金属锌在有机合成中的应用

2002 年第 22 卷 第 11 期 , 801~806

?综述与进展?

有 机 化 学

Chinese Journal of Organic Chemistry

金属锌在有机合成反应中的应用

李国平 江焕峰

综述了近年来以金属锌作为还原剂的各种反应, 碳氧重键及碳氧 、碳硫 、

LI , Guo 2Ping J IANG , Huan 2

金属锌在有机合成中的应用

including the reduction of carbon 2 oxygen bonds ,carbon 2 reduction ,reaction

处在元素周期表中的 ⅡB 族,

419℃,沸点为907

由于它价廉易得,无毒,锌在 通常市售的金属锌有 金属丝等多种形式. 4s 2,其最外层的s

其独特的电子结构决定了其独

锌是一种强还原剂,它在中性 、酸性

和碱性条件下均具有较强的还原能力,它可以还原 碳碳重键 、碳卤键 、碳硫键

在不同介质和催化剂作用下,得到的 Reformatsky 试剂[ 2 ]等在 . Rieke 等在金属锌 以他的名字命名的

试剂引起广大有机化学家的高度重视[ 3 ].11. 1时的minFeng,质子Ξ

金恒

(中国科学院广州化学研究所纤维素化学开放研究实验室 广州 510650)

Vol . 22 , 2002 No. 11 , 801~806

摘要 下 ,还原碳碳 、碳氮 、 ,反应

以及它在有机合成中的应用. 讨论了金属锌在催化剂的作用 碳卤等单键的还原和偶联.

Recent Advances in Organic Reactions Using Zinc Metal as Reductant

LI , Jin 2Heng

( Laboratory of Cellulose and Lignocellulosics Chemistry , Guangzhou Institute of Chemistry , Chinese Academy of Sciences , Guangzhou 510650)

-6520Abstract This paper reviews the advances in studies of various reactions using zinc metal as reductant in

the

carbon multiple bonds ,carbonoxygen double bonds , presence of catalysts ,

sulfur bonds and carbon 2halide bonds .

carbon Key words 2

nitrogen bonds zinc metal ,

,carbon 2

碳碳重键的还原

锌为 30 号元素 ,

-7146为过渡金属元素 -7133.单质锌熔点为 ℃,在干燥空气中稳定. 碳碳叁键的还原

有机合成中有着广泛的用途.

-7053锌粉 、 -6973薄片锌 、海绵锌 、文献报道,当碳碳叁键与吸电子基团相邻存在用锌粉可以高选择性地还原炔键与传统

锌原子的电子排布式为3d 10Lindar 催化剂催化氢化不同的是,利用金属锌或

电子非常容易失去,锌合金和质子溶剂还原炔烃,锌提供电子,溶剂提供 特的反应活性.,可以高选择性顺式加成生成烯烃,而且,还可 以防止过度还原.炔醇类的化合物对锌粉还原,活性

硝基 、亚硝基 、氰基 、羰基 、非常高,在乙醇溶液中回流,可以获得95 %以上的 等多种官能团,转化率. White 等利用Rieke Zn 试剂,还原共轭烯炔

产物不同.此外,有机锌[ 1 ]、成共轭的二烯,还原二炔为烯炔和二烯烃,其反应条

有机合成中有着非常广泛的应用件非 常 温 和:温 度 为65℃,反 应 时 间 为10~60 的使用研究上做出突出贡献,[ 4 ]. Rieke Zn

在此 ,我们对以锌为还原剂应用于还原 、偶联反应等 方面的工作作一综述.

Ξ E2mail : jhf @mail . gic. ac. cn

Received November 6 , 2001 ; revised and accepted March 19 , 2002.

国家自然科学基金(No. 29872039) 资助项目.

金属锌在有机合成中的应用

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802 有机化学

2. 1羰基化合物还原生成醇[ 8 ]

Vol. 22 , 2002

随后,又有人将这一方法加以改进,用它来合成

共轭三烯[ 5 ].

1. 2碳碳双键的还原

用锌粉还原碳碳双键的文献报道不多, Petrier

等[ 6 ] 使用NiCl2为催化剂,在含水介质和超声波的作

用下,用锌粉还原α,β2不饱和羰基化合物的碳碳双

键,可以获得97 %的转化率. 实验证明,超声波能活

化金属锌,加速反应的进行.

最近,文献[ 7 ] 报道使用锌粉在醋酸的介质中直

接发生还原反应,可以用于合成多种药物的中间体

哌啶酮及其衍生物,其转化率最高可达95 %. 采用

该方法, 不仅操作简单,条件温和(室温下搅拌30

h) ,而且还能有效地避免了羰基被还原.

2碳氧双键的还原

用金属锌为还原剂还原羰基化合物,在不同的

催化剂及反应条件下,一般可以得到不同的产物或

基团:简单还原加成生成醇[ 8 ],羰基碳间的偶联生成

频哪醇[ 9 ],脱氧生成亚甲基( 著名的Clemmensen 还

原) [ 10 ].另外, 在无质子的溶剂中, 或在

有机硅等

[ 11 ,14 ]

在合成设计中,我们常需要把酮或醛直接还原

成羟基,除了传统的金属氢化物还原和催化氢化外,

采用锌粉作还原剂,同样也可以选择性还原芳基酮

成苄基醇,这一反应通常需要质子酸或Lewis 酸作

催化剂. 印度科学家Swami[ 8b ] 利用锌粉、季胺盐和

醇体系在回流条件下,成功还原多种芳香醛成醇. 如

果对两个羰基相邻的二酮,采用这一反应,用锌粉和

醋酸回流,可以高选择性地生成α2羟基酮. 我国化

学家黄耀曾先生等[ 8a ] 利用SbCl

3为催化剂

,在含水

的DMF 溶液中,用锌粉还原醛生成醇,最高获得了

98 %的转化率.

Sasson 等[ 8a ] 通过研究证实,利用锌粉和水还原

这一类型的反应机理是金属锌提供电子,而质子来

自被活化水分子(溶剂) .

我们实验小组[ 8e ] 利用CO2ΠH2OΠZn 反应体系,

在超临界二氧化碳介质中成功地还原醛生成相应

醇,其转化率最高可达99 %以上,而且还有效避免

了催化剂、有机溶剂的使用. 我们推测其反应机理与

锌粉在醋酸中的反应机理类似,这一体系能够提供

反应所需的酸性环境.

2. 2还原成频哪醇

利用Zn2Cu偶联芳基醛生成 1 ,22二醇(pinacol)

的最早报道见于1892 年,近年来使用TiCl

3作催化

剂,在酸性水溶液中可以合成频哪醇. 人们推测这一

反应是自由基反应机理. 利用锌和铜还原混合酮反

应生成频哪醇的方法,与经典的钠和镁还原的方法

No. 11

李国平等 :金属锌在有机合成反应中的应用

803

醋酸和超声超声波的作用下 ,可以获得 87 %的产 率[ 9 ].

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2. 3 Clemmensen 还原[10 ]

利用锌汞齐在盐酸存在下 ,把羰基还原成亚甲

基 ,这就是我们熟知的 Clemmensen 的还原.

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2. 4 碳碳偶联反应[ 11 ,12 ]

Corey 等[ 12 ] 在 Clemmensen 还原的基础上 , 在反 应中加入三甲基氯硅烷 ( TMSCl) ,得到一些不饱和 的化合物. TMSCl 对质子惰性的物质 ,在羰基上先加 成后脱水 ,生成碳碳双键. 这一反应在有机合成上作 为一种新的成环反应途径 ,受到有机化学家们高度

关注 .

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Motherwell 等[ 13 ] 对反应机理进行了探讨. 他们认

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为有机氯硅烷的加入 ,硅原子的空轨道会与羰基氧 先配位 ,然后生成硅醚 ,而二价锌本身是一种 Lewis

中心 ,它可以稳定卡宾 ,这样一来 ,卡宾间的碰撞几

率大增 ,就会产生烯烃. 总之 ,用卡宾中间体来解释 这些反应的机理是合理的.

Konwar 等[ 14 ] 在无水条件和非质子溶剂乙腈中 ,

以三氯化铝 (Lewis 酸) 为催化剂 ,可以使醛或酮发生 交叉偶联反应 ,生成烯烃.

3 碳氧单键的还原

在盐酸中 ,不饱和键的 α2位羟基很容易被锌汞 齐还原脱除 ,生成亚甲基或发生偶联反应[ 15 ],烯丙

基和苄基醚 、酯和醇也能用锌粉还原 ,这是因为烯丙 基和苄基的高反应活性 ,会与亲电试剂发生偶联反 应[ 16 ].当烯丙基化合物与易离去基团相连时 ,用锌 粉作还原剂 ,很容易生成丙二烯的中间体 ,利用这个 中间体 ,派生出一系列的烯丙基化反应 .

Cope 等对 α2羟基酮进行还原 ,选择性很好地得 到酮[ 15 ].环氧化合物也可以用这一试剂开环 ,生成 仲醇 [ 17 ].在零价 Pd 催化剂的存在下 ,断开的碳氧键 中的碳可以发生偶联反应 ,即自身偶合 ,也可以作为 亲核 试 剂 进 攻 活 化 的 羰 基 碳 , 形 成 新 的 碳 碳 单 键[ 18 ].

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4碳卤键的还原

有机化学Vol. 22 , 2002

在不同的反应条件下,利用锌粉为还原剂,可以

成功地还原卤代烷基和卤代烯基化合物. 在醋酸介

质中,这一反应先会产生有机基,然后自由基生成新

的碳碳键(Barbier reaction) ,或者被进一步还原[ 19 ].

4. 1还原脱卤

脂肪族的碘代物和溴代物和苄基氯等采用醋酸

和锌的还原体系,很容易获得烃类化合物. 尽管卤代

芳烃还原活性相对困难一些,但Gronowitz 等[ 20a ] 在

醋酸和水的混合溶剂中实现了对三氯噻吩的还原脱

卤生成一氯代噻吩,其转化率可达90 %. β2卤代烯

酮和α2二氯代酮都可以转化率较高地脱氯生成酮.

4. 2烯丙基化反应

如果在脱卤过程中,体系中存在亲电基团,就会

产生自由基的加成反应. 苯乙酰卤代物会与环己基

烯加成发生偶联反应. 对不饱和的环己酮可以发生

1 ,4 加成.

烯丙基溴是一个非常有用的合成子,在以锌为

还原剂的反应中,首先生成的自由基进攻羰基碳,生

成各种醇,这一方法已被广泛采用[ 21 ].我国科学家

戴立信、侯雪龙等[ 19b ] 利用烯丙基溴、锌粉在碱性的

碳酸氢钠水溶液中,进攻亚胺的碳原子,取得了很好

的效果.

4. 3烷基化反应

在含水介质中,烯丙基化反应很容易进行,但烷

基化反应却不容易进行,于是有人认为烷基卤在含

水介质中的离子化严重,会失去反应活性. 但后来,

Luche 等[ 22 ] 发现,在含水介质和超声波作用下,锌铜

可以促进烷基卤与不饱和羰基化合物的烷基化反

应. 他们还发现,利用这一反应,可以合成带三元环

官能团的醇类化合物,这一反应可以用于许多天然

产物的合成.

4. 4脱卤偶联反应

对于芳基卤化物,用锌粉和质子溶剂还原,如果

有零价Pd 的存在,很容易发生Ullmann 偶联,生成

联苯类化合物. 在这一偶联反应中,冠醚的加入,能

提高反应速度和产率[ 23 ].

No. 11

李国平等 :金属锌在有机合成反应中的应用

7 杂原子间的化学键还原

805

金属锌在有机合成中的应用

杜邦公司药物研究人员 Wang 等[ 24 ] 在开发抗爱

滋病的药物研究中 ,利用金属锌还原脱卤这一反应 , 用一锅法从醛开始制备二氯代末端烯 ,获得 85 %~

95 %的产率 ,这是一种替代 Wittig 反应合成该类化

合物的有效手段之一.

金属锌在有机合成中的应用

金属锌在有机合成中的应用

5 碳氮键的还原

在酸性环境中 ,锌可以还原氰 、亚胺和肟成胺 ,

还原胺腈为胺 ,还原酰基腈为 α2氨基酮的衍生物 ; 芳基酰胺可以用锌还原生成芳醛[ 25 ].

金属锌在有机合成中的应用

金属锌在有机合成中的应用

生物化学中保护氨基酸 、多肽和低聚核苷酸等

化合物中氨基的重要方法就是转化为氨基甲酸酯.

Dunach 等[ 26 ] 利用电解法 ,成功脱除了保护基团 . 他

们在室温下以金属锌为电极 ,在 DMF 溶剂中加入

10 %的二价镍盐作催化剂 ,中性条件下电解 ,对多种

胺基化合物进行反应 ,其转化率为 40 %~99 %.

金属锌在有机合成中的应用

6 碳硫键的还原

金属锌还可以还原羰基 α2位的硫醇 ,这是因为 羰基是吸电子基团 ,可以活化与它相邻的巯基. 含硫 的叶立德盐也可以用锌粉和醋酸来还原 ,断开碳硫

键[ 27 ].

在酸性介质中 ,用锌粉还可以还原硝基 、亚硝基

和肟中的氮氧键 ,生成胺类化合物 ;还原磺酰氯和二

硫化物成亚硫酸盐和硫醇[ 28 ].

芳基硫醇传统上是用还原芳基磺酰氯的方法制

备 ,在酸性水溶液中用金属锌还原 ,可以得到较高收 率的硫醇 ,但这种含水的硫醇会阻止进一步的反应 ,

Kobayashi [ 28 ] 用锌粉 、二甲基乙酰胺和二氯二甲基硅

在无水条件下 ,75 ℃下回流 ,成功地还原芳基磺酰

氯为 芳 基 硫 醇 和 连 硫 化 物 , 其 转 化 率 最 高 可 达

97 % ,生成硫醇选择性可达 99 %.

对于由金属锌制备的有机锌试剂及 Reformasky

试剂在合成中的非常广泛 ,由于篇幅有限 ,在此不再

累述 .

综上所述 ,我们分别介绍了用锌粉作还原剂的 各种反应及其在有机合成中的应用. 由于锌的独特 外层电子构型 ,突出的还原特性 ,可以还原多种官能 团 ,还能与亲电试剂发生加成反应 ,生成新的碳碳 键. 正是因为其特有的物理 、化学性质 ,锌作为一种

重要的还原剂 ,已广泛地被有机合成化学家采用. 从

它的研究发展趋势上看 ,金属锌作还原剂在药物化

学和生物化学等领域的研究必将得到更大的发展 .

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( Y0111069 QIN , X. Q. )

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