催化氢化反应课件.ppt

第十章 还原反应,有机化合物还原反应的含义早已明确，那就是在有机化合物的分子中除去氧，加上氢或者得到电子的反应。还原反应，内容丰富，范围广泛，几乎所有的复杂化合物的合成都涉及到还原反应。还原反应，一般来说，可分为催化氢化法和化学法两种，这两种方法各有优点，在许多还原反应中都能得到相同的结果。本章所讲的还原反应是指氢对不饱和基团如烯键、羰基或芳环等的加成反应，以及伴随有两原子间键断裂的加氢反应。在实际合成中，一个有机化合物分子存在只有一种不饱和基团，该不饱和化合物的还原并不困难，或者存在有其它不饱和基团，那么这个不饱和化合物的完全还原也并不十分困难，然而要求有选择性地还原某一个基团，这就需要在某一特定情况下来选择某种方法以达到合成之目的。,催化氢化反应是指还原剂氢等在催化剂的作用下对不饱和化合物的加成反应。它是有机化合物还原的诸多方法中最方便的方法之一。氢化反应的选择性是我们要讨论的重要内容。,10.1 催化氢化反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,多相催化氢化反应一般是指在不溶于反应体系中的固体催化剂的作用下，氢气还原在液相中的底物的反应。它主要包括碳碳、碳氧、碳氮等不饱和重键的加氢和某些单键发生的裂解反应。常用的多相催化氢化催化剂有：PtO2(Adams 催化剂)， 钯催化剂，铂催化剂，Raney Ni催化剂以及亚铬酸铜催化剂等。,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1. 催化加氢反应,1) 碳碳重键的加氢反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,1) 碳碳重键的加氢反应,烯烃化合物中，双键上取代基的数目不同，其被还原的速度不同，取代基数目越多，就越难被还原，因而产生了如下由易到难的反应大致活性顺序：RCH=CH2 RCH=CHR RRC=CH2 RRC=CHR R2C=CR2。在相同的条件下,以Pt-SiO2作催化剂,反应温度为20,在环状化合物中也有类似情况：,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,1) 碳碳重键的加氢反应,各类烃化物在第VIII族金属表面上的吸附能力有如下顺序：炔烃 双烯烃 烯烃 烷烃,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,1) 碳碳重键的加氢反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,1) 碳碳重键的加氢反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,1) 碳碳重键的加氢反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,1) 碳碳重键的加氢反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,1) 碳碳重键的加氢反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,2) 芳香环系的加氢反应,芳香族化合物也能进行催化氢化，转变成饱和的脂肪族环系。但它要比脂肪族化合物中的烯键氢化困难得多。,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,2) 芳香环系的加氢反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,3) 醛、酮的加氢反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,3) 醛、酮的加氢反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,1 催化加氢反应,4) 腈和硝基化合物的加氢反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,2 催化氢解反应,在催化氢化的反应条件下底物分子被还原裂解为两个或两个以上的小分子的反应称为催化氢解反应。,卤素在催化氢解反应中表现出如下稳定性次序：F Cl Br I,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,2 催化氢解反应,和杂原子如氧原子、氮原子、硫原子等相联接的苄基型化合物在铂或钯催化剂的作用下容易发生氢解，其一般式为：,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,2 催化氢解反应,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,3 催化转移氢化反应,催化转移氢化反应也可用于选择性还原反应。该反应所用的催化剂多是钯黑、钯碳、瑞尼镍、三氯化铁等。还原剂通常称为氢的给予体（doner）。如环己烯、环己醇等有机物，还可以是肼。它能选择性还原碳碳重键，硝基，断裂碳卤键等，而对羰基和腈基不起作用。,10.1 催化氢化反应,10.1.1 多相催化氢化反应,3 催化转移氢化反应,还能氢解苄醇类化合物：,其中R和R可以是芳基、烷基或氢， 收率为74%94%。,10.1 催化氢化反应,10.1.2 均相催化氢化反应,多相催化氢化反应中所用的催化剂尽管很有用，但仍有以下缺点：它们可能引起双键移位；而双键移位常常使氘化反应生成含有两个以上位置不确定的氘代原子化合物；一些官能团容易发生氢解，使产物复杂化等。而均相催化氢化反应能够克服上述一些缺点。 均相催化氢化反应的催化剂都是第八族元素的金属络合物，它们带有多种多样的有机配体。这些配体能促进络合物在有机溶剂中的溶解度，使反应体系成为均相，从而提高了催化效率。使得反应可以在较低温度、较低氢气压力下进行，并具有很高的选择性。,10.1 催化氢化反应,10.1.2 均相催化氢化反应,催化特点是选择氢化碳碳双键和碳碳叁键，对于羰基、氰基、硝基、氯、叠氮等官能团都不发生还原。单取代和双取代的双键比三取代或四取代的双键还原快得多，因而含有不同类型的双键的化合物可以部分氢化。,在均相催化反应中氢是以顺式对双键加成的,10.1 催化氢化反应,10.1.2 均相催化氢化反应,不发生氢解反应。因此，烯键可以选择性地氢化，而分子中其它敏感基团并不发生氢解,三-（三苯基磷）氯化铑能使醛脱去羰基，因而含有醛基的烯烃化合物在通常的条件下，不能用这种催化剂进行氢化。这是因为三-（三苯基磷）氯化铑对一氧化碳具有很强的亲和性的缘故 .,10.1 催化氢化反应,10.1.2 均相催化氢化反应,10.2 溶解金属还原反应,溶解金属进行还原反应是电子对不饱和官能团加成引起的反应。作用物从电子转移试剂得到电子后再从质子源得到质子而被还原。溶解金属进行还原主要涉及以下类型的化合物:,芳环的还原,醛、酮羰基的还原,碳碳重键的还原,羧酸酯的还原,还原裂解,10.2 溶解金属还原反应,10.2.1 芳环的还原,碱金属锂、钠或钾与液氨组成的还原体系，能够转变芳环为不饱和脂环(Birch A. J.还原法),10.2 溶解金属还原反应,10.2.1 芳环的还原,吸电子基团质子化后生成1-取代-1，4-二氢化合物，给电子基团生成1-取代-2，5-二氢化合物。,10.2 溶解金属还原反应,10.2.1 芳环的还原,10.2 溶解金属还原反应,10.2.2 醛、酮羰基的还原,汞齐类（Na-Hg, Zn-Hg等）试剂是一类重要的还原试剂，可以在惰性或在水(酸)介质中使用，把碳氧双键还原成亚甲基或生成醇。所用的酸仅限于氯化氢,10.2 溶解金属还原反应,10.2.2 醛、酮羰基的还原,金属镁、镁汞齐在非质子溶剂中具有类似的还原作用,10.2 溶解金属还原反应,10.2.2 醛、酮羰基的还原,10.2 溶解金属还原反应,10.2.3 碳碳重键的还原,采用碱金属胺或碱金属氨体系还原非末端炔烃得到纯度和收率都很高的反式烯烃,10.2 溶解金属还原反应,10.2.3 碳碳重键的还原,10.2 溶解金属还原反应,10.2.3 碳碳重键的还原,当碳碳叁键与吸电子基团相邻存在时，用锌粉可以高选择性地还原炔键成烯键，与传统的Lindar催化剂催化氢化不同的是，利用金属锌或锌合金和质子溶剂还原炔烃，锌提供电子，溶剂提供质子，可以高选择性顺式加成生成烯烃，而且还可以防止过度还原。炔醇类的化合物对锌粉还原，活性非常高，在乙醇溶液中回流，可以获得95以上的转化率。White等利用Rieke Zn试剂，还原共轭烯炔成共轭的二烯，还原二炔为烯炔和二烯烃，其反应条件非常温和：温度为65，反应时间1060min,10.2 溶解金属还原反应,10.2.3 碳碳重键的还原,10.2 溶解金属还原反应,10.2.4 羧酸酯的还原,10.2 溶解金属还原反应,10.2.4 羧酸酯的还原,10.2 溶解金属还原反应,10.2.5 还原裂解,金属胺还原剂和其它溶解金属还原体系能进行多种还原裂解反应，其中有些对有机合成是很有用的。尤其是用碱金属-液氨进行的反应，已广泛地用于结构研究，还原除去保护氨基、亚胺基、羟基和巯基的不饱和官能团，在肽和核苷酸的合成中具有特殊的价值。 还原裂解反应大多数是通过金属上的两个电子直接对将断裂的双键加成来进行的。生成的负离子可能被反应介质中的酸质子化，也可能存在到反应的结束。有时，可能希望裂解产物以负离子的形式存在，以防止它进一步还原。当负离子被共振作用或电负性强的原子稳定时，将有利于反应进行。因此，两个杂原子之间的键或杂原子与对负电荷有共振稳定作用的不饱和体系之间的键特别容易发生裂解。苄基、对甲苯磺酰基和苄氧羰基都容易被氢取代。胱氨酰基肽被裂解成为半胱氨酰衍生物。,10.2 溶解金属还原反应,10.2.5 还原裂解,10.2 溶解金属还原反应,10.2.5 还原裂解,10.3 氢化物转移试剂还原,氢化物转移试剂还原是负氢离子转移还原，由负氢离子转移导致的还原反应在有机合成中非常有用。这类试剂中最有用的是异丙醇铝和各种氢化物的还原剂。,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.1 异丙醇铝转移试剂还原,异丙醇铝能使羰基化合物还原成醇，这叫Meerwein-Pondorff-Verley反应。是个可逆反应。通过反应可使醛转化为伯醇，酮转化为仲醇，通常产率都很高。,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.2 金属氢化物转移试剂还原,这两种复合氢化物的负离子是亲核试剂，它们通常进攻C=O或CN极性重键，然后把负离子转移到正电性较强的原子上。一般情况它们不还原孤立的C=C或CC键。,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.2 金属氢化物转移试剂还原,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.2 金属氢化物转移试剂还原,NaBH4与水或大多数醇在室温下进行缓慢反应，因此，这种试剂可以在醇液中进行。NaBH4的活性低于LiAlH4,所以它的选择性高于LiAlH4, 在室温下很易还原醛和酮，但一般它不与酯或酰胺作用，用这种试剂能在多数官能团存在下选择性的还原醛和酮。,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.2 金属氢化物转移试剂还原,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.2 金属氢化物转移试剂还原,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.2 金属氢化物转移试剂还原,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.2 金属氢化物转移试剂还原,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.3 固载硼氢还原剂,1固载硼氢还原剂的制备,Gibson和Bailey应用季铵盐氯型离子交换树脂与NaBH4溶液交换，制备了硼氢阴离子交换树脂，简称BER。我国学者陈家威等将季铵盐氯型树脂用NaOH溶液浸泡交换成羟基型树脂，过滤，洗涤，不经烘干直接与KBH4溶液交换制得BER，不仅提高了树脂容量，而且用价廉易得的国产KBH4代替价高进口的NaBH4，降低了成本。,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.3 固载硼氢还原剂,2还原反应,1) 烯烃双键的还原,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.3 固载硼氢还原剂,2还原反应,2)还原脱卤,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.3 固载硼氢还原剂,2还原反应,3)羰基化合物的还原,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.3 固载硼氢还原剂,2还原反应,4)羧酸及其衍生物的还原,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.3 固载硼氢还原剂,2还原反应,5)含氮化合物的还原,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.4 硼烷和二烷基硼烷,10.3 氢化物转移试剂还原,10.3.4 硼烷和二烷基硼烷,10.4 其它还原试剂,10.4.1 Wolff-Kishner还原法,Wolff-Kishner还原法是将许多醛和酮的羰基还原为甲基或亚甲基的极好方法。该方法是将羰基化合物、水合肼和氢氧化钠或氢氧化钾的混合物，在高沸点的溶剂中，于180200下加热几个小时即可。,10.4 其它还原试剂,10.4.2 二酰亚胺还原法,10.4 其它还原试剂,10.4.3 烷基氢化锡还原法,各种溴化物的反应活性次序为：叔烷基 仲烷基 伯烷基。烯丙基卤化物或苄基卤化物的反应特别容易进行。,10.4 其它还原试剂,10.4.3 烷基氢化锡还原法,10.4 其它还原试剂,10.4.3 烷基氢化锡还原法,