第六章 还原反应
主讲人：苏为科
第六章 还原反应
第一节. 金属氢化物还原剂---------------第二节. 溶解金属还原------------------------------第三节. 催化加氢------------------------------------第四节. 选择性还原--------------------------------第五节. 其它还原反应…………………………
第一节
金属氢化物还原剂
LiAlH4, NaBH4 O [H] pentan-2-one RCHO [H] RCH2OH pentan-2-ol OH
选择性还原剂
1. 1. 以四氢铝锂为还原剂
O LiAlH4 OH
cyclohex-3-enone
cyclohex-3-enol
1.2. 以硼氢化钠为还原剂
1.2.1 羰基化合物还原为醇
O (E)-pent-3-enal
NaBH4 HO (E)-pent-3-en-1-ol
例题: Luche还原 烯酮在NaBH4-CeCl3下发生1,2-还原:
O NaBH4 CeCl3 cyclopent-2-enone
OH
cyclopent-2-enol
NaBH4 + CeCl3
HCeCl2
反 应 机 理
Cl O
Ce Cl
O CeCl2
H
1,2-氢加成
OH HCl + CeCl3
1.2.2 羰基化合物还原为亚甲基: Gribble 二芳基酮的还原 用NaBH4在三氟乙酸中还原二芳酮和二芳基甲醇为二芳基 甲烷,也可用于还原二杂芳酮和二杂芳基甲醇.
O Ar1 Ar2
NaBH4 CF3COOH Ar1
OH Ar2 Ar1 Ar2
NaBH4 + 3 CF3COOH
Na CF3COO B H + 3 H CF3COO
CF3COO
反 应 机 理
O Ar1
H Ar2 Ar1 CF3COO CF3COO B CF3COO
OH Ar2 H Ar1
OH Ar2
CF3COO + CF3COO B CF3COO
H Ar1
OH Ar2 Ar1 CF3COO CF3COO
OH2 Ar2 H Ar1 H2O Ar2 +
CF3COO CF3COO B CF3COO
CF3COO B
1.3. 以氰硼氢化钠为还原剂: Gribble 吲哚还原
用氰硼氢化钠在冰醋酸中还原吲哚双键; 而用硼氢化钠为还原剂,则可导 致还原和N-甲基化反应.
N H
NaBH3CN CH3COOH
N H
+ BH2CN + CH3COONa
反 应 机 理
O HO N H N H
Na H BH2CN
O O
+ BH2CN + CH3COONa N H
第二节. 溶解金属还原
金属与供质子剂为还原剂 2. 1、酮的还原
O R R Na, EtOH R R HO R R OH R R OH
O R
1. Na, Et2O R 2. H +
例题1. Clemmensen 还原 用锌汞齐和氯化氢将醛和酮还原为相应的亚甲基化合物.
O R1 R2
Zn(Hg) HCl R1 R2
O
Zn(Hg), HCl R2
单电子转移
H
OZnCl R1
.
e
H
OZnCl R1
H
反 应 机 理
R1
R2
R2
自由基负离子 H
OZnCl
SN2
H
R1
Cl e
H
R2
e
R1
Cl
R2
R1 . R2
H
R1
R2
2.2、酯的还原
O R O O Na, EtOH HO propan-1-ol + OH methanol methyl propionate O R1 Na, EtOH RCH2OH + R1 OH
例题1. Bouveault-Blanc 还原 酯在醇溶液中用钠还原为相应的醇
O R
Na OEt EtOH R
OH
+
EtOH
O
反 应 机 理
R
OEt
Na, 单电子转移 OH R
EtO H O. OEt R 自由基负离子 O R H e R H OEt
-
OH . R OEt OEt R OH H H OEt R O H OH
e
OEt H OEt H OEt H
e R
O.
OH . R H
2.3、-NO2, -NO, =N-OH的还原
ArNO2 ArNO
Fe + HCl Zn + HAc Na + ROH
ArNH2 ArNH2 RCH2NH2
RCH=N-OH
2.4、芳香族化合物的还原
碱金属(Li,Na,K),液NH3,供质子剂(ROH,NH4Cl)
例1、 Birch还原: 苯环双键还原 1) 带供电子基团的苯环的Birch还原
O
Na, liq. NH3
O
anisole
ROH 1-methoxycyclohexa-1,4-diene
O
O Na 单电子转移
-.
H
O .
RO
H
H
反 应 机 理
.
自由基负离
子 O
H
H H
O e
H
H H
O
H OR
作业、 Birch还原反应在双氢苯甘氨酸合成中的应用
NaO HO O NH2 Na/NH3 ROH NH2 O + RONa
2) 带吸电子基团的苯环的Birch还原
COOH
Na, liq. NH3 ROH
COOH
benzoic acid cyclohexa-2,5-dienecarboxylic acid
COOH
COONa -.
COO. H H NH2 自由基负离子
反 应 机 理
单电子转移
COO . H H
-
e
COOH NH2 H H
COOH
2.5. 烯、炔还原
碱金属(Li,Na,K),液NH3,供质子剂(ROH,NH4Cl)
HO O O Na, NH3 NH4Cl
HO O O
(E)-3-(4-methoxyphenyl) acrylic acid
3-(4-methoxyphenyl) propanoic acid R H H R
R
R
Na, NH3
第三节. 催化加氢
3.1. Noyori不对称氢化反应 羰基在Ru(II)BINAP络合物催化下发生不对称氢化还原反应.
O O R OR'
H2 (R)-BINAP-Ru R
OH O OR'
(R)-BINAP-Ru PPh2 RuCl2L2 PPh2
[ RuCl2(binap)(solv)2]
H2 -HCl
[RuHCl(binap)(solv)2
反应机理
solv
HCl(BINAP) Ru
O O
OR' H
R O O R OR' [RuHCl(binap)(solv)2 H , solv O O
OR' H R solv
HCl(BINAP) Ru
H2
OH O [ RuCl2(binap)(solv)2] R OR'
3.2. Rosenmund还原反应
用硫酸钡/毒化钯催化剂将酰氯氢化还原为醛, 催化剂未被毒化,醛会继续还原为醇.
O R Cl
H2 Pd-BaSO4
O R H
Pd Pd H-H
Pd Pd H H H Pd H
反 应 机 理
R
Pd Pd H H O
O Pd(0) H Pd H Cl 氧化加成 R Pd Cl 配体交换
O R Pd
还原消除 O + H R H
Pd(0)
第四节. 选择性还原
4.1 手性恶唑硼烷催化下的对映选择性还原: Corey-Bakshi-Shibata(CBS)还原反应
H PhPh O B Cat. H BH3, THF, rt N
+
O
OH
acetophenone
(R)-1-phenylethanol
H PhPh N+ O B H
BH3
H PhPh N+ B H3B H O
O RL RS
H PhPh O N B H H2B HO RS
+
反 应 机 理
H PhPh O + N B H H2B O H RS RL H RS BH3
RL H PhPh O N+ B H H2B + H RS OBH2 RL
O BH RL 2
H2O
H RS
OH RL
H PhPh
催 化 循 环
RL
O RS
O N+ B H H2B H O RS RL H Ph Ph
H Ph Ph N B H
+
O
BH3
H Ph Ph N B H3B H H RS
+
N+ H2B H RS
O B H O
O
RL
OBH2 RL
BH3
4.2 醛、酮的不对称还原 4.2.1 Midland 还原反应: 用B-3-α-蒎烯-9-BBN对酮进行不对称还原.
O R R'
Alpine-borane
R
OH
R'
H B + THF ref. 9-BBN (R)-B-3-α-蒎烯-9-BBN B
(R)-B-3-α-蒎烯
H B + THF ref. 9-BBN (R)-B-3-α-蒎烯-9-BBN B
反 应 机 理
(R)-B-3-α-蒎烯
O R R'
+
B B
H O R'
负氢转移 +
R
R
B
O R'
H2O2, NaOH
OH R R'
4.2.2 Roush烯丙基硼烷试剂
O O O B O O O
OH
+ RCHO
甲苯 4A分子筛 -78℃
R
酒石酸烯丙基硼酸酯 不对称烯丙基化试剂
反应机理
O O O B O R OH O O O O O B O R O O O O O O O B O R R O O O O O O B O O O O
碱性 后处理
R
第五节. 其它还原反应
5.1 酰基苯磺酰肼用碱处理还原成相应的醇 McFadyen-Stevens还原反应
O R N H O R B N H H N 碱 SO2Ar R O
H N
O SO2Ar R N N H R
O
+ N2
5.2 用异丙醇铝/异丙醇体系将酮还原成相应的醛
Meerwein-Ponndorf-Verley还原反应
O R R'
Al(Oi-Pr)3 HOi-Pr R
OH + R'
O
反应机理
Al(Oi-Pr)3 R'
螯合
O R
R O R' H Al(Oi-Pr)2
H
O
O O
O
O
Al
Al
O R OH R'
H
O
O O R
R'
R
R'
5.3 叠氮化合物还原
为胺 5.3.1 Staudinger反应: 叠氮化合物由R3P/H2O还原为胺
X N3 + PR3 -N2 X N PR3
X N H2 O X
N
N PR3 O PR3
NH2 +
X N
N
N
PR3
X N
N PR3
N PR3 N PR3
反 应 机 理
X N
N
N PR3
N
N N X N N PR3 N X N2 X N PR3 H O H
N N X X H N PR3 H O O PR3
X NH H
PR3 O-
X
NH2 +
5.4 水合肼还原：适用于对碱敏感的醛和酮 5.4.1
O H2NNH2, NaOH propiophenone (HOCH2CH2)2O, 1-propylbenzene
5.4.2 利用肼将α,β-环氧酮还原成烯丙醇
第六章 还原反应
主讲人：苏为科
第六章 还原反应
第一节. 金属氢化物还原剂---------------第二节. 溶解金属还原------------------------------第三节. 催化加氢------------------------------------第四节. 选择性还原--------------------------------第五节. 其它还原反应…………………………
第一节
金属氢化物还原剂
LiAlH4, NaBH4 O [H] pentan-2-one RCHO [H] RCH2OH pentan-2-ol OH
选择性还原剂
1. 1. 以四氢铝锂为还原剂
O LiAlH4 OH
cyclohex-3-enone
cyclohex-3-enol
1.2. 以硼氢化钠为还原剂
1.2.1 羰基化合物还原为醇
O (E)-pent-3-enal
NaBH4 HO (E)-pent-3-en-1-ol
例题: Luche还原 烯酮在NaBH4-CeCl3下发生1,2-还原:
O NaBH4 CeCl3 cyclopent-2-enone
OH
cyclopent-2-enol
NaBH4 + CeCl3
HCeCl2
反 应 机 理
Cl O
Ce Cl
O CeCl2
H
1,2-氢加成
OH HCl + CeCl3
1.2.2 羰基化合物还原为亚甲基: Gribble 二芳基酮的还原 用NaBH4在三氟乙酸中还原二芳酮和二芳基甲醇为二芳基 甲烷,也可用于还原二杂芳酮和二杂芳基甲醇.
O Ar1 Ar2
NaBH4 CF3COOH Ar1
OH Ar2 Ar1 Ar2
NaBH4 + 3 CF3COOH
Na CF3COO B H + 3 H CF3COO
CF3COO
反 应 机 理
O Ar1
H Ar2 Ar1 CF3COO CF3COO B CF3COO
OH Ar2 H Ar1
OH Ar2
CF3COO + CF3COO B CF3COO
H Ar1
OH Ar2 Ar1 CF3COO CF3COO
OH2 Ar2 H Ar1 H2O Ar2 +
CF3COO CF3COO B CF3COO
CF3COO B
1.3. 以氰硼氢化钠为还原剂: Gribble 吲哚还原
用氰硼氢化钠在冰醋酸中还原吲哚双键; 而用硼氢化钠为还原剂,则可导 致还原和N-甲基化反应.
N H
NaBH3CN CH3COOH
N H
+ BH2CN + CH3COONa
反 应 机 理
O HO N H N H
Na H BH2CN
O O
+ BH2CN + CH3COONa N H
第二节. 溶解金属还原
金属与供质子剂为还原剂 2. 1、酮的还原
O R R Na, EtOH R R HO R R OH R R OH
O R
1. Na, Et2O R 2. H +
例题1. Clemmensen 还原 用锌汞齐和氯化氢将醛和酮还原为相应的亚甲基化合物.
O R1 R2
Zn(Hg) HCl R1 R2
O
Zn(Hg), HCl R2
单电子转移
H
OZnCl R1
.
e
H
OZnCl R1
H
反 应 机 理
R1
R2
R2
自由基负离子 H
OZnCl
SN2
H
R1
Cl e
H
R2
e
R1
Cl
R2
R1 . R2
H
R1
R2
2.2、酯的还原
O R O O Na, EtOH HO propan-1-ol + OH methanol methyl propionate O R1 Na, EtOH RCH2OH + R1 OH
例题1. Bouveault-Blanc 还原 酯在醇溶液中用钠还原为相应的醇
O R
Na OEt EtOH R
OH
+
EtOH
O
反 应 机 理
R
OEt
Na, 单电子转移 OH R
EtO H O. OEt R 自由基负离子 O R H e R H OEt
-
OH . R OEt OEt R OH H H OEt R O H OH
e
OEt H OEt H OEt H
e R
O.
OH . R H
2.3、-NO2, -NO, =N-OH的还原
ArNO2 ArNO
Fe + HCl Zn + HAc Na + ROH
ArNH2 ArNH2 RCH2NH2
RCH=N-OH
2.4、芳香族化合物的还原
碱金属(Li,Na,K),液NH3,供质子剂(ROH,NH4Cl)
例1、 Birch还原: 苯环双键还原 1) 带供电子基团的苯环的Birch还原
O
Na, liq. NH3
O
anisole
ROH 1-methoxycyclohexa-1,4-diene
O
O Na 单电子转移
-.
H
O .
RO
H
H
反 应 机 理
.
自由基负离
子 O
H
H H
O e
H
H H
O
H OR
作业、 Birch还原反应在双氢苯甘氨酸合成中的应用
NaO HO O NH2 Na/NH3 ROH NH2 O + RONa
2) 带吸电子基团的苯环的Birch还原
COOH
Na, liq. NH3 ROH
COOH
benzoic acid cyclohexa-2,5-dienecarboxylic acid
COOH
COONa -.
COO. H H NH2 自由基负离子
反 应 机 理
单电子转移
COO . H H
-
e
COOH NH2 H H
COOH
2.5. 烯、炔还原
碱金属(Li,Na,K),液NH3,供质子剂(ROH,NH4Cl)
HO O O Na, NH3 NH4Cl
HO O O
(E)-3-(4-methoxyphenyl) acrylic acid
3-(4-methoxyphenyl) propanoic acid R H H R
R
R
Na, NH3
第三节. 催化加氢
3.1. Noyori不对称氢化反应 羰基在Ru(II)BINAP络合物催化下发生不对称氢化还原反应.
O O R OR'
H2 (R)-BINAP-Ru R
OH O OR'
(R)-BINAP-Ru PPh2 RuCl2L2 PPh2
[ RuCl2(binap)(solv)2]
H2 -HCl
[RuHCl(binap)(solv)2
反应机理
solv
HCl(BINAP) Ru
O O
OR' H
R O O R OR' [RuHCl(binap)(solv)2 H , solv O O
OR' H R solv
HCl(BINAP) Ru
H2
OH O [ RuCl2(binap)(solv)2] R OR'
3.2. Rosenmund还原反应
用硫酸钡/毒化钯催化剂将酰氯氢化还原为醛, 催化剂未被毒化,醛会继续还原为醇.
O R Cl
H2 Pd-BaSO4
O R H
Pd Pd H-H
Pd Pd H H H Pd H
反 应 机 理
R
Pd Pd H H O
O Pd(0) H Pd H Cl 氧化加成 R Pd Cl 配体交换
O R Pd
还原消除 O + H R H
Pd(0)
第四节. 选择性还原
4.1 手性恶唑硼烷催化下的对映选择性还原: Corey-Bakshi-Shibata(CBS)还原反应
H PhPh O B Cat. H BH3, THF, rt N
+
O
OH
acetophenone
(R)-1-phenylethanol
H PhPh N+ O B H
BH3
H PhPh N+ B H3B H O
O RL RS
H PhPh O N B H H2B HO RS
+
反 应 机 理
H PhPh O + N B H H2B O H RS RL H RS BH3
RL H PhPh O N+ B H H2B + H RS OBH2 RL
O BH RL 2
H2O
H RS
OH RL
H PhPh
催 化 循 环
RL
O RS
O N+ B H H2B H O RS RL H Ph Ph
H Ph Ph N B H
+
O
BH3
H Ph Ph N B H3B H H RS
+
N+ H2B H RS
O B H O
O
RL
OBH2 RL
BH3
4.2 醛、酮的不对称还原 4.2.1 Midland 还原反应: 用B-3-α-蒎烯-9-BBN对酮进行不对称还原.
O R R'
Alpine-borane
R
OH
R'
H B + THF ref. 9-BBN (R)-B-3-α-蒎烯-9-BBN B
(R)-B-3-α-蒎烯
H B + THF ref. 9-BBN (R)-B-3-α-蒎烯-9-BBN B
反 应 机 理
(R)-B-3-α-蒎烯
O R R'
+
B B
H O R'
负氢转移 +
R
R
B
O R'
H2O2, NaOH
OH R R'
4.2.2 Roush烯丙基硼烷试剂
O O O B O O O
OH
+ RCHO
甲苯 4A分子筛 -78℃
R
酒石酸烯丙基硼酸酯 不对称烯丙基化试剂
反应机理
O O O B O R OH O O O O O B O R O O O O O O O B O R R O O O O O O B O O O O
碱性 后处理
R
第五节. 其它还原反应
5.1 酰基苯磺酰肼用碱处理还原成相应的醇 McFadyen-Stevens还原反应
O R N H O R B N H H N 碱 SO2Ar R O
H N
O SO2Ar R N N H R
O
+ N2
5.2 用异丙醇铝/异丙醇体系将酮还原成相应的醛
Meerwein-Ponndorf-Verley还原反应
O R R'
Al(Oi-Pr)3 HOi-Pr R
OH + R'
O
反应机理
Al(Oi-Pr)3 R'
螯合
O R
R O R' H Al(Oi-Pr)2
H
O
O O
O
O
Al
Al
O R OH R'
H
O
O O R
R'
R
R'
5.3 叠氮化合物还原
为胺 5.3.1 Staudinger反应: 叠氮化合物由R3P/H2O还原为胺
X N3 + PR3 -N2 X N PR3
X N H2 O X
N
N PR3 O PR3
NH2 +
X N
N
N
PR3
X N
N PR3
N PR3 N PR3
反 应 机 理
X N
N
N PR3
N
N N X N N PR3 N X N2 X N PR3 H O H
N N X X H N PR3 H O O PR3
X NH H
PR3 O-
X
NH2 +
5.4 水合肼还原：适用于对碱敏感的醛和酮 5.4.1
O H2NNH2, NaOH propiophenone (HOCH2CH2)2O, 1-propylbenzene
5.4.2 利用肼将α,β-环氧酮还原成烯丙醇