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，本章重点讨论： 1.

2、 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4个氢负离子，第一个氢负离子最活泼，活

3、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)CBrArH-CH+ArBr-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 OH-CH O-H+CH OHC OOHH-OHCOHH+- H2OCHOH-H2CO-H+CH2OH10.2.2 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

4、历程：NaHSO3H+ NaSO3-SO3Na-ArN2+ArN N SO3NaSO3Na-.Ar NSO3NaN SO3NaHH2OArNH NHSO3NaHClArNHNH2HClH+ 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。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

5、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）1-2-8-7C6H5NO2C6H5NOC6H5NHOHC6H5NH2C6H5N N C6H5OC6H5N N C6H5C6H5HNHN C6H512344567810.3 硝基还原制胺硝基还原制胺

6、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：H2H2（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

7、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。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

8、,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/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

9、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

10、 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 ： 2CH3NO2NO2CH3NO2O2NCH3NH2NH2CH3NH2H2NCH3NCONCOCOCl29H2DNTCH3OHRNi4CH3OHH2OTDA残渣（送焚烧炉）23456666777811121310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

11、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

12、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、M

13、g、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）反应历程铁屑在还原反应中颜色的变化，由绿 棕 黑 Fe(OH)2FeFe(OH)3Fe3O44ArNO2+9Fe + 4H2O4ArNH2+ 3Fe3O4ArNO2+3Fe4H2O+ArNH2+3Fe(OH)2ArNO2+6Fe(OH)2+4H2OArNH2+ 6Fe(OH)3Fe(OH)22Fe(OH)3+Fe3O4+ 4H2OFe + 8Fe(OH)33Fe3O412H2O+铁

14、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=1:2.25（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

15、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。（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 4.754.95pH 23H2SO4低温SO3HHNO3H2SO4SO3HNO2SO3HNO2

16、稀释，脱硝，中和还原FeSO3Mg1/2NH2SO3Mg1/2NH2过滤滤液酸化SO3HNH2周位酸SO3HNH2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)2Fe(OH)3NH2NH2CH3NH2OCH3b. 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

17、于水，过滤后滤液进行酸析或盐析。OHNH2NH2NH2NH2NH2NH2NH2CH3NH2NH2SNH2SSNH2Sd.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Na2SNaHSNa2S2（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。NH2ArN=N-Ar-NO250CArN=N-Ar-NH2优点：硫化钠来源丰富，C1200C 反应设备要求低； 后

18、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。NO2NO2NaHSNO2NH2Na2SO4Na2SNa2S2O3Na2S2O3（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：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：Na2SNa2S2

19、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%04ArNO2 + 6S2- + 7H2O 4ArNH2 + 3S2O32- + 6OH-用Na2S,NaHS,Na2S2还原的反应方程式：4ArNO2+6Na2S+7H2O4ArNH2+3Na2S2O3+6NaOH4ArNO2+6NaHS+H2O4ArNH2+3Na2

20、S2O3ArNO2+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 + NaHCO3NaHS + Na2CO3Na2s2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NH2NO2NO24+H2O乙醇NH2NH2NO24+3Na2S2O3700C6NaHS 2.4-二硝基

21、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H2NNH2NO2 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CH3NH2NO2CH3NO2NO2CH3NO2NH2CH3HNO3H2SO4CH3NO2HCH3NH2H2SO4CH3NH2+ HSO4-HNO3H2OCH3NH2NO2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。Na2S2OONO2Na2S2OONH2 蒽醌硝化时含少量-；1，5-；1，8-异构体，这些杂

22、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-NOHArNH2还原剂与硝基物相似扑热息痛的合成：HONHCOCH3OHHNO2OHNONa2SOHNH2(CH3CO)2OOHNHCOCH3Cl2ClHNO3H2SO4ClNO2NaOHOHNO2HOHNH2此法烦5052C（2）偶氮化合物还原HArN=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：OHSOHSN NNa2S2O4OHSNH2+NH2含金属偶氮染料的重要中