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1、第 2 章 氧化反应 氧化反应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-basedOxida
2、tionReagents)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 to keton
3、es.-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。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/CH2Cl2Stable,commerciallyavailablereagent.-稳定、易得的氧化剂。Reactionusu
4、allycarriedoutinCH2Cl2nooveroxidation.-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。Usuallyonlyneed12equivofCr(VI)reagent(Jones&Collinsusuallyrequire6equiv)-Cr(VI)试剂通常只需要12个当量，相对较少。PCCslightlyacidicwhichcancausesidereactions,ToavoidH+catalyzedsidereaction,usesodiumacetatebuffer.-为了避免PCC弱酸性条件引起的副反
5、应，使用NaOAc做缓冲剂。反应速率：烯丙醇伯醇、仲醇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；-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）3.弱碱性条件弱碱性条件 Collins Reagent:CrO3-2Py
6、-CH2Cl2（无水条件）（无水条件）1and2alcoholsareoxidizedtoaldehydesandketonesinnon-aqueoussolution(CH2Cl2)(withoutover-oxidationdisadvantage)-在无水二氯甲烷中1and2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。Collinsreagentcanbepreparedandisolatedorgeneratedinsitu.Isolationofthereagentoftenleadstoimprovedyields.-Collins试剂现制现用，及时地分离
7、产物有利于提高收率。UsefulfortheoxidationofH+sensitivecmpds.-适用于对酸敏感的化合物Notparticularlybasicoracidic.Mustusealargeexcessofthergt.（disadvantage）-不足：用量很大。二、二、MnO2氧化剂氧化剂(ManganeseDioxide)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、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
8、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 reagent:substrate=10:1(10 wt.equiv).-it is best to prepare the manganese
9、 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。Noisomerizationofconjugateddoublebond.Cr-basedreagentwillcauseproblemduetoH+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。Hydoxylgroupadjacenttotriplebondsandcyclopro
10、paneringsarealsoeasilyoxidized.-连在三键或环丙烷上的-OH也很容易被氧化。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（CoreyandGanemJ.Am.Chem.Soc.1968,90,5616）三、三、AgCO3氧化剂氧化剂FetizonsreagentSilivercarbonateprecipitated（沉淀）oncelite（硅藻土）Iscarriedoutinrefluxingsolventsuchasbenzene.-将碳酸银负载在硅藻土上；在溶剂（苯）回流状态下进行反应。Ishighlyc
11、hemoselectiveandotherfunctionalgroupsarenormallyunaffected.oxidationofonlythemostreactivehydroxyl。-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。William
12、s,W.;Sun,X.;Jebaratnam,D.*J.Org.Chem.,1997,62,4364-4369.Li,etal.Org.Lett.2005,7,2917四、有机氧化剂四、有机氧化剂1.DMSODMSO-DCCMoffatt氧化反应DCC为脱水剂，酸为催化剂-1醇氧化为醛二环己基碳二亚胺 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，也是有机合成中第一个不依靠含金属氧化剂的氧化反应。2.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Meerw
13、ein-Ponndorf反应+Oppenauer,Recl.Trav.Chim.Pays.-Bas1937,56,137.Djerassi,Org.React.1951,6,207.-Sincethereactionconditionsarenonacidic,thismethodisvaluableforacid-sensitivemolecules.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。-Onedrawbackofthemethodisthatofoxidationisratherslowandthereforethemixtureisnormallyheatedin
14、asolventsuchastoluene.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、酮的氧化一、醛类氧化成羧酸一、醛类氧化成羧酸1.Ag2O2.MnO23.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-卤仿反卤仿反应应如果是进行鉴别，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
15、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 甲基甲基双氧水双氧水-酸酸四、四、Beckmann反应反应醛酮醛酮+羟胺羟胺 E-肟肟 内酰胺内酰胺第三节第三节 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
16、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 of the electrons)双键电子云密度低时，用CF3CO3H。立体化学Stereochemistrya.Stereochemistryofolefinismaintained:diastereospecific.(Cisadditiontothedoublebondofthealkene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.Reactionrateisinsensitivetosolventpolarityimplyingconcertedmechanismwithou
17、tintermediacyofionicintermediates.反应速率对溶剂极性不敏感，协同反应。c.Lesshinderedfaceofolefinisepoxidized.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.-化学选择性Electrophilicreagent:mostnucleophilicC=Creactsfastest.Woodward Tetrahedron 19581958,2,1烯丙醇结构的氧化
18、：Hydrogen-bonding candirectepoxidations.氢键可以指导环氧化反应。氢键可以指导环氧化反应。#H-bondingtoproximalperoxideoxygendirectsepoxidationtothesamefaceasOHgroupandaccelerates/facilitatesthereaction.由于氢键的形成使环氧化发生在OH的一侧，同时，OH可促进反应。#Metal-catalyzedepoxidationsofallylicalcoholsexhibitamorepowerfuldirectingeffectandrateaccele
19、ration(ca.1000).Metalboundsubstrate(asanalkoxide)deliversolefintometalboundperoxide(tighterassociationthanH-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）。Scope and Limitations a.Olefingeometryismaintained.b.Reactionisdiastereospecific:thestereochemistryofthereactantandproductbearadefiniterelat
20、ionshiptooneanother.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.Reactioncanbebufferedtopreventepoxideopening.反应可被缓冲，以防开环。ThepKaofparentacidismuchlowerthanthatoftheperacid,andtheperacidisnotnearlyasacidic.Reactionrequirestheprotonatedperacidsothebuffermustnotdeprotonatetheperacidbutshoulddeprotonatetheproductc
21、arboxylicacid.羧酸是反应的副产物，一般需要用NaHCO3作为缓冲液。Thesereagentscanbeusedasabufferwhentheperacidsareusedasepoxidationreagents.当用过酸当环氧化剂时，这些试剂可以用作缓冲剂:Na2CO3/NaHCO3CH3COOH/NaOAcCF3CO3H/Na2HPO4-NaH2PO4#Whenperacidsareusedtooxidizeolefinstoepoxidesinthepresenceofcarbonylfunctionality(ketonesoraldehydes),protectio
22、nofthecarbonylgroupmaybenecessary.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。BaeyerVilligerreactionsofketonesandaldehydes：2.Dimethyl Dioxirane（DMDO）Amildneutralreagent 3.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
23、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)Prevost反应反应 I2+RCOOAg(无水无水)2.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。OsO4-OsO4 is an electrophilic reagent,and it behaves as a large reagent.OsO4是亲电试剂，而且体积大。-Strained,unhindered olefins react faster than unstrai
24、ned,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 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
25、 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-CPBAcomesincis totheallylic-OH,butOsO4comesintrans totheallylic-OH.Comparison of Diol stereochemistry generated by different Methods:注意区别：a.a.mm-CPBA-CPBAb.OsOb.OsO4 4c.Vi
26、a c.Via BromohydrinBromohydrind.Prevostd.Prevost（无水无水）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.KMnO42.pH12 一般一般7122.Ozone 臭氧 O：H2O2弱弱H：Me2S,Zn,KI,Ph3P强强H：NaBH4,LiAlH4四、芳烃的氧化四、芳烃的氧化 1.KMnO4 若分子中含有酚羟基或氨基，由于这些基团易被氧化，则若分子
27、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。需进行官能团保护。2.催化氧化催化氧化 O2/V2O5第四节芳烃侧链、烯丙位的氧化反应一、苄位的氧化1.氧化成醛氧化成醛三氧化铬与氯化氢反应生成铬酰氯。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。2 2氧化成酸或酮氧化成酸或酮氧化成酸或酮氧化成酸或酮二、烯丙位的氧化反应二、烯丙位的氧化反应1SeO2/H2O/HOAc2.2.铬酐铬酐-吡啶吡啶（分子内盐）（分子内盐）(Collins(Collins试剂试剂-CrO-CrO3 3 2Py-CH2Py-CH2 2ClCl2 2)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）