第二章 精細有機合成反應的 工業(yè)應用

第七章氧化反應從廣義上講，凡是有機物分子中的碳原子失去電子，碳原子總的氧化態(tài)增高的反應均稱為氧化反應；從狹義上講，凡是反應物分子中的氧原子數(shù)增加、氫原子數(shù)減少的反應稱為氧化反應。第一節(jié)、催化氧化與催化脫氫

自動氧化催化氧化

催化脫氫一、催化氧化

1.反應歷程催化氧化可分為均相催化氧化和非均相催化氧化(即定相催化氧化)兩種方式.均相催化氧化物基本上屬于自由基鏈式反應,反應經(jīng)歷鏈的引發(fā).鏈的傳遞和鏈的終止三個階段。其中決定性作用步驟是鏈的引發(fā)。均相絡合物催化氧化技術(shù)的研究得到了較快的發(fā)展.它是以過渡金屬絡合物(以鈀絡合物用得較多)為催化劑,反應首先是由催化劑的過渡金屬中心原子與反應物分子構(gòu)成配位鍵使其活化,繼而在配位鍵上進行氧化反應.這類反應具有催化活性高,反應選擇性好,操作條件溫和等優(yōu)點.但催化劑中毒,原料純度要求高,成本較貴.非均相催化氧化反應大致分為以下五個步驟:①

反應物在催化劑表面上的擴散.②

反應物被催化劑表面吸附③

被吸附的反應物發(fā)生氧化反應,并釋放出能量④

氧化產(chǎn)物自催化劑表面脫附⑤

脫附的產(chǎn)物由催化劑表面擴散到流體相并帶走熱量2﹒常用催化劑均相催化氧化工業(yè)上常用的催化劑為過渡金屬的有機酸鹽,如乙酸鈷﹑丁酸鈷﹑環(huán)烷酸鈷﹑乙酸錳等,非均相催化氧化常用的固體催化劑有:釩和鉬等過渡金屬氧化物;銀﹑鈀等貴金屬.3．反應溶劑的選擇若反應物能溶于水,則一般用用新蒸餾的水作溶劑,以防催化劑因重金屬離子的存在而中毒失效.不溶于水的反應物可根據(jù)器溶解性能選用丙酮等極性溶劑;或者選用庚烷﹑氯仿﹑乙酸乙酯﹑硝基苯等與水互不混溶的極性較弱或非極性的溶劑.5．影響催化氧化反應的主要因素反應物結(jié)構(gòu)的影響伯醇通常比仲醇容易被氧化;當多醇分子中同時存在有伯羥基和仲羥基時,一般是伯羥基優(yōu)先被催化氧化.這是因位阻效應所致.介質(zhì)PH值的影響伯醇在中性介質(zhì)中催化氧化的醛,二在堿性介質(zhì)中卻幾乎定量的生成羧酸.反應物若是多元伯醇,則一般只是一個伯羥基氧化成羧基.介質(zhì)的PH值對催化氧化反應的產(chǎn)物起著決定的作用.催化劑結(jié)構(gòu)的影響同一原料若采用不同的催化劑進行催化氧化，可能得到不同的產(chǎn)物.此外,反應條件﹑反應時間﹑催化劑用量等對反應速度﹑反應產(chǎn)物均有影響.一般來講,反應條件速度加快,氧化程度加深.二、催化脫氫

有機化合物在催化劑的作用下，受熱裂解脫氫，生成不飽和的氧化產(chǎn)物，此現(xiàn)象稱為催化脫氫。這類反應在工業(yè)上已得到廣泛的應用。環(huán)狀化合物不飽和程度越高，則脫氫芳構(gòu)化反應越容易進行，而飽和的環(huán)狀化合物則較難進行脫氫芳構(gòu)化。1.反應歷程及催化劑脫氫是加氫反應的逆過程。有機反應物首先被吸附在催化劑表面上，繼而將氫原子轉(zhuǎn)移給催化劑，最后脫氫產(chǎn)物脫離催化劑表面而完成反應的全過程。催化脫氫的催化劑有：鉑、鈀、鎳、銅、金屬氧化物及硫、硒等。2.副反應問題由于催化脫氫和催化加氫所用的催化劑有些是相同的，因此在催化脫氫反應中可能會有催化加氫或催化氫解等副反應伴隨發(fā)生。仲醇、叔醇催化脫氫反應中有脫水反應發(fā)生。3.輔助試劑的應用液相催化脫氫反應體系中，常加入一些輔助試劑，如苯、環(huán)己酮等。它們的作用是作為氫接收體，有利于脫氫反應的順利進行。四、氨氧化

R-CH3烴類化合物(R==H,烴類,芳基)在催化劑存在下,與氨和空氣的混合物進行高溫氧化,生成腈的反應稱為氨氧化反應.該反應歷程有幾種不同的解釋,一般認為室自由基反應.以丙烯的氨氧化反應為例,首先氧化成丙烯醛，然后在與氨加成,脫水最后氧化成氧化成丙烯腈.氨氧化反應具有原料價料易得,操作方便,可在常壓或低壓下反應產(chǎn)率高,純度,生產(chǎn)安全等優(yōu)點,在工業(yè)上以被廣泛應用.第二節(jié)、化學氧化

有些氧化劑其氧化能力很強,可氧化多種基團,但反應選擇性差,這類氧化劑被稱為通用氧化劑.如高錳酸鉀﹑重鉻酸鈉等.還有一些氧化劑,它們只能氧化某種基團,而對其他基團沒有影響,反應選擇性高,這類氧化劑被稱為專用氧化劑.如異丙醇鋁/丙酮﹑三氧化鉻—吡啶復合物﹑四乙酸鉛等。一、過氧化物

1﹒過氧化氫2.錳化合物二、錳化合物

1﹒高錳酸鉀高錳酸鉀作為氧化劑主要用于芳環(huán)或雜環(huán)側(cè)鏈氧化成羧基,烯鍵的順-鄰二羥基化或羰基化,以及烯鍵的裂解.由于它的氧化性很強而反應選擇性差,所以在應用上受到一定的限制.1.芳環(huán)或雜環(huán)側(cè)鏈氧化成羰基芳烴穩(wěn)定,一般不易被氧化。但多環(huán)芳烴卻容易被氧化開環(huán)而成芳酸,特別是連接有氨基或羥基的芳環(huán)更容易被氧化。如下列:芳環(huán)側(cè)鍵不論長短均可被氧化成羧基,且較長的側(cè)鏈比甲基更易被氧化。雜環(huán)的側(cè)鏈亦可被氧化成羧基。2.烯鍵順-鄰二羥基化或羰基化在較強的堿性溶液中和較低溫度下,高錳酸鉀稀溶液可使烯烴氧化﹑水合,得到順式鄰二羥基化合物.在弱堿性溶液中(PH=9～9.5)氧化產(chǎn)物是α-羥基酮.若以醋酸為溶劑,高錳酸鉀氧化的結(jié)果使烯烴變?yōu)榇姿狨ズ挺?二酮

3).烯鍵裂解為羧基和羰基濃的和過量的高錳酸鉀,在較高的溫度下,可使烯鍵裂解,生成羧酸和酮.如下例：2.活性二氧化錳

在堿存在下高錳酸鉀和硫酸錳反應,制得高活性含水二氧化錳.它是一種溫和的氧化劑,常在室溫進行氧化反應.特別適用于烯丙醇或芐醇氧化,制取α,β-不飽和醛、酮，且雙鍵構(gòu)成不受影響，反應選擇性較好，收率較高，但需較長的反應時間。它還用于酸性介質(zhì)種苯胺的氧化，產(chǎn)物為對苯醌。三、鉻酸及其衍生物

1、鉻酸鉻酸主要用于芳環(huán)側(cè)鏈及醇的氧化.產(chǎn)物類型與反應介質(zhì)的PH值有關.①芳環(huán)側(cè)鏈的氧化A.在酸性介質(zhì)中,芳環(huán)側(cè)鏈不論長短,都被氧化成α-羧酸.反應可能是從攻擊側(cè)鏈α—碳原子開始.

B.在中性介質(zhì)中,高溫高壓條件下,芳環(huán)側(cè)鏈末端碳氫鍵被氧化，生成ω-羧酸.

C.在弱堿性介質(zhì)中,并環(huán)芳烴氧化得酮；稠環(huán)α-位氧化得醌

2)酚、芳胺的氧化鉻酸可將酚、芳胺氧化成醌。如下例：3）醇的氧化瓊斯（Jones）試劑可將不飽和醇氧化成不飽和酮，不飽和鍵及其構(gòu)型以及其他對氧化及敏感的基團（如氨基、烯丙位碳氫鍵等）均不受影響。2.鉻酸衍生物鉻酸的酸性溶液雖然氧化能力很強,但反應選擇性較差,不能用于對酸敏感的基團或其他易氧化基團的有機物質(zhì)的氧化.鉻酸衍生物(主要包括:醋酸混和酐、鉻酰氯、鉻酸叔丁酯、鉻酐吡啶復合物、重鉻酸吡啶鹽等)作為氧化劑,他們各有自己的特點,的用來進行選擇性氧化反應.1)醋酸混和酐CrO2(OAC)2

混和酐主要用于氧化芳上的甲基側(cè)鏈,是制備芳醛的的重要方法之一.產(chǎn)率中等.芳環(huán)上帶有硝基、鹵素、氰基、酯基等均不受影響.2)鉻酰氯鉻酰氯可將甲基芳烴氧化成芳醛.一般是把甲基芳烴慢慢加到鉻酰氯的二硫化碳或二氯甲烷、四氯化碳溶液中,首先生成復合物沉淀,然后酸性水解成芳醛.若芳環(huán)上有數(shù)個甲基,則僅其中一個甲基氧化成醛基,這是該氧化劑的特點之一.鉻酰氯還可以用于將α取代末端烯烴氧化成α-取代醛.如下例:③鉻酸叔丁酯鉻酸叔丁酯通常用于烯丙基的氧化,生成α,β-不飽和碳基化合物,也使伯醇氧化成醛、仲醇氧化成酮。④鉻酐吡啶復合物鉻酐吡啶復合物用于醇的氧化,生成相應的醛或酮.反應條件溫和,反應選擇性好.分子中若含又其他易氧化的或?qū)λ崦舾械幕鶊F,例如:烯鍵、縮醛、縮酮、環(huán)氧環(huán)等均不受影響.且可用于選擇性的氧化烯丙位亞甲基才能夠羰基.⑤重鉻酸吡啶鹽重鉻酸吡啶鹽的氧化性能與鉻酐吡啶復合物相同.但前者制備操作安全,使用方便.四、硝酸

硝酸常用來氧化芳核或雜環(huán)側(cè)鏈成羧酸成羧酸；含有對堿敏感的基團的醇，氧化成相應的酮或羧酸；活潑亞甲基氧化成羰基；氫醌氧化成醌；亞硝基化合物氧化成硝基化合物。己二酸正已酸聯(lián)苯甲酰五、含鹵氧化劑

含鹵素氧化劑品種較多，氯氣是其中最便宜的一種，用它著氧化劑，常有氯化反應伴隨發(fā)生。本節(jié)僅介紹幾種常用的的含鹵素的氧化劑，包括：次氯酸鈉、高碘酸、三氯化鐵、N－溴代琥珀酰亞胺（NBS）、N－溴代乙酰胺（NBA）、N－氯代乙酰胺（NCA）。1.次氯酸鈉次氯酸鈉將稠環(huán)或具有側(cè)鏈的芳香烴氧化成羧酸。次氯酸鈉能夠使羰基α位活潑亞甲基或甲基氧化斷裂，生成羧酸。該反應首先是活潑亞甲基或甲基上的氫原子被氯取代。然后在發(fā)生碳碳鍵斷裂氧化成羧酸。

2.高碘酸

高碘酸及其鹽類，能氧化1，2－二醇、α－氨基醇、α－羥基銅、1，2－二酮，發(fā)生碳碳鍵斷裂，生成羰基化合物或羧酸。反應常是定量進行。

實驗表明：1，2－環(huán)己二醇的順式異構(gòu)體比反式異構(gòu)體易被高碘酸氧化，反應速率約會30倍。一些剛性的環(huán)狀1，2－二醇，其反式異構(gòu)體與高碘酸不反應。因此有人認為高碘酸氧化過程中有環(huán)酯化合物形成。

反應歷程如下：

3.三氯化鐵

三氯化鐵是一種弱氧化劑,用它作氧化劑可防止反應產(chǎn)物進一步被氧化，常用于多元酚或芳胺的氧化，產(chǎn)物為醌，收率較高。反應一般在酸性條件下進行。4.N–溴代丁二酰亞胺（NIS），N-氯代乙酰胺（NCA）

NBS、NBA、NCA屬同一類具有一定選擇性的氧化劑。以含水丙酮或含水1，4－二氧六環(huán)為溶劑，可使伯醇、仲醇氧化成相應的醛和酮。就脂環(huán)醇而言，α-羥基比e-羥基容易氧化，該立體選擇性在甾醇的氧化中已廣泛應用。六．二氧化硒

二氧化硒是一種選擇性較好的氧化劑，主要用于將羰基相連的甲基或亞甲基氧化成羰基；烯丙位烴基氧化成相應的醇羥基或進一步氧化成羰基化合物；1，4－二銅氧化成2，3－不飽和1，4－二酮。該反應常用1，4－二氧化六環(huán)、醋酸、乙醇、水等作溶劑，二氧化硒在溶液中先轉(zhuǎn)化為亞硒酸、（HO）2SeO或相應的亞硒酸二烷基酯，反應中Se4+被還原成紅黑色的不溶性金屬硒、反應完畢后剩余的二氧化硒必須除去，方法是通入二氧化硫或加入醋酸鉛溶液！

1.氧化碳基α—位活潑甲基或亞甲基成羰基

反應歷程：

上式表明：氧化反應首先式亞硒酸和羰基化合物的稀醇式發(fā)生親電進攻，形成亞硒酸酯，進而發(fā)生（2，3）δ遷移重排，形成1，2－二羰基化合物。2.氧化烯丙位基成相應的醇或羰基化合物烯丙位烴基被亞硒酸氧化成醇，在用醋酸為溶劑時氧化成乙酰氧基化合物，在過量的二氧化硒存在硒可進一步氧化成酮。反應歷程可能由三個基本步驟構(gòu)成：①二氧化硒與水形成的亞硒酸作為親稀組分，與具有烯丙位氫的烯烴反應。②脫水，同時發(fā)生（2，3）δ遷移重排得硒酯。③硒酯水解斷裂成烯丙醇化合物。若反應物由多個烯丙位存在，該氧化反應選擇性規(guī)則如下：首先氧化雙鍵碳取代基較多一邊的烯丙位基

以遵守上述規(guī)則為前提，氧化活性順序為CH2>CH3>CH對于環(huán)狀烯烴，雙鍵羰上取代基較多一段的環(huán)上烯丙位碳氫鍵被氧化成羥基。末端烯烴在進行該氧化反應時，常發(fā)生烯丙位重排，羥基引入末端反應歷程如下：七、四乙酸鉛

四乙酸鉛可由四氧化三鉛與含有少量醋酐于65℃反應二得。它是一種晶狀固體，熔點175－180℃。與水立即分解成棕黑色的二氧化鉛和乙酸，遇醇液也會迅速反應，因此忌用水和醇作反應溶劑。常用的溶劑由：冰醋酸、苯、氯仿、二氯甲烷、三氯乙烯、硝基苯、乙腈等。氧化反應結(jié)束后，剩余的四乙酸鉛可用滴加乙二醇的辦法將其除去。1．1，2－二醇氧化斷裂成醛和酮

反應歷程：一般認為四經(jīng)過一個環(huán)狀中間體

可能經(jīng)歷了非環(huán)狀中間體的酸或堿催化消除的過程。

2、伯醇、仲醇氧化成或酮

一般用于特殊結(jié)構(gòu)的醇和氧化，如將不飽和醇氧化不飽和醛

3、具有δ－H的醇氧化合成四氫呋喃衍生物反應歷程：4．羧酸氧化脫羧成烯

反應歷程：八、二甲基亞砜

二甲基亞砜（即DMSO）是實驗室中常用的一種非質(zhì)子極性溶劑，與水、乙醇、丙酮、乙醚、氯仿、苯等均可混溶。近幾十年來又發(fā)現(xiàn)它是一種很有用的選擇性氧化劑。如它能選擇性地氧化某些活性鹵化物，生成相應的羰基化合物；在強親電性試劑和質(zhì)子供給體的存在下，它很容易將伯醇、仲醇氧化成相應的醛和酮。該反應條件溫和，產(chǎn)率較高，在生物堿、甾體化合物和糖類化合物等含有易變官能團的復雜有機化合物的氧化上應用較多。DMSO作為氧化劑用于有機合成有下列幾種情況

1.DMSO單獨使用DMSO能單獨氧化α－鹵代羧酸酯、α－鹵代羧酸、α－鹵代苯乙酮、鹵芐、伯碘代烷等活性鹵化物，生成相應的醛或酮。但對醇的氧化較困難。DMSO/DCC氧化劑