精细有机合成还原

1、第第1010章章 还原还原（Reduction） 10.1概述概述 10.2 还原反应历程还原反应历程 10.3 硝基还原制胺硝基还原制胺 10.4 其它含氮化合物的还原其它含氮化合物的还原 10.5 含硫化合物的还原含硫化合物的还原 10.1概述概述 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，

2、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） 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。 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

3、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) CBr Ar H- CH + Ar Br- 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。 C O H- CH O- H+ CH OH C O OH H- -O H C OH H+ - H 2O C H O H- H2 CO- H+ CH2OH 10.2.2

4、 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： NaHSO3 H+ NaSO3- SO3Na- ArN2+ ArN N SO3Na SO3Na- . Ar N SO3Na N SO3Na H H2O ArNH NHSO3Na HCl ArNHNH2HCl H+ 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

5、。 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。 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

6、-7 C6H5NO2C6H5NOC6H5NHOHC6H5NH2 C6H5N N C6H5 O C6H5N N C6H5 C6H5 H N H N C6H5 12 3 44 5 6 7 8 10.3 硝基还原制胺硝基还原制胺 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： H2 H

7、2 （气态）（吸附） 2H（吸附）2H +2 e + 2H + Cat + 2H（溶解） 2OH- 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

8、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。 H+ OH- 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。 负荷= 硝基物的重量流量 反应器内催化剂总量 （kg

9、/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%。 混合作用 液相加氢是气-液-固三相反应，混合效

10、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 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 CH3 NO2 NO2 CH3 NO2O2N CH3 NH2 NH2 CH3 NH2H2N CH3 NCO NCO COCl2 9 H2 DNT C

11、H3OH RNi 4 CH3OH H2O TDA 残渣 （送焚烧炉） 2 3 4 5 6666 7778 1112 13 10 废催化剂 图：二硝基甲苯的连续液相加氢还原图：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 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

12、。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。 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

13、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。 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

14、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 铁屑在还原反应中颜色的变化，由绿 棕 黑 Fe(OH)2FeFe(OH)3Fe3O4 4ArNO2 +9Fe + 4H2O4ArNH2 + 3Fe3O4 ArNO2+3Fe 4H2O+ArNH2+3Fe(OH)2 ArNO2+6Fe(OH)2+ 4H2O ArNH2 + 6Fe(OH)3 Fe(OH)22Fe(OH)3+Fe3O4+ 4H2O Fe + 8Fe(OH)33Fe3O412H2O + 铁屑还原方程式 （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.

15、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。 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

16、，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。 （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。 pH 4.754.95 pH 23 H2SO4 低温 SO3H HNO3 H2SO4 SO3HNO2 SO3H NO2 稀释，脱硝，中和 还原 Fe SO3

17、Mg1/2NH2SO3Mg1/2 NH2 过滤滤液酸化 SO3HNH2 周位酸 SO3H NH2 劳伦酸 （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。 铁在酸性介质中 Fe Fe 都溶于水。 2+3+ 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： Fe2O3Fe(OH)2 Fe(OH)3 NH2 NH2 CH3 NH2 OCH3 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

18、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。 OH NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 CH3 NH2 NH2 SNH2 SS NH2 S 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 Na2SNaHS Na2S2 （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。 NH2 ArN=N-Ar-NO2

19、50C ArN=N-Ar-NH2 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。 NO2 NO2 NaHS NO2 NH2 Na2SO4Na2S Na2S2O3 Na2S2O3 （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。 ： S ： ： 2- ： S ： ： + 2e ： S ： ： ： S ： ： 2- ： S ：

20、 ： ： S ： ： + 2e （S2 的水合程度较低，被氧化后电子构型稳定） 2- 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： Na2S Na2S2 ArNO2 + 3S2- +4 H2OArNH2 + 3S + 6OH- S0 + S2-S22- 4S0 + 6OH-S2O32- + 2S2- + 3H2O 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 4Ar

21、NH2 + 3S2O32- + 6OH- 用Na2S,NaHS,Na2S2还原的反应方程式： 4ArNO2+6Na2S+7H2O4ArNH2+3Na2S2O3+6NaOH 4ArNO2+6NaHS+H2O4ArNH2+3Na2S2O3 ArNO2+Na2S2+H2OArNH2+Na2S2O3 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：Na2S + H2S2NaHS 一个简单的方法是： Na2S + Na

22、HCO3NaHS + Na2CO3 Na2s2制备：Na2S2Na2S + SNa2S2 （3）硫化碱还原的应用实例 a.多硝基化合物部分还原 NH2 NO2 NO2 4+H2O 乙醇 NH2 NH2 NO2 4+ 3Na2S2O3 70 0C 6NaHS 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 H2NNH2 NO2 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 CH3 NH2 NO2 CH3 NO2 NO2 CH3 NO2 NH2 CH3 HNO3 H2

23、SO4 CH3 NO2H CH3 NH2 H2SO4 CH3 NH2+ HSO4- HNO3H2O CH3 NH2 NO2 只能 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。 Na2S2 O O NO2 Na2S2 O O NH2 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。 10.4 其它含氮化合物的还原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

24、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。 Ar-NO H ArNH2 还原剂与硝基物相似 扑热息痛 的合成：HONHCOCH3 OH HNO2 OH NO Na2S OH NH2 (CH3CO)2O OH NHCOCH3 Cl2 Cl HNO3 H2SO4 Cl NO2 NaOH OH NO2 H OH NH2 此法烦 5052C （2）偶氮化合物还原 H ArN=N-ArArNH2 + ArNH2 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： OH S OH S N N Na2S2O4 OH S NH2+ NH2 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： OH