精細(xì)有機(jī)合成還原

1、第第1010章章 還原還原（Reduction）10.1概述概述 10.2 還原反應(yīng)歷程還原反應(yīng)歷程10.3 硝基還原制胺硝基還原制胺10.4 其它含氮化合物的還原其它含氮化合物的還原10.5 含硫化合物的還原含硫化合物的還原10.1概述概述 還原與氧化是相對(duì)應(yīng)的，從廣義上講化合物得電子稱還原，失去電子稱氧化。但對(duì)有機(jī)化合物來(lái)說(shuō)，還原、氧化在得失電子方面不像無(wú)機(jī)反應(yīng)那樣直觀，因此給出定義：凡通過(guò)化學(xué)反應(yīng)后，C-H,N-H,S-H鍵數(shù)目增多（或C-O,N-O,S-O鍵數(shù)目減少）的屬于還原反應(yīng)，反之是氧化反應(yīng)。 加氫還原是還原反應(yīng)的一個(gè)重要方面，涉及面較廣，前面單獨(dú)設(shè)章介紹過(guò)，本章重點(diǎn)討論： 1.

2、 含氮化合物還原，主要是-NO2化合物還原（重點(diǎn)介紹） 2. 含硫化合物的還原（簡(jiǎn)單介紹） 還原方法： 1.用金屬或低價(jià)金屬鹽還原；2.用含硫化合物還原（Na2S）； 3.加氫還原（ArNO2 ArNH2）； 4.用金屬氫化物還原（LiAlH4）； 5.電解還原。10.2 還原反應(yīng)歷程還原反應(yīng)歷程介紹三種類型歷程1.傳遞氫離子的還原；2.由親核試劑傳遞一對(duì)電子的還原；3.加氫還原。10.2.1 傳遞氫離子的還原 以含氫負(fù)離子還原劑與有機(jī)化合物作用完成的，常用的還原劑有： LiAlH4、NaBH4、KBH4， 其中氫化鋁鋰的還原能力最強(qiáng)。 每個(gè)還原劑都可給出4個(gè)氫負(fù)離子，第一個(gè)氫負(fù)離子最活潑，活

3、潑性依次減弱，這種還原反應(yīng)分為親核取代和親核加成兩類。取代型：得到的產(chǎn)物構(gòu)型發(fā)生改變(左、右旋)CBrArH-CH+ArBr-加成型：對(duì)于酮醛來(lái)說(shuō)用金屬氫化物很容易還原成相應(yīng)的醇。+- 若將羧酸，羧酸酯，酰氯還原成醇，分兩個(gè)階段，第一步先還原得醛，然后進(jìn)一步還原成醇： 含弱極性C=C化合物，由于不能形成缺電子中心，不能接受氫負(fù)離子，因而不宜采用金屬氫化物還原。C OH-CH O-H+CH OHC OOHH-OHCOHH+- H2OCHOH-H2CO-H+CH2OH10.2.2 由親核試劑傳遞一對(duì)電子的還原 這類反應(yīng)有實(shí)用價(jià)值，其中用亞硫酸鹽將重氮化合物還原成肼的反應(yīng)在醫(yī)藥工業(yè)很有意義，它的反應(yīng)

4、歷程：NaHSO3H+ NaSO3-SO3Na-ArN2+ArN N SO3NaSO3Na-.Ar NSO3NaN SO3NaHH2OArNH NHSO3NaHClArNHNH2HClH+ 第一步是重氮鹽與亞硫酸氫鈉作用，得到共價(jià)結(jié)合的芳香重氮硫酸鹽;后者在偶氮基上與亞硫酸氫鈉進(jìn)行加成，生成N-芳基-1.2-亞肼基雙磺酸鹽;產(chǎn)物中一個(gè)磺酸基在低溫條件下脫去，得到N-芳肼磺酸鹽;在酸性介質(zhì)中加熱，脫去第二個(gè)磺酸基，得還原產(chǎn)物芳肼的鹽酸鹽。10.2.3 加氫還原芳烴硝基化合物加氫還原歷程：（1）-NO2物分子和H2分子擴(kuò)散到固體催化劑表面；（2）二者在催化劑表面發(fā)生化學(xué)吸附；（3）吸附的分子間發(fā)生

5、化學(xué)反應(yīng)；（4）反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑表面解吸；（5）反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)擴(kuò)散離開(kāi)催化劑表面。 在這樣一個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，化學(xué)吸附是反應(yīng)控制階段。兩種情況：一種是H2的吸附是控制階段，另一種是硝基物的化學(xué)吸附是控制階段，這與所選用的催化劑有關(guān)。 實(shí)際上芳烴硝基化合物還原成氨基化合物的反應(yīng)過(guò)程很復(fù)雜，下面是硝基苯加氫還原的歷程：由硝基苯還原成苯胺有三條途徑：（1）1-2-3（2）1 和 1-2 經(jīng)4-5-6-7（3）1-2-8-7C6H5NO2C6H5NOC6H5NHOHC6H5NH2C6H5N N C6H5OC6H5N N C6H5C6H5HNHN C6H512344567810.3 硝基還原制胺硝基還原制胺

6、一些大噸位的氨類化合物如苯胺，甲基苯胺的生產(chǎn)都是通過(guò)硝基還原路線，主要的還原方法有三： 催化加氫還原 ；在電解質(zhì)存在下用金屬還原 ；硫化堿還原。 10.3.1 催化加氫還原 加氫還原最大優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境污染小，產(chǎn)品質(zhì)量好，是工業(yè)上重要的使用方法。還原過(guò)程機(jī)理前面介紹過(guò) ，H2或硝基物在催化劑表面的化學(xué)吸附是整個(gè)還原反應(yīng)的控制步驟。H2在吸附后以多種形態(tài)存在：H2H2（氣態(tài)）（吸附）2H（吸附）2H +2 e+2H + Cat+2H（溶解）2OH-2H2O 不同形態(tài)的氫 由吸附的氫分子到質(zhì)子都有可能參加還原反應(yīng)，到底是哪個(gè)參加，要看催化劑對(duì)硝基物吸附的強(qiáng)弱。前蘇聯(lián)一研究院設(shè)計(jì)出一種能測(cè)出催化劑表面上氫

7、的電位變化的儀器，如用鉑做催化劑，在50%乙醇一水介質(zhì)中進(jìn)行硝基苯還原時(shí)，催化劑表面H的電位變化是190mv，硝基物與催化劑之間是弱吸附，參加反應(yīng)的是吸附后的氫分子或氫原子；催化劑改為蘭尼鎳，電位變化是270mv強(qiáng)吸附吸附后的氫原子或氫質(zhì)子。 介質(zhì)的酸堿性對(duì)還原反應(yīng)速度有明顯影響，上述的硝基苯還原無(wú)論是鉑催化還是蘭尼鎳催化，都是在中性介質(zhì)中加氫速度最快，在酸性介質(zhì)中加氫速度很慢。H+OH-加氫還原也分為液相加氫和氣相加氫兩種： （1）液相加氫還原 硝基物液相加氫還原所用催化劑貴金屬的Pt,Pd，其中Pd用得較多，它們價(jià)格貴，反應(yīng)活性高，在較低溫度甚至常溫或低壓下反應(yīng)；一般金屬有Ni,Cu,Co

8、,Fe等，其中以Ni用得最廣，常見(jiàn)的是骨架Ni。液相加氫的影響因素很多，主要討論以下五個(gè)方面：催化劑的選擇及負(fù)荷 催化劑是影響加氫還原的主要因素，首先應(yīng)根據(jù)還原對(duì)象，條件，及成本等各方面情況來(lái)選擇催化劑，在選定催化劑基礎(chǔ)上來(lái)確定催化劑濃度，用量、負(fù)荷。負(fù)荷=硝基物的重量流量反應(yīng)器內(nèi)催化劑總量（kg/kghr） 單位時(shí)間內(nèi)單位重量催化劑所擔(dān)負(fù)的硝化物重量。可見(jiàn)負(fù)荷愈大，生產(chǎn)能力愈強(qiáng)。負(fù)荷的大小與催化劑的活性高低有直接關(guān)系，每種催化劑都有允許范圍的負(fù)荷。同一種催化劑如選用的負(fù)荷太小，則催化劑沒(méi)有得到充分利用，生產(chǎn)能力降低；負(fù)荷過(guò)大，容易使反應(yīng)轉(zhuǎn)化不完全和催化劑壽命縮短。不同的硝基物，使用相同的催化

9、劑，負(fù)荷也是不同的。硝基物的純度 硝基物還原時(shí)對(duì)純度有要求。芳烴硝化時(shí)產(chǎn)物中往往帶有少量酚類副產(chǎn)，硝基酚的存在容易使催化劑中毒，而且還原收率降低，所以硝基物中硝基酚的量要限制。另外，水溶性硝基物還原時(shí)，要控制無(wú)機(jī)鹽的含量小于5%。 混合作用 液相加氫是氣-液-固三相反應(yīng)，混合效果如何是至關(guān)重要的： 對(duì)鍋式反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，要選擇混合效果好的攪拌器，攪拌的轉(zhuǎn)數(shù)要快，控制裝料系數(shù)在1/3左右，以保持反應(yīng)物料上面有充分的氫氣。 對(duì)塔式反應(yīng)器，要控制好空塔速度，保持物料處于湍流狀態(tài)，裝料系數(shù)控制在50%。 溫度與壓力 取決于所選用的催化劑，規(guī)律同前，硝基還原常用的蘭尼Ni，反應(yīng)溫度100C，壓力510MPa

10、 溶劑 硝基還原用的溶劑最多的是醇類，如甲、乙、異丙醇，具有水溶性的硝基物可用水。液相加氫的生產(chǎn)實(shí)例：8 ： 2CH3NO2NO2CH3NO2O2NCH3NH2NH2CH3NH2H2NCH3NCONCOCOCl29H2DNTCH3OHRNi4CH3OHH2OTDA殘?jiān)ㄋ头贌隣t）23456666777811121310廢催化劑圖：二硝基甲苯的連續(xù)液相加氫還原圖：二硝基甲苯的連續(xù)液相加氫還原1氫循環(huán)機(jī)；2、3、4、5送料泵；6反應(yīng)器；7物料循環(huán)泵；8氣液分離器；9沉降分離器；10循環(huán)泵；11脫甲醇塔；12脫水塔；13蒸餾塔；14貯罐D(zhuǎn)NT二硝基甲苯；TDA二氨基甲苯；R-Ni骨架鎳 以蘭尼Ni為

11、催化劑，甲醇作溶劑，將二硝基甲苯與甲醇1：1溶液輸入高壓反應(yīng)器，同時(shí)將0.10.3%的蘭尼Ni漿液和適量氫氣送入反應(yīng)器。反應(yīng)器中有水冷裝置，保持溫度100C，氫壓1520MPa。反應(yīng)器出來(lái)的物料降壓后，在氣液分離器中分出氫氣，由沉降分離器分出催化劑，再脫甲醇，脫水，最后精餾得到純度99%的二氨基甲苯。氫氣和催化劑循環(huán)使用。這樣一套生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)要求是相當(dāng)高的，我國(guó)開(kāi)始時(shí)是從國(guó)外引進(jìn)，近年已能自己開(kāi)發(fā)。（2）氣相加氫還原 硝基物還原大部分采用液相加氫，少數(shù)容易汽化的硝基物，如硝基苯、硝基甲苯可采用氣相加氫還原。與液相加氫比較，氣相加氫不需要使用溶劑，催化劑便宜，成本較低。氣相加氫所用的反應(yīng)器有流

12、化床和固定床兩種。 目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)采用流化床，原吉林染料廠年產(chǎn)二萬(wàn)噸苯胺，曾采用鐵粉還原，后改用氣相加氫還原，這套氣相加氫裝置是吉化公司設(shè)計(jì)、建造的，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量很好，并消除了鐵粉還原生成鐵泥造成的污染。氣相加氫催化劑：Cu-硅膠（載體型）反應(yīng)溫度：250270C 硝基物還原是強(qiáng)放熱反應(yīng)，要控制好反應(yīng)溫度，一方面用水或其它載熱體將熱量帶走，另一方面控制H2大大過(guò)量，帶走部分熱量，硝基物與H2用量在理論上分子比1:3（流化床），而實(shí)際上控制在1:9。10.3.2 在電解質(zhì)存在下用金屬還原 這是早期采用的硝基還原方法，而且應(yīng)用較廣。所謂金屬還原，理論上講，周期表中排在氫以前的如Na、K、Ca、M

13、g、Fe、Zn等都可以，但這里最有實(shí)用價(jià)值的是Fe，其次是Zn。 用鐵屑還原勞動(dòng)強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重，但鐵屑來(lái)源豐富，便宜，操作簡(jiǎn)便，適用范圍廣，設(shè)備也簡(jiǎn)單，尤其對(duì)生產(chǎn)噸位小的精細(xì)化工產(chǎn)品，采用鐵屑還原是有意義的。（1）反應(yīng)歷程鐵屑在還原反應(yīng)中顏色的變化，由綠 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+鐵

14、屑還原方程式（2） 影響因素 鐵屑的質(zhì)量和用量 鐵屑還原總方程式看出，理論上硝基物:Fe=1:2.25（分子比），實(shí)際用量1：34，一般是用車床切削下來(lái)的鐵屑，最好是軟質(zhì)灰口鑄鐵，這種鑄鐵中富有碳，少量的Si、S等，在電解質(zhì)水溶液中，構(gòu)成C-Fe微電池，有利于鐵上電子的轉(zhuǎn)移；軟質(zhì)鐵在攪拌中易被磨碎，使接觸面加大，有利于反應(yīng)進(jìn)行。使用鐵屑時(shí)須注意：鐵屑上潤(rùn)滑油脂及氧化物的存在影響催化效果，所以使用前用稀酸處理干凈。 電解質(zhì) 電解質(zhì)的存在有利于實(shí)現(xiàn)電子流動(dòng)，促進(jìn)還原反應(yīng)的進(jìn)行。采用不同電解質(zhì)對(duì)反應(yīng)影響不同，其中用NH4Cl還原速度最快，F(xiàn)eCl2次之。連續(xù)還原中多采用NH4Cl。 適當(dāng)提高電解質(zhì)濃

15、度可使還原速度加快，但濃度過(guò)高也不利。 溶劑 主要作用改進(jìn)傳質(zhì)，最常用的是水，另外還有冰醋酸，其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快，產(chǎn)物易分離；存在的問(wèn)題是HAc作溶劑后處理較難，另外產(chǎn)物（-NH2）易?；?，因此改用在稀HAc-乙醇介質(zhì)中進(jìn)行還原。（3）應(yīng)用實(shí)例 鐵屑還原因產(chǎn)生大量鐵泥，還原的胺類在水中溶解34%，所以污染是個(gè)大問(wèn)題。一般大噸位產(chǎn)品不使用此法，而用加氫還原，但對(duì)小噸位產(chǎn)品仍有實(shí)用價(jià)值，如含磺酸基的周位酸、勞倫酸生產(chǎn)過(guò)程中，還原是用鐵屑，還原后調(diào)成堿性，產(chǎn)物呈磺酸鎂鹽溶解，過(guò)濾除鐵泥，濾液酸化析出。pH 4.754.95pH 23H2SO4低溫SO3HHNO3H2SO4SO3HNO2SO3HNO2

16、稀釋，脫硝，中和還原FeSO3Mg1/2NH2SO3Mg1/2NH2過(guò)濾濾液酸化SO3HNH2周位酸SO3HNH2勞倫酸（4）鐵屑還原的適用范圍和芳胺的分離 鐵屑還原的應(yīng)用在很大程度上取決于產(chǎn)物是否容易分離，凡是胺類和鐵泥能分離開(kāi)的都可應(yīng)用。鐵在酸性介質(zhì)中 Fe Fe 都溶于水。2+3+鐵在中性介質(zhì)中 FeO、不溶于水。、胺類在如下情況可與鐵泥分開(kāi)：a.中性時(shí)，以游離形式用水蒸汽可蒸餾出來(lái)，如：Fe2O3Fe(OH)2Fe(OH)3NH2NH2CH3NH2OCH3b. 中性時(shí)，可溶于熱水的游離胺，趁熱過(guò)濾，濾液冷卻 得胺；若冷卻后溶解度仍較大，需濃縮除水，如：屬前種屬后種c.帶磺酸基的胺類溶解

17、于水，過(guò)濾后濾液進(jìn)行酸析或鹽析。OHNH2NH2NH2NH2NH2NH2NH2CH3NH2NH2SNH2SSNH2Sd.難溶于水，揮發(fā)性小的芳胺，用溶劑萃取。 胺類本身是固體，不溶于水的，如蒽醌的胺類則不能用此法還原。10.3.3 硫化堿還原常用的是Na2SNaHSNa2S2（1）適用范圍： 固體胺類，其它方法產(chǎn)物不易分離的，蒽醌胺類用硫化堿還原后很容易分離。 實(shí)現(xiàn)部分還原，硫化堿還原比較緩和，可使多硝基化合物中的硝基分步還原，或使硝基偶氮化合物中的-NO2還原，偶氮基不受影響。NH2ArN=N-Ar-NO250CArN=N-Ar-NH2優(yōu)點(diǎn)：硫化鈉來(lái)源豐富，C1200C 反應(yīng)設(shè)備要求低； 后

18、處理簡(jiǎn)單，副產(chǎn)溶解于水，分離方便。缺點(diǎn)：收率偏低，成本相對(duì)略高，副產(chǎn)分離雖易，但廢水多，處理起來(lái)比較麻煩。NO2NO2NaHSNO2NH2Na2SO4Na2SNa2S2O3Na2S2O3（2）反應(yīng)歷程 硫化堿還原是通過(guò)二價(jià)硫負(fù)離子攻擊硝基上的氮原子實(shí)現(xiàn)的。 硫化堿中硫上的電子給硝基物中缺電子的氮，因而NO2芳烴上有其它取代基存在，若是吸電子基還原容易，而有供電子基還原難以進(jìn)行。：S：2-：S：+ 2e：S：S：2-：S：S：+ 2e（S2 的水合程度較低，被氧化后電子構(gòu)型穩(wěn)定）2- 后者比前者相對(duì)穩(wěn)定，容易生成，所以用Na2S還原沒(méi)有Na2S2快，Na2S還原是自動(dòng)催化過(guò)程：Na2SNa2S2

19、ArNO2 + 3S2- +4 H2OArNH2 + 3S + 6OH-S0 + S2-S22-4S0 + 6OH-S2O32- + 2S2- + 3H2O還原總方程式： 用硫化堿進(jìn)行部分還原控制條件：反應(yīng)溫度5070C，Na2S過(guò)量510%。 用硫化堿進(jìn)行完全還原控制條件：反應(yīng)溫度100110C（沸騰），Na2S過(guò)量1020%04ArNO2 + 6S2- + 7H2O 4ArNH2 + 3S2O32- + 6OH-用Na2S,NaHS,Na2S2還原的反應(yīng)方程式：4ArNO2+6Na2S+7H2O4ArNH2+3Na2S2O3+6NaOH4ArNO2+6NaHS+H2O4ArNH2+3Na2

20、S2O3ArNO2+Na2S2+H2OArNH2+Na2S2O3 以上三反應(yīng)式看出，Na2S還原有NaOH生成，在強(qiáng)堿下還原時(shí)，有副反應(yīng)氧化偶氮苯生成，加縛堿劑可做一定調(diào)整，解決的根本辦法是不用Na2S。 用NaHS還原pH低,反應(yīng)較緩和，但制備NaHS程序較麻煩：向Na2S水溶液中通H2S：Na2S + H2S2NaHS一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是：Na2S + NaHCO3NaHS + Na2CO3Na2s2制備：Na2S2Na2S + SNa2S2（3）硫化堿還原的應(yīng)用實(shí)例a.多硝基化合物部分還原NH2NO2NO24+H2O乙醇NH2NH2NO24+3Na2S2O3700C6NaHS 2.4-二硝基

21、苯胺在10%乙醇中，70C下通入過(guò)量10%的NaHS還原30分鐘，得對(duì)硝-鄰苯二胺，收率88%。其中少量H2NNH2NO2 部分還原在有機(jī)合成中可作為一個(gè)方法，但要慎用，二個(gè)硝基哪個(gè)被還原，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，如要合成不能由CH3NH2NO2CH3NO2NO2CH3NO2NH2CH3HNO3H2SO4CH3NO2HCH3NH2H2SO4CH3NH2+ HSO4-HNO3H2OCH3NH2NO2只能b. 1-硝基蒽醌的還原95100 C 用過(guò)量1020% 在95100C還原，趁熱過(guò)濾，得粗品1-NH2AQ。Na2S2OONO2Na2S2OONH2 蒽醌硝化時(shí)含少量-；1，5-；1，8-異構(gòu)體，這些雜

22、質(zhì)還原時(shí)也都被還原成相應(yīng)的氨基物，所以還原產(chǎn)物要進(jìn)行精制，純化的方法有精餾法，硫酸法，保險(xiǎn)粉法等，各有利弊，根據(jù)實(shí)際情況選擇。10.4 其它含氮化合物的還原其它含氮化合物的還原 主要包括亞硝基化合物，偶氮化合物還原制胺，重氮化合物還原制肼。（1）只有含第一類取代基的活潑芳烴才能進(jìn)行亞硝化，所以比硝基化合物少。Ar-NOHArNH2還原劑與硝基物相似撲熱息痛的合成：HONHCOCH3OHHNO2OHNONa2SOHNH2(CH3CO)2OOHNHCOCH3Cl2ClHNO3H2SO4ClNO2NaOHOHNO2HOHNH2此法煩5052C（2）偶氮化合物還原HArN=N-ArArNH2 + ArNH2 在某些特殊情況下，難以用相應(yīng)的硝基物還原得到氨基物的，如1-羥基-2-氨基-5-萘磺酸的合成：OHSOHSN NNa2S2O4OHSNH2+NH2含金屬偶氮染料的重要中