高等有机第九章-氧化

第九章氧化反应第一节将醇氧化成醛、酮、酸的反应一、过渡金属氧化剂最常见的过渡金属氧化物是Cr(VI)化合物，在水溶液中Cr(VI)酸根离子存在的形式与浓度和PH值有关。在稀酸溶液中，以铬酸离子存在，在浓溶液中，重铬酸离子为主：CrOOHOO-CrOOOOCrOOO--2+H2O烯溶液浓溶液在乙酸中，Cr(VI)以乙酸和铬酸混合酐形式存在：CH3CO2H+CO3CH3CO2CrOOOHCH3CO2CrOOOCCH3OCrO3+NNCrOOOCollins试剂Collins试剂可将醇氧化为醛，不生成酸，且不氧化碳碳双键。历程吡啶可和CrO3形成络合物：CrO3型氧化剂常用于氧化醇成醛、酮。当a－H被氘取代，有很大的同位素效应。R2CHOHHCrO4HR2CHOCrO3HR2COHCrO3H+++slow++H2CrO4/丙酮OHOOHO多种反应条件已在合成中被利用：氧化简单无其它官能团的醇，可采用铬酸水溶液（Jone’s试剂）加到醇的丙酮溶液中，反应很快。H2CrO4/丙酮92－96％79－88％当分子中有对氧化剂或酸敏感的官能团时，CrO3吡啶络合物（Collins试剂）很适用。在氧化剂略过量时，反应几分钟即可完成，产率很高。OHCrO3－吡啶O95%未氧化碳碳双键OOOHOOOOOOOOOCH2Cl2CrO3－吡啶CH2Cl296％OCrO3-吡啶CH2Cl2OH与Collins试剂作用类似的另一个Cr(VI)试剂是氯化铬酸吡啶盐(PCC)。将CrO3溶于盐酸，加入吡啶生成一固体试剂PCC：CrO3+HCl(浓)吡啶NCrOHOOClPCC在等比例条件下即可将醇氧化成醛酮：CHCH2CH2CHCH2CH2OHCH3(H3C)2CCHCH2CH2CHCH2CHOCH3(H3C)2CPCC82%MnSO4+NaOH+KMnO4MnO2KMnO4由于氧化性强、选择性差和存在过氧化问题，一般不用于氧化醇到醛。而MnO2则具有很好的选择性，反应中优先进攻烯丙基和苄基羟基。CH2OHMnO2CHOPhCHCHCH2OHMnO2PhCHCHCHOCH2OHMnO2CHOCH3CH2CHCCH2CH3OOHMnO2CH3CH2CHCCH2CH3OORuO4可氧化醇，但也可氧化碳碳双键。HOOORuO4OOO二、非金属氧化剂(DCC)NCNClCOCOClCH3COOCCH3OF3CCOCCF3OOSO3一些由DMSO和亲电试剂组成的体系也可用于氧化醇到酮，亲电试剂包括二环己基碳化二亚胺（DCC），乙酸酐，三氟乙酸酐，草酰氯，三氧化硫等。历程RNCNRH3CSCH3ORNCONHRS(CH3)2HOCHRRRHNCONHR最初使用的氧化体系为DMSO和DCC，用于对过渡金属氧化剂敏感的分子上。H2CSCH3OCHRRH2CSCH3OCRRHH3CSCH3OCRR++NHRCRNOSCH3OCHRRCH2HDMSO与其它亲电试剂X+体系氧化醇的历程：H3CSCH3OH3CSCH3OXOHR2CHH3CSCH3OXOCHR2H3CSCH3OCHRH+X+H3CSCH3OCR2+-OX-使用DMSO+ClCOCOCl氧化剂称Swern氧化，是最常用的替代Cr(VI)氧化剂的方法。DMSO+E+氧化剂的应用：123HNCH2OHDMSO(CH3CO)2OHNCHO60%CH2OHCHODMSODCC84%OHOHOOHDMSOSO344%4(CH3)2CHCH=CH-CH=CHCH2OHDMSOClCOCOCl(CH3)2CHCH=CH-CH=CHCHO93%5CNCHHOCH3CHOHOOCNCHHOCH3COOOF3CCOCCF3OODMSO93%R2CHOH+Al(OCH)3R2CHOAl(OCH)2OCOCRR反应中使用一个好的氢原子受体，即容易被还原的羰基化合物（例如醌)，有利于平衡向右移动，也可使用过量的酮。此反应在非酸性条件下进行，可用于对酸敏感的分子。Oppenauer氧化(Meerwein-Pondorff还原的逆反应):醇在加热条件下被烷基铝和一羰基化合物氧化，羰基化合物作为氢的受体。反应为一平衡过程，经历了一个环状过渡态。Al(OCH)3+CHOAl[OCH(CH3)2]2ORROHOOOAl(O-t-Bu)3三氯乙醛和三氧化二铝作氧化剂优先氧化仲醇而不影响伯醇，三氯乙醛为氢受体。适合氧化含有其它对氧化剂敏感的官能团的化合物。OHOHAl2O3+CCl3CHOOOHOHSePhAl2O3+CCl3CHOOSePh第二节氧对碳碳双键的加成两种产物的比例由PH值决定，碱性条件有利于乙二醇产物。一、过渡金属氧化剂一些高氧化态的过渡金属氧化剂是在碳碳双键上引入氧原子的有效试剂。在温和条件下，KMnO4可将烯烃转变成邻二醇，但产物有可能进一步被氧化。反应中间体为环状锰酸酯，产物为顺式邻二醇。RR+MnO4-ROROMnOOH2OOH-ROHROH乙酮醇也是上述反应的常见产物，乙酮醇是由环状中间体氧化生成。RHORHOMnOORHORHOMnOOROROH+MnO2KMnO4也可在有机溶剂中使用，但需加相转移催化剂。KMnO4氧化5-癸二酸和环癸酸的产物有羧酸、二酮、a-羟基酮、二醇。各种产物的比例受氧化剂用量的影响。HO2C(CH2)8CO2HOO+59%16%OHOH50%KMnO4可将炔烃氧化成二酮高碘酸和二氧化钌在非均相体系中起相同作用：PhCCCH3RuO2NaIO4PhCCCH3OO80%四氧化锇是一高度选择性的氧化剂，它立体专一性氧化烯烃，生成顺式二醇。RHHRCHCHRROOOsOOCHCHROHOHROsO4PhCCCH2CH2CH3PhCOCOCH2CH2CH3KMnO4R4N+I-CH2Cl281%应用CH3CH2CHCHCCCH3OsO4ONCH3OCH3CH2CHCHOHOHCCCH3OsO4非常昂贵，使用催化量OsO4加化学计量的另一种氧化剂（胺N－氧化物，过氧化叔丁醇，氯酸钡）可代替OsO4。RHRHHRRHOOOsOOOsO4R3NOH2OHRRHHOOHOsO4++R3N1、65％CH3CCCO2C2H5OHOHCH3CHCHCOOEtOsO4t-BuOOH72％环氧、内酯不被破坏从空阻小的地方加上去OHOOOOsO4BaClO3OHOOOHOHO84％二、由过氧化物氧化烯烃成环氧化物将烯烃转化成环氧化物的最常用试剂是过氧酸（过氧乙酸、过氧三氟乙酸，过氧苯甲酸，间氯过氧苯甲酸等）。ClCOOHOCH3COOHOCF3COOHOPhCOOHO比较稳定，可低温保存。环氧化反应不包括离子型中间体，反应速度对溶剂极性不太敏感，反应为立体专一性。因此环氧化反应被认为是协同反应。OR1RR1R构型保持＋R2COOHOOR2OHR1RR1R烯烃电子云密度越大，氧化反应越容易进行；过氧酸上吸电子基越多，反应越容易进行。因此，过氧酸是亲电试剂。与强吸电子基共轭的双键只能用强氧化剂，如过氧三氟乙酸。缺电子烯烃也可用H2O2碱性溶液或过氧叔丁醇氧化。反应以不同于过氧酸的历程－共轭亲核加成方式进行。RCOCHCHCH4OOHRCOCHCHCH3OOHRCOCHCHCH3O过氧酸对双键的加成优先从空阻小的一面进攻。ClCOOHOHOH+HHO4%96%烯丙基羟基在环氧化中有定位作用，氧化优先发生在与烯丙基羟基接近的一面。羟基与试剂之间的氢键稳定过渡态。羟基定位效应甚至可在空间效应起相反作用时控制反应的立体化学。OH+COOHOOHOOHHHOClCOOHOOHHHOO87%O2CCH3OHClCOOHOO2CCH3OHO78%一种可避免酸性条件的环氧化方法是用腈和H2O2替代过氧酸。腈和H2O2生成过氧亚胺酸，其氧化烯烃成环氧化物。RCN+H2O2RCNHOOH过氧亚胺酸RCNHOH亚胺酸RRHH+R1CNHOOHRCNH2O+ORHRH立体化学与过氧酸氧化一致，反应历程类似过氧酸氧化。三、环氧化物的转化环氧化物是有机合成的重要中间体，环氧化物可经溶剂解或亲核进攻开环。+CH3O(CH3)2COHCHCH3OCH353%+HN(CH3)2COHCHEtN100%OHCH3H3CH3COHEtH3CH3COCH2N(C2H5)2SHHSCH2CHOHCH2N(C2H5)263%在酸性水溶液中，环氧化物通过反式加成开环给出二醇，对环状化合物则生成双直立键二醇。CH3CH3OOHCH3OHCH3H+H2O碱性条件下，亲核试剂优先进攻位阻小的位置。而酸性条件下情况较复杂，质子与氧原子结合削弱了C－O键，使其易被弱亲核试剂开环。如在过渡态中C－O键大部分完整，则亲核试剂将进攻取代基少的碳；如过渡态中C－O键断裂基本完成，由于取代基可稳定过渡态中生成的正电中心，反应具有相反的区域选择性。OH3CH2OHBrH3CCHOHCH2Br+CH3CHCH2OHBr76%24%OHHRROHHRRHRHHRNuOHRHHROHNuNuabab过渡态C-O键较少断裂过渡态C-O键较多断裂简单脂肪族环氧化物与HX反应，卤素优先进攻取代基较少的伯碳：OHCH3H3CH3CH2SO4MeOH(CH3)2COCH3CHCH3OH76%(如果没有形成碳正离子，则－OH和－Cl应为反式)生成顺式产物说明经历碳正离子中间体，顺式产物为主，可能由于分子内氢键使顺式更稳定。OPhHHPhHCl苯OHClPhHHPh93%当取代基进一步稳定羰正离子中间体时导致相反的选择性：环氧化物在Lewis酸催化下的开环重排成羰基化合物，反应经历碳正离子中间体，产物结构和立体化学由控制碳正离子中取代基迁移的因素决定。CH3HHOBF3CH3HHOJACS，1981，103,3648。OZnCl2CH2CHOO历程O+ZnCl2OZnCl2O+ZnCl2TMOZnCl2氯乙烯环氧化物可重排成a－卤代酮：ClCH3ClCH3OZnCl2OCH3ClOCOCH3OCOCH3OH+OOCOCH3烯醇乙酸酯环氧化物可重排成a－乙酰氧基酮：重排的立体化学研究表明乙酰氧基迁移后连接的碳原子构型翻转。OROR1RCH3ORROOH3COR1PhCHCHCH3OLDA(CH3)3SiClOSi(CH3)3HH3CPhRCO3H更具合成意义的转化是将醛酮制成烯醇硅醚，烯醇硅醚经环氧化和水解生成a－羟基醛酮。OOSi(CH3)3HPhH3CCHOPhH3COSi(CH3)3CHOPhH3COHCH3CC(CH3)3OCH2COSi(CH3)3C(CH3)3RCO3H(CH3)3SiOCH2CC(CH3)3O乙烯基硅烷CH3BrH3CEtMgCH3MgBrH3CEt(CH3)3SiClCH3Si(CH3)3H3CEtRCO3H乙烯基硅烷环氧化物在弱酸条件下转化成醛、酮：OR(H3C)3SiRHH+/H2OR2CHCH=O由于存在硅基对碳正离子的稳定化作用，硅基环氧化物的开环反应很容易进行。这种方便的转化过程使乙烯基硅烷在多步合成中成为羰基的等价物。OCH3Si(CH3)3EtH3CHXH2O单键旋转CH3Si(CH3)3EtH3COHOHH3CEtOHCH3Si(CH3)3H2OXOHCH3H3CEt+(CH3)3SiXH2O+OCH3EtH3C反式消除环氧化物在强碱作用下消除质子开环是合成丙烯醇类化合物的有效方法：ORCH2CHCH2BaseRCHCHCH2OHOHDC(CH3)3例(Et)2NLiC(CH3)3HOH消去与环氧处于顺式的氢此反应需加入强碱以促进反应完成。通过氘标记实验证明，与环氧顺式的质子被移去。消除反应环状过渡态：OHLiNR2Li+与N,O配位产生顺式消除。消除开环的副反应为碱亲核进攻开环，可选用体积大的碱，以降低起亲核性。如：NAl(Et)2NMgBrCH二乙基铝2,2,6,6－四甲基六氢吡啶溴化N－环乙基－N－异丙胺基镁这两种大体积碱可使反应中亲核试剂进攻开环的副反应降到最低。ONAl(Et)2OH00C,3h90%环氧化物可被LiAlH4,LiBH(Et)3,Li/N