精细有机合成还原PPT课件

第10章 还原（Reduction）,10.1概述 10.2 还原反应历程10.3 硝基还原制胺10.4 其它含氮化合物的还原10.5 含硫化合物的还原,1,10.1概述,还原与氧化是相对应的，从广义上讲化合物得电子称还原，失去电子称氧化。但对有机化合物来说，还原、氧化在得失电子方面不像无机反应那样直观，因此给出定义：凡通过化学反应后，C-H,N-H,S-H键数目增多（或C-O,N-O,S-O键数目减少）的属于还原反应，反之是氧化反应。,加氢还原是还原反应的一个重要方面，涉及面较广，前面单独设章介绍过，本章重点讨论：,1. 含氮化合物还原，主要是-NO2化合物还原（重点介绍）,2. 含硫化合物的还原（简单介绍）,2,还原方法：,1.用金属或低价金属盐还原；,2.用含硫化合物还原（Na2S）；,3.加氢还原（ArNO2 ArNH2）；,4.用金属氢化物还原（LiAlH4）；,5.电解还原。,10.2 还原反应历程,介绍三种类型历程,1.传递氢离子的还原；,2.由亲核试剂传递一对电子的还原；,3.加氢还原。,3,10.2.1 传递氢离子的还原,以含氢负离子还原剂与有机化合物作用完成的，常用的还原剂有：,LiAlH4、NaBH4、KBH4， 其中氢化铝锂的还原能力最强。,每个还原剂都可给出4个氢负离子，第一个氢负离子最活泼，活泼性依次减弱，这种还原反应分为亲核取代和亲核加成两类。,取代型：,得到的产物构型发生改变(左、右旋),4,加成型：对于酮醛来说用金属氢化物很容易还原成相应的醇。,若将羧酸，羧酸酯，酰氯还原成醇，分两个阶段，第一步先还原得醛，然后进一步还原成醇：,含弱极性C=C化合物，由于不能形成缺电子中心，不能接受氢负离子，因而不宜采用金属氢化物还原。,5,10.2.2 由亲核试剂传递一对电子的还原,这类反应有实用价值，其中用亚硫酸盐将重氮化合物还原成肼的反应在医药工业很有意义，它的反应历程：,第一步是重氮盐与亚硫酸氢钠作用，得到共价结合的芳香重氮硫酸盐;后者在偶氮基上与亚硫酸氢钠进行加成，生成N-芳基-1.2-亚肼基双磺酸盐;产物中一个磺酸基在低温条件下脱去，得到N-芳肼磺酸盐;在酸性介质中加热，脱去第二个磺酸基，得还原产物芳肼的盐酸盐。,6,10.2.3 加氢还原,芳烃硝基化合物加氢还原历程：,（1）-NO2物分子和H2分子扩散到固体催化剂表面；,（2）二者在催化剂表面发生化学吸附；,（3）吸附的分子间发生化学反应；,（4）反应产物从催化剂表面解吸；,（5）反应产物通过扩散离开催化剂表面。,在这样一个反应过程中，化学吸附是反应控制阶段。两种情况：一种是H2的吸附是控制阶段，另一种是硝基物的化学吸附是控制阶段，这与所选用的催化剂有关。,7,实际上芳烃硝基化合物还原成氨基化合物的反应过程很复杂，下面是硝基苯加氢还原的历程：,由硝基苯还原成苯胺有三条途径：（1）1-2-3（2）1 和 1-2 经4-5-6-7（3）1-2-8-7,1,2,3,4,4,5,6,7,8,8,10.3 硝基还原制胺,一些大吨位的氨类化合物如苯胺，甲基苯胺的生产都是通过硝基还原路线，主要的还原方法有三：,催化加氢还原 ；在电解质存在下用金属还原 ；硫化碱还原。,10.3.1 催化加氢还原,加氢还原最大优点是环境污染小，产品质量好，是工业上重要的使用方法。还原过程机理前面介绍过 ，H2或硝基物在催化剂表面的化学吸附是整个还原反应的控制步骤。H2在吸附后以多种形态存在：,9,H2,H2,（气态）,（吸附）,2H,（吸附）,2H +2 e,+,2H + Cat,+,2H,（溶解）,2H2O,不同形态的氢 由吸附的氢分子到质子都有可能参加还原反应，到底是哪个参加，要看催化剂对硝基物吸附的强弱。前苏联一研究院设计出一种能测出催化剂表面上氢的电位变化的仪器，如用铂做催化剂，在50%乙醇一水介质中进行硝基苯还原时，催化剂表面H的电位变化是190mv，硝基物与催化剂之间是弱吸附，参加反应的是吸附后的氢分子或氢原子；催化剂改为兰尼镍，电位变化是270mv强吸附吸附后的氢原子或氢质子。,介质的酸碱性对还原反应速度有明显影响，上述的硝基苯还原无论是铂催化还是兰尼镍催化，都是在中性介质中加氢速度最快，在酸性介质中加氢速度很慢。,10,加氢还原也分为液相加氢和气相加氢两种：,（1）液相加氢还原,硝基物液相加氢还原所用催化剂贵金属的Pt,Pd，其中Pd用得较多，它们价格贵，反应活性高，在较低温度甚至常温或低压下反应；一般金属有Ni,Cu,Co,Fe等，其中以Ni用得最广，常见的是骨架Ni。,液相加氢的影响因素很多，主要讨论以下五个方面：,催化剂的选择及负荷,催化剂是影响加氢还原的主要因素，首先应根据还原对象，条件，及成本等各方面情况来选择催化剂，在选定催化剂基础上来确定催化剂浓度，用量、负荷。,11,（kg/kghr）,单位时间内单位重量催化剂所担负的硝化物重量。可见负荷愈大，生产能力愈强。负荷的大小与催化剂的活性高低有直接关系，每种催化剂都有允许范围的负荷。同一种催化剂如选用的负荷太小，则催化剂没有得到充分利用，生产能力降低；负荷过大，容易使反应转化不完全和催化剂寿命缩短。不同的硝基物，使用相同的催化剂，负荷也是不同的。,硝基物的纯度,硝基物还原时对纯度有要求。芳烃硝化时产物中往往带有少量酚类副产，硝基酚的存在容易使催化剂中毒，而且还原收率降低，所以硝基物中硝基酚的量要限制。另外，水溶性硝基物还原时，要控制无机盐的含量小于5%。,12, 混合作用,液相加氢是气-液-固三相反应，混合效果如何是至关重要的：,对锅式反应器来说，要选择混合效果好的搅拌器，搅拌的转数要快，控制装料系数在1/3左右，以保持反应物料上面有充分的氢气。,对塔式反应器，要控制好空塔速度，保持物料处于湍流状态，装料系数控制在50%。, 温度与压力,取决于所选用的催化剂，规律同前，硝基还原常用的兰尼Ni，反应温度100C，压力510MPa,13, 溶剂,硝基还原用的溶剂最多的是醇类，如甲、乙、异丙醇，具有水溶性的硝基物可用水。,液相加氢的生产实例：,8 ： 2,14,图：二硝基甲苯的连续液相加氢还原1氢循环机；2、3、4、5送料泵；6反应器；7物料循环泵；8气液分离器；9沉降分离器；10循环泵；11脱甲醇塔；12脱水塔；13蒸馏塔；14贮罐DNT二硝基甲苯；TDA二氨基甲苯；R-Ni骨架镍,15,以兰尼Ni为催化剂，甲醇作溶剂，将二硝基甲苯与甲醇1：1溶液输入高压反应器，同时将0.10.3%的兰尼Ni浆液和适量氢气送入反应器。反应器中有水冷装置，保持温度100C，氢压1520MPa。反应器出来的物料降压后，在气液分离器中分出氢气，由沉降分离器分出催化剂，再脱甲醇，脱水，最后精馏得到纯度99%的二氨基甲苯。氢气和催化剂循环使用。这样一套生产设备的技术要求是相当高的，我国开始时是从国外引进，近年已能自己开发。,（2）气相加氢还原,硝基物还原大部分采用液相加氢，少数容易汽化的硝基物，如硝基苯、硝基甲苯可采用气相加氢还原。与液相加氢比较，气相加氢不需要使用溶剂，催化剂便宜，成本较低。气相加氢所用的反应器有流化床和固定床两种。,16,目前国内大多数采用流化床，原吉林染料厂年产二万吨苯胺，曾采用铁粉还原，后改用气相加氢还原，这套气相加氢装置是吉化公司设计、建造的，生产的产品质量很好，并消除了铁粉还原生成铁泥造成的污染。,气相加氢催化剂：Cu-硅胶（载体型）,反应温度：250270C,硝基物还原是强放热反应，要控制好反应温度，一方面用水或其它载热体将热量带走，另一方面控制H2大大过量，带走部分热量，硝基物与H2用量在理论上分子比1:3（流化床），而实际上控制在1:9。,17,10.3.2 在电解质存在下用金属还原,这是早期采用的硝基还原方法，而且应用较广。所谓金属还原，理论上讲，周期表中排在氢以前的如Na、K、Ca、Mg、Fe、Zn等都可以，但这里最有实用价值的是Fe，其次是Zn。,用铁屑还原劳动强度大，污染严重，但铁屑来源丰富，便宜，操作简便，适用范围广，设备也简单，尤其对生产吨位小的精细化工产品，采用铁屑还原是有意义的。,（1）反应历程,18,19,（2） 影响因素, 铁屑的质量和用量,铁屑还原总方程式看出，理论上硝基物:Fe=1:2.25（分子比），实际用量1：34，一般是用车床切削下来的铁屑，最好是软质灰口铸铁，这种铸铁中富有碳，少量的Si、S等，在电解质水溶液中，构成C-Fe微电池，有利于铁上电子的转移；软质铁在搅拌中易被磨碎，使接触面加大，有利于反应进行。使用铁屑时须注意：铁屑上润滑油脂及氧化物的存在影响催化效果，所以使用前用稀酸处理干净。,20, 电解质,电解质的存在有利于实现电子流动，促进还原反应的进行。采用不同电解质对反应影响不同，其中用NH4Cl还原速度最快，FeCl2次之。连续还原中多采用NH4Cl。,适当提高电解质浓度可使还原速度加快，但浓度过高也不利。, 溶剂,主要作用改进传质，最常用的是水，另外还有冰醋酸，其优点是反应速度快，产物易分离；存在的问题是HAc作溶剂后处理较难，另外产物（-NH2）易酰化，因此改用在稀HAc-乙醇介质中进行还原。,21,（3）应用实例,铁屑还原因产生大量铁泥，还原的胺类在水中溶解34%，所以污染是个大问题。一般大吨位产品不使用此法，而用加氢还原，但对小吨位产品仍有实用价值，如含磺酸基的周位酸、劳伦酸生产过程中，还原是用铁屑，还原后调成碱性，产物呈磺酸镁盐溶解，过滤除铁泥，滤液酸化析出。,22,pH 4.754.95,pH 23,23,（4）铁屑还原的适用范围和芳胺的分离,铁屑还原的应用在很大程度上取决于产物是否容易分离，凡是胺类和铁泥能分离开的都可应用。,铁在中性介质中 FeO、,不溶于水。,、,、,胺类在如下情况可与铁泥分开：,a.中性时，以游离形式用水蒸汽可蒸馏出来，如：,24,b. 中性时，可溶于热水的游离胺，趁热过滤，滤液冷却 得胺；若冷却后溶解度仍较大，需浓缩除水，如：,属前种,属后种,c.带磺酸基的胺类溶解于水，过滤后滤液进行酸析或盐析。,25,d.难溶于水，挥发性小的芳胺，,用溶剂萃取。,胺类本身是固体，不溶于水的，如蒽醌的胺类则不能用此法还原。,10.3.3 硫化碱还原,常用的是,（1）适用范围：, 固体胺类，其它方法产物不易分离的，蒽醌胺类用硫化碱还原后很容易分离。, 实现部分还原，硫化碱还原比较缓和，可使多硝基化合物中的硝基分步还原，或使硝基偶氮化合物中的-NO2还原，偶氮基不受影响。,26,优点：硫化钠来源丰富，,C,1200C,反应设备要求低；,后处理简单，副产,溶解于水，分离方便。,缺点：收率偏低，成本相对略高，副产,分离,虽易，但废水多，处理起来比较麻烦。,27,（2）反应历程,硫化碱还原是通过二价硫负离子攻击硝基上的氮原子实现的。,硫化碱中硫上的电子给硝基物中缺电子的氮，因而NO2芳烃上有其它取代基存在，若是吸电子基还原容易，而有供电子基还原难以进行。,后者比前者相对稳定，容易生成，所以用Na2S还原没有Na2S2快，Na2S还原是自动催化过程：,28,还原总方程式：,用硫化碱进行部分还原控制条件：反应温度5070C，Na2S过量510%。,用硫化碱进行完全还原控制条件：反应温度100110C（沸腾），Na2S过量1020%,0,4ArNO2 + 6S2- + 7H2O 4ArNH2 + 3S2O32- + 6OH-,29,用,还原的反应方程式：,以上三反应式看出，Na2S还原有NaOH生成，在强碱下还原时，有副反应氧化偶氮苯生成，加缚碱剂可做一定调整，解决的根本办法是不用Na2S。 用NaHS还原pH低,反应较缓和，但制备NaHS程序较麻烦：,向Na2S水溶液中通H2S：,一个简单的方法是：,制备：,30,（3）硫化碱还原的应用实例,a.多硝基化合物部分还原,2.4-二硝基苯胺在10%乙醇中，70C下通入过量10%的NaHS还原30分钟，得对硝-邻苯二胺，收率88%。其中少量,31,部分还原在有机合成中可作为一个方法，但要慎用，二个硝基哪个被还原，要通过实验检验，如要合成,不能由,只能,32,b. 1-硝基蒽醌的还原,95100 C,用过量1020% 在95100C还原，趁热过滤，得粗品1-NH2AQ。,蒽醌硝化时含少量-；1，5-；1，8-异构体，这些杂质还原时也都被还原成相应的氨基物，所以还原产物要进行精制，纯化的方法有精馏法，硫酸法，保险粉法等，各有利弊，根据实际情况选择。,33,10.4 其它含氮化合物的还原,主要包括亚硝基化合物，偶氮化合物还原制胺，重氮化合物还原制肼。,（1）只有含第一类取代基的活泼芳烃才能进行亚硝化，所以比硝基化合物少。,还原剂与硝基物相似,34,扑热息痛,的合成：,35,5052C,（2）偶氮化合物还原,在某些特殊情况下，难以用相应的硝基物还原得到氨基物的，如1-羟基-2-氨基-5-萘磺酸的合成：,含金属偶氮染料的重要中间体1-氨基-2-萘酚-4-磺酸的合成：,36,(3) 重氮化合物的还原,还原过程分两步进行,对磺酸基苯肼就是由 经重氮化，还原制得的，它是制含芳基吡唑酮环化合物的中间体：,1620C,在还原锅中加适量亚硫酸氢钠和水，用碱调节pH=6.77.0, 冷却至16C，加入对氨基苯磺酸重氮盐，在1620C，pH=6.77.0反应，过滤酸析出肼。,实验室一般以 做催化剂，工业上常用亚硫酸氢钠做还原剂。,37,芳肼与乙酰乙酰胺作用得芳基吡唑酮：,C,H,3,C,C,H,2,O,C,O,N,H,2,+,H,2,N,N,H,S,O,3,H,-