。OHNHBocPhDMSO (ClO)2CH2Cl2,ONHBocPhH-63then NEt3OHDMSO (ClO)2CH2Cl2,OH-50then NEt32. Oppenauer 反应反应 酮（丙酮、环己酮）+三异丙基氧化铝Al(PriO)3 氧化剂 催化剂 逆反应 Meerwein-Ponndorf 反应+Oppenauer, Recl. Trav. Chim. Pays.-Bas 1937, 56, 137. Djerassi, Org. React. 1951, 6, 207.-Since the reaction conditions ar

16、e nonacidic, this method is valuable for acid-sensitive molecules.因为反应为非酸性条件，所以，非常适用于对酸敏感的物质的氧化。OHOquinineAl(ButO)390%-One drawbackof the method is that of oxidation is rather slow and therefore the mixture is normally heated in a solvent such as toluene.因为此法相对反应速度很慢，所以通常用甲苯当溶剂，来加热反应。第二节第二节 醛、酮的氧化醛、

17、酮的氧化一、醛类氧化成羧酸一、醛类氧化成羧酸1. Ag2OOHOMeCHOAgNO3NaOHOHOMeCOOH+HCl88%2. MnO2OOCHOMnO2NaCN,HOAcCH3OHOOCO2CH31.2.3. HPhONaClO2,H2O2,MeCN,H2OOHPhO10 95%3. NaClO2 亚氯酸钠可以氧化醛成酸，而不破坏双键。 二、甲基酮被次卤酸氧化二、甲基酮被次卤酸氧化甲基酮甲基酮被次卤酸氧化成缩短一个碳原子的羧酸-卤仿反应卤仿反应NaOCl,H2OOOHOCHCl387%+如果是进行鉴别，则使用次碘酸钠，因为产物碘仿带有颜色，如果是进行鉴别，则使用次碘酸钠，因为产物碘仿带有颜

18、色，易识别。易识别。三、酮被氧化成酯三、酮被氧化成酯Baeyer-Villiger反应反应氧化剂：过氧酸、双氧水氧化剂：过氧酸、双氧水- -酸酸亲核性重排，迁移基团的大体排序：亲核性重排，迁移基团的大体排序：叔烷基叔烷基 （环己基、烷基、苄基、苯基）（环己基、烷基、苄基、苯基） 伯烷基伯烷基 甲基甲基RROH+RROHHOOORRROHO+OHROROROR+-RCOOH+OPhOMePhCO3HOOMeOPh66%OPhNO2PhCO3HOPhONO295%OOORCOOOHOOO30%H2O2,CF3CO2HR.T. 98%双氧水双氧水- -酸酸OCH3OOCH330%H2O2,PhSeO

19、2HR.T. 83%四、四、Beckmann反应反应醛酮醛酮 + 羟胺羟胺 E-肟肟 内酰胺内酰胺ONH2OHNOHTsCl, PyNHO+1.2.65第三节第三节 烯烃的氧化烯烃的氧化环氧化合物二醇羰基化合物烯烃一、环氧化反应一、环氧化反应(Epoxidation Reactions) )1.过氧酸过氧酸(Oxidation with peroxy-acids）m-CPBA-（m-氯代过氧化苯甲酸） 叔丁基过氧化氢叔丁基过氧化氢（需金属催化剂Ti+4、V+5）过氧酸是亲电试剂，吸电子基团引入有利反应；双键上有给电子基团对反应有利；共轭烯烃降低环氧化反应速率。 (delocalisation

20、of the electrons)双键电子云密度低时，用CF3CO3H。 立体化学Stereochemistry a. Stereochemistry of olefin is maintained: diastereospecific.(Cis addition to the double bond of the alkene 顺式加成)环氧丙烷结构的形成，不改变原来双键的立体构型。b. Reaction rate is insensitive to solvent polarity implying concerted mechanism without intermediacy of i

21、onic intermediates.反应速率对溶剂极性不敏感，协同反应。c. Less hindered face of olefin is epoxidized. 在空阻较小的一侧成环。Peracid Reactivity过氧酸的酸性比相应的羧酸弱过氧酸的酸性比相应的羧酸弱(pKa 8.2 vs 4.8) Brown J. Am. Chem. Soc. 19701970，92,6914.OC6H5CO3HCHCl30 ,10min-化学选择性Electrophilic reagent: most nucleophilic C=C reacts fastest. Woodward Tetra

22、hedron 19581958, 2, 1OHmCPBAOHOOHO+10 :1OAcmCPBAOAcOOAcO+1 :4NHOmCPBANHOO烯丙醇结构的氧化： Hydrogen-bonding can direct epoxidations.氢键可以指导环氧化反应。氢键可以指导环氧化反应。# H-bonding to proximalperoxide oxygendirects epoxidation to the same face as OH group and accelerates/facilitates the reaction. 由于氢键的形成使环氧化发生在OH的一侧，同时，

23、OH可促进反应。# Metal-catalyzed epoxidations of allylic alcohols exhibit a more powerful directing effect and rate acceleration (ca. 1000). Metal bound substrate(as an alkoxide) delivers olefin to metal bound peroxide(tighter association than H-bonding). 烯丙醇结构被金属催化而过氧化，表现出更有效的导向作用，反应速度提高（大约1000倍）。Bu-tOHt-

24、BuOOHVO(acac)2Bu-tOHOBu-tOHO+83%100%0%Scope and Limitations a. Olefin geometry is maintained.b. Reaction is diastereospecific: the stereochemistry of the reactant and product bear a definite relationship to one another.反应是非立体选择性的：反应物与产物的立体化学之间存在一定的关联。c. Reaction can be buffered to prevent epoxide op

25、ening.反应可被缓冲，以防开环。The pKa of parent acid is much lower than that of the peracid, and the peracid is not nearly as acidic. Reaction requires the protonated peracid so the buffer must not deprotonate the peracid but should deprotonate the product carboxylic acid.羧酸是反应的副产物，一般需要用NaHCO3作为缓冲液。These reagen

26、ts can be used as a buffer when the peracids are used as epoxidation reagents.当用过酸当环氧化剂时，这些试剂可以用作缓冲剂: Na2CO3/NaHCO3 CH3COOH/NaOAc CF3CO3H/Na2HPO4-NaH2PO4 # When peracids are used to oxidize olefins to epoxides in the presence of carbonyl functionality (ketones or aldehydes), protection of the carbon

27、yl group may be necessary. 当体系中存在羰基存在羰基时，在对烯烃进行环氧化时，对羰基的保护是必要的，否则会发生BaeyerVilliger反应。BaeyerVilliger reactions of ketones and aldehydes：Om-CPBAOOOOnot2. Dimethyl Dioxirane（DMDO） A mild neutral reagent OO3. 次卤酸次卤酸（HOX） 3. 次卤酸次卤酸（HOX） 4. H2O2，NaOH 二、二羟基化（二、二羟基化（Dihydroxylation） 1. 生成反式二醇生成反式二醇烯烃烯烃环氧化环氧

28、化后产物以酸水解即得到反式二醇。后产物以酸水解即得到反式二醇。 (或烯烃与或烯烃与HOX加成，后分子内亲核取代加成，后分子内亲核取代)RCO3HOH2OOOHOHH2O+Prevost反应反应 I2 + RCOOAg(无水无水)PhHOHOHI2-PhCO2Ag2. 生成顺式二醇生成顺式二醇KMnO4 pH值对反应影响很大：值对反应影响很大：13%高锰酸钾水溶液，高锰酸钾水溶液，有机相有机相/水相，水相，pH12，生成顺式二醇。，生成顺式二醇。KMnO4NaOHKMnO4OHOHOOH2OOsO4-OsO4 is an electrophilic reagent, and it behaves

29、 as a large reagent. OsO4是亲电试剂，而且体积大。- Strained, unhindered olefins react faster than unstrained, sterically hindered olefins. 张力大的、没有空间位阻的烯烃反应更快。- Electron-rich olefins react faster than electrondeficient olefins. 烯烃电子云密度越大-反应活性越高。- Diastereospecific, with attack on the C=C from the least hindered

30、face. 非对映选择性，从C=C空阻小的一侧进攻。-various improvements:*only catalytic amount of OsO4 used. 只需要催化量* use of an equivalent osmium salt. 使用等量的锇盐(K2OsO2(OH)4)-But OsO4 is expensive, volatile, and toxic. 昂贵、易挥发、有毒Diastereoselectivity 非对映选择性Note: m-CPBA comes in cis to the allylic-OH, but OsO4 comes in trans to

31、the allylic-OH.OHOHOsO4OHOHOHOH 50:1HHm-CPBAOH+,H2OOHOHtran-diolHHOsO4OHOHcis-diolHHBr2OH+,H2OOHOHtran-diolor NBSH2O, NaOHComparison of Diol stereochemistry generated by different Methods:注意区别：a. a. mm-CPBA-CPBAb. OsOb. OsO4 4c. Via Bromohydrinc. Via Bromohydrind. Prevostd. Prevost（无水无水）HHI2OHOHPhCO

32、2Agtran-diolHHI2OHOHPhCO2Agcis-diol1)2)H2O, e. Woodward e. Woodward （有水）（有水）Complements OsO4 reaction(i.e. cis dihydroxylation from most hindered face)三、生成羰基化合物三、生成羰基化合物 1. KMnO4 pH12 一般一般712RRHRKMnO4ORRRCOOH+OMeMeOKMnO4NaHCO3OOMeMeOOHH2CO3H2O+HHPhPhKMnO4PhHPhCOOH冠醚100%2. Ozone 臭氧RRHRO3ORRRCOOHOOORR

33、RORRRCHO+O弱H+强 HRRCHOH +RCH2OH O：H2O2弱弱H：Me2S, Zn, KI, Ph3P强强H：NaBH4, LiAlH4OOO1. O3, CH3OH2. Me2SOHOHOO1. O3, CH3OH2. H2O2, NaOHMe3SiOHOOH1. O3(1mol), CH2Cl2, CH3OH2. NaBH4Me3SiOHOHOH四、芳烃的氧化四、芳烃的氧化 1. KMnO4NO2KMnO4NO2COOHCOOHH2O 若分子中含有酚羟基或氨基，由于这些基团易被氧化，若分子中含有酚羟基或氨基，由于这些基团易被氧化，则需进行官能团保护。则需进行官能团保护。NK

34、MnO4NCOOHCOOHOH-, H2O2. 催化氧化催化氧化 O2/V2O5 COOHCOOHO2V2O5O2V2O5COOHCOOHOOO铬酐-醋酐（CrO3-Ac2O)氧化苄位甲基 形成醛基CH2OOO+OCCOOCH3CH3CrOOOCCH3OCCH3OOCrCH3CrOOOCCH3OCCH3OO+CHOCCH3OCCH2+OOOHOHH2OCHOCrOO第四节 芳烃侧链、烯丙位的氧化反应一、苄位的氧化1. 氧化成醛氧化成醛二氯铬酰（Etard埃塔试剂）制备：HCl、H2SO4滴加到CrO3中，蒸馏除水HClH2SO410OOClClbp117CrOOO+Cr 三氧化铬与氯化氢反应生

35、成铬酰氯。用铬酰氯氧化甲基芳烃的反应叫做Etard氧化反应。该反应是以二硫化碳或四氯化碳为溶剂，甲基芳烃在2045与铬酰氯作用，生成有色的复合物沉淀，其组成为Ar-CH3/2CrO2Cl2，用水处理即转变成相应的芳基甲醛。 CH3 CrO2Cl2,CS2 H2OCHO90%H3CCH3 CrO2Cl2,CS2 H2OH3CCHO70%80%RR1CHORR122RR硝酸铈铵（Ce(NH4)2(NO2)6） CANH3CCH3CH3H3CCH3CHOCAN50H3CCH3CH3H3CCH3COOHCAN50（反应在酸性介质中进行，不论有几个甲基，最终只氧化一个）铬酸： Na2Cr2O7+H2O+

36、H+CrO3+H2OC8H17CrO3/HOAc/H2SO4COOH铬酸： Na2Cr2O7+H2O+H+CrO3+H2OC8H17CrO3/HOAc/H2SO4COOH铬酸-实例OOCrO3/HOAc40H3COH3COOCrO3/HOAc(75%)40、2hrO100%93%CHCOHH3COCOCrO3AcOHH3COCOCrO3AcOHH3COCOOOO KMnO4为氧化剂H+ MnO4-+8H+5eMn2+4H2OOH- MnO4-+2H2O+3eMnO2+4OH-(KOH)CH3CH2CH2CH3COOHCOOHKMnO4不管侧链多长均被氧化成-COOH硝酸为氧化剂（稀硝酸）NO3

37、-+4H +3eNO+2H2OCH3CH3CH3COOH40%HNO3只氧化 一个-CH3空气氧化（O2) （在碱或钴盐存在下，空气氧化可使苄位甲基氧化成羧基）NCH3NCOOHO2/260V2O5CH3BrCOOHBrO2Co(OAc)2二、烯丙位的氧化反应二、烯丙位的氧化反应1SeO2/H2O/HOAcCHH2CCHCHHCCHOHCHCCHOO 当有多个烯丙位时，优先氧化取代基多的一侧的烯丙位H3CCH3CCHCH3H3CCHOH2CCHCH3SeO2HOAcCHOOHCSeO2EtOH 当有多个烯丙位时，优先氧化取代基多的一侧的烯丙位H3CCH3CCHCH3H3CCHOH2CCHCH3

38、SeO2HOAcCHOOHCSeO2EtOH 在原则下，CH2CH3 CHR2H3CH2CCCH3CHCH3H3CHCCCH3CHCH3OHSeO2HOAc 在原则下，CH2CH3 CHR2H3CH2CCCH3CHCH3H3CHCCCH3CHCH3OHSeO2HOAc 在相矛盾时，按H3CH3CCHH2CCH3CH2OHH3CCHH2CCH3SeO2HOAc 在相矛盾时，按H3CH3CCHH2CCH3CH2OHH3CCHH2CCH3SeO2HOAc 环内双键，在前提下优先氧化环上的烯丙位CH2CH3CH2CH3OHSeO2HOAc 环内双键，在前提下优先氧化环上的烯丙位CH2CH3CH2CH3OHSeO2HOAc2. 2. 铬酐铬酐- -吡啶吡啶（分子内盐）（分子内盐） (Collins(Collins试剂试剂-CrO-CrO3 32Py- CH2Py- CH2 2ClCl2 2) )OCrO3PyCH3CH3OCrO3-Py/CH2Cl2（氧化的同时发生烯丙双键移位）CH3CH3OCrO3-Py/CH2Cl2（氧化的同时发生烯丙双键移位）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)3C6H5COOCCH33OCH3COOCCH33O常 用