第九章 氧化反应

第九章氧化反应1、氧化反应的定义从广义上讲，是指使反应物分子失去电子或使其中心原子上的电子云密度降低的反应；从狭义上讲，是指在反应物分子中引入氧原子，或脱去氢原子，或两者兼而有之的反应。2、氧化反应的作用（1）转换化合物的官能团以适合合成方面和使用方面的需要；（2）将化学活性不大的化合物转化为化学活性较大的化合物(如醇、醛、酮、羧酸和酯等)；（3）使环状化合物环破裂，碳链缩短或增长，芳构化或去芳化等；3、常用的氧化方法（1）在催化剂存在下用空气进行的催化氧化；（2）化学氧化剂氧化；（3）电解氧化；（4）生化氧化(微生物、酶)等类型。化学氧化剂常有三种类型：氧、臭氧及过氧化氢；过渡金属衍生物；其他氧化剂。9.1烯键的氧化9.1.1环氧化反应在惰性溶剂（如氯仿、二氯甲烷、乙醚、苯），烯烃与过氧酸（如过氧苯甲酸、间氯过氧苯甲酸、过氧三氟乙酸、过氧乙酸）反应得到环氧化物的反应称为环氧化反应。1、反应历程CCOHOOCROCCRCOOH2、特点（1）烯烃上带有供电子烷基取代基时，反应活性增加；过氧酸上带有吸电子取代基时，它的反应活性则远比烷基过氧酸活泼。a、过氧酸的氧化性顺序：过氧三氟乙酸间氯过氧苯甲酸过氧苯甲酸过氧乙酸b、如果两个不同的烯键存在于同一分子中，电子云密度较高的烯键容易环氧化；c、当烯键与羰基共轭或连有其他强吸电子基团时，它的活性很低，只有用很强的氧化性过氧酸如三氟过氧乙酸时，才能把它成功地环氧化。（2）反应具有立体选择性。a、过氧酸通常优先作用于空间障碍小的一边，并得到顺式产物；b、如空间情况差别不大，则得到两产物的混合物。CCPhHPhHCH3CO3H30~35℃OPhHPhHPhCO3HCHCl3OHHOHH94%6%CH2m-Cl-C6H4-CO3HOO69%31%（3）分子内具有烯丙醇基时，加成是在羟基的同一边发生；（4）环氧化合物是精细有机合成中的重要中间体，它在酸或碱存在下，可以水解成反式邻位二醇或其衍生物。OHPhCO3HOHOOHO91%9%CH2OHPhCO3HOCH2OH3、环氧化合物在合成中的应用（1）还原成醇（2）制烯丙基醇在强碱试剂像二烷基胺的锂盐作用，环氧化合物协同发生α-质子的除去和开环，从而形成烯丙醇。立体化学研究表明与环氧成顺式的质子选择性地离去。OLiAlH4OHC(CH3)3HDOC(CH3)3HHOLiN(Et)2（3）用路易斯酸处理转变成羰基化合物（4）用二甲亚砜处理得α-羟基酮（5）用其它亲核试剂打开环氧环，生成对原来双键的反式产物。CH2CHORBF3CHCHORBF3HRCH2CHOBF3-BF3RCH2CHOOCHHCRR'OS(CH3)2RCHOCR'OHS(CH3)2RCHOHCOR'CH3SCH39.1.2烯烃经过氧化生成顺式邻二醇烯烃经环氧化水解得到的邻二醇为反式构型，由烯烃直接转变成顺式邻二醇有三种方法：（1）KMnO4氧化在温和的条件下，高锰酸钾能转变成为邻二醇，产率良好。然而这个氧化剂能进一步氧化二醇为酮醇或断裂烯键形成羧酸，因而必须严格严格控制反应条件。当反应体系的PH值保持在12以上，在低温下，生成的产物为顺式二醇。CCRHHRMnO4-CCROHORHMnOOCCHROHRHOHH2O,OH-（2）四氧化锇烯烃加到OsO4的乙醚溶液中，迅速反应得到环状的锇酸酯（沉淀），该反应常用吡啶催化，生成的酯随后用Na2SO3水溶液水解，得到顺式邻二醇。OsO4作为烯烃的氧化剂，最大优点是选择性很强，能避免KMnO4氧化过头，而且使用十分方便。但是它的最大缺点是毒性大、价格昂贵，以致只能少量使用在十分必要的烯烃氧化上。CCCCOOOsOOCCOHOHNa2SO3,H2OOsOOOO（3）I2-AgOAc-H2O氧化CCI2-I-CCIH3CCO-OCCIH3CCOOAgCCH3CCOOH2O-H+CCH3CCOOHOH+CCH3CCOHOHO-H+CCH3CCOOHOCCHOHO9.1.3双键的断裂氧化（1）臭氧化反应A、还原操作B、氧化操作NCH3OCH21.O32.CH3SCH3NCH3OOOOO1.O32.HCOOH,H2O2COOHCOOHHOOCHOOC（2）Lemieux试剂臭氧化的缺陷是臭氧难处理，更主要的是缺少选择性。Lemieux试剂是由稀的高碘酸钠和催化量的高锰酸钾或四氧化锇所组成。反应为烯烃首先被高锰酸钾或四氧化锇氧化为顺式的邻二醇，随后邻二醇被高碘酸断裂成醛酮，若生成醛则被高锰酸钾氧化成羧酸，而低价的锇或锰则被高碘酸氧化成高价状态，因此对于高锰酸钾或四氧化锇只要催化量，该反应对烯烃选择性好，反应条件温和，在室温时，即能迅速进行。9.1.4烯烃的烯丙基氧化反应烯烃用氧化铬氧化，则双键断裂与烯丙基的C-H键氧化竞争。使用部分水溶液介质有利于碳碳双键的断裂，而非水介质如冰醋酸、二氯甲烷则有利于烯丙基的氧化。CrO3OCO2HCO2HCrO2－PyOCH2Cl29.2芳烃及其衍生物的氧化9.2.1芳烃的氧化（1）催化氧化芳环的氧化，需要激烈的反应条件。（2）用KMnO4，H2CrO4氧化对于有侧链的芳烃，用三氧化铬或高锰酸钾作氧化剂时，则侧链被降解，生成苯甲酸。O2,V2O5500℃OOOCH3CH2CH2CH3KMnO4OH-COOHCOOHCH3CH3K2Cr2O7AcOHOOCH3CH3对于稠环芳烃，用铬酸氧化时，一般是芳核氧化成醌。侧链如果是甲基或叔丁基可保持不变。NNKMnO4,OH-100℃NNCOOHCOOH（3）用醋铬混合酐氧化这一氧化剂主要用在氧化具有甲基侧链的芳烃成为芳醛。（4）Etard反应铬酰氯的二硫化碳，四氯化碳或二氯甲烷溶液和甲基芳烃作用，生成复合物沉淀，复合物遇水（最好是用亚硫酸氢钠水溶液或是锌粉和水）分解，甲基就转变为醛基。CH3NO2CrO2(OAc)2Ac2O,H2SO4CH(OAc)2NO2H2SO4,H2O100℃CHONO2CH3BrCrO2Cl2CHOBrCCl4复合物水解9.2.2酚和芳胺的氧化酚和芳胺在高锰酸盐氧化下，芳环被破坏情况复杂，在合成上无价值。铬酸对于酚和芳胺的氧化，不像高锰酸钾那样剧烈。芳环不被破坏，产物是醌，当两个羟基，两个氨基，或一个羟基，一个氨基处在邻位或对位时，很容易被氧化成邻醌或对醌，产率很高。只有个一羟基或氨基，也可以被氧化成醌，甚至有时对位原有基团也可以在成醌时除去。NH2OHNa2Cr2O7,H2SO4H2OOOOHOEtOEtK2Cr2O7H2SO4OOOEt9.3醇的氧化9.3.1醇的氧化第一醇氧化生成醛后，可以进一步氧化生成羧酸。第二醇氧化成酮，酮在剧烈的氧化条件可以在羰基处发生键的断裂生成羧酸。1、铬酸作氧化剂（1）饱和醇常用重铬酸钾和硫酸，不饱和醇常用铬酐和醋酸；（2）三氧化铬与吡啶生成的铬酐吡啶复合物适用于氧化具有双键以及对酸敏感基团（如环氧基、缩醛基）的氧化。2、二氧化锰作氧化剂特别适用于氧化烯丙式的醇。（3）二甲亚砜衍生物的氧化剂A、二甲亚砜是一种非质子化的极性溶剂，又是一种很有价值的缓和型选择性氧化刑，特别是在糖类、核酸、植物碱等方面的研究和合成方面用得较多。B、在磷酸或吡啶三氟乙酸盐作为质子源的情况下，使用二环己基碳二亚胺(DCC)和二甲亚矾(DMSO)进行反应。该反应条件温和，且有时可得到高产率。这方法用于甾体、生物碱和糖类化合物中许多敏感化合物的氧化。例如甘露糖醇衍生物中羟基能顺利地氧化为酮。CH2OHH3CH3CCH3MnO2/C6H140.5h,0℃CHOH3CH3CCH394%（4）Oppenauer氧化在丙酮中，以烷氧基铝进行Oppenauer氧化，广泛应用于甾体等反应中将仲醇氧化为酮。常用的烷氧基铝为异丙醇铝或异丁醇铝。其中丙酮为氢受体，常加入过量丙酮使反应平衡向右移动。除丙酮外，还使用苯醌、菲醌、环己酮等作为氢受体。为了提高反应温度，可加入苯或甲苯做共溶剂。Oppenauer氧化法特别适合于带有烯键或酚羟基的醇类。OMeSOOHOOODMSO,DCCH3PO4OMeSOOOOO74%9.3.2α-二醇的氧化最常用于邻二醇氧化开裂的试剂是四乙酸铅和高碘酸负离子。1、四乙酸铅[Pb(OAc)4]（1）四乙酸铅遇水和醇分解，可溶于冰醋酸、苯、氯仿、二氯甲烷。（2）四乙酸铅只对邻二醇及其某些衍生物发生氧化断裂反应，对于1,3-，1,4-等二醇不容易起反应。CHCH2CH2OOHOHPO3H2CHCH2CH2OHOOHPO3H2Pb(OAc)4Pb(OAc)4CHOCH2OPO3H2CO2H2O（3）四乙酸铅对邻二醇的反应是氧化它成为两个羰基化合物，碳链从中断裂。反应条件温和、速度快、产率高。CCOHOHR1R4R3R2Pb(OAc)4R2CR1OR3CR4OHCHCOHOHCOOBuCOOBuPb(OAc)42CHOCOOBu（4）除α-二醇外，四乙酸铅还能使α-羟基酸、α-酮酸、α-氨基酸、α-氨基醇、α-羟基酮、α-二酮等发生氧化断裂。2、高碘酸及其盐（1）高碘酸及其盐可溶于水，因而可以在水溶液中进行氧化，对糖类合适.（2）除α-二醇、α-氨基醇外，羰基的α-位含有羟基、氨基的化合物以及α-二羰基化合物均可被过碘酸氧化发生断裂反应。HCCRR'OHOHIO4CORCOOHR'9.4醛酮的氧化9.4.1醛的氧化醛可以被氧化剂氧化成同碳原子的羧酸。9.4.2酮的氧化在剧烈的条件下，可用高价的锰、铬、硝酸等强氧化剂氧化，碳链发生断裂，生成羧酸。K2Cr2O7,H2SO4OHOOC(CH2)4COOHCCH3H3COK2Cr2O7,H2SO4CH3COOH+CO2不对称酮进行氧化时，有两种酯生成的可能，产物的结构究竟以哪种为主，决定于碳基两边不同烃基迁移的难易。烃基迁移的顺序为：芳基＞叔烃基＞苄基＞苯基＞仲烃基＞伯烃基＞环丙基＞甲基。1、用过氧酸氧化酮虽然对许多氧化剂是稳定的，但它可以在酸催化下被过氧酸顺利氧化成酯或类酯。反应历程如下：COOHF3COCC6H5H3COHCC6H5H3COHOHOCOF3CCC6H5H3COHOOHCOF3CCOH3COC6H5-H+2、用二氧化硒氧化SeO2是一种选择性氧化剂，被广泛地用于氧化酮和醛至α-二羰基化合物。当羰基与亚甲基相连时，氧化产率很高。不对称酮，氧化发生在最易烯醇化的那个CH2上。COCH3CF3CO3HOCOCH3OC6H5CO3HCHCl3,25℃OCOCOCF3CO3HOCO3、-CH2-CO-R体系通过肟氧化成α-二羰基化合物被羰基活化的亚甲基，用有机亚硝酸酯在酸或碱存在下，进行反应，产生亚硝基化合物，互变构成肟，他可以被水解成α-二羰基化合物。OSeO2OOSeO2CCH2H3COCCH3OCCH3COCCH3OOCCH2ORONOH+或OH-CCHONOCCONOH水解CCOO