第十章第十章 还原反应还原反应还原，氧化反应的逆过程，降低官能团氧化度的方法1山东科技大学化学与环境工程学院王鹏还原反应概述还原反应概述p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，还原反应一般分为两类，催化加氢和化学法还原催化加氢和化学法还原，两，两类反应在很多情况下可得相同产物类反应在很多情况下可得相同产物还原反应的困难在于还原反应的困难在于选择性选择性还原特定基团还原特定基团p本章主要介绍对不饱和键的还原，如碳碳双键、羰基等2山东科技大学化学与环境工程学院王鹏10.1 催化加氢催化加氢p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这是还原反应中最为简便的方法之一选择选择合适的催化剂合适的催化剂是实现是实现选择性加氢选择性加氢的关键的关键p催化剂选择的特点：越活泼选择性越差越活泼选择性越差，具有选择性的催化剂活性都较低，具有选择性的催化剂活性都较低催化活性受负载物等催化活性受负载物等外部条件外部条件影响影响催化加氢的关键是了解各催化剂的使用范围催化加氢的关键是了解各催化剂的使用范围3山东科技大学化学与环境工程学院王鹏10.1.1 异相催化氢化异相催化氢化p一、常见的催化剂：Raney Ni：n用用NaOH溶去溶去镍铝合金镍铝合金中的中的Al ，洗涤后的残余物为，洗涤后的残余物为Raney Ni催化剂，主要含催化剂，主要含Ni、Al(18%）及少量）及少量NiO和和Al2O3水合物。类似海绵状的微粒，总表面积水合物。类似海绵状的微粒，总表面积为为50130 m2/g。Lindlar Pd：n将单质钯负载于将单质钯负载于CaCO3上，然后使用醋酸铅上，然后使用醋酸铅毒化毒化，或者使用或者使用BaSO4为负载物，使用喹啉为负载物，使用喹啉毒化处理毒化处理4山东科技大学化学与环境工程学院王鹏催化剂的还原催化剂的还原同样的钯催化剂，活性炭负载时催化活性高，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，同一催化剂硫酸钡负载时活性低；一般而言，同一催化剂的的表面积越大，活性越高表面积越大，活性越高p二、金属催化剂的催化机理一般认为：金属催化剂的催化是通过一般认为：金属催化剂的催化是通过同时吸附同时吸附氢气和不饱和键，生成的活泼氢原子从氢气和不饱和键，生成的活泼氢原子从同侧进同侧进攻攻削弱的不饱和键，因此加氢是顺式的，且从削弱的不饱和键，因此加氢是顺式的，且从位阻较小的方向进攻为主位阻较小的方向进攻为主5山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p三、各官能团的还原：碳碳重键碳碳重键可通过选择催化剂分别得到可通过选择催化剂分别得到烷或烯烷或烯羰基羰基一般还原一般还原为醇为醇，用单质钯催化则能得烃，用单质钯催化则能得烃n同时存在双键和羰基时，需选择特殊催化剂以还原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，锇则还原羰基特定基团，如钯还原双键，锇则还原羰基n通过控制条件可以使通过控制条件可以使, -不饱和酮不饱和酮变为变为饱和酮饱和酮硝基或腈硝基或腈等含氮官能团可以在不同催化剂条件等含氮官能团可以在不同催化剂条件下得到氨基下得到氨基6山东科技大学化学与环境工程学院王鹏各官能团的还原各官能团的还原烯烃催化还原的特点为：烯烃催化还原的特点为：n取代基越多，越难加氢，其稳定性如下：取代基越多，越难加氢，其稳定性如下：n反式比顺式烯烃稳定，乙炔加氢活性高于乙烯反式比顺式烯烃稳定，乙炔加氢活性高于乙烯n钯和铑（钯和铑（Pd, Rh）最常用，优先还原碳碳双键）最常用，优先还原碳碳双键R2C=CR2 R2C=CHR R2C=CH2 RCH=CH2 CH2=CH27山东科技大学化学与环境工程学院王鹏炔烃的催化还原：炔烃的催化还原：nPd、Pt、Raney Ni等催化剂都还原得到烷烃等催化剂都还原得到烷烃nLindlar Pd等催化剂可还原三键为等催化剂可还原三键为顺式烯烃顺式烯烃，不还，不还原羰基原羰基8山东科技大学化学与环境工程学院王鹏羰基的催化还原：羰基的催化还原：n不同催化剂得到不同的产物：不同催化剂得到不同的产物：n羰基和双键的选择性还原需注意条件：羰基和双键的选择性还原需注意条件：9山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p二、催化氢解底物分子催化下底物分子催化下加氢变为两个或更多分子加氢变为两个或更多分子的还的还原过程。原过程。常用于被保护基团的去保护，如常用于被保护基团的去保护，如苄酯、苄醚苄酯、苄醚等等的苄基可以被的苄基可以被Pd-C催化加氢而除去，从而用于催化加氢而除去，从而用于羟基的保护去保护方案羟基的保护去保护方案常用的催化氢解催化剂：常用的催化氢解催化剂：nPdC和和Raney Ni最常使用最常使用n卤代烃可以通过催化氢解除去，活性为卤代烃可以通过催化氢解除去，活性为IBrClF10山东科技大学化学与环境工程学院王鹏举例：举例：11山东科技大学化学与环境工程学院王鹏10.1.2 均相催化氢化均相催化氢化p均相催化氢化：使用可溶性的催化剂（铑、钌、铱等的磷配位使用可溶性的催化剂（铑、钌、铱等的磷配位络合物，如络合物，如RhCl2(PPh3)3），使催化剂和底物），使催化剂和底物在同一相中进行还原反应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反应可以在较低温度和较低压力下进行均相催化的好处：均相催化的好处：n避免避免烯烃异构化和氢解等烯烃异构化和氢解等副反应副反应n还原的还原的选择性高选择性高n利用手性配体催化剂，可以实现利用手性配体催化剂，可以实现手性还原手性还原12山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p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与非均相催化不同，金属中心是络合物而非单质质均相催化氢化的机理均相催化氢化的机理均相催化四步均相催化四步循环：循环：加氢加氢、吸附吸附、加成加成和和脱离脱离13山东科技大学化学与环境工程学院王鹏RhCl2(PPh3)3的应用：的应用：选择性还原端烯选择性还原端烯避免氢解反应避免氢解反应14山东科技大学化学与环境工程学院王鹏10.2 溶解金属还原溶解金属还原p溶解金属还原：将将活泼金属活泼金属（如锂、钠、钾等）加到（如锂、钠、钾等）加到质子性溶质子性溶剂剂（如乙醇、乙酸）中进行还原的方法称作溶（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解金属还原，该方法具有良好的化学选择性及立体选择性立体选择性反应本质是电子对不饱和键的加成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反应涉及的方面主要包括芳环芳环、羰基羰基、碳碳重碳碳重键键的还原的还原p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山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p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物，随后底物从溶剂中获得质子完成还原常用的金属有常用的金属有锂、钠、镁、锌、铁锂、钠、镁、锌、铁等，溶剂有等，溶剂有醇、乙酸、液氨、浓盐酸醇、乙酸、液氨、浓盐酸等等反应的原理决定加氢是分步的，故必为反式反应的原理决定加氢是分步的，故必为反式16山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p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碱金属液氨体系可以还原苯环为1，4二烯二烯烃，称为烃，称为Birch还原还原该还原的重要之处在于苯甲醚及苯胺类化合物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还原后水解可得环己烯酮衍生物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物，其安全性和操作性更好17山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p伯奇还原生成环己二烯，双键以供电子基团为取代基：18山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p三、醛酮的还原溶解金属法溶解金属法还原酮具有良好的立体选择性，产还原酮具有良好的立体选择性，产物物以热力学稳定以热力学稳定异构体为主异构体为主立体选择性源于反应中间体：负离子自由基的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热力学控制条件负离子自由基19山东科技大学化学与环境工程学院王鹏Clemmensen还原：还原：n锌汞齐浓盐酸锌汞齐浓盐酸还原醛还原醛/酮成为亚甲基的反应称为酮成为亚甲基的反应称为Clemmensen还原，是重要的还原反应还原，是重要的还原反应20山东科技大学化学与环境工程学院王鹏Clemmensen还原的缺陷：还原的缺陷：n强酸性强酸性条件，底物含对酸敏感基团时不能使用条件，底物含对酸敏感基团时不能使用Clemmensen还原的改进：还原的改进：n锌粉氯化氢气体加非质子性溶剂（乙醚或乙酐）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时保持稳定Wolff-Kishiner-黄鸣龙还原黄鸣龙还原:n碱性下的还原方法，是碱性下的还原方法，是Clemmensen还原的还原的替代方案替代方案n通常采用通常采用KOH二甘醇水合肼体系加热回流二甘醇水合肼体系加热回流21山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p苄基的裂解：溶解金属还原可以将溶解金属还原可以将苄基醚和苄基胺苄基醚和苄基胺通过还原裂解的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困难，解决的方法是将苄胺先变为季铵盐先变为季铵盐，还原就可，还原就可以顺利进行，该反应也称为以顺利进行，该反应也称为Emde（埃姆德）降解（埃姆德）降解反应反应p霍夫曼降解：酰胺与次卤酸钠的碱溶液作用生成少酰胺与次卤酸钠的碱溶液作用生成少一个碳的伯胺一个碳的伯胺，羰基被消除生成碳酸盐，也称霍夫曼重排羰基被消除生成碳酸盐，也称霍夫曼重排R-CONH2 + NaOX + 2NaOH R-NH2 +Na2CO322山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p炔烃的溶解金属还原：非末端炔烃还可通过溶解金属法（非末端炔烃还可通过溶解金属法（Na-NH3(L)）还原。）还原。反应主要生成反应主要生成反式构型反式构型烯烃，与催化氢化产物相反烯烃，与催化氢化产物相反反应历程：反应历程：n反应时炔烃首先得到电子反应时炔烃首先得到电子生成负离子自由基生成负离子自由基，随后从溶剂中得，随后从溶剂中得到一个质子为双键中间体，该中间体到一个质子为双键中间体，该中间体反式稳定反式稳定n中间体再重复得电子加氢生成烯烃中间体再重复得电子加氢生成烯烃反应注意：反应注意：n末端炔烃可与金属形成金属炔化物（炔氢酸性），阻止了还原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，所以的进行，所以末端炔烃末端炔烃不能用此法还原不能用此法还原23山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p能用溶解金属法还原的其他基团：酯基可以被还原为醇，但位阻大的酯不能反应，酯基可以被还原为醇，但位阻大的酯不能反应，还原体系为还原体系为锂或钠混于液氨锂或钠混于液氨-乙醚乙醚中中邻二卤代物可以通过此法还原得到烯烃，金属邻二卤代物可以通过此法还原得到烯烃，金属需需使用锌或镁使用锌或镁环氧化合物和环丙基可以通过此类方法开环，环氧化合物和环丙基可以通过此类方法开环，得到醇或烃得到醇或烃氯化物可以通过此类方法脱卤还原得到烃类，氯化物可以通过此类方法脱卤还原得到烃类，但要防止但要防止Wurtz偶联的影响偶联的影响24山东科技大学化学与环境工程学院王鹏10.3 负氢转移还原负氢转移还原p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p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p典型还原剂的制备：硼氢化钠：硼氢化钠：氢化钠氢化钠+硼酸三甲酯硼酸三甲酯四氢铝锂：四氢铝锂：氢化锂氢化锂+无水三氯化铝无水三氯化铝25山东科技大学化学与环境工程学院王鹏10.3.1 LiAlH4与与NaBH4p还原举例26山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p反应机理：亲核加成水解亲核加成水解 LiAlH4的反应机理与硼氢化钠相同，也是亲核加成后水解的反应机理与硼氢化钠相同，也是亲核加成后水解 27山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p四氢铝锂与硼氢化钠还原总结 ：相同点：相同点：n都是合成中常见的负氢来源还原剂，都能都是合成中常见的负氢来源还原剂，都能还原碳氧及碳氮还原碳氧及碳氮双键，双键，都都不还原碳碳不还原碳碳双键双键n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还原也是相似的机理，这些还原都是不可逆反应不同点：不同点：n四氢铝锂亲核性更强，活性更高，能够还原各种羰基为醇四氢铝锂亲核性更强，活性更高，能够还原各种羰基为醇n硼氢化钠的选择性更高，只能还原醛、酮、酰卤和含强吸电子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，因此应用也很广泛性溶剂中反应，因此应用也很广泛 28山东科技大学化学与环境工程学院王鹏10.3.2 其他负氢提供者：其他负氢提供者：p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，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而烃氧基铝氢化物活性介于两者之间制备：制备：n四氢铝锂与四氢铝锂与三倍量的醇三倍量的醇反应可得三烃氧基氢化铝锂反应可得三烃氧基氢化铝锂n烃氧基的不同可使其具有不同的还原能力烃氧基的不同可使其具有不同的还原能力p红铝溶液：红铝（红铝（Red-Al）：双（甲氧乙氧基）铝氢化钠，）：双（甲氧乙氧基）铝氢化钠，结构类似于烃氧基铝氢化物，但多一个氢结构类似于烃氧基铝氢化物，但多一个氢29山东科技大学化学与环境工程学院王鹏红铝制备：红铝制备：n将钠及铝在氢气下加压即可得到红铝：将钠及铝在氢气下加压即可得到红铝：市售的红铝溶液为市售的红铝溶液为重量比重量比70%的双（甲氧乙氧的双（甲氧乙氧基）铝氢化钠的基）铝氢化钠的甲苯溶液甲苯溶液烃氧基铝氢化合物烃氧基铝氢化合物双（甲氧乙氧基）铝氢化钠双（甲氧乙氧基）铝氢化钠30山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p红铝的反应特点：其甲苯溶液还原能力介于其甲苯溶液还原能力介于NaBH4和和LiAlH4之间，大多之间，大多数情况下红铝溶液可替代氢化铝锂。而且红铝本身为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不还原脂肪腈类p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不利容易引发火灾，大规模使用时的储存成本高31山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p醇铝：醇铝（如异丙醇铝）能还原羰基化合物为醇，醇铝（如异丙醇铝）能还原羰基化合物为醇，被称为被称为Meerwein-Pondorff-Verley（MPV）反）反应，是高产率的可逆反应应，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反应是通过六元过渡态将负氢转移到羰基上的32山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p硼烷：硼烷是强路易斯酸，能与富电子的双键结合，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、羧酸衍生物等，也能与碳碳因此可还原醛酮、羧酸衍生物等，也能与碳碳双键加成得到有机硼化合物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，与硼氢化钠不同，硼烷进攻双键属于亲电加成，因此因此带吸电子基团的醛酮带吸电子基团的醛酮较较难反应难反应，如：，如：n三氯乙醛的还原，硼烷还原较硼氢化钠还原困难三氯乙醛的还原，硼烷还原较硼氢化钠还原困难n叔丁基乙醛（新戊醛）则硼烷容易反应叔丁基乙醛（新戊醛）则硼烷容易反应33山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p硼烷应用：硼烷还原主要用于羧酸的选择性还原，活性强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立体效应使大位阻的硼烷还原选择性更高34山东科技大学化学与环境工程学院王鹏p其他还原剂：氢化铝：氢化铝：n与乙硼烷相似。也是通过亲电反应还原醛酮、羧酸与乙硼烷相似。也是通过亲电反应还原醛酮、羧酸衍生物等衍生物等n四氢铝锂与三氯化铝反应制备，合成中的主要应用四氢铝锂与三氯化铝反应制备，合成中的主要应用是是选择性还原选择性还原,-不饱和羰基化合物不饱和羰基化合物的羰基的羰基生成烯生成烯丙醇类丙醇类结构结构烃基铝氢化物：烃基铝氢化物：n类似于烃基硼烷，常用二异丁基氢化铝，主要用于类似于烃基硼烷，常用二异丁基氢化铝，主要用于还原酯，内酯和腈类成为醇还原酯，内酯和腈类成为醇35山东科技大学化学与环境工程学院王鹏10.4 其他的还原剂其他的还原剂p烷基硅烷：烷基硅烷中含有烷基硅烷中含有Si-H结构，可以对不饱和键进行加成，结构，可以对不饱和键进行加成，从而还原双键为烃从而还原双键为烃在过渡金属催化剂存在下，反应速度加快在过渡金属催化剂存在下，反应速度加快p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基的反应称为Wolff-Kishiner-黄鸣龙反应，是碱性条件黄鸣龙反应，是碱性条件下还原醛酮的重要反应下还原醛酮的重要反应最初是最初是Wolff-Kishiner使用的无水肼反应，而后黄鸣龙使用的无水肼反应，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泛应用36山东科技大学化学与环境工程学院王鹏其他还原试剂其他还原试剂黄鸣龙还原的改进是在黄鸣龙还原的改进是在DMSO中使用叔丁醇钾为碱，中使用叔丁醇钾为碱，反应可以在室温下进行反应可以在室温下进行p偶氨：偶氨不是单独存在的试剂，是肼被氧化的产物。使用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偶氮碳酸钾、对甲苯磺酰肼等可以作为偶氮的提供源p其他的无机还原剂，如SnCl2（重氮变肼）37山东科技大学化学与环境工程学院王鹏还原总结还原总结p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p催化还原中，不同催化剂对产物的影响p溶解金属中的Clemmensen还原及Birch还原p肼的使用及Wolff-Kishiner-黄鸣龙还原的应用p最重要的负氢还原剂：LiAlH4与NaBH438