3.2　金屬與供質子劑還原

3.2.1　概述

金屬，尤其是活潑金屬及其合金，以及某些金屬的鹽類是應用十分廣泛的一類還原劑。常用的金屬還原劑有堿金屬（Li、Na、K）、堿土金屬（Ca、Zn、Mg），以及Al、Sn、Fe等。有時也利用金屬與汞的合金稱為汞齊，如鈉汞齊、鋅汞齊、鎂汞齊、鋁汞齊等。鈉汞齊的活潑性不及金屬鈉，但鋁汞齊的活潑性則超過金屬鋁。一般來說，汞齊可使高活潑性金屬的活潑性降低，使低活潑性金屬的活潑性提高。汞齊的另一種優點是增加流動性，便于操作。常用的金屬鹽還原劑有FeSO4、SnCl2等，其中起還原作用的是Fe2+、Sn2+等金屬離子。常用的質子供給劑有乙醇、丙醇、叔丁醇和水等。利用金屬或金屬離子還原有機物在有機合成上具有重要的地位。

應用這類還原劑進行的還原反應均包括電子得失過程。金屬在還原反應中所起的作用無疑是供給電子，反應所需的氫則由質子供給劑（水、醇、酸）等提供。常用的金屬鹽還原劑作為電子給予體是Fe2+、Sn2+等金屬離子。例如：

通常情況下，金屬與質子供給劑的反應越劇烈，還原效果越差，這是由于生成的質子迅速以氫氣的形式而逸出反應體系的緣故。因此，活潑金屬與無機酸（鹽酸、硫酸等）不能作為還原劑使用。

3.2.2　堿金屬

（1）鈉

金屬鈉在醇、液氨及惰性的有機溶劑（苯、甲苯等）中均為強還原劑，可應用于還原羥基、羰基、羧基、酯基、氰基、苯和其他雜環化合物。還原時為增加鈉的接觸面，可將鈉制成鈉絲，或在甲苯中加熱振蕩制成鈉汞齊或醇鈉后使用。但是由于汞的毒性，鈉汞齊已很少使用。

① 醛還原為醇　本法可順利地將醛還原為醇：

② 酮還原為仲醇及片吶醇　本法還原酮得到仲醇或將兩個酮分子還原成片吶醇：

③ 羧基及其衍生物還原為醇　本法既可以還原脂肪酸和芳香酸，還可以還原各種羧酸形成的酯類。尤其在LiAlH4還原法問世之前，該方法廣泛應用于將酯還原為伯醇，這對于制備高級脂肪醇具有重要意義。在反應過程中，應保持絕對無水，因為微量水會導致酯的水解反應，而大大降低產物的收率。在多元酸中，只有酯化了的羧基才被還原。許多鄰二醇可用此法制備。本法還可以將酰胺還原為醇。

④ 腈還原為伯胺　本法可將腈還原為伯胺：

⑤ 苯、雜環的還原　本法可使苯與雜環化合物還原為相應的產物。

⑥ 不飽和羰基化合物與不飽和羧酸的還原　本法可用于還原不飽和羰基化合物與不飽和羧酸中的碳-碳雙鍵。一般只有當碳-碳雙鍵與芳環或羰基鄰近時才發生這種作用，形成相應的飽和化合物。

（2）Birch還原法

堿金屬（Li、Na、K）溶于液氨，再與醇組成的混合物進行的還原稱Birch還原法。堿金屬在液氨中的溶解度大小為：Li＞Na＞K。醇系作為質子供給劑。使用Birch還原法時應注意：完全除去常存在于未經蒸餾的液氨中的鐵鹽及其他雜質，因為這些雜質將促進金屬氨化物的形成，從而抑制堿金屬的還原作用。為了增加有機反應物在液氨中的溶解度，可在反應體系中加入干醚（除去過氧化物和水）或THF等溶劑。

Birch還原法有著廣泛應用，除了主要用于芳環、稠環的部分還原以外，還可以還原碳-碳不飽和鍵、羰基、酰氨基等。

① 芳環的部分氫化　芳環進行Birch還原時，芳環上的取代基會影響還原反應的速率。一般吸電子基團使芳環的電子云密度降低，增加芳環的親電能力，加快反應速率；而供電子基團的作用則相反。芳環上取代基的電子效應還會影響還原產物的結構：吸電子基團由于形成的負離子游離基進而獲得電子，并再與質子作用生成1，4-二氫化合物；而供電子基團形成的負離子游離基則以鄰位或間位的電子云密度最高，并再與質子作用生成2，5-二氫化合物。如：

② 碳-碳不飽和鍵的還原　共軛雙鍵（包括與羰基或與苯環共軛的雙鍵）較易進行Birch還原。如：

③ 羰基的還原　本法可還原羰基，并根據反應物和反應條件的不同生成不同的還原產物。如：

（3）Benkeser還原法

芳香族化合物等在堿金屬Li與低分子量烷基胺（最常用的是乙胺）組成的體系中的催化氫化反應稱為Benkeser還原法。例如：

本法一般在氮氣或其他惰性氣體中進行，亦可將反應物溶于胺中并經電解法于電極上產生Li，并迅速發生還原反應。如：

Benkeser還原法的還原范圍與Birch還原法大致相同，是Birch還原法的改進法。

3.2.3　鎂和鎂汞齊

鎂也是一種重要的還原劑，能參與許多還原反應。將HgCl2的無水丙酮溶液逐漸加入被苯覆蓋的金屬鎂中，加熱回流可制得鎂汞齊。鎂汞齊能還原酮為相應的仲醇，并發生雙分子還原反應生成片吶醇。

3.2.4　鋅與鋅汞齊

鋅的還原性能力隨介質的變化而不同。它在中性、酸性與堿性條件下均具有還原能力，可將羰基、硝基、亞硝基、氰基、烯鍵、炔鍵等還原生成相應的還原產物。若將有機化合物與鋅粉共蒸餾時，亦可起還原作用。

① 中性及微堿性介質中的還原　通常Zn可單獨使用，或在醇液，或在NH4Cl、MgCl2、CaCl2的水溶液中進行。Zn-NH4Cl、Zn-CaCl2水溶液呈微堿性。硝基化合物在低溫時用Zn進行中性或微堿性還原，可使還原停止在羥胺階段。

② 酸性介質中的還原　Zn的酸性還原可在HCl、H2SO4、HOAc中進行，鋅汞齊與鹽酸可謂特種還原劑，可將醛、酮中的羰基還原為亞甲基，此即Clemmensen還原法。

鋅汞齊可由鋅粒與HgCl2在稀鹽酸溶液中反應制得。鋅將Hg2+還原為Hg，繼而在鋅表面形成鋅汞齊。還原反應系在被活化的鋅表面上進行。此法對于還原酮，尤其芳酮與芳脂混酮等效果較佳，從而是合成純粹的側鏈芳烴的良好方法。但對于醛、脂肪酮、脂環酮，則可發生雙分子還原，甚至生成聚合物而使產品不純。本法對酮酸與酮酯進行還原時，亦僅還原酮基為亞甲基（α-酮酯的酮基還原為烴基），而不影響—COOH與—COOR。再者，為增加反應物的溶解度，有時可于反應體系中加入EtOH或HOAc。

值得指出的是，本法宜用于對酸穩定的羰基化合物的還原，若被還原物為對酸敏感的羰基化合物，可改用Wolff-Kishner-黃鳴龍法進行還原。

Zn粉在酸性介質中還可以將—NO2與—CN分別還原為—CH2NH2，亦用于碳-碳不飽和鍵的還原。如：

③ 堿性介質中的還原　Zn在NaOH介質中可使芳香族硝基化合物還原生成氧化偶氮化合物、偶氮化合物與氫化偶氮化合物等還原產物。

氧化偶氮化合物可能是還原的中間體亞硝基化合物脫水縮合而成。

3.2.5　鐵和亞鐵鹽

鐵和酸（如H2SO4、HOAc、HCl等）共存時為強還原劑。因其價廉，廣泛應用于工業上。鐵粉在酸性介質中可將硝基化合物還原為伯胺。還原前可用稀酸處理鐵，以提高其活性。若用經氫還原處理的鐵，還原效果更佳。

硝基苯經Fe-HCl還原生成苯胺。鐵在還原過程中供給電子（自身被氧化為Fe2O3和Fe3O4），并在其表面實現電子向硝基苯的轉移。此反應歷程是反應中產生的負離子自由基和質子供給劑（水）提供的質子結合，最后形成還原產物。

本還原法的特點為在電解質溶液中進行的催化還原反應。在FeCl2的催化作用下，質子由水提供，因而僅需催化量的HCl（理論量的1/60～1/20）即可實現還原反應。加入的少量HCl僅用于維持溶液一定的pH值，使整個反應始終在酸性介質中進行。此乃工業上常用的方法：

生成的苯胺可通過加入少量堿中和鹽酸后，進行水蒸氣蒸餾分離得到。但生成的大量Fe3O4鐵泥較難處理。

實驗室里，由于被還原物量少，可采用較多量的鹽酸進行還原：

雖成本較高，但可減少生成Fe3O4的麻煩。

如：

亞鐵鹽亦用作還原劑，如FeSO4、FeCl2、Fe（OAc）2與（HCOO）2Fe等。

FeSO4的還原多在NH3·H2O的存在下進行。這種還原法只還原反應物中的—NO2，而不影響其他官能團，因而成為硝基芳酮、硝基芳酸等還原的好方法。