C6还原反应及其工艺.ppt

1、第六章 还原反应及其工艺,Reduction and Technique,2020/10/9,2,主要内容,还原反应的定义、方法、分类 不同官能团还原难易比较 活泼金属及其合金（ Fe、Zn、Na、Zn-Hg ）反应机理、应用及主要影晌因素 硫化碱还原反应机理、应用 亚硫酸盐还原反应机理、应用 金属复氢化合物还原反应机理、应用 醇铝还原剂反应机理、应用 催化氢化,2020/10/9,3,重点,活泼金属及其合金（ Fe、Zn、Na、Zn-Hg ）反应机理、应用及主要影晌因素 选择性还原 硫化碱还原反应机理、应用 金属复氢化合物还原反应机理、应用 气-固-液非均相催化氢化过程、催化剂及主要影响因素

2、,2020/10/9,4,6.1 概述,狭义地说，还原指的是有机物分子中增加氢或减少氧（以及硫或卤素）的反应，或两者兼有的反应。 广义底说，还原指的是化合物获得电子的反应，或使参加反应的原子上电子云密度增加的反应,2020/10/9,5,还原方法,化学还原 催化氢化 电化学还原,2020/10/9,6,还原反应的分类,碳-碳不饱和键的还原 C=O 键的还原 含氮基的还原 含硫基的还原 含卤基的还原,2020/10/9,7,2020/10/9,8,不同官能团还原难易比较,参见表 6-1 最易还原的是 R-SO2Cl 、 R-COCl 、 R-NO2 一般是序号小的基团比序号大的基团易还原,202

3、0/10/9,9,选择性还原,选择适当的还原条件,可进行选择性还原 选择序号小的基团还原，保留序号大的基团催化氢化 选择序号大的基团还原，保留序号小的基团化学还原,2020/10/9,10,化学还原剂的种类,活泼金属及其合金（ Fe、Zn、Na、Zn-Hg ） 元素的低价化合物（ Na2S、NaSx、FeCl2、SnCl2、Na2SO4等 ） 金属复氢化合物（NaBH4、KBH4、LiAlH4、LiBH4 ） 有机还原剂 （异丙醇铝等烷基铝、甲醛、葡萄糖等 ）,2020/10/9,11,活泼金属及其合金Birch反应（伯奇还原）,芳香化合物用碱金属（钠、钾或锂）在液氨与醇（乙醇、异丙醇或仲丁醇

4、）的混合液中还原，苯环可被还原成非共轭的1，4-环己二烯化合物。,2020/10/9,12,2020/10/9,13,2020/10/9,14,2020/10/9,15,2020/10/9,16,2020/10/9,17,Clemmensen还原（酸性条件下反应),Zn-Hg 活性Zn,2020/10/9,18,2020/10/9,19,6.2 铁粉还原,6.2.1 反应历程 铁粉还原是电子转移反应，元素铁是电子给体，被还原物的某个原子从铁的表面得电子生成负离子基，后者再从质子给体（例如 H2O）得 H+，而生成产物。元素铁则被氧化成二价铁或三价铁。,2020/10/9,20, 铁为还原剂 铁

5、为电子供体,(酸性条件),2020/10/9,21,6.2.2 应用范围,元素铁给电子能力弱，只适用于易还原基团的还原，是选择性还原剂。 可以将芳香族硝基、脂肪族硝基或其它含氮的基团(例如亚硝基、羟胺基)还原成相应的氨基。 一般对被还原物中所含的卤基、烯基、羰基等基团无影响,2020/10/9,22,6.2.2.1 芳环上的硝基还原成氨基 6.2.2.2 环羰基还原成羟基 6.2.2.3 醛基还原成醇羟基 6.2.2.4 芳磺酰氯还原成硫酚 6.2.2.5 二芳基二硫化物还原成硫酚 6.2.2.6 还原脱溴,2020/10/9,23,6.2.2.1 芳环上的硝基还原成氨基 弱酸性水介质，有电解

6、质，铁粉价廉、工艺简单，曾广泛应用，但副产氧化铁铁泥有环境保护问题，发达国家大型生产已不用。 6.2.2.2 环羰基还原成羟基 例如对苯醌还原成对苯二酚 （中性水介质，无电解质），还原染料还原成可溶性还原染料 (SO2 HCl C5H5N) 。 6.2.2.3 醛基还原成醇羟基 例如正庚醛还原成正庚醇（稀盐酸中），只有个别实例，主要用催化氢化法。,2020/10/9,24,6.2.2.4 芳磺酰氯还原成硫酚 在稀无机酸中，在较高温度下还原。 6.2.2.5 二芳基二硫化物还原成硫酚 例如二硫代水杨酸的还原制邻羧基苯硫酚（弱酸性介质）。 只有个别实例，也可用锌粉还原法或氢气还原法。 6.2.2.

7、6 还原脱溴 例如 3,6-二溴 -2- 甲氧基萘还原脱溴制 6- 溴 -2- 甲氧基萘（水-乙酸介质）。 只有少数实例 ，主要用催化氢化法。,2020/10/9,25,6.2.3 铁粉还原的主要影晌因素,(1) 铁粉的质量：一般用干净质软的灰色铸铁。 (2) 铁粉用量： l mol 单硝基化合物还原成芳伯胶时用 3-4g 原子铁。 (3) 电解质：硝基还原为氨基时，电解质可加速铁的电化学腐蚀。 (4) 温度：硝基还原为氨基时，一般在水介质中在接近沸腾温度下进行。 (5) 反应器：硝基还原时，用衬耐酸砖的球底钢槽 ，快速螺旋桨式搅拌器，用直接水蒸气加热。,2020/10/9,26,6.3 锌粉

8、还原,锌粉还原也是电子转移反应，还原能力比铁粉强，应用范围比铁粉广， 但价格贵。 锌粉的还原能力与反应介质的酸碱性有关。它在中性、酸性和碱性条件下均具有还原能力。它可以还原硝基、亚硝基、腈基、羰基、碳-碳不饱和键、碳-卤键、碳-硫键等多种官能团。在不同的介质中得到的还原产物也不同。 一般在酸性介质中还原，个别情况下在碱性介质中还原。 锌粉表面易被空气氧化而降低活性，应选用新制的锌粉。,2020/10/9,27,6.3.1 芳磺酰氯还原成芳亚磺酸 6.3.2 芳磺酸氯还原成硫酚 6.3.3 碳硫双键还原脱硫成亚甲基 6.3.4 羰基还原成羟基 6.3.5羰基还原成亚甲基 6.3.6 硝基化合物还

9、原成氧化偶氮、偶氮和氢化偶氮化合物,2020/10/9,28,6.3.1 芳磺酰氯还原成芳亚磺酸 在低温、酸性水介质的温和条件下还原。 6.3.2 芳磺酸氯还原成硫酚 在稀无机酸中，在较高温度下还原。 6.3.3 碳硫双键还原脱硫成亚甲基 碳硫双键还原脱硫成亚甲基可选择性地只将 C-S还原成 CH2 ，而不还原 C=O 键。反应可在盐酸存在下在乙醇中回流。 6.3.4 羰基还原成羟基 羰基还原成羟基可在乙酸中或氢氧化钠水溶液中加热还原。,2020/10/9,29,6.3.5羰基还原成亚甲基 羰基还原成亚甲基可选择性地只将指定的殷基还原成亚甲基，而不影响其他羰基，在乙醚中 HCl 催化。 6.3

10、.6 硝基化合物还原成氧化偶氮、偶氮和氢化偶氮化合物 硝基化合物还原成氧化偶氮、偶氮和氢化偶氮的反应是在氢氧化钠水溶液的强碱性条件下进行，三类化合物都是有用的有机中间体。氢化偶氮苯在强无机酸水介质中可发生内分子重排反应而生成联苯胺。联苯胺是强致癌物，已禁止生产和使用。 联苯胺的某些衍生物未禁止生产，除锌粉还原法外，又开发了 H2-Pd/C 法、甲醛法、水合肼法、电解法、甲醛 -水合肼二步法、甲醛-电解二步法等。,2020/10/9,30,锌粉在碱性条件下进行还原反应，可使硝基化合物发生双分子还原，生成氧化偶氮化合物、偶氮化合物、氢化偶氮化合物。它也可以将酮基还原成羟基或亚甲基。硝基化合物在碱性

11、介质中用锌粉还原的过程为,2020/10/9,31,6.4 硫化碱还原,含硫化合物包括两大类。一是硫化物(硫化物、硫氢化物和多硫化物)，是较温和的还原剂；二是含氧硫化物(亚硫酸盐、亚硫酸氢盐、保险粉)。 硫化碱还原性温和，主要用于将芳环上的硝基还原成氨基； 当芳环上有多个硝基时，可选择性地只还原其中的一个硝基 （部分还原）； 可将硝基偶氮化合物还原成氨基偶氮化合物，将偶氮化合物还原成两个氨基化合物。,2020/10/9,32,硫化碱的特点及应用范围,所用的硫化物主要有： 硫化钠(Na2S) 硫氢化钠(NaHS) 硫化铵（(NH4)2S） 多硫化钠(Na2Sx，x称为硫指数，等于l5),2020

12、/10/9,33,反应历程,用硫化钠作还原剂时，为： 还原总反应方程式为：,2020/10/9,34,硫化碱的选择,Na2S 中的 S2-是电子给体，反应介质中的水或乙醇是 H+ 给体，反应后Na2S被氧化成Na2S 2O3(S4+ ) 。 用Na2S 还原时，生成游离 NaOH，使介质的 pH 值升高 ，易引起硝基化合物的双分子还原生成偶氮化合物。 用Na2S2还原时，不生成游离 NaOH, 是最常用的硫化碱类还原剂。,2020/10/9,35,用Na2S3 还原时，析出元素硫，很少用。 用 NaHS 还原时，还原能力温和，介质碱性低，特别适用于对碱性敏感的硝基化合物的还原和多硝基化合物的部

13、分还原。 在Na2S 水溶液中加入 NaHCO3, NH4 HCO3 等，也可降低还原介质的碱性。,2020/10/9,36,6.4.2 硝基化合物的部分还原 硝基化合物可用过量 5%10% 的Na2S2 、 NaHS 或 NaHS+ NaHCO3，在 4080下部分还原 。 当不对称的间二硝基苯衍生物进行部分还原时，哪个硝基被选择性地还原，一般取决于苯环其它取代基的性质。如果有-OH、-OR等基团存在时，则在其邻位的硝基被还原。,2020/10/9,37,2020/10/9,38,6.4.3 硝基化合物的完全还原,硝基化合物可用过量 10%20% 的Na2S 或Na2S2 ，在 60 160

14、 全部还原。适用于制得的芳伯胺容易与副产的Na2S2O3废液分离的情况。 提高反应温度可以缩短反应时间，但这时要使用耐压设备。,2020/10/9,39,6.5 亚硫酸盐还原,Na2SO3 和 NaHSO3 是温和还原剂，反应在水介质中进行，要控制 pH 值、反应温度和还原剂用量。 将芳磺酰氯还原成亚磺酸 将重氮盐还原成芳肼 将硝基还原成氨基 硝基还原-加成磺化制氨基芳磺酸,2020/10/9,40,6.6 金属复氢化合物还原,LiAlH4 、 NaBH4 、 KBH4 中的 H-失电子 ， 自身被氧化成 H+ 。对于C=O、C=N-OH 、 N=O 和S= O 等极化双键可发生亲核进攻而加氢

15、。对于极化程度弱的 双键（例如硝基），一般不发生加氢反应。 此类还原剂价格贵只用于制药和香料工业。,2020/10/9,41,6.6.1 四氢铝锂,四氢铝锂遇水、酸、含羟基和巯基等含活泼氢的有机化合物会放出氢气而生成相应的铝盐，要求在无水乙醚或无水四氢呋喃等醚类溶剂中使用。 四氢铝锂还原能力强，可被还原的官能团范围广，但价格太贵。,2020/10/9,42,2020/10/9,43,2020/10/9,44,6.6.2 四氢硼钠和四氢硼钾,四氢硼钠和四氢硼钾不溶于乙醚 ，在常温可溶于水、甲醇和乙醇而不分解，可用无水甲醇、异丙醇或乙二醇二甲醚、 N，N- 二甲基甲酰胺等溶剂。高温时可选用四氢呋喃

16、、二甲基亚砜等溶剂。,2020/10/9,45,四氢硼钠和四氢硼钾还原能力弱，可被还原的官能团范围窄，但还原选择性好。 仅能使碳基化合物和酰氯还原为醇，不能使硝基还原。它是由氢化钠和硼酸甲酯反应而制得。,2020/10/9,46,2020/10/9,47,2020/10/9,48,6.7醇铝还原剂,醇铝也称为烷氧基铝，它是一类重要的有机还原剂，作用缓和，具有高选择性，反应速度快，副反应少，产率高。 仅能使羰基还原成羟基(特殊情况下也可以生成亚甲基)，对于碳-碳原子之间的双键、三键、NO2、-Cl等均无还原能力。较常用的还原剂是乙醇铝和异丙醇铝。,2020/10/9,49,乙醇铝,通过下式合成：

17、 它易于水解，所以在制备和使用时均应在无水条件下进行。 使用醇铝进行还原反应是负氢离子的转移过程。在还原羰基化合物时，醇铝中铝原子与羰基的氧原子以配价键形式结合，形成过渡态六元环，然后负氢离子从烷氧基上向碳基转移，铝氧键断裂，最后完成还原过程。,2020/10/9,50,异丙醇铝还原（Meerwein-Ponndorf-Verley）米尔魏因-庞多夫-韦莱,2020/10/9,51,异丙醇铝醛、酮还原成醇,2020/10/9,52,肼还原黄鸣龙还原（碱性条件下还原）,2020/10/9,53,肼 水合肼,2020/10/9,54,反应式 机理： CC等基团可不受影响,2020/10/9,55,

18、2020/10/9,56,2020/10/9,57,2020/10/9,58,2020/10/9,59,特点：反应温和，收率高；高选择性；可以部分还原 注意： 1，肼价格较贵，有毒性，对粘膜有强烈的刺激性和腐蚀作用，使用时应十分小心 2，肼能溶解塑料和橡胶，装置应用玻璃磨口连接 3，NH2-NH2 + HNO3会发生爆炸,2020/10/9,60,2020/10/9,61,催化氢化按其反应类型可分为氢化(加氢)反应和氢解反应。 氢化是指氢分子加成到烯基、炔基、羰基、氰基、芳环类等不饱和基团上使之成为饱和键的反应，它是键断裂与氢加成的反应。 氢解是指有机化合物分子中某些化学键因加氢而断裂，分解成

19、两部分氢化产物，它是指在反应中键断裂并与氢结合的反应。通常容易发生氢解的有碳-卤键、碳-硫键、碳-醚键、氮-氮键、氮-氧键等。 本章无特殊需要，不再区分氢化(加氢)和氢解而通称为氢化。,6.8 催化氢化,2020/10/9,62,6.8.1 催化氢化的方法 6.8.2气-固-液非均相催化氢化的催化剂 6.8.3 气-固-液非均相催化氢化的主要影响因素,2020/10/9,63,6.8.1 催化氢化的方法,6.8.1.1 气-固相接触催化氢化 连续操作，要求反应物和还原产物具有适当的挥发性和高温热稳定性。 6.8.1.2 均相配位催化氢化 均相配位催化氢化特点是可用于手性合成，但手性催化剂价格很

20、贵，应用少。 6.8.1.3 气-固-液非均相催化氢化 气-固-液非均相催化氢化既可用于小型间歇操作，也可用于大型连续操作。许多原来用化学还原法生产的产品已改用此法。优点是副反应少、收率高、环境污染易解决。,2020/10/9,64,催化氢化过程,催化氢化的基本过程是吸附-反应-解吸。 影响总的氢化反应速度有如下两方面因素： (1)气-液-固三相之间的传质 其中包括搅拌效率、溶剂粘度、催化剂相对密度、压力等。 (2)化学动力学因素 其中包括催化剂的作用、有机化合物(反应物)结构、反应温度等。,2020/10/9,65,6.8.2气-固-液非均相催化氢化的催化剂,6.8.2.1 镍催化剂 6.8

21、.2.2 铂催化剂 6.8.2.3 钯催化剂,2020/10/9,66,6.8.2.1 镍催化剂,镍催化剂主要是骨架镍 ，通常由镍铝合金用氢氧化钠水溶液溶去铝而得，有多种商品牌号，各用于不同的目的反应。 干燥的骨架钠镍在空气中会自燃，又开发了非自燃骨架燥。 镍催化剂可在弱碱性或中性条件下使用，在弱酸性条件下活性下降，pH 值小于 3即失活。 镍催化剂价廉，应用范围广，选择性较好，但活性较弱。,2020/10/9,67,6.8.2.2 铂催化剂,铂催化剂最常用的是 Pt/C 载体催化剂，在空气中干燥不会自燃和失活。 铂催化剂活性高、氢化条件温和，可在中性和酸性条件下使用，适用范围广。选择性差、易

22、中毒、价格贵，应用受到限制。,2020/10/9,68,6.8.2.3 钯催化剂,钯催化剂最常用的是 Pd/C 载体催化剂。 钯催化剂作用较温和、选择性较好，可在碱性或酸性条件下使用。价格比铂便宜，对毒物敏感性小，故应用范围较广。,2020/10/9,69,6.8.3 气-固-液非均相催化氢化的主要影响因素,被氢化物的结构和性质 催化剂的选择和用量 溶剂 介质的 pH 值 温度和压力 搅拌和装料系数 反应器,2020/10/9,70,被氢化物的结构和性质,被氢化物的结构和性质是影响催化氢化反应的重要因素。 被氢化物靠近催化剂表面活性中心的难易决定了氢化反应的难易，空间位阻效应大的化合物甚至不能

23、靠近活性中心，所以反应较难进行。 为了克服位阻效应对氢化反应的不利影响，要用强化反应条件的方法如提高反应温度和反应压力来完成氢化反应。,2020/10/9,71,催化剂的选择和用量,根据被氢化物以及反应设备条件选择适宜的催化剂 催化剂的用量一般较少即可得到满意的结果。其用量为被氢化物质量的 1020%(骨架镍) 10%(5%钯-碳) l2%(PtO2),2020/10/9,72,催化剂的用量与被氢化物的类型、催化剂的种类、活性及反应条件等多种因素有关 一般在低压氢化时催化剂用量较大 有毒物存在时要适当加大催化剂用量 催化剂的活性高时其用量可适当减少 使用低于正常量的催化剂可提高其选择性 增加催

24、化剂用量可大大加快反应速度 用过的催化剂均要回收,2020/10/9,73,溶剂和介质的酸碱性,溶剂的极性、介质的酸碱性以及溶剂对反应物和氢化产物的溶解度等均能影响反应速度和反应的选择性。 溶剂的存在使反应物的吸附特性发生了变化，改变了氢的吸附量。溶剂的存在也会引起催化剂表面状态的改变，可使摧化剂分散得更好，有利于被氢化物、氢、催化剂三者之间的接触。 使用不同的溶剂，催化氢化反应速度不同，生成物也会不同。,2020/10/9,74,溶剂,在催化氢化中常用的溶剂有水、甲醇、乙醇、醋酸、乙酸乙酯、四氢呋喃、环己烷、甲基环已烷、苯、二甲基甲酰氨等。 常用溶剂按活性次序排列为： 乙酸 甲醇 水 乙醇 丙酮 乙酸乙酯 乙醚 甲苯 苯 环己烷 石油醚,2020/10/9,75,无溶剂法 若反应物和生成物在反应温度下都是液体，而且粘度不大时，可不加溶剂氢化反应也能顺利进行。如硝基苯、硝基甲苯、2,4二硝基甲苯、硝基苯甲醚等的催化氢化可以不用溶剂。但这时需要使用高效的催化剂和有良好的传质条件