《中级有机化学》章末总结12

第十二章为氧化反应。

第12章

12.1 氧化反应的机理类型

氧化反应和还原反应一样，由于其机理复杂，因此迄今为止人们对大多数有机氧化反应的机理了解还很少。

从基本反应类型来看，有机氧化反应可以粗略分为消除类型、加成类型和单电子转移类型等。

烷烃在催化剂存在下的脱氢、醇被铬酸类试剂、Swern氧化等过程都可分类为消除反应，即一分子的$H_2/H_2O$的消除。

烯烃的环氧化、双羟化等反应可以分类为加成反应，即环氧/羟基的加成。

一些高价金属作氧化剂的反应往往涉及到单电子转移机理，例如$Ag_2O$将酚氧化为醌的反应。

12.2 脱氢反应

脱氢有热脱氢和催化脱氢两种，工业上主要以催化脱氢为主，

在脱氢剂存在下，$C-H$和$O-H$发生直接的脱氢反应，生成不饱和化合物。常用的有机脱氢剂有五价碘试剂如2-碘酰基苯甲酸（IBX）和2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌（DDQ）等。

IBX和DDQ能使不饱和化合物发生脱氢，容易使其芳构化，也容易将酮转化为α,β-不饱和酮，将醇转变为醛或酮，举两个例子。

DDQ夺氢的过程是比较复杂的，可能有负氢转移、单电子转移、氢原子转移等多种途径，此处略去。

醇可以直接脱氢得到醛或酮，酚则得到醌类化合物。

催化脱氢是催化氢化反应的逆过程，理论上，氢化反应的催化剂也能够用于脱氢反应。催化脱氢的反应机理随催化剂种类和底物类型而改变，但是其基本模式如下。

金属氢化物脱氢过程是可逆的，加热回流能够使产生的氢气从溶剂中驱逐出去，从而使反应平衡向产物方向进行。也可以使用合适的氢受体，如3,3-二甲基丁-1-烯（TBE）。

DDQ也是常用的氢受体，例如在$Cu(Ⅰ)$配合物/DDQ催化脱氢体系中进行的脱氢/D-A串联反应。

醇的催化脱氢生成相应的醛和酮。

若反应在伯胺或仲胺存在下，则醛与胺反应形成亚胺/烯胺中间体，后者可作为氢受体，将催化剂再生，而自身被催化加氢，转化为相应的胺。

上述转化把取代反应变为氧化-加成-还原三步，看似舍近求远，实际上把相对困难的反应降低了难度，最后仍能得到很好的收率，比如下面的例子。

含部分双键的氮杂环化合物很容易发生催化脱氢芳构化反应，生成芳杂环化合物。

催化氧化脱氢需要在过渡金属催化剂催化下进行，常用氧气作为氢受体，可将醇氧化为醛酮、将醛酮转化为α,β-不饱和醛酮。

醇发生脱氢反应生成醛或酮，常用的催化剂包括铜、钯和钌的配合物，纳米金也可作为催化剂使用，常用四甲基哌啶氮氧自由基（TEMPO）作为共氧化剂。

该反应的机理与催化脱氢的机理很相似，只是氧气作为氢受体，被还原为水，同时再生催化剂，这个催化氧化反应的最终氧化剂为氧气。

$Cu(Ⅰ)/TEMPO$体系也能催化醇的氧化。

在钯催化下，醛和酮衍生的烯醇硅醚可被氧气氧化脱氢，生成α,β-不饱和羰基化合物，此反应称为Saegusa氧化。

该方法需要先把醛或酮转化为烯醇硅醚后再氧化，不过也可通过原位形成的烯胺发生类似反应。

其机理如下：

（ 这图画的我想吐… ）

也可以直接发生氧化脱氢生成α,β-不饱和羰基化合物。

12.3 用氧气氧化

从机理来看，氧气参与的催化氧化过程大体上分为两类，一是以氧气作为直接氧化剂，一般需要单电子转移或能力转移过程来活化；二是氧气作为终端氧化剂，其作用是使催化剂再生，上文提到的催化氧化脱氢就是第二类反应。

乙烯和水在钯催化下被氧气氧化为乙醛，称为Wacker反应。反应具有区域选择性，末端炔烃的氧化生成甲基酮。

同位素表记实验表明，产物中酮羰基的氧来自水，而非氧气。

氧气的作用是在二甲胺（DMA）促进下将$Pd(0)$氧化为$Pd(Ⅱ)$。

醇和酚的氧气或空气氧化分别得到醛酮和醌，但随催化体系不同反应机理也相差较大。过渡金属催化的有氧氧化可将醇转化为醛和酮。

烷烃芳烃的苄基$C-H$键容易被氧气（或空气）氧化。异丙苯氧化重排制备苯酚的关键中间体过氧化异丙苯就是通过直接的空气氧化异丙苯得到的。

当苄基碳上连有$O,N$等杂原子或不饱和基团时，苄基$C-H$键的氧化更为容易发生。

12.4 用无机氧化剂氧化

烯烃经臭氧氧化，然后用还原剂还原，生成碳碳双键断裂产物醛或酮，反应称为臭氧化-还原水解反应，常用的还原剂包括锌粉、二甲硫醚和三苯基膦等。

一般认为该反应分为两个阶段，首先是烯烃与臭氧发生1,3-偶极环加成，生成一级臭氧化物，然后迅速分解转变为更稳定的二级臭氧化物。然后该产物水解得到醛或酮，生成的过氧化氢被还原。

炔烃的臭氧化得到两分子羧酸。当烯烃和炔烃同时存在时，炔烃的反应性低于烯烃，因此双键优先被还原。

含六价铬的氧化剂是一类高效的无机氧化剂，下面依次介绍几类常见的铬氧化剂。

铬酸能将伯醇氧化为羧酸，仲醇氧化为酮，其氧化性较强，也即选择性较差。

目前普遍接受的机理是Westheimer提出的铬酸酯机理。

三氧化铬与吡啶在二氯甲烷中生成的配合物，称为Collins试剂。Collins试剂可以将醇选择性氧化为醛酮，且反应在中性条件下进行，故可用于氧化对酸敏感的醇。

类似的选择性氧化试剂还有氯铬酸吡啶盐（PCC），重铬酸吡啶盐（PDC）等。

$MnO_2$能够选择性的将烯丙基醇和苄醇氧化为相应的醛或酮，通常这类反应在温和的中性条件下进行。

碱性的、稀的高锰酸钾水溶液可将烯烃氧化，立体专一性地生成顺式邻二醇。

一般认为这个氧化过程经历了一个五元环状的锰酸酯中间体，同位素标记证明邻二醇的两个氧均来自于高锰酸钾。

当使用较强的氧化条件时，如酸性的高锰酸钾水溶液，烯烃会被直接氧化断裂生成羧酸。

含$\alpha-H$的烷基苯可被高锰酸钾氧化为苯甲酸，无$\alpha-H$的叔丁苯不能被氧化。

四氧化锇常被用于将烯烃氧化为顺式邻二醇，但是考虑到$OsO_4$的价格及毒性，常常只使用催化量的$OsO_4$，并加入氯酸盐、过氧化氢等共氧化剂使$Os(Ⅵ)$再生为$Os(Ⅷ)$。

其反应机理与高锰酸钾类似，经历一个五元环状锇酸酯中间体。

四氧化钌可将烯烃氧化为α-羟基酮，将醇氧化为醛或酮，也可氧化相对惰性的$C-H$键。

和四氧化锇类似，通常反应时采用催化量的$RuO_4$或其前体（如$RuCl_3, RuO_2$等）和适当氧化剂组成的催化氧化体系。

当$RuO_4/CeCl_3/NaIO_4$催化氧化体系用于氧化烯烃时，主要得到双羟化产物；但当使用$RuO_4/NaIO_4$催化氧化体系则主要发生双键断裂反应。推测可能的原因是Lewis酸$CeCl_3$的存在抑制了$RuO_4$的氧化能力。

此类催化氧化体系可将醚和胺的$\alpha-C-H$键氧化，生成酯和酰胺。

$SeO_2$是一种选择性氧化剂，能够将烯丙基位或苄基位$C-H$键氧化，生成相应的烯丙醇或苄醇，不同苄基位$C-H$键被氧化的难易顺序是$CH_2 > CH_3 > CH$。

在叔丁基过氧化氢的存在下，催化量的$SeO_2$即可进行反应，叔丁基过氧化氢的作用是再生$SeO_2$。在少量硫酸存在下，二氧化硒可将末端炔烃氧化为$\alpha-$酮酸，将非末端炔烃氧化为邻二酮。

正高碘酸（$H_5IO_6$）是弱酸，而偏高碘酸是强酸（$HIO_4$），二者及其盐都是强氧化剂，可将邻二醇氧化，切断碳碳键生成醛或酮。

类似的试剂还有四乙酸铅[$Pb(OAc)_4$]，可氧化切断邻二醇生成醛酮。

二者的反应机理类似，都是经历一个五元环状酯类中间体，这里以高碘酸为例：

溴可将伯醇氧化为醛或酯，把仲醇氧化为酮，其代用品如NBS有类似效果。

在无水条件下，$I_2$的四氯化碳溶液与$AgOAc$能够将烯烃氧化为邻二醇的二乙酸酯，后水解生成醇。反应具有立体专一性，生成反式邻二醇，这类反应称为Prevost反应。

如果反应在有水介质中进行，则得到顺式邻二醇，称为Woodward-Prevost反应。

二者产物不同的原因是，体系中的水会影响乙酸酯中间体的邻基参与过程。

12.5 用有机氧化剂氧化

Oppenauer氧化是上一章介绍的Meerwein-Ponndorf还原的逆反应，用丙酮和异丙醇铝来氧化目标二级醇。机理实际上与Meerwein-Ponndorf还原机理相同，此处略去。

在低温和有机碱（如三乙胺）存在下，由二甲亚砜（DMSO）与三氟乙酸酐（TFAA）或草酰氯组成的协同氧化剂可将一级醇或二级醇氧化为相应的醛或酮，此反应称为Swern氧化。

反应中的DMSO是氧化剂前体，它与草酰氯反应生成二甲基氯代锍盐活性氧化剂氧化醇。

2-碘氧基苯甲酸（IBX）和Dess-Martin高碘烷（DMP）是两种常用的有机高价碘化合物，DMP是IBX的乙酰化产物，在有机溶剂中的溶解性更好，从而应用更广。二者都可以将醇氧化为醛酮。

酮被过氧酸或过氧化氢氧化，在羰基碳和α-碳中间插入一个碳原子，生成酯，此反应称为Baeyer-Villiger氧化。

此反应在重排反应一章讨论过，此处略去。

烯烃与过氧化物反应生成环氧化合物，这是一个协同反应，经历一个三元环过渡态（或称蝶式过渡态），生成构型保持的环氧产物。

叔丁基过氧化氢（TBHP）是最常用的烷基过氧化氢试剂，Tsuji-Wacker氧化反应就是在$Pd(Ⅱ)$催化下使用TBHP将烯烃氧化的一类重要方法。

总结

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