精细有机合成单元反应与合成设计第七章.

石河子大学化学化工学院第七章还原反应石河子大学化学化工学院第七章还原反应从广义上讲，凡使反应物分子得到电子或使参加反应的有机物碳原子上的电子云密度增高的反应均称为还原反应；从狭义上讲，凡使反应物分子的氢原子数增加或氧原子数减小的反应即为还原反应。石河子大学化学化工学院分类（还原剂及操作方法）：（1）催化还原反应（催化剂）（2）化学还原反应（化学物质）（3）电解还原（4）生物还原反应（微生物发酵或活性酶）石河子大学化学化工学院催化氢化反应——在催化剂作用下，有机化合物与氢加成的反应。分类多相催化氢化（不溶于反应介质的催化剂）转移催化氢化（不溶于反应介质的催化剂）均相催化氢化（溶于反应介质的催化剂）催化还原又分为两大类，即催化加氢和催化氢解。7.1催化还原石河子大学化学化工学院催化加氢（催化氢化）CC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）。CCCOCOHCNNOOCOOH芳杂环石河子大学化学化工学院CH3NO2CH3NH2H2,Ni,异丙醇8～10MPa,120～130℃NH2NH2NO2NO2H2,Pd/C7～8atm,40～45℃石河子大学化学化工学院CNCH2NH2H2,RaneyNi,乙醇80～120℃H2,Ni/Al2O3120～170℃OHOH2,Pd/C,C2H5OH-H2O180℃石河子大学化学化工学院石河子大学化学化工学院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。CZ催化剂H2CH+HZZ=X,O,S石河子大学化学化工学院催化剂H2OHCCH2H3CHCCH3H3COHNO2ClCONH2HClCO+H2/Pd/C50～60℃H2/Pd/CC2H5OHCOOCH2COOHCH3+石河子大学化学化工学院优点：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。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。石河子大学化学化工学院二、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石河子大学化学化工学院催化剂的选择（1）活性和选择性（2）几何形状微球形、颗粒型、挤条形等CNCNPd/C石河子大学化学化工学院催化剂的性能（1）活性（负荷）（kg/L•h，kg/kg•h）（2）选择性（3）强度（4）寿命（5）稳定性石河子大学化学化工学院催化剂的活性PtPdRhNi催化剂的稳定性指催化剂在使用条件下，保持活性及选择性的能力，主要指对毒物的稳定性。催化剂在使用过程中，活性随时间而变化。石河子大学化学化工学院催化剂的选择性NO2COCH3RhH2NH2COCH3NO2CH=CH2RhH2NH2CH=CH2CH=CHCHORhH2CH2CH2CHO石河子大学化学化工学院镍催化剂（RaneyNi、载体镍、还原镍和硼化镍）钯催化剂（氧化钯、钯黑和载体钯）铂催化剂（氧化铂、铂黑和载体铂）见P134表7.1所示常用催化剂石河子大学化学化工学院几种重要的催化剂（1）骨架镍液相加氢催化剂常采用含镍30%～50%的铝镍合金为原料。W-1；W-2；W-3；…..Al-Ni+NaOHH2ONa2AlO4+Ni+H2↑•RNi(RaneyNi)(活性Ni):石河子大学化学化工学院制备好的灰黑色骨架镍在于燥状态下会在空气中自燃，所以需保存在乙醇或蒸馏水中，使用时要注意安全。镍系催化剂对硫化物敏感，可造成永久中毒，无法再生。石河子大学化学化工学院（2）钯(Pd)为催化剂PdCl2+H2Pd↓+HClPd(黑色粉末)PdCl2+HCHO+NaOHPd↓+HCOONa+NaCl+H2O钯黑载体钯：加入载体（活性炭、CaCO3、BaSO4、硅藻土、Al2O3)增大比表面，增大活性钯C（Pd/C)Lindlar(林德拉）催化剂Pd/BaSO4/喹啉炔烯Lindlar石河子大学化学化工学院（3）铂（Pt）为催化剂亚当斯催化剂铂Na2PtCl6+2HCl+6NaOHPt+2HCOONa+6NaCl+4H2OH2PtCl6+NaBH4Pt载体铂PtO2Adams(NH4)2PtCl6+4NaNO3PtO2+4NaCl+2NH4Cl+4NO2+O2石河子大学化学化工学院亚当斯1889年生于美国波士顿，1908年毕业于哈佛大学，曾在柏林Ｅ·费歇尔实验室从事博士后研究工作。这一年的国外学习为他以后一生的事业奠定了基础，使他成长为美国化学界最有代表性的人物之一1913年回国后，亚当斯先在哈佛大学任讲师，主要研究课题是有机合成，他合成了许多药物，如丁卡因就是由他首次合成的。还有他合成的催化剂，后来成为实验室中最常用的一种催化剂，人们将其称为亚当斯催化剂。他对具有生理特效的天然产物也一直进行研究，并取得很多成果。此外他还对有机化学理论及美国有机化学工业都作出了很大贡献，他一生发表了405篇文章。美国亚当斯化学奖RogerAdamsAwardinOrganicchemistry创办时间:1959年.世界最有成就的一些有机化学家、诺贝尔奖金获得者都曾获得过亚当斯奖。如1965年获诺贝尔化学奖金的美国人伍德沃德、1969年获诺贝尔奖金的英国人巴顿等。颁奖机构：美国化学协会（AmericanChemicalSociety）通信地址：1155SixteenthSt.,N.W.,Wsshington,D.C.10036,U.S.A石河子大学化学化工学院（4）铜－硅胶载体型催化剂铜-硅胶催化剂是由沉积在硅胶上的铜组成，硅胶必须具有大的表面积和孔隙度，催化剂以浸渍法制备硅胶放入硝酸铜、氨水溶液中浸渍、干燥进行灼烧，使用前用氢气活化得含铜量为14%～16%的金属态铜。此催化剂具有成本低、选择性好、机械强度高等优点，因而用于流化床硝基苯气相加氢中，但抗毒性、热稳定性较差，原料中微量的有机硫化物(如噻吩)，易引起催化剂中毒。石河子大学化学化工学院（5）有机金属络合物型催化剂－均相催化剂反应活性大、条件温和、选择性较好、不易中毒等优点，但因催化剂溶解于溶液中，使分离和回收较困难。（Ph3P）3RhCl、（Ph3P）3RuClH、（Ph3P）3IrH、石河子大学化学化工学院1．催化剂的影响不同的催化剂，其适用范围和所要求的反应条件，以及生成的还原产物有可能不同。如苯甲酸乙酯分别采用骨架镍和亚铬酸铜进行催化还原，其结果则不同。三、影响因素石河子大学化学化工学院COOC2H5CH2OHCOOC2H5160℃,27.6MPaH2,CuCr2O4H2,RaneyNi50℃,10.1MPaH2,RaneyNiH2,NiBH2NCH2CH2NH2CCCH3CCHCH3HCH2CH2CH3石河子大学化学化工学院CHCH2NiB,H2C2H5OHCH2CH3CHCH2Ni,H2CH2CH3石河子大学化学化工学院OHCH2OHPd/CaCO3/喹啉9.81×104Pa30～37℃OHCH2OH+H2羟基去氢维生素ACH2OCOCH3VA醋酸酯CH2OHOCH2OHO＋VA(1)CH3COCl(2)HBr(3)－HBr,重排石河子大学化学化工学院2被氢化物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-NO2＞ArH直链烯烃＞环状烯烃＞萘＞苯＞烷基苯＞芳烷基苯CC石河子大学化学化工学院石河子大学化学化工学院石河子大学化学化工学院在催化氢化时可以使用纯氢及与一氧化碳或其它惰性气体的混合氢。许多大吨位的品种的催化氢化反应大多数采用纯氢做为氢源。工业上提供氢源的主要途径有食盐水电解、天然气转化、水煤气净化以及电解水等。其中以食盐水电解法应用最多。3.原料加氢还原反应中，应控制有机物纯度，因有机物中的微量杂质易引起催化剂中毒，活性下降。石河子大学化学化工学院当催化剂有足够的活性时，再提高反应温度往往会引起副反应的发生，使选择性降低。在达到要求的前提下尽可能选择较低的反应温度。一般情况下，使用铂、钯时，大多数氢化反应可在较低的温度和压力下进行。4.温度和压力石河子大学化学化工学院使用骨架镍时，则要求在较高的温度下进行氢化反应。用高活性的骨架镍时，反应温度若超过100℃，会使反应过于激烈，甚至会使反应失去控制。石河子大学化学化工学院ONi,H29.81MPa25℃120℃260℃OOHOHCCR'R9.8×104Pa2.9×105Pa室温室温H2,Pd/CaCO3/PbOLindlar催化剂HCCHRRRCH2CH2R+HCCHRR石河子大学化学化工学院压力是强化催化氢化的重要手段。氢压增大即氢的浓度增大，因而可加快反应速度。但压力增大使反应的选择性降低。压力超过反应所需要时，会出现副反应，有时会出现危险。铂黑常压加氢5%Pd-C常压～0.5MPa骨架镍2～5MPa石河子大学化学化工学院5.搅拌和装料系数的影响搅拌的作用：（1）影响催化剂在反应介质中的分布情况、面积和催化效果；（2）有利于传热，防止局部过热。装料系数：0.35～0.5石河子大学化学化工学院6.溶剂的极性与酸碱度溶剂的作用（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。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。石河子大学化学化工学院溶剂的种类CH3COOH＞H2O＞CH3CH2OH＞CH3COOC2H5高压反应使用溶剂：H2O，，，高压催化氢化不能用酸性溶剂，以免腐蚀高压釜。OO石河子大学化学化工学院OOHH2,5%/PdC+表溶剂酸碱度对产品收率的影响溶剂0.20MCH3COOH0.014MHCl无0.008MNaOH产率，％607690100OHH+H2介质的酸碱度石河子大学化学化工学院OHHHOHHO9.8×104PaH2,Pd/C,溶剂+反应溶剂顺式比例，％反式比例，％C2H5OH5347C2H5OH/HCl/H2O937C2H5OH/KOH35～5065～50石河子大学化学化工学院四、均相催化氢化反应非均相催化氢化具有工艺简便、原料低廉、对许多基团的加氢、氢解均有较高的催化活性、且易分离回收等优点。但这类催化剂存在着明显的缺陷，例如当被还原物分子中存在多个不饱和基团时，往往缺乏反应选择性；副反应较多，常有不同程度的双键异构化或氢解反应伴随发生等，致使催化氢化反应达不到预想的效果。石河子大学化学化工学院1．均相催化的特点均相催化具有如下优点：①氢化效率高，反应条件温和，大多数反应可在室温和常压下进行，而且避免了非均相催化反应的传质问题，大大加快了反应速度。②反应选择性高，副反应少。例如均相催化可以选择性还原双链，而对分子中存在的另一些基团不影响。石河子大学化学化工学院③不易中毒，故可用来还原含硫的化合物。④可用于不对称合成，制取高产率的光学活性物质均相催化的缺点是原料成本高，且对氧敏感，常用惰性气体回流除氧，以保证氢化反应的顺利进行。石河子大学化学化工学院2.均相催化剂的制备均相催化的关键是找到能溶解于反应溶剂中的催化剂，近年来发现铂系金属盐与三苯基膦形成的有机金属络合物大都是能溶于有机溶剂的高效均相催化剂，其中最主要的是三(三苯基膦)氯化铑和三(三苯基膦)二氯化钌。石河子大学化学化工学院3．均相催化氢化的应用(1)选择性还原末端烯键由于均相催化剂含有立体位阻较大的三苯基磷结构，而多取代烯烃的立体位阻也大，两者不易形成络合物，因此可以选择性地还原末端烯键，而保留分子中的多取代烯键。OHOHH2/TTCPhHRT90%易氢化末端双键石河子大学化学化工学院(2)选择性还原α,β-不饱和醛、酮、硝基、氰基等化合物的烯键。石河子大学化学化工学院(3)选择性还原含氯或醚