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1、第十章 还原反应,还原，氧化反应的逆过程，降低官能团氧化度的方法,1,章节内容,还原反应概述,还原反应就是有机分子中除去氧或得到氢的反应，现在将得到电子的反应通称为还原反应 还原反应一般分为两类，催化加氢和化学法还原，两类反应在很多情况下可得相同产物 还原反应的困难在于选择性还原特定基团 本章主要介绍对不饱和键的还原，如碳碳双键、羰基等,2,章节内容,10.1 催化加氢,催化加氢是指在催化剂（均相或非均相）存在下对底物进行的加氢反应 这是还原反应中最为简便的方法之一 选择合适的催化剂是实现选择性加氢的关键 催化剂选择的特点： 越活泼选择性越差，具有选择性的催化剂活性都较低 催化活性受负载物等外
2、部条件影响 催化加氢的关键是了解各催化剂的使用范围,3,章节内容,10.1.1 异相催化氢化,一、常见的催化剂： Raney Ni： 用NaOH溶去镍铝合金中的Al ，洗涤后的残余物为Raney Ni催化剂，主要含Ni、Al(18%）及少量NiO和Al2O3水合物。类似海绵状的微粒，总表面积为50130 m2/g。 Lindlar Pd： 将单质钯负载于CaCO3上，然后使用醋酸铅毒化，或者使用BaSO4为负载物，使用喹啉毒化处理,4,章节内容,催化剂的还原,同样的钯催化剂，活性炭负载时催化活性高，硫酸钡负载时活性低；一般而言，同一催化剂的表面积越大，活性越高 二、金属催化剂的催化机理 一般认
3、为：金属催化剂的催化是通过同时吸附氢气和不饱和键，生成的活泼氢原子从同侧进攻削弱的不饱和键，因此加氢是顺式的，且从位阻较小的方向进攻为主,5,章节内容,三、各官能团的还原： 碳碳重键可通过选择催化剂分别得到烷或烯 羰基一般还原为醇，用单质钯催化则能得烃 同时存在双键和羰基时，需选择特殊催化剂以还原特定基团，如钯还原双键，锇则还原羰基 通过控制条件可以使, -不饱和酮变为饱和酮 硝基或腈等含氮官能团可以在不同催化剂条件下得到氨基,6,章节内容,各官能团的还原,烯烃催化还原的特点为： 取代基越多，越难加氢，其稳定性如下： 反式比顺式烯烃稳定，乙炔加氢活性高于乙烯 钯和铑（Pd, Rh）最常用，优先
4、还原碳碳双键,R2C=CR2 R2C=CHR R2C=CH2 RCH=CH2 CH2=CH2,7,章节内容,炔烃的催化还原： Pd、Pt、Raney Ni等催化剂都还原得到烷烃 Lindlar Pd等催化剂可还原三键为顺式烯烃，不还原羰基,8,章节内容,羰基的催化还原： 不同催化剂得到不同的产物： 羰基和双键的选择性还原需注意条件：,9,章节内容,二、催化氢解 底物分子催化下加氢变为两个或更多分子的还原过程。 常用于被保护基团的去保护，如苄酯、苄醚等的苄基可以被Pd-C催化加氢而除去，从而用于羟基的保护去保护方案 常用的催化氢解催化剂： PdC和Raney Ni最常使用 卤代烃可以通过催化氢解
5、除去，活性为IBrClF,10,章节内容,举例：,11,章节内容,10.1.2 均相催化氢化,均相催化氢化： 使用可溶性的催化剂（铑、钌、铱等的磷配位络合物，如RhCl2(PPh3)3），使催化剂和底物在同一相中进行还原反应 反应可以在较低温度和较低压力下进行 均相催化的好处： 避免烯烃异构化和氢解等副反应 还原的选择性高 利用手性配体催化剂，可以实现手性还原,12,章节内容,一、均相催化机理： 氢分子被吸附在金属中心上并加成到底物上 与非均相催化不同，金属中心是络合物而非单质,均相催化氢化的机理,均相催化四步循环：加氢、吸附、加成和脱离,13,章节内容,RhCl2(PPh3)3的应用：,选择
6、性还原端烯,避免氢解反应,14,章节内容,10.2 溶解金属还原,溶解金属还原： 将活泼金属（如锂、钠、钾等）加到质子性溶剂（如乙醇、乙酸）中进行还原的方法称作溶解金属还原，该方法具有良好的化学选择性及立体选择性 反应本质是电子对不饱和键的加成 反应涉及的方面主要包括芳环、羰基、碳碳重键的还原 目前的研究中，大部分此类反应已经可以被其他方法代替，但仍具有重要意义,15,章节内容,一、溶解金属还原的原理： 金属溶解于质子性溶剂而将电子直接转移到底物，随后底物从溶剂中获得质子完成还原 常用的金属有锂、钠、镁、锌、铁等，溶剂有醇、乙酸、液氨、浓盐酸等 反应的原理决定加氢是分步的，故必为反式,16,章
7、节内容,二、芳环的还原Birch （伯奇）还原： 碱金属液氨体系可以还原苯环为1，4二烯烃，称为Birch还原 该还原的重要之处在于苯甲醚及苯胺类化合物还原后水解可得环己烯酮衍生物 使用金属钙代替碱金属可以得到相同的还原产物，其安全性和操作性更好,17,章节内容,伯奇还原生成环己二烯，双键以供电子基团为取代基：,18,章节内容,三、醛酮的还原 溶解金属法还原酮具有良好的立体选择性，产物以热力学稳定异构体为主 立体选择性源于反应中间体：负离子自由基的存在，随后中间体得质子形成产物，该过程是热力学控制条件,负离子自由基,19,章节内容,Clemmensen还原： 锌汞齐浓盐酸还原醛/酮成为亚甲基的
8、反应称为Clemmensen还原，是重要的还原反应,20,章节内容,Clemmensen还原的缺陷： 强酸性条件，底物含对酸敏感基团时不能使用 Clemmensen还原的改进： 锌粉氯化氢气体加非质子性溶剂（乙醚或乙酐）是温和的还原体系，可使部分对酸敏感基团在还原时保持稳定 Wolff-Kishiner-黄鸣龙还原: 碱性下的还原方法，是Clemmensen还原的替代方案 通常采用KOH二甘醇水合肼体系加热回流,21,章节内容,苄基的裂解： 溶解金属还原可以将苄基醚和苄基胺通过还原裂解的方式还原为甲苯类化合物和相应的醇或胺 苄基醚的直接还原较为容易，而苄胺的直接还原则较困难，解决的方法是将苄胺
9、先变为季铵盐，还原就可以顺利进行，该反应也称为Emde（埃姆德）降解反应 霍夫曼降解： 酰胺与次卤酸钠的碱溶液作用生成少一个碳的伯胺，羰基被消除生成碳酸盐，也称霍夫曼重排,22,章节内容,炔烃的溶解金属还原： 非末端炔烃还可通过溶解金属法（Na-NH3(L)）还原。反应主要生成反式构型烯烃，与催化氢化产物相反 反应历程： 反应时炔烃首先得到电子生成负离子自由基，随后从溶剂中得到一个质子为双键中间体，该中间体反式稳定 中间体再重复得电子加氢生成烯烃 反应注意： 末端炔烃可与金属形成金属炔化物（炔氢酸性），阻止了还原的进行，所以末端炔烃不能用此法还原,23,章节内容,能用溶解金属法还原的其他基团：
10、 酯基可以被还原为醇，但位阻大的酯不能反应，还原体系为锂或钠混于液氨-乙醚中 邻二卤代物可以通过此法还原得到烯烃，金属需使用锌或镁 环氧化合物和环丙基可以通过此类方法开环，得到醇或烃 氯化物可以通过此类方法脱卤还原得到烃类，但要防止Wurtz偶联的影响,24,章节内容,10.3 负氢转移还原,负氢是由金属氢化物等负氢转移试剂提供的，反应中负氢作为亲核体进攻被还原底物从而达到还原目的 负氢转移试剂按照分子结构包括两类：硼氢化钠为代表的硼氢化物和四氢铝锂为代表的铝氢化物；按照转移试剂的进攻方式可以分为亲核性和亲电性负氢转移试剂 典型还原剂的制备： 硼氢化钠：氢化钠+硼酸三甲酯 四氢铝锂：氢化锂+无
11、水三氯化铝,25,章节内容,10.3.1 LiAlH4与NaBH4,还原举例,26,章节内容,反应机理：亲核加成水解,LiAlH4的反应机理与硼氢化钠相同，也是亲核加成后水解,27,章节内容,四氢铝锂与硼氢化钠还原总结 ： 相同点： 都是合成中常见的负氢来源还原剂，都能还原碳氧及碳氮双键，都不还原碳碳双键 对羰基的还原机理均为对羰基的亲核加成。它们对亚胺基团的还原也是相似的机理，这些还原都是不可逆反应 不同点： 四氢铝锂亲核性更强，活性更高，能够还原各种羰基为醇 硼氢化钠的选择性更高，只能还原醛、酮、酰卤和含强吸电子基的酯基，同时其反应条件要求较低，储存方便，可以在质子性溶剂中反应，因此应用也
12、很广泛,28,章节内容,10.3.2 其他负氢提供者：,烃氧基铝氢化物： 四氢铝锂反应选择性差，硼氢化钠反应活性低，而烃氧基铝氢化物活性介于两者之间 制备： 四氢铝锂与三倍量的醇反应可得三烃氧基氢化铝锂 烃氧基的不同可使其具有不同的还原能力 红铝溶液： 红铝（Red-Al）：双（甲氧乙氧基）铝氢化钠，结构类似于烃氧基铝氢化物，但多一个氢,29,章节内容,红铝制备： 将钠及铝在氢气下加压即可得到红铝： 市售的红铝溶液为重量比70%的双（甲氧乙氧基）铝氢化钠的甲苯溶液,烃氧基铝氢化合物,双（甲氧乙氧基）铝氢化钠,30,章节内容,红铝的反应特点： 其甲苯溶液还原能力介于NaBH4和LiAlH4之间，
13、大多数情况下红铝溶液可替代氢化铝锂。而且红铝本身为70%溶液，避免了异相反应的问题 对于腈类，使用红铝溶液可以选择性还原芳香腈类而不还原脂肪腈类 为什么红铝应用广泛？ 四氢铝锂反应活性高，但本身的储存要求较高，保管不利容易引发火灾，大规模使用时的储存成本高,31,章节内容,醇铝： 醇铝（如异丙醇铝）能还原羰基化合物为醇，被称为Meerwein-Pondorff-Verley（MPV）反应，是高产率的可逆反应 反应具有良好的选择性，只还原羰基而不影响双键及其他不饱和基团 反应是通过六元过渡态将负氢转移到羰基上的,32,章节内容,硼烷： 硼烷是强路易斯酸，能与富电子的双键结合，因此可还原醛酮、羧酸
14、衍生物等，也能与碳碳双键加成得到有机硼化合物 与硼氢化钠不同，硼烷进攻双键属于亲电加成，因此带吸电子基团的醛酮较难反应，如： 三氯乙醛的还原，硼烷还原较硼氢化钠还原困难 叔丁基乙醛（新戊醛）则硼烷容易反应,33,章节内容,硼烷应用： 硼烷还原主要用于羧酸的选择性还原，活性强于硼氢化钠弱于四氢铝锂 在合适条件下，含卤素、腈、酯、酮等基团的羧酸可以被还原为醇，而这些基团保持不变 立体效应使大位阻的硼烷还原选择性更高,34,章节内容,其他还原剂： 氢化铝： 与乙硼烷相似。也是通过亲电反应还原醛酮、羧酸衍生物等 四氢铝锂与三氯化铝反应制备，合成中的主要应用是选择性还原,-不饱和羰基化合物的羰基生成烯丙
15、醇类结构 烃基铝氢化物： 类似于烃基硼烷，常用二异丁基氢化铝，主要用于还原酯，内酯和腈类成为醇,35,章节内容,10.4 其他的还原剂,烷基硅烷： 烷基硅烷中含有Si-H结构，可以对不饱和键进行加成，从而还原双键为烃 在过渡金属催化剂存在下，反应速度加快 肼及水合肼： 醛酮与肼反应通过转化为肟，进而还原为甲基或亚甲基的反应称为Wolff-Kishiner-黄鸣龙反应，是碱性条件下还原醛酮的重要反应 最初是Wolff-Kishiner使用的无水肼反应，而后黄鸣龙改进使用普通肼并降低温度，从而使得反应得到了广泛应用,36,章节内容,其他还原试剂,黄鸣龙还原的改进是在DMSO中使用叔丁醇钾为碱，反应
16、可以在室温下进行 偶氨： 偶氨不是单独存在的试剂，是肼被氧化的产物。使用时需要现场制备，属于反应活性中间体 偶氨通过六元环状过渡态还原对称的不饱和键，而不还原极性大的不饱和键，对共轭双键和孤立双键，只还原孤立双键 偶氮碳酸钾、对甲苯磺酰肼等可以作为偶氮的提供源 其他的无机还原剂，如SnCl2（重氮变肼）,37,章节内容,还原总结,还原主要是得氢的反应，主要有三类方法：催化还原，溶解金属还原和负氢还原 催化还原中，不同催化剂对产物的影响 溶解金属中的Clemmensen还原及Birch还原 肼的使用及Wolff-Kishiner-黄鸣龙还原的应用 最重要的负氢还原剂：LiAlH4与NaBH4,38,章节内容,