精细有机合成还原PPT课件

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、3 1 2 8 7 12 3 44 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 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

6、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

7、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 负荷 硝基物的重量流量 反应器内催化剂总量 kg kg hr 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

8、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

9、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 100 C 压力5 10MPa 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 图图 二硝基甲苯的连续连续 液相加氢还氢还 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

10、应器 同时将0 1 0 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 100 C 氢压15 20MPa 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

11、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 250 270 C 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

12、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 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 3 4 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

13、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 3 4 所以污染是个大问题

14、 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 75 4 95 pH 2 3 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 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

15、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 ArN N Ar NO2 50 C ArN N Ar NH2 优点 硫化钠来源丰富 C 1200 C 反应设备要求低 后处理简单 副产溶解于水 分离方便

16、 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 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 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50 70 C Na2S过量5 10 用硫化碱进行完全还原控制条件 反应温度100 110 C 沸腾 Na2S过量10 20 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