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有机合成化学,有机合成化学有机合成化学课 程 内 容第一章 绪 论第二章 氧化反应第三章 还原反应第四章 有机金属 试剂第五章 杂环化合物 的合成第六章 有机合成与路 线设计的基础知识第七章 分子的拆开第八章 导向基的引入第九章 保护基团第十章 合成问题的 简化,课 程 内 容,第一章 绪 论第二章 氧化反应第三章 还原反应第四章 有机金属 试剂第五章 杂环化合物 的合成,第六章 有机合成与路 线设计的基础知识第七章 分子的拆开第八章 导向基的引入第九章 保护基团第十章 合成问题的 简化,第一章 绪 论,1.1 有机合成的目的和任务1.2 有机合成的发展状况1.3 有机合成的现代成就1.4 有机合成的发展趋势,返回,1.1 有机合成的目的和任务,返回,1.1.1 什么是有机合成 有机合成是利用化学方法将单质、简单的无机物或简单的有机物制备成较复杂的有机物的过程。早期的有机合成，主要是在实验室内仿造自然界中已存在的化学物质。同时，在分子结构上也达到验证的作用。现在，人们已可以依据物质分子的结构与性质的关系规律，为适应国计民生的需要而合成自然界中并不存在的新物质。今后的发展趋势，也不是盲目地研究合成新的化合物，而是设计和合成预期有优异性能的或具有重大意义的化合物。因此，有机合成已经成为当代化学研究的主流之一。利用有机合成可以制造天然化合物，可以确切地确定天然物的结构，可以辅助生物学的研究以解开自然界的奥秘。利用有机合成更可以制造非天然的，但预期会有特殊性能的新化合物。,事实上，有机合成就是应用基本且易得的原料与试剂，加上人类的智慧与技术来创造更复杂、更奇特的化合物。可以这样说：“有机合成是无中生有”。正如1965年诺贝尔奖获得者，也是有机合成的先师Woodward教授所说：“在有机合成中充满着兴奋、冒险、挑战和艺术”。再进一步看，逻辑性的归纳和演绎在有机合成中，特别是在路线设计中，显得非常重要，甚至可以运用计算机程序来辅助合成路线的设计。1.1.2 基本有机合成工业和精细有机合成工业 基本有机合成工业的任务是：从价廉易得的天然资源，如煤、石油、天然气或农副产品等，初步加工成一级有机产品，如甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、苯、萘等，再进一步加工成二级有机产品，如乙醇、乙酸、丙酮等。这些一、二级产品的生产称为“重有机合成工业”。基本有机合成的特点是：产品量大，质量要求稍低，加工相对粗糙，生产操作简单。,精细有机合成工业的任务是：以基本有机合成工业中得到的一、二级有机产品为原料，合成一些结构比较复杂，质量要求很高(即较精细)的化合物。其制备过程的操作条件要求严格，步骤较多，一次生产的量比较少但品种比较多。精细有机合成主要用在合成药物、农药、染料、香料等。这种合成的首要任务常常是合成路线的设计。这两类有机合成工业对于国计民生都是缺一不可的。没有精细有机合成工业就没有满足人民生活需要的丰富多彩的有机产品；没有基本有机合成工业，精细有机合成工业也就没有了根基。1.1.3 有机合成路线设计 著名的有机合成化学家Still曾指出：一个复杂有机分子的有效合成路线的设计是有机化学中最困难的问题之一。路线设计是合成工作的第一步，也是最重要的一步。一条设计拙劣的合成路线不会得到好的结果；同样，一个不具备合成路线设计能力的人也不是合格的有机合成人才。,路线设计不同于数学运算，数学运算有固定的答案。但任何一条合成路线，只要能合成出所要的化合物，应该说都是合理的。当然，在合理的路线之间，却是有差别的。要具有高的路线设计的能力，首先要有技术方面的能力，如对各类、各种有机反应的熟悉与掌握，对同一目的、不同有机合成反应在实用上的比较与把握，对各个步骤操作条件的实际掌握，对产品纯化和检测的能力，等等。但这还远远不够，还要有逻辑思维的能力，以致对各步有机反应的选择与先后排列能达到运用自如，以形成一个综合的，高效的合成能力。这种“战术”，在合成化学中就叫“策略”。下面举一个具体例子来说明路线设计的重要性。颠茄酮的合成有两条不同的路线：(1)Willstatter在1896年推出了一条颠茄酮合成路线。他是1915年诺贝尔奖获得者。此路线前后经历21步之多：,这一路线总的收率只有0.75。尽管路线中每一步的收率均较高，但由于步骤太多，使总收率大大降低。,(2)21年后，Robinsen(1947年获诺贝尔奖)于1917年设计出另一条颠茄酮合成路线，既合理，又简捷，仅用了3步，总收率达90：,第三步即得目标物。由此可见，必须首先要有一个好的思维路线，才能设计出一条好的合成路线。,1.2 有机合成的发展状况,1.2.1 有机合成的回顾 最早的有机化学是对天然物质，如树皮、血液、酵母和蜗牛等进行研究而建立起来的。当时没有什么合成，就靠生命物质本身制备各种各样性质不同、结构复杂程度不同的物质。早期的化学家基本上是从天然来源的混合物中提取比较纯的化合物。早期的化学家认为机体具有特殊的“生命力”，因而能够制成有机物质，而在试管中是无法合成这些有机物质的。幸亏Wohler在1828年偶然发现了一个化学反应加热氰酸铵得到尿素：,这是一个典型的由无机物合成生物代谢有机产物的例子。这样就打破了“生命力”学说。通常认为这个反应是有机合成的开始。,1.2.2 有机合成与整体有机化学的关系 从上述反应开始，在试管中(即在玻璃仪器中)制备有机物质的活动就与整个有机化学的发展紧密联系在一起了。每当有机化学在理论和基础知识方面取得进展时，都可以发现合成在其中所起的作用，而新理论、新技术又必然引起合成的进一步发展。例如，合成帮助确定异构体的数目及其结构，从而对Kekule早期理论做出了贡献；从奎宁实验式出发的推理，使Perkin提出合成奎宁的假设，而又根据这个假设所做的努力，导致合成染料的发现。因此，现在要解开发展过程中相互渗透的这种复杂关系，说合成影响了有机化学其他方面，还是其他方面影响了合成，都是非常困难的。但十分清楚的是，合成起了下述各个方面的重要作用：第一，合成可以逻辑式地装配已确定结构的分子。第二，合成能够提供自然界没有的物质，从此开辟出一个新颖的领域。第三，解决理论问题需要合成。,1.2.3 天然物质可由有机合成制备 人们首先合成的是天然物质降解物，发展到后来，结构非常复杂的天然物质也都可以合成了。20世纪下半叶最有影响的有机合成化学家无疑是Woodward。他在27岁时就合成了奎宁。1960年他又完成了叶绿素的合成。接着他又合成了维生素VB12。,奎宁的结构 叶绿素的结构,维 生 素 B12,Woodward在1981年还合成了红霉素。分子中有18个手性中心，可想而知异构体的数目为218。,红 霉 素,对于这样一些复杂对象，若不能对它的立体化学、构象分析、有关的有机合成单元反应有极为精细的理解，要完成立体专一的反应是不可能的。,1.2.4 为了验证并扩充化学理论而合成新化合物 合成计划的成功证实了某些理论，也导致对另一些理论的修正，同时还制造出一些未曾有过的化合物。这些新化合物有些可能已经有某种用途，但有些在当时还不知道有什么用途，只是由于结构新奇引起合成化学家的兴趣而合成的。这也是允许的，因为当初至少在理论上是有一定目的的。这类化合物叫“化学珍品”(chemical curiosity)，如某些环蕃(cyclophanes)。化学珍品首先在理论上是有意义的。由于它们有结构上的特点，必然有性质上的特点，因此推断会有特殊的用途，只是一时未被认识而已。香港中文大学黄乃正等人成功地合成了1，2，7，8-二苯并2，2环蕃。这是一个有张力的由4个苯环连接而成的一种环蕃类有机物。环蕃中还有很多有趣的化合物。两个或两个以上的苯环，以饱和或不饱和的碳碳键对位相接，形成各种不同的、几个苯环成平行面的结构：,Cook合成了十字四烯(Stauren-tetraene)。对这个化合物的兴趣在于探讨中心碳原子的4根键是否是平铺的。还有一种化合物叫窗烷(fenestrane)。对它不仅有理论上的意义，而且在自然界中确实存在一种二萜类化合物，其分子中具有窗烷的结构骨架：,十字四烯的结构 窗 烷 二 萜,还有一类化合物叫体烷(fullerene)，其品种繁多，它们都有分子式(CH)n。在理论上，当n4，分子是四面体烷；当n6时，分子是八面体烷；当n8时，分子是立方体烷：,由此类推，碳原子数愈来愈大，多面体的面愈来愈多，每个顶都是CH。发展到后面就成球型。碳原子愈多，碳碳键的张力愈小，分子愈稳定。四面体烷至今未得到，十二面体烷(C20)在1982年由Paquette合成得到。他在1996年因C60的体烷合成成功而获得了诺贝尔奖。这一分子引起了化学家极大的兴趣。它的大小已进入纳米为长度单位的范围内，故称纳米球，在发展纳米技术中起很大的作用。,四面体烷 立方体烷 八面体烷 十二面体烷,1.2.5 先想象适合于应用的分子结构，再合成所需的分子 为了某种用途，化学家可以想象一种分子结构，然后设计合成路线，精心合成此化合物以达到所定的用途目标。这种例子还是不少的。如可以想象有一类化合物的结构里，有一金属原子夹在两个环烯之间。环烯有活泼电子可供金属原子用，形成配合。这种金属原子又是多价的。环烯的配合造成金属价数的多变。又由于价数的多变，使其具有引起其他化合物发生氧化或还原反应的能力。因此，这种结构的化合物是一类很好的催化剂，我们熟悉的二茂铁就是常用的一种催化剂。此类金属有机催化剂品种繁多，应用很广。由于催化剂的大发展，推动了一类非常有用的有机的工业材料高分子的开发。高分子是许多小分子(单元)用键连接起来的、分子量很大的分子。有了高效的催化剂就可以用人工的方法将某些小分子连接成人造的高分子，其结构也完全可以按所需要的性能来设计。,1.3 有机合成的现代成就,有机合成化学是当前有机化学中最富有活力的一门分支学科。在有机合成方法研究中，有时是有意识地寻找，有时则是无意识地发现了某一现象，再有意识地跟踪。这样，无论在合成反应方面，还是在试剂或技术方面，都取得了丰硕的成果：(1)已研究清楚的有机反应多达3 000个以上，其中有普遍应用价值的反应就有200多个。(2)国内外已商品化的试剂有5万多种。(3)具有产率高，反应条件温和，选择性和立体定向性好的新反应大量出现，如光化反应、微生物反应、模拟酶合成等。(4)元素有机化学的发展使有机合成大放光彩。,(5)新试剂、新型催化剂，特别是固相酶新技术的应用可使催化剂稳定，能长期使用并能使生产连续化。它们通常具有使反应速度快，条件温和，选择性好，合成工艺简化等优点。(6)合成方法的研究也是有机合成发展的一个重要方面。良好的合成路线设计能够合理而巧妙地解决复杂的合成问题，使合成路线既具有科学性，又具有艺术性。这一点已在许多复杂分子合成中显示了巨大的潜力和广阔的应用前景。,1.4 有机合成的发展趋势,1.4.1 有机合成今后发展的良好客观条件和改进方向 综上所述，明显地可以看到，有机合成不论在天然物质，还是非天然物质方面，都已经取得了十分辉煌的成就。尤其是现代科学的进展，已为有机合成今后发展建立了良好的客观条件。大致有下列几个方面：(1)理论方面 现代有机合成化学已建立在坚实的理论有机化学和量子化学的基础上。在深度上将对反应的历程和本质作进一步深入的研究，从而在控制反应的方向与速度、产物的结构与纯度以及提高反应的收率等方面取得更多的主动权。(2)方法方面 近年来，对新型有机合成方法，如生物化学法、超声法、高压法、辐射法等，特别是酶化学和酶模拟合成方法的研究，获得重大的突破，从而为合成方法带来更大的变革。,(3)测试方面 近代物理测试方法，如红外、紫外、核磁共振、色质联用、高效液相色谱、元素自动分析、X射线衍射等，已普遍配合应用，有力地促进了有机合成的迅速发展。(4)人工智能方面 使用计算机来辅助合成路线设计将大大加快合成路线设计的速度。为此，人们已注意到了全面分析和总结复杂分子的合成规律与逻辑，使合成工艺变得更加严格而系统化，以此为基础，编制有机合成路线的计算机辅助设计程序，逐步达到路线设计的计算机化。有机合成虽然有了很大的发展，但自然界和人类本身的发展又不断地向合成化学家提出了新的挑战。在有机合成反应上，虽可以举出很多高选择性方面卓有成效的工作，但局限性仍然很多。从日益发展的精细化工品的需求来说，必然会要求更加理想的高选择性反应，更加温和的反应条件，同时又要不恶化人类生存的地球环境。,1.4.2 有机合成化学与其他科学相结合的发展趋势 任何学科的发展都不是孤立的，与其他相关学科互相结合往往发展更快。有机合成也不例外，结合的方面是很多的。仅举较明显的与生命科学和与材料科学相结合的两个方面为例。1与生命科学相结合的有机合成化学 与生命科学相结合有几层不同的含义：一是有机合成要选择生命科学中的重要物质为合成对象；二是将生物化学方法用于有机合成；三是二者的巧妙结合产生一些全新的科学分支领域。核酸与蛋白质化学中就有很多是合成化学。不论在蛋白质，还是在核酸的合成中，有机合成从来就是非常重要的基础。蛋白质、多肽的合成中，关键的反应就是酰胺键的形成或羧基的活化；其次则是众多保护基的应用和脱除。核酸或脱氧核酸的合成中磷酰基的活化和磷酸酯的形成也是个核心问题。,值得介绍的是：有一种催化性的抗体，能进行位置专一性的诱变反应。我们已经知道，酶是一类很重要的催化剂，尤其是它们有位置专一性的诱变作用。酶与抗体原来是有差别的。酶是选择性地与反应过渡态分子相结合，而抗体则是与基态分子相结合。如果抗体也能与过渡态的稳定的类似物相结合，也就是说，抗体也能发挥酶一样的作用。在单克隆技术发展以后，首次成功地得到了能加速酯水解的抗体，其加速作用可达103-106倍。在酰胺键的水解中也有催化性抗体出现，甚至Claisen重排反应、双烯加成反应等都有催化性抗体。催化性抗体不仅像酶一样进行位置专一性诱变反应，而且还能进一步按照人们的意愿去进行预计的专一性的催化反应。近年来，大量的反应(从酰胺键的断裂到碳碳键的生成)都实现了抗体的催化。这种反应选择性好，加速快(最高可达百万倍)。预期这方面还会有新的突破。,本 章 结 束,返回,2与材料科学相结合的有机合成化学 在材料科学的新发展中，很多新材料本身都是合成的新品种，实用性能很好。对作为有机导体的聚乙炔一类物质的研究受到很大的重视。近年来，还有一些新的方法用于这类化合物的合成。美国加州理工学院发展了金属催化的卡宾中间体开环复分解聚合法。相对分子质量可达13 700，用碘掺杂后顺反式产品都有不同的、合乎要求的导电率。这一化合物溶于苯、四氯化碳等，使之便于加工。利用有机铬催化剂可聚合全氟丁炔-2，也有一定的导电率。有机合成化学的研究历来是与理论有机化学的研究紧密结合的。有机合成的研究能促进有机反应机理中一系列理论问题的研究，有助于人们对各类各种有机反应规律的理解与掌握。,第二章 氧化反应,2.1 烯烃的氧化2.2 醛、酮的氧化2.3 羧酸的氧化2.4 醇类的氧化2.5-碳原子上的氧化2.6 在非活化部位的氧化,返回,氧化还原反应是有机化学中的一类十分重要的反应。这类反应不仅在石油化工中能使简单的烷，烯，炔烃转化生成具有化学活性的醇、醛，酮，羧酸等，而且是精细有机合成中官能团互相转换的必不可少的反应过程。在有机合成研究和工业生产中常用到氧化反应。通过氧化反应不但可以变换化合物的基团以适应各种合成上的需要，而且可将化学活性不大的化合物(如烃类)转变为具有化学活性的物质。例如。从乙烷氧化脱氢获得具有活性的中间体乙烯，丙烷经同样的方法可得到丙烯，而从2-丁烯经一系列的氧化及还原过程得到一系列的活性中间体和有用的试剂。氧化剂的种类很多，可以是氧气、氯气、过氧化氢、高价位的金属化合物或有机过氧酸化合物等。在氧化反应后，氧化剂本身是被还原，那么不难了解大部分的氧化剂都是亲电子试剂。一般的有机化合物仅需0-0.6V电位以进行氧化反应。通常的无机物进行氧化反应的氧化还原电位约1.0V。,以作用的类型来分，有机化合物的氧化反应可以分为以下3种类型：1在官能团的部位氧化,2在-碳的部位氧化,3在非活化部位氧化,选择适当的氧化剂是很重要的。虽然至今仍依赖经验法则选择氧化剂，但若能从下列各种因素去探讨，并加以归纳与演绎，则有助于对氧化反应的了解和选择：氧化剂本身的化学性质；被作用化合物的性质；使用的溶剂与反应条件；氧化反应的机理。最常见的烯烃类氧化反应是转变成环氧化合物，二醇或断键成为两个羰基化合物。下面按几类不同化合物的生成，讨论各种氧化剂的选择以及反应条件的控制等，并按氧化剂出现的先后，对几类氧化剂进行重点介绍。,2.1 烯烃的氧化,2.1.1 环氧化合物的生成2.1.2 烯烃的二羟基化反应2.1.3 烯烃类化合物的氧化性切断,返回,2.1.1 环氧化合物的生成,在工业生产和实验室中，以烯烃为原料，经氧化制备环氧化合物是重要的途径之一。依氧化剂的不同有：有机过氧酸氧化环化，有机过氧化氢(或过氧化氢)氧化环化以及银催化的空气氧化环化等方法。一.用有机过氧酸氧化环化 有机过氧酸是一个典型的亲电性试剂，它与烯烃的环氧化反应属亲电加成过程。在反应中，两个C-O键是同时生成的。其反应机理如下：RCOOOH RCOO-+OH+(亲电试剂),1.有机过氧酸的制备 有机过氧酸,现巳成为一类典型的有机酸衍生物。几乎每一种有机酸都可以转变成相应的有机过氧酸。例如，过苯甲酸就是以相应的苯甲酸为原料，用H2O2氧化而制得。,其次，从苯甲酰氯也可氧化制得过苯甲酸。这一制备方法可推广到许多其他过酸的制备。例如，以乙酐为原料，可制备无水过氧乙酸。,这一方法适宜实验室制取过氧酸。但为了满足大量的需要，工业生产一般以乙醛为原料，以钻、锰、铁等金属盐或臭氧、紫外光的催化作用下与空气中的氧反应而制得。,但必须注意，由于过氧酸不稳定，一般都是需要用的时候，临时制取，及时用掉。m-CPBA(m-C1-PhCO3H)，是一较稳定的过氧酸，在冰箱中能够长期保存。2.有机过氧酸的性质酸性:有机过氧酸与酸相比，酸性较弱。从下面的两数据即可看出。酸 PKa 酸 Pka HCOOH 3.7 CH3COOH 4.8 HCOOOH 7.1 CH3COOOH 8.2,氢键：有机过氧酸随着溶剂性质的不同而以不同的形式存在于溶液中。如果与溶剂不形成氢键，则过酸可形成分子内氢键。即分子内羟基上的氢与羰基上的氧缔合，成为一五员环。,在形成氢键的液剂中,如丙酮，则过酸与溶剂形成分子间氢键。,这样，过氧酸在不同的溶剂中的反应能力就可能不同。例如：苯甲醛氧化制备过苯甲酸时，只能在丙酮溶剂中获得。而在不与过氧酸形成氢键的溶剂中,则生成的过氧酸很快与原料苯甲醛作用，而生成甲酸苯酯。,过氧酸和其它过氧化合物一样，在高浓度时遇热容易分解，发生爆炸。过苯二甲酸等稳定性较好。近年来，以高聚物为栽体的过氧酸，既能起到很好的氧化效果，也能克服以上的不足之处。,3.有机过氧酸氧化环化实例 一般来说，烯类都可以用过氧酸氧化得到环氧化合物。,78-83,69-75,73,但由于该反应过程是亲电加成，这就与烯烃和过酸的自身结构有关系。若烯烃分子中含有氨基、羟基等易被氧化的基团存在时，结果不太好，有时甚至不能应用此法，对于，-烯酮在环氧化时常伴随着羰基的酯化反应，有些情况下甚至只发生酯化反应。,71,而卤代烯烃在环氧化时发生重排，烯醇醚或烯醇酯也是这样。,61,49,4.用有机过氧酸氧化环化的特点 反应物结构对反应速率的影响：由于过氧酸与烯烃的环氧化反应是典型的亲电加成过程，所以，反应物分子中双键碳原子上连有推电子取代基的烯烃反应速率大于连有拉电子取代基的烯烃。而对于烷基取代多的烯烃比取代基少的烯烃反应速率大。如下表所列数据：,烯烃用过氧乙酸氧化的相对速度 烯烃 相对速度 CH2CH2 1 CH2CH2一CH3 21 C2H5一CHCH2 56 CH3CHCHCH3 450(CH3)2CCHCH3 5600 又因为过氧酸与烯烃的加成是立体定向的反应，所以当环状烯烃参与反应时，生成环氧物的氧原子占据着轴向的位置，而在分子空间位阻的情况下，-键则从具有较少阻力的方向被进攻。若有羟基存在，由于其感应作用，则形成与羟基在同一边的环氧化物：例如，3-羟基环已烯的环氧化产物主要为顺式环氧化物。而3-乙酰氧基环已烯的环氧化则得到反式环氧化物。,受羟基的影响，可能经过的过渡态：,其中以烯丙基和高烯丙基(homoallyl)的影响效应最明显，即使对非环状化合物也是有选择性的反应：,过氧酸的氧化能力与对应酸的强度成正比，即其氧化能力顺序如下：,溶剂对反应速率的影响：除醋酸外，极性溶剂参与的反应要比非极性溶剂参与的反应速率慢。,有些烯烃用过氧酸环氧化结果不太好，但用过氧化氧或有机过氧化氢氧化，具有一定的选择性。如以上提到的,-不饱和酮中的烯烃环氧化，若用过氧化氢氧化，则得到比较好的结果。,二.用过氧化氢和有机过氧化氢的氧化环化,70-72,73,上述反应被认为是通过过氧化氢负离子在不饱和酮的-碳原子上亲核加成，然后通过分子内的对羟基离子的取代进行的。,（亲核）,使用类似的反应条件，还可以使、-不饱和的硝基化合物，、-不饱和砜及瞵酸乙烯脂环氧化。而-氰基烯烃在这样的条件下，与双键环氧化的同时，氰基水解生成酰胺。,67,61 23,碱性H2O2和过酸的环氧化反应的差别，在于前者不是立体专一的（即反应物和产物的立体化学彼此没有肯定的关系），而是立体选择的（即只生成一个立体异构的产物，并与反应物的立体化学没有肯定的关系）。,使用叔丁基过氧化氢时，需用Ti()，V(V)，W()或Mo()等作为催化剂，先形成类似的金属过氧酸：,常用的催化剂如:Ti(OPr-i)4，VO(AcAc)2和Mo(CO)6。,另外，烯烃还可在金属银催化下空气氧化海备环氧化合物。虽然需要贵重的金属银，但由于它的催化选择性好，目前工业上仍继续延用。如乙烯氧化制环氧乙烷，工业方法仍是用银作催化剂。,三.环氧化合物在有机合成中的用途,1.环氧化物的开环反应 亲核性开环发生在酸性或碱性水介质中，环氧物被打开成具有立体专一性的反式邻二醇，这是反式加成的过程。,碱催化开环时，亲核试剂一般涉及取代基较少的碳，如：,53,100,63,b.酸性开环时，亲核试剂一般涉及取代基较多的碳，如：,76,2.环氧化合物可经氢化锂铝(LiAlH4)还原得到相应的醇；,99,3.环氧化合物与Lewis酸如BF3作用得到羰基化合物；,100,75,4.环氧化合物与二甲亚砜（DMSO）作用可制得-羟基酮。,2.1.2 烯烃的二羟基化反应,1形成反式二醇类 通常将烯类环氧化后产物以酸水解即得反式二醇类：,2形成顺式二醇类 使用不同的氧化剂，也可形成顺式二醇类。一般使用的氧化剂有：高锰酸钾；四氧化锇OsO4；碘及湿AgOAc。(1)以KMnO4为氧化剂时，条件控制十分重要，否则形成的二醇类会进一步氧化裂解：,其反应机理如下：,从上机理可看出,环状的锰酸酯被OH-离子的开环反应和被MnO4-进一步氧化之间进行竞争，产物的分配明显受到溶液的pH值的影响。结果是：依溶液pH值的不同，可得到顺式二醇或-羟基酮。如：,38,54-66 40,反应的酸碱度也会影响产物：,若有机化合物不溶于水时，常加入相转移剂，如季铵盐等，使反应在有机溶剂中进行：,7,50,(2)用四氧化锇(OsO4)为氧化剂，这是将烯烃氧化为顺-二羟基化最可靠的方法。它比高锰酸钾有更好的选择性。四氧化锇与双键反应形成环状锇酸酯，经水解得邻二醇。是较好的制备邻二醇的试剂。,70,90,反应都是遵循空间效应，从阻碍小的一面作用。又因为OsO4系亲电子性，所以反应不在氢较少的双键发生：,四氧化锇价格昂贵，因此应用上受到限制。克服这一缺点的办法是使用催化量四氧化锇，并加入氧化剂令其再生。氧化剂可用高氯酸盐或氮氧化物等。常用叔胺氧化物是：N-甲基吗啉-N-氧化物,简称NMO,为白色片状结晶。此化合物制备方法比较容易，也易保存，反应如下：,(3)以碘和湿的醋酸银为氧化剂，用这种方法可以获得空间位阻较大一面的顺式邻二醇：,其反应机理如下：,2.1.3 烯烃类化合物的氧化性切断,1.高碘酸HIO4和四醋酸铅Pb(OAc)4氧化 邻位二醇可进一步氧化断裂碳-碳键。常用的氧化剂是四醋酸铅和高碘酸。氧化机制是双电子过程。使六价铅变成四价铅，七价碘变成五价碘。例如：,用过碘酸氧化糖类化合物中的邻二醇，以测定其结构，曾是一个十分有用的反应。cis-二醇较trans-二醇易于氧化。(环已烷1，2-二醇的氧化中，cis-二醇比trans-二醇快25倍。)非环状trans二醇则以下述机制进行：,-氨基醇、-酮醇以及-二羰基化合物均可被高碘酸氧化。,2.使用KMn04-Nal04混合氧化剂 利用KMnO4将烯烃类转变成二醇类，再用Nal04将醇类氧化物切断，并进一步氧化成为羧酸。由于KMnO4作用后产生的MnO2可以被NaIO4氧化回到KMnO4，故只需使用催化剂量的KMnO4。,若改用OsO4-NaIO4为混合氧化剂(OsO4为催化剂量)，则可以得到醛类。,3.臭氧的氧化 当含有臭氧(O3，6-8)的氧气和烯烃作用时，臭氧很快地被烯烃吸收，生成臭氧化物(Ozonide)：,臭氧化物是一类不稳定的化合物，容易发生爆炸。因此，通常都不把它分离出来而直接在溶液里使它进行下一步反应，或加水分解。,臭氧化物水解后的产物是醛、酮和过氧化氢。,为了避免生成的醛再被过氧化氢氧化，所以通常在臭氧化物水解时还加一个还原剂，如二甲硫醚、锌粉或三苯基膦。例如：,如果同时加入过氧化氢，双键臭氧化则转化成酸类化合物。例如：,4.高锰酸钾和铬酸氧化 十分稳定的烯烃，即没有其它敏感基团的烯烃，也可用高锰酸钾进行氧化。铬酸也能完成碳-碳双键的氧化反应。例如：,2.2 醛、酮的氧化,2.2.1 醛类氧化成羧酸2.2.2 甲基酮被次卤酸氧化2.2.3 酮被氧化成酯或内酯2.2.4 Beckmann重排反应2.2.5 用过渡金属氧化物氧化,2.2.1 醛类氧化成羧酸,通常使用氧化银(Ag20，以AgNO3在碱中制备)。若是，-不饱和醛，可以用MnO2，在甲醇和氰氢酸作催化剂的条件下，直接氧化成甲酯：,此反应首先将醛转变成为氰醇，然后二氧化锰将氰醇氧化成为酸与氰盐，最后酸被甲醇转变成为甲酯。,2.2.2 甲基酮被次卤酸氧化,通常酮类不会被氧化成羧酸，但甲基酮类可被次卤酸氧化成降解一个碳的羧酸。同时，甲基被氧化成为卤仿，此反应称为卤仿反应：,2.2.3 酮被氧化成酯或内酯,将酮类氧化成酯类或内酯是有用的合成反应，称做BaeyerVilliger反应，常以过氧酸为氧化剂：,在对称酮的氧化中，产物比较单一。混合酮的氧化反应中，需两个羰基相连基团相差比较悬殊才好。由于是向正性氧上面的迁移，取代较多的烃基容易重排。迁移基团中有手性原子时，构型保持，这说明重排是与过氧键断裂协同发生的。故BaeyeVilliger反应氧化的产物是可预期其立体结构的。一般说来，在这类反应中转移次序是取决于迁移基团的亲核性，大致的次序是：叔烷基(环己基、S烷基、苄基、苯基)伯烷基甲基，凡芳香基上含有供电子基的基团容易迁移。例如:,用过氧硫酸H2SO5也可进行此反应。,90,2.2.4 Beckmann重排反应,利用羟胺(NH2OH)可将醛酮氧化成E式肟。由于空间位阻的结果，不易形成Z式异构体：,在上述重排中有两个现象。首先迁移基团是肟分子中与氮原子上羟基处于反式的烃基发生迁移。另外，如果这个迁移基团具有手性时，则其构型在迁移中维持不变。这说明BecKmann重排反应中也是协同进行的。,将羟基活化成TsO的离去基，经Beckmann重排则产生内酰胺。可引起重排的试剂十分广泛。例如硫酸、盐酸、聚磷酸、五氯化磷、氧氯化磷以及磺酰氯等均可。它在用来制备酰胺时常需在两个烃基对称，或迁移能力相差悬殊才有实用价值。,2.2.5 用过渡金属氧化物氧化,由于Cr()化合物氧化能力较强，会发生C-C断键：,2.3 羧酸的氧化,羧酸类极不容易被氧化，但与过氧化氢(H2O2)作用产生过氧酸。若是邻二羧酸类，则可以在四乙酸铅Pb(OAc)4作用下，发生氧化性脱羧反应：,羧酸与四醋酸铅和碘作用形成酰基次碘酸，这个化合物很易发生均裂反应。最后生成碘化物和二氧化碳。例如：,羧酸盐和银盐交换形成的羧酸银盐在四氯化碳溶液中与溴回流加热，则脱去羧基形成少一个碳原子的卤化物。反应也是自由基反应，经过酰基次卤酸中间体，即羧酸与次卤酸的酸酐，加热脱去羧基。例如：,羧酸银盐的脱羧反应通常用于脂肪卤化物的制备，称Hansdiecker反应。例如：,2.4 醇类的氧化,2.4.1 铬Cr()的氧化物2.4.2 碳酸银2.4.3 锰化合物的应用2.4.4 有机氧化剂2.4.5 酚类的氧化,返回,2.4.1 铬Cr()的氧化物,一级醇氧化得醛，然后继续氧化得羧酸；第二级醇氧化得酮；三级醇是耐氧化的，除非条件极为激烈时，才发生碳碳键的断裂。通常在基础有机课上，较少讲氧化反应的选择性，使用的试剂一般都是热的高锰酸钾或热的铬酸。在这里我们按氧化剂的不同种类分别讨论。把醇选择性地氧化成羰基化合物的各种方法。,这是最常用的氧化剂，它的氧化机理如下：存在形式：CrO3+OH-，HCrO4-，Cr2O72-+H2O 铬()与醇的反应：R2CHOH+HCrO4-+H+R2CO+HCrO3-+H+碳的氧化数由0增加到+2；铬的氧化数由+6减小到+4。,铬()氧化剂的种类繁多：酸性试剂：(1)铬酸(H2CrO4)、氧化铬(CrO3)(2)JOnes试剂(H2CrO4-H2SO4-Me2CO)微碱性试剂：(3)Sarett试剂(CrO3吡啶)(4)Co11ins试剂(CrO3-2吡啶CH2Cl2)微酸性试剂:(5)PCC试剂(CrO3-Py-HCl/CH2Cl2，铬酸 吡啶)中性试剂:(6)PDC试剂(H2Cr2O7-2 Py，重铬酸吡啶)其中，Sarett试剂、Collins试剂、PCC和PDC试剂是温和的氧化剂，可使一级醇氧化成为醛类，而不再进一步被氧化成羧酸。醇与重铬酸在无水溶剂中，或与铬酐反应时，均经中间体铬酸酯。例如：,铬酸酯分解，六价铬形成四价铬，醇转化为醛或酮。(1)当化合物在酸性条件下稳定时，可用Jones试剂：,(2)使用微碱性Collins试剂，避免双键转移成共轭双烯，也可避免进一步氧化成羧酸：,(3)有时候，溶剂的影响很大，例如使用中性的PDC试剂(H2Cr2O7-2 Py)，在极性溶剂，如二甲基甲酰胺(DMF)中，醇可生成羧酸。一般说来，在极性溶剂中反应较激烈，而使用非极性溶剂，如正己烷，反应温和，但可能发生不溶解的现象：,(4)PCC常用来将一级醇(如下列反应中的醇)氧化成醛类，不会破坏四氢吡喃的部分。此时，烯丙醇则氧化成，-不饱和醛(酮)，反应对烯不起作用。,45,85,83,2.4.2 碳酸银,另一个氧化伯，仲醇为醛，酮的试剂是附积在一类硅藻土上的Ag2CO3。该氧化反应条件温和，反应干净利索，付反应少，产率高，后处理简单等优点，有些还可以进行选择性氧化。,在苯溶剂中，也可将一级醇氧化成醛。在下列反应中不影响环丙烷(对酸不稳定)：,对于某些二醇来说，由于它们的结构特点，1.4-丁二醇，1.5-戊二醇，1.6-己二醇等，用Ag2CO3氧化得到-，-和-内酯。如：,95,对于乙二醇，环己二醇反应得到-羟基酮或-羟基醛。如：,而1.3-丁二醇则形成4-羟基-2-丁酮。,45,2.4.3 锰化合物的应用,高锰酸钾由于氧化能力强很少用于醇的氧化，常用活性二氧化锰(MnO2)。它是一种缓和的氧化剂，但需活化，即利用高锰酸钾()与硫酸锰()在碱溶液中新制备出来的二氧化锰()。反应中锰由+4价还原到+2价。反应对烯不起作用，可用于烯丙醇等有活性基团的醇类化合物氧化。,94,2.4.4 有机氧化剂,常用的有机氧化剂有下列几种：1.Moffatt氧化反应和Swern氧化反应 由二甲基亚砜与另一个亲电性试剂反应可形成多种复合氧化剂。可提供亲电试剂的化合物有三氟醋酐、二环已基碳二亚胺(DCC)、草酰氯及三氧化硫等。适用于有对酸敏感基团的醇类的氧化，反应条件比较温合，可将一级醇氧化成醛：,草酰氯与DMSO作氧化剂的反应尤其常用，称Swern氧化。例如：,2.Oppenauer氧化反应 此类反应系以酮类(如丙酮、环己酮)为氧化剂，以三异丙基氧化铝为催化剂，可将醇类氧化成醛酮，而氧化剂酮则被还原为醇(如丙酮在反应后生成异丙醇)，如:,这是一个酮与一个醇的互相交叉氧化还原反应，所以反应的进行方向由所加酮(氧化剂)或醇(还原剂)的用量而定。氧化剂酮过量则反应向右进行。,Oppenauer氧化反应的机理如下：,从这里可以看出三异丙基氧铝的催化作用，进行的是氢负离子的转移，而不是产生低价的一价铝。这个反应只氧化仲醇，不能氧化伯醇。对于其它易被氧化的基团也极少受干扰。一般，烯丙醇、苄醇的活性比一级醇、二级醇的活性高，更容易被氧化。,3.Pb(OAc)4氧化反应 Pb(OAc)4在C6H6,CHCl3等中回流，对伯、仲醇氧化生成醛、酮也是一种良好试剂。而以吡啶为溶剂，室温下对下列化合物的氧化，能得到较好的产率。,89,2.4.5 酚类的氧化 酚类极容易被氧化，通常的氧化剂足以破坏酚类化合物。选择性地将酚类转变成二氢醌，可用过硫酸钾(K2S2O8)；而将酚类转变成醌则可用ON(SO3K)2(Fremys salt)：,2.5-碳原子上的氧化,2.5.1 使用二氧化硒2.5.2 使用N-溴代丁二酰亚胺(NBS)2.5.3 以铬酸类为氧化剂2.5.4 以KMnO4为氧化剂2.5.5 用强碱脱去-氢2.5.6 用O2氧化,2.5.1 使用二氧化硒,使用二氧化硒(SeO2)，可将烯类氧化成烯丙醇或，-不饱和醛，前者仅只需0.5mol，而后者需1.Omol的SeO2。反应的位置选择有时并不理想：,反应机制是二氧化硒向烯烃进行亲电加成反应，脱去-位碳原子上的氢，形成相邻烯烃的硒酸。继续进行分子内重排成为亚硒酸酯，经水解生成烯丙醇。如果进一步氧化，形成，-不饱和羰基化合物。,二氧化硒氧化三取代烯烃时，与碳-碳双键中取代较多碳原子相连的烃基上的-碳-氢键被氧化。这种选择性与上述二氧化硒亲电加成的机制有关。,碳-碳双键烯丙位碳氢键还可经芳基硒化物氧化。氧化时首先在碳-碳双键上加成，加成产物进一步被氧化为硒氧化物。经Syn-消除而形成移位烯烃。反应的结果使原有碳-碳双键上引入含氧基团。例如：,高价硒化物也能将芳环上甲基侧键氧化控制在醛的阶段。例如：,使用二氧化硒也可将酮类化合物的-氢氧化成羰基，它是制备-二酮的方法。其氧化机制也是通过烯醇式进行的。例如：,2.5.2 使用N-溴代丁二酰亚胺(NBS),在无水条件下，光照或采用其他自由基反应，将烯类氧化成烯丙基溴化物或将取代苯氧化成苄溴化合物，有时反应的位置选择也是不理想：,反应若在水溶液中进行，则先以溴阳离子Br+与双键作用，结果产生溴醇：,2.5.3 以铬酸类为氧化剂,如K2CrO4，CrO3吡啶和CrO2(O-Bu-t)2等，可选择性的将烯丙位碳氢键氧化成羰基：,铬酐吡啶在二氯甲烷中也可将烯丙位碳氢键氧化成羰基。实验证明这种氧化为自由基反应。反应时，也有用3，5-二甲基吡啶代替吡啶的。例如：,65-66,另外一种易于被氧化的碳氢键就是芳环上的甲基，或苄基碳氢键。铬酐-醋酐混合物可因生成双醋酸酯，而停止在氧化成醛的阶段。例如：,铬酰氯（CrO2Cl2）又名艾托试剂，在CS2,CCl4以及CH2Cl2溶液中与芳环侧链甲基作用，生成复合物沉淀。在NaHCO3,FeSO4,Zn+H2O等体系中水解，避免生成的醛进一步被氧化得醛。,控制CrO2Cl2的摩尔比，可使同一分子中的两个甲基只氧化一个而保留另一个。若分子中同时存在-NO2,-OCH3基时，氧化不受影响。,90,2.5.4 以KMnO4为氧化剂,在高锰酸钾溶液中芳环上的甲基，或苄基碳氢键可氧化。如：,2.5.5 用强碱脱去-氢,使用强碱将羰基化合物的-氢脱去，再加入适当的氧化剂，则可得到-X取代产物(XOOH，OH，Br，SR，SeR等):,-X取代的羰(羟)基化合物，进一步进行脱去反应产