精细有机合成单元反应(陈志)05还原反应

第5章还原反应,(HydrogenationandReduction),1.了解还原反应的定义、还原剂及方法。2.熟悉化学还原硝基化合物常见的还原剂。3.熟悉常见含硫化合物的化学还原。4.掌握电解质溶液中的铁屑还原法。5.掌握催化加氢还原法的影响因素。6.了解水合肼还原的基本原理及方法,本章教学目标:,本章教学重难点:,1.电解质溶液中的铁屑还原。2.催化加氢还原的催化剂及影响因素。,概述化学还原催化氢化还原,第5章还原反应,5.1概述,定义反应的重要性还原剂还原方法,5.1.1定义,广义地讲，在还原剂的参与下，能使某原子得到电子或电子云密度增加的反应称为还原反应。,狭义地讲，在有机分子中增加氢或减少氧的反应，或者兼而有之的反应称为还原反应。,5.1.2反应的重要性,得到具有特定性能的产品制备N-取代产物Ar-NO2Ar-NH2Ar-NHR(ArNR2)将氨基转变为其它取代基Ar-NH2Ar-N2+Cl-Cl，-I，-F，-CN，-N=N-，H,本章重点讨论硝基化合物的还原,硝基苯在不同的反应条件下，得到不同的产物。,5.1.3还原剂,5.1.4还原方法,5.2化学还原反应,电解质溶液中的铁屑还原含硫化物的还原锌粉还原其它化学还原方法,5.2.1电解质溶液中的铁屑还原,反应历程特点反应影响因素还原过程的控制适用范围及产品的分离方法,FeH2OFe(OH)2+H初生态Fe屑还原可以实现分步还原：NO2NONHOHNH2FeFe(OH)2Fe(OH)3Fe3O4绿色棕色黑色铁红颜料黑色磁粉,5.2.1.1还原反应历程,有效搅拌含有电解质的水溶液分批交替地加入硝基化合物和铁屑沸腾温度反应式,5.2.1.1还原反应历程,5.2.1.2特点,（1）优点工艺简单、适用而广、副反应少、对设备要求低等。应用：二甲苯胺、间氨基苯磺酸及一些萘系胺类中间体仍用该法生产（2）最大缺点产生大量含芳胺的铁泥和废水、必须进行回收处理，体力劳动繁重产量较高或毒性较大的芳胺正逐步为加氢还原法所代替,（）化学结构与反应活性:吸电子取代基使得氮原子上的部分正电荷增加，接受电子能力因而增加，有利于还原活性,5.2.1.3反应影响因素,水起的作用：(1）提供质子；（2）有利于搅拌；（3）有利于传热和传质。用量：80100mol/molArNO2。,（）反应介质:硝基物与水mol比=1:50-100,（）铁的品质和用量,铁的物理和化学状态洁净、粒细和质软的灰铸铁屑优于组成比较纯净的钢屑铁屑颗粒的细度和多孔性，粒度：60100目；每摩尔硝基物理论上需要2.25摩尔铁屑，实际用量为34摩尔,（）电解质,活性比较：NH4ClFeCl2(NH4)2SO4BaCl2CaCl2；用量：0.10.2mol/molArNO2；浓度：3。,常用,适当增加电解质的浓度可使还原速度加快浓度过高，则将使还原速度减慢;如氯化亚铁达到0.4摩尔浓度时，由于氧化铁表面的吸附而使还原速率降低mol硝化物，约需电解质0.10.2mol，其浓度在3左右还原锅中加少量酸(盐酸、乙酸、甲酸或硫酸)，使酸与铁屑作用生成电解质FeCl2“铁的预蚀”间歇还原，补加电解质虽然使用NH4Cl和FeCl2时还原速度最快，在某些情况下也需要采用其他电解质,采用醋酸亚铁作电解质防止酰基水解,5.2.1.4还原过程的控制,中间控制（1）pH值：弱酸性（2）Fe2+：使硫化钠试剂变黑终点控制,5.2.1.5适用范围及产品的分离方法,水溶性小、且易随水蒸气蒸出的芳胺如：苯胺、氨基氯苯、甲基苯胺分离方法：水蒸气蒸馏法水溶性大、且可以蒸馏的芳胺如：间苯二胺、对苯二胺、2,4-二氨基甲苯分离方法：过滤、浓缩母液、减压蒸馏,溶于热水、但在冷水中溶解度低的芳胺如：邻苯二胺、氨基苯酚分离方法：热过滤、冷却结晶含-SO3H和-COOH的芳胺如：周位酸、老伦酸分离方法：调节pH至碱性，过滤，酸化或盐析,难溶于水、且挥发性很小的芳胺如：2,4,6-三甲基苯胺分离方法：萃取,周位酸、劳伦酸的制备,低温磺化,硝化,稀释，脱硝，氧化镁中和,及铁屑还原,酸化,pH4.754.95,酸化,pH23,周位酸,劳伦酸,5.2.2含硫化合物的还原,特点及应用范围还原剂反应历程反应的影响因素还原条件及应用范围,5.2.2.1特点及应用范围,特点反应比较缓和；选择性地部分还原；吸电子基团的存在有利于硝基的还原；使硝基完全还原反应温度100，硫化碱过量10-20。,主要应用于多硝基物的部分还原,常用的硫化物硫化钠、硫氢化钠和多硫化钠(Na2S、NaHS、Na2S2、Na2S3、Na2S4)硫化铵、硫氢化铵、多硫化铵；硫化锰、硫化铁工业上多采用二硫化钠,5.2.2.2还原剂,硫化钠（Na2S）4ArNO2+6Na2S+7H2O4ArNH2+3Na2S2O3+6NaOH二硫化钠（Na2S2）Na2S+SNa2S2ArNO2+Na2S2+H2OArNH2+Na2S2O3,多硫化钠（Na2Sx）ArNO2+Na2Sx+H2OArNH2+Na2S2O3+(x-2)S硫氢化物（NaHS,NH4HS）NaS+H2S2NaHSNaOH+H2SNaHS+H2ONH4OH+H2SNH4HS+H2O,5.2.2.3反应历程,ArNO2+3S2-+4H2OArNH2+3S0+6OH-,总反应：ArNO2+S22-+H2OArNH2+S2O32-,4S0+6OH-S2O32-+S2-+3H2O,S0+S2-S22-,以硫化钠还原硝基物，在水-乙醇介质中,一、用硫化碱还原,1.动力学研究及还原质点,以过量的硫氢化钠为还原剂,反应速度常数随碱浓度的增加而增加；介质碱性太强，不利于含有对碱敏感基团（如氰基等）化合物的还原,2.碱度的影响,通过测定各种硫化碱的水溶液pH值，可以得知：NH4HS,NaHS碱性最弱，Na2S,Na2S2,Na2Sn较强，因此对同一物质进行还原，反应方程式不同：,引入给电子基会阻碍反应，引入吸电子基则加速反应。带有羟基、甲氧基、甲基的邻、对二硝基化合物采用硫化碱还原时，邻位的硝基首先被还原：,3.取代基的影响：,进行部分还原时，采用较为温和的条件，过量510的硫氢化钠或二硫化钠，4080，有时再加入无机盐控制碱性,二、硫化碱还原制胺,NaS2,Na2S2,Na2S2,亚硫酸盐还原：亚硫酸氢钠将芳伯胺重氮盐还原为芳肼,三、用含氧硫化物的还原,染料的中间体,1-氨基-2-萘酚-4-磺酸（1，2，4-酸）,连二亚硫酸钠(保险粉)还原,水溶性的隐色体,还原蓝RSN色泽鲜艳,耐晒、耐碱、耐洗、耐汗渍等坚牢度都很优越，但不耐氯漂.,还原蓝RSN,即本身无色,与酸性物质接触后能显示清晰颜色的化合物,5.2.2.4还原条件及应用范围,多硝基物的部分还原还原剂：Na2S2，NaHS还原剂用量：过量510还原温度：4080实例：,硝基化合物的完全还原特点：（1）用于易与Na2S2O3分离的芳胺；（2）易使芳胺中毒。还原剂：Na2S，Na2S2还原剂用量：过量约1020还原温度:60100实例：,5.2.3锌粉还原,特点（1）用于还原硝基、亚硝基、腈基、羰基、碳-碳不饱和键、碳-卤键、碳-硫键等；（2）还原能力与反应介质的酸碱性有关；（3）多数反应在碱性介质中进行。,（1）硝基化合物在强碱性介质中用Zn粉还原可制得氢化偶氮化合物，在酸中易重排生成联苯胺系化合物。（a）还原过程,硝基化合物首先还原成亚硝基、羟胺化合物（b）氧化偶氮化合物还原生成氢化偶氮化合物：,高温，高碱浓度反应速度高100105，碱浓度：1213,低温，低碱浓度有利9095，碱浓度：9,（2）氢化偶氮化合物重排生成联苯胺(具有强致癌性，操作应注意保护)双质子化的氢化偶氮化合物的重排的推动力是两个正电荷的斥力，是反应的决定步骤。,联苯胺系化合物的制备,第一阶段：100105，碱浓度1213,第二阶段：9095，碱浓度9,第三阶段：酸性条件,Ar-NH-NH-ArH2N-Ar-Ar-NH2,5.2.4其它化学还原方法,金属复氢化合物还原醇铝还原硼烷还原,5.2.4.1金属复氢化合物还原,主要使用的是LiAlH4和NaBH44LiH+AlCl3LiAlH4+3LiCl特点：反应速度快，副反应少，选择性好，产品收率高，反应条件较温和。主要应用：-COOH-CH2OH-C=O-C-OH价格高，工业上应用较少,5.2.4.2醇铝还原,有机还原剂，如乙醇铝Al(OC2H5)3和异丙醇铝Al(OCHCH3)32Al+6C2H5OH2Al(OC2H5)3+3H2特点：作用温和，选择性高，反应速度快，副反应少，产率高。只能将羰基还原为羟基,i)不影响分子中的不饱和双键；,ii)对NO2、X是惰性的；,5.2.4.3硼烷（B2H6）还原,属于有机还原剂3NaBH4+4BF32B2H6+3NaBF4是一种亲电试剂主要用于将羧酸还原为醇,5.3加氢还原,定义、分类、特性加氢还原的基本过程催化剂反应的影响因素加氢还原用水合肼的还原,5.3.1定义、分类、特性,在催化剂的存在下，有机物与氢气（H2)发生的反应叫做催化氢化。,催化加氢（催化氢化）,含有不饱和键的有机物分子，在催化剂的存在下，与氢分子反应，使不饱和键全部或部分加氢的反应，叫做催化加氢（氢化）。,芳杂环,催化氢解,在催化剂存在下，含有碳杂键的有机物分子与氢气反应，发生碳杂键断裂，分解成两部分氢化产物的反应叫做催化氢解。,优点：反应易于控制，产品纯度较高，收率较高，三废少，在工业上应用广泛。气相加氢：适用于沸点较低、易气化的硝基化合物的还原。液相加氢：不受硝基物沸点的限制，适用范围广。,缺点：需要使用带压设备，安全措施要求高，催化剂的选择要求严格。,5.3.2加氢还原的基本过程,+,加氢还原和一般催化反应的三个基本过程,1.反应物在催化剂表面的扩散、物理和化学吸附过程,2.吸附络合物之间发生化学反应。,3.产物的解析和扩散，离开催化剂表面。,A：硝基苯还原生成苯胺，中间产物是亚硝基苯和苯基羟胺B：中间产物亚硝基苯和苯基羟胺相互作用生成氧化偶氮苯，再通过偶氮苯和氢化偶氮苯的途径生成苯胺C：中间产物苯基羟胺直接生成氢化偶氮苯后，再生成苯胺,芳香族的硝基化合物的表面化学反应历程：,1.常用镍，钯或铂等催化剂，反应条件较为温和。2.反应除生成伯胺外，还有较多的仲胺生成。,腈类：,5.3.3催化剂,催化剂的类型,一般金属系：Ni、Cu、Mo、Cr、Fe、Pb贵金属系：Pt、Pd、Rh、Ir、Os、Ru、Re,还原型纯金属粉：Pt、Pd、Ni等，如骨架镍、骨架铜化合物型：氢氧化物、氧化物、硫化物如PtO2、MoS载体型：如Pt/C、Pd/C,催化作用的电子因素,过渡金属的催化作用是与其原子的电子构型有关。当金属原子的能阶中有未被电子所填满的空位时，则可接受电子，反应物分子中的电子可填入此能阶中，反应物分子与催化剂表面发生吸附形成共价键，过渡金属所以有催化作用，即是由于电子层中有未填满的d-能阶。,催化剂的选择（1）活性和选择性（2）几何形状微球形、颗粒型、挤条形等,催化剂的性能（1）活性（负荷）（kg/Lh，kg/kgh）（2）选择性（3）强度（4）寿命（5）稳定性,催化剂的制备（1）骨架镍（2）Pd/C,催化剂的评价,活性：一般以反应物的转化率来进行衡量选择性：目标产物的选择性稳定性：失活与再生,几种重要的催化剂,骨架镍：铝镍合金制成。合金“消化”：2Al+2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2骨架镍常用作液相加氢催化剂，它能使含硝基、氰基、芳环的化合物和烯烃发生加氢反应。硫中毒：永久中毒，无法再生。,骨架镍作部分氧化处理，使之钝化到不会自燃而又保留足够高的活性；制成NiZn型非自燃骨架镍等。,铜硅胶载体形催化剂（浸渍法制备）,硅胶放入硝酸铜、氨水溶液中浸渍、干燥、灼烧、使用前氢气活化，得到含铜14-16%的金属态铜。,铜-硅催化剂具有成本低、选择性好、机械强度高等优点。容易硫中毒，抗毒性、热稳定性差等缺点。常用于流化床硝基苯气相加氢,均相催化剂有机金属络合型催化剂：用于液相加氢，一般负载过渡金属铑，钌，铱等的三苯基磷络合物。,优点：反应活性大、条件温和、选择性好、不易中毒。缺点：溶解溶液中，难于分离、回收。,5.3.4反应的影响因素,催化剂被氢化物的结构与性能温度和压力溶剂的极性与酸碱度搅拌和装料系数,5.3.4.1催化剂,种类,羟基去氢维生素A,VA醋酸酯,(1)CH3COCl(2)HBr(3)HBr,重排,RaneyNi:1015%5%Pd/C:110%PtO2:12%CuCr2O4:1020%,用量,5.3.4.2原料的结构与性能,空间效应越大，越不易靠近催化剂，需要强化反应条件，如升高温度、增加压力、提高催化剂活性等。分子结构不同，催化氢化的难易程度不同：Ar-NO2-C=C-C=O,R-NO2ArH直链烯烃环状烯烃萘苯烷基苯芳烷基苯纯度微量杂质引起催化剂中毒,5.3.4.3温度和压力,铂黑常压加氢5%Pd-C常压-0.5MPa骨架镍25MPa,乙醇做溶剂，间二硝基苯液相加氢：,硝基苯气相加氢：适宜温度在250-270,280-300,几种催化剂的液相加氢：,5.3.4.4溶剂的极性与酸碱度,（1）溶解被氢化物；（2）有利于传热；（3）便于催化剂的回收利用；（4）改变反应的选择性。,溶剂的作用,对溶剂要求（1）沸点高于反应温度；（2）对产物有较大的溶解度，有利于解析。,溶剂的种类CH3COOHH2OCH3CH2OHCH3COOC2H5高压