После реорганизации медицинского института в Военно-медицинскую академию (июль 1939-1942 гг) начальником кафедры был доцент Соломин Владимир Алексеевич, который заведовал кафедрой до ноября 1962 года. Он издал учебник «Общая и неорганическая химия», который характеризовался оригинальностью изложения вопросов химии и пользовался популярностью. С 1963 по 1983 г. кафедрой заведовал доцент Баталин Виктор Иванович, который обеспечил перевод учебного процесса кафедры на современный уровень как в учебно-методическом, так и в научном плане, заложил основы профилированного преподавания химии на вновь открытых факультетах — педиатрическом, стоматологическом и фармацевтическом.
Заведующая кафедрой общей, бионеорганической и биоорганической химии, профессор Н. П. Аввакумова
В соответствии с новым учебным планом с 1 сентября 1982 года кафедра получила новое название — кафедра бионеорганической и биофизической химии. С 1 сентября 1983 года по 1 сентября 2008 года кафедру возглавлял Агапов Альберт Иванович, воспитанник Ленинградского государственного университета, по совместительству являвшийся организатором и первым деканом фармацевтического факультета СамГМУ, ныне почетный профессор СамГМУ. В 1985-86 учебном году на кафедру был передан курс органической химии, ранее преподававшийся на кафедре биохимии и кафедра стала называться кафедрой общей, бионеорганической и биоорганической химии.
С сентября 2008 года кафедру возглавляет выпускница первого выпуска фармацевтического факультета, почетный выпускник ВУЗа, доктор биологических наук, профессор Аввакумова Надежда Петровна. В студенческие годы на протяжении 5 лет она возглавляла комсомольскую организацию фармацевтического факультета, в 1975 г. сфотографирована у знамени Победы.
К преподаванию привлечен высококвалифицированный профессорско-преподавательский и лаборантский состав: 2 профессора, 4 доцента, 4 старших преподавателей; остепененность 100%, средний возраст сотрудников 52 года.
Учебная работа направлена на реализацию модели личностно-ориентированного и опережающего образования специалистов, способствует получению профессиональных знаний, развитию личности. Преподавание химии проводится на высоком научно-педагогическом уровне с использованием как традиционных, так и современных методов обучения и контроля знаний студентов.
Кафедра обеспечивает подготовку студентов различных факультетов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения. За кафедрой общей, бионеорганической и биоорганической химии закреплены следующие дисциплины базовых учебных планов:
Образовательный процесс осуществляется в соответствии с целями и навыками, закрепленными ГОС каждой специальности и направлениями подготовки. Цели и получаемые навыки по конкретным дисциплинам, закрепленные за кафедрой, изложены в рабочих программах, учебно-тематических планах соответствующих дисциплин и соответствуют требованиям ГОС.
Особенностью преподавания дисциплины на кафедре является ее медико-биологическая направленность. Учебный план включает избранные разделы общей, бионеорганической, биоорганической, физической, коллоидной и аналитической химии, которые, органично сочетаясь, образуют по существу курс «Химические основы процессов жизнедеятельности организма», необходимый для формирования естественно-научного мышления специалистов медицинского профиля. Этот курс закладывает фундамент для понимания принципов доказательной медицины. Каждый раздел (модуль) этого курса вооружает студентов медицинского вуза знаниями, которые ему необходимы для понимания и усвоения сущности и механизма процессов, происходящих в организме на молекулярном уровне.
Коллектив кафедры общей, бионеорганической и биоорганической химии
Лекционный курс читается с использованием мультимедийных проекторов; все химические лаборатории оснащены необходимым оборудованием и реактивами.
Большую работу проводят сотрудники кафедры в рамках факультета довузовской подготовки: оказывают консультативную помощь учителям химии в медицинских классах, участвуют в олимпиадном движении школьников «Будущее медицины», обеспечивают преподавание в рамках подготовительных курсов СамГМУ.
В настоящее время удалось сформировать единое научное направление кафедры «Исследование строения, свойств и биологической активности специфических органических веществ лечебных грязей и препаратов на их основе», являющееся в настоящее время актуальным, патентоспособным и инновационным. По данному направлению были выполнены две докторские диссертации (А. И. Агапов, 1999 г. и Аввакумова Н. П., 2003 г.) и 8 кандидатских диссертаций, получено 13 патентов и 4 гранта, 2 из которых международные.
В рамках научного конгресса в г. Томске в 2010 г кафедра признана ведущим центром Российской Федерации по исследованию биологической активности гуминовых веществ.
Профессору Агапову А. И. вручена высшая награда АМТН РФ за разработку теории и практики применения гуминовых препаратов — Золотая медаль имени А. Чижевского.
Кафедра в рамках творческого сотрудничества реализует свои проекты совместно со многими ВУЗами страны: МГУ, СамГУ, БГУ, БГМУ (г. Уфа), КемГМА (г. Кемерово). Кафедра проводит экспериментальные исследования с научными центрами: НИИ «Институт экспериментальной медицины и биотехнологий» (г. Самара); «Институт нефтехимии и катализа РАН» (г. Уфа), НПО «Химавтоматика» (г. Москва).
На протяжении всего времени существования кафедры ее сотрудниками осуществляется активное взаимодействие со студентами в рамках студенческого научного общества. Студенты совместно с преподавателями успешно занимаются выполнением научно-экспериментальной работы, результатами которой являются многочисленные дипломы, гранты и сертификаты.
Активисты студенческого научного кружка и молодые ученые кафедры выступают на различных международных, всероссийских и региональных конференциях.
Кафедра общей, бионеорганической и биоорганической химии курирует студентов педиатрического и фармацевтического факультетов. Преподаватели курируют учебную, научно-исследовательскую, культурно-познавательную работу, участвуют в организации различных выставок и концертов. Осуществляется совместное посещение театров, и проводятся дискуссии по современным актуальным вопросам. Наиболее яркие события студенческой жизни находят отражение в стенгазете «Наш курируемый подшефный поток». По результатам зимней сессии, которая является первой в студенческой жизни первокурсников, родителям студентов, получивших оценку «отлично» направляются благодарственные письма. Проводимые мероприятия способствуют общекультурному и нравственному воспитанию студентов.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра органической химии М.В. ЛЕОНОВА, Ю.Н. КЛИМОЧКИН МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ В ОРГАНИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ Учебно-методическое пособие Самара Самарский государственный технический университет 2012 1 Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ УДК 542.9+547.2, 547.3, 547.6 Леонова М.В., Климочкин Ю.Н. Методы восстановления в органическом синтезе: учебно-методическое пособие./ М.В. Леонова, Ю.Н. Климочкин - Самара, Самар. гос. техн. ун-т. 2012. 111 с.: ил.1 Рассмотрены реакции восстановления различных классов органических соединений. Приводится характеристика некоторых восстановителей и катализаторов гидрирования, даны указания к выбору методов восстановления. Приводятся методики синтеза органических соединений разных классов на основе реакций восстановления. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся на химикотехнологических направлениях и специальностях. М.В. Леонова, Ю.Н. Климочкин, 2012 Самарский государственный технический университет, 2012 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение …………………………………………………… 1. Характеристика восстановителей ……………………... 5 7 2. Восстановление углеводородов ……………………….. 3. Восстановление галогенпроизводных углеводородов.. 4. Восстановление спиртов, фенолов и простых эфиров.. 5. Восстановление альдегидов и кетонов ………………. 18 29 33 37 6. Восстановление карбоновых кислот и их производных 7. Восстановление азотсодержащих соединений ……….. 8. Восстановление серосодержащих соединений ………. 50 59 72 9. Приготовление восстановителей и катализаторов восстановления ………………………………………………... 10. Экспериментальная часть ……………………………. 11. Меры безопасности …………………………………… 12. Вопросы для самоконтроля …………………………... 82 101 105 Библиографический список …………………………... Приложения …………………………………………… 108 109 3 74 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ Ac – ацетил Alk - алкил Ar – арил AcOH – уксусная кислота Bu – бутил BuOH - бутанол t-Bu – трет.бутил t-BuОН – трет.бутанол 9-BBN - 9-борабициклононан BINAР - 2,21-бис(дифенилфосфино)-1,11-бинафтил Et – этил EtOH - этанол Hal – галоген Het – гетарил Kt – катализатор LTBA - трис(трет-бутокси)алюмогидрид лития LTMA - трис(метокси)алюмогидрид лития Me – метил Ph – фенил Pr – пропил i-Pr – изопропил i-PrОН – изопропанол THF – тетрагидрофуран Ts – тозил (4-СH3С6H4SO2) Глим – 1,2-диметоксиэтан ДЭГ - диэтиленгликоль ДИБАЛ-Н - диизобутилалюминийгидрид Диглим – диметиловый эфир диэтиленгликоля ДМФА – N,N-диметилформамид 4 ВВЕДЕНИЕ Восстановление является распространенным методом получения многих органических соединений, как в лаборатории, так и в промышленности. Реакции восстановления и окисления характеризуются процессом передачи электронов, причем окисление это потеря соединением электронов, а восстановление - приобретение электронов. Следовательно, в процессе восстановления восстановитель отдает один или несколько электронов. К восстановлению в органическом синтезе относятся, в основном, два типа реакций: а) реакции, в результате которых в молекулах уменьшается степень окисления атомов углерода в органических соединениях. Эти реакции могут проходить или с вытеснением кислорода (с выделением воды) или без вытеснения кислорода; б) реакции, сопровождающиеся уменьшением степени окисления атомов N, S, Р и других в органических соединениях. Реакции восстановления - это химические превращения, в результате которых понижается степень окисления атома или атомов, представляющих реакционный центр исходного соединения. При расчете степени окисления каждую поделенную пару электронов полностью относят к более электроотрицательному из атомовпартнеров, а пару электронов связи между атомами одного и того же элемента делят между ними. Остающийся на атоме заряд условно считают его степенью окисления. Образование связи атома углерода с любым более электроотрицательным атомом сопряжено с увеличением его степени окисления на единицу и, напротив, образование связи с менее электроотрицательным атомом – с уменьшением степени окисления на единицу. Ниже приведены степени окисления атомов углерода в некоторых молекулах: 5 OH H -4 C C H H H H O O -2 H C0 H H H H C +2 O H В качестве восстановителей используются агенты, являющиеся хорошими донорами электронов (щелочные, щелочно-земельные металлы, цинк, олово, железо, амальгамы металлов, соли металлов в низшей степени окисления, комплексные гидриды металлов, гидразин, магнийорганические соединения, сульфиды и сульфиты щелочных металлов, дитионит натрия и др.). Восстановителем также является водород в момент выделения или в присутствии катализатора. При большом разнообразии методов восстановления выбор конкретного способа зависит от природы исходного субстрата, условий выделения конечного продукта, его устойчивости, возможности восстановления других функциональных групп. Одно и то же вещество можно восстанавливать несколькими методами. В зависимости от природы восстанавливаемого вещества и от ожидаемого результата применяют соответствующие восстановители и условия реакции. При этом, подбирая условия и реагенты, можно осуществлять восстановление с различной скоростью и получать разные продукты. Предлагаемое пособие не претендует на всю полноту изложения материала по методам восстановления. Здесь приводятся методы, наиболее широко применяемые в лабораторной практике. В данном пособии для удобства и лучшего усвоения студентами методов восстановления органических соединений теоретический материал излагается в следующей последовательности. Вначале дается характеристика и применение восстановителей. Затем рассматриваются методы восстановления основных классов органических соединений: углеводородов, галогенпроизводных, спиртов и фенолов, альдегидов и кетонов, карбоновых кислот и их производных, азотсодержащих и серосодержащих соединений. В 6 практической части приводятся методики получения катализаторов гидрирования, используемых в лабораторной практике, некоторых восстановителей и методики восстановления разных классов органических соединений. 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ 1. Щелочные и щелочноземельные металлы обладают низким ионизационным потенциалом и легко отдают электроны. Используются в системах металл – жидкий аммиак или амин, металл – спирт, но иногда и в апротонных растворителях. Часто применяются амальгамы щелочных и щелочноземельных металлов. Они восстанавливают карбонильные, азотсодержащие соединения, соединения с сопряженными связями. 2. Олово, цинк, железо и некоторые другие металлы, а также их соли в низшей степени окисления в кислотных, щелочных или нейтральных водных средах - наиболее доступные реагенты, которые часто используются при восстановлении в промышленности и в лабораторных условиях самых разнообразных кислород-, серо- и азотсодержащих соединений. 3. Гидриды бора и алюминия. Для восстановления в лабораторной практике находят применение: диборан В2Н6; комплексы борана с аминами R3N . BH3 (жидкости или кристаллические вещества); комплекс борана с диметилсульфидом BH3 . SМе2; комплекс борана с тетрагидрофураном; дибромборан, применяемый в виде комплекса с диметилсульфидом - HBBr2 . SМе2; селективный гидроборирующий реагент - 9-борабициклононан (9-BBN). 7 H B 9-BBN Диборан обычно получают взаимодействием боргидрида натрия с эфиратом трехфтористого бора. THF 3 NaBH 4 + 4 BF 3 o 2 B 2H6 + 3 NaBF 4 0 - 10 C В настоящее время имеется готовый реагент – разбавленный раствор диборана в тетрагидрофуране, который необходимо хранить при 0оС. Этот реагент весьма активен, но крайне огнеопасен. Комплексы борана с аминами R3N . BH3 неогнеопасны, однако реагируют с алкенами лишь при повышенных температурах (100оС). Среди гидридов алюминия наиболее распространенным реагентом для восстановления кратных связей является ДИБАЛ-Н диизобутилалюминийгидрид (i-C4H9)2AlH. В промышленности его получают из 2-метилпропена, порошка алюминия и водорода. o H3C CH2 4 + 2 Al + 50 - 70 C 3 H2 H3C 50 - 60 àòì 2 ((ÑH3)2CHCH2)2AlH ДИБАЛ-Н Как реагент ДИБАЛ-Н может использоваться в индивидуальном состоянии, либо в виде 1М раствора в толуоле. В индивидуальном состоянии вещество пирофорно, поэтому работать с ним следует в атмосфере аргона или азота. В качестве растворителей для проведения реакций с ДИБАЛ-Н применяют эфир, бензол, толуол, циклогексан. Тетрагидрофуран образует с этим реагентом комплекс. ДИБАЛ-Н легко присоединяется по тройной углерод-углеродной связи даже при низких температурах. Двойные связи С=С 8 подвергаются гидроалюминированию гораздо медленнее, что позволяет превращать алкины, особенно терминальные, в алкены. Кроме того, ДИБАЛ-Н легко восстанавливает многие функциональные группы (COOR, CN и др.). 4. Комплексные гидриды металлов – LiAlH4, NaBH4 и другие способны восстанавливать органические соединения многих классов. Комплексные гидриды металлов по своей природе являются нуклеофильными реагентами, поставляющими водород вместе с парой электронов, т. е. гидрид-ион. В восстанавливаемом соединении они атакуют электрофильный центр. Наиболее часто используют алюмогидрид лития – LiAlH4. Этот реагент был открыт в 1947 году, и его получают в эфире по следующей схеме: 4LiH + AlCl3 → LiAlH4 + 3LiCl Алюмогидрид лития обычно применяется в виде раствора или суспензии в абсолютном эфире или тетрагидрофуране, поскольку реагирует с протонными растворителями. LiAlH4 очень хорошо растворим в эфире (35 г реагента на 100 г эфира). Для достижения такой растворимости требуется длительное кипячение с избытком эфира. Комплексные алкоксиалюмогидриды получают реакцией алюмогидрида лития с рассчитанным количеством спирта: LiAlH4 + 3 CH3OH → LiAl(OCH3)3H + 3 H2 LTMA При действии на алюмогидрид лития избытка трет-бутилового спирта получается только трис(трет-бутокси)алюмо-гидрид лития (LTBA). LiAlH4 + t-BuOH → LiAl(O-t-Bu)3H + 3 H2 избыток LTBA 9 Алкоксиалюмогидриды являются очень селективными восстановителями. Например, LTBA восстанавливает карбонильную группу α,β-непредельных альдегидов, не затрагивая при этом С=С связь. Кроме того LTBA, взятый в эквивалентном количестве, способен восстановить альдегидную группу, не затрагивая кетонную. Боргидрид натрия был получен в 1943 году. o 4 NaH + B(OCH3)3 250 C NaBH 4 + 3 NaOCH3 Этот комплексный гидрид оказался очень удобным для восстановления различных функциональных групп. Он эффективно восстанавливает альдегиды, кетоны, хлорангидриды кислот. Восстановление NaBH4 можно осуществлять и в спиртах, и в водноспиртовой смеси. Однако, реакционная способность этого восстановителя ниже, чем у алюмогидрида лития и часто восстановление ведут в щелочной среде, что увеличивает стабильность NaBH4 в спиртах и водно-спиртовых растворах. В зависимости от строения исходного соединения комплексные гидриды металлов берут в количестве, равном гидридному эквиваленту. Гидридный эквивалент – количество восстановителя (с учетом активного водорода), выраженное в молях, необходимое для восстановления 1 моля исходного соединения. Так, например, LiAlH4 использует для восстановления четыре атома водорода, и его один гидридный эквивалент равен 0,25 моль. Продукты восстановления соединений различных классов алюмогидридом лития и его гидридный эквивалент представлены в табл.1. 5. Спирты в присутствии алкоголятов алюминия (RО)зА1 используют для восстановления альдегидов и кетонов (реакция Меервейна - Понндорфа - Верлея). 10 6. Гидразин H2N–NH2 – восстановитель групп –NO, -NO2, C=O, действующий и на двойную углерод-углеродную связь. Восстановителем является не сам гидразин, а продукт его превращения - диимид (HN=NH). Он получается при окислении гидразина, чаще всего, перекисью водорода в присутствии сульфата меди в качестве катализатора. Таблица 1 Соединения, восстанавливаемые LiAlH4 Исходное соединение Продукт восстановления Альдегид RCHO Кетон R2C=O Хлорангидрид RCOCl Сложный эфир R1CO2R2 Спирт RCH2OH Спирт R2CHOH Амид RCONR2 (третичный) Амид RCONHR (вторичный) Амид RCONH2 (первичный) Нитрил RCN Кислота RCOOH Оксим RCH=NOH Нитросоединение RNO2 (алифатическое) Галогениды RHal Расход LiAlH4 (гидридный эквивалент) 1 1 Спирт RCH2OH 2 Спирт R1CH2OH+R2OH 2 Третичный амин RCH2-NR2 или альдегид RCHO Вторичный амин RCH2NHR Первичный амин RCH2NH2 Первичный амин RCH2NH2 или альдегид RCHO Спирт RCH2OH 2 Амин RCH2-NH2 3 Амин RNH2 и др. 6 Углеводород RH 1 11 1 3 4 2 1 3 7. Доноры гидрид–иона - используются для восстановления третичных спиртов и других соединений, способных легко образовывать карбениевые ионы. Наиболее часто в практике органического синтеза применяются триэтилсилан и кремнийорганический олигомер ГКЖ-94: CH3 Si O H n 8. Серосодержащие восстановители. В промышленности применяют сульфид натрия Na2S, гидросульфид натрия NaНS, полисульфиды натрия Na2Sn (n=2,3…). В ди- и тринитросоединениях эти реагенты избирательно восстанавливают одну нитрогруппу, не затрагивая остальные. Сульфит натрия Na2SO3 находит применение для восстановления солей диазония до соответствующих арилгидразинов. Дитионит натрия Na2S2O4 восстанавливает азосоедиения до аминов. Также используется для восстановления нитрозо-, нитросоединений, хинонов и дисульфидов. 9. Йодистый водород HJ. Этот реагент часто используется в лабораторной практике для восстановления спиртов и простых эфиров алифатического ряда. 10. Молекулярный водород - в присутствии катализаторов применяется для восстановления различных органических соединений. Присоединение водорода к органическим соединениям называют гидрированием. Гидрирование может осуществляться в условиях гетерогенного и гомогенного катализа. Гетерогенное гидрирование протекает обычно на твердой поверхности металла-катализатора и обусловлено активацией молекул реагентов при взаимодействии с 12 поверхностью. Восстановление водородом может сопровождаться гидрогенолизом. Гидрогенолиз (деструктивное гидрирование) – это разрыв связи углерод – углерод, углерод - гетероатом (N, S, О и др.) или гетероатом-гетероатом в органических соединениях под действием водорода. Осуществляется, как правило, в присутствии катализаторов гидрирования. Продукты гидрирования приведены в табл.2. соединений различных классов Таблица 2 Соединения (функциональная группа), восстанавливаемые каталитическим гидрированием Восстанавливаемое соединение (функциональная группа) Продукт восстановления RCOCl RCHO, RCH2OH RNO2 RNH2 RCCR RCH=CHR, RCH2CH2R RCHO RCH2OH RCH=CHR RCH2CH2R RCOR RCH(OH)R, RCH2R RCN RCH2NH2 RCOOR1 RCH2OH (R1OH) RCONHR1 RCH2NHR1 C6H6 C6H12 ROH RH RCOOH RCH2OH 13 Катализаторами гетерогенного гидрирования являются химические элементы с недостроенными d-оболочками, чаще всего металлы VIII группы периодической системы: а) никель Ренея (Ra – Ni) – активный и универсальный катализатор. Очень часто используют так называемые скелетные катализаторы или катализаторы Ренея. Известны семь разновидностей таких катализаторов, которые обозначают W1, W2, …….W7. Их готовят из сплава никеля и алюминия состава 1: 1 (сплав Ренея), содержащего небольшое количество титана (для повышения хрупкости). Сплав измельчают, после чего обрабатывают щелочью. Алюминий при этом вымывается, а выделяющийся водород адсорбируется никелем: NiAl2 + 6NaOH + 6H2O → Ni + 2Na3 + 3H2 губчатый Хорошо приготовленный никель Ренея пирофорен и должен храниться под слоем растворителя. После использования его отфильтровывают от реакционной смеси (при этом металл не должен оставаться сухим) и растворяют в разбавленной азотной кислоте (бурная реакция!). Активность никеля Ренея во многом зависит от условий гидрирования и может изменяться в довольно широких пределах путем введения в реакционную смесь соответствующих веществ. Увеличение активности достигается, прежде всего, применением хлорида палладия и платины в качестве активаторов. Частичное уменьшение активности никеля Ренея с целью использования его для избирательного гидрирования можно достичь введением ацетата цинка и пиперидина, пиридина или хинолина, смеси никотиновой кислоты, морфолина и пиридина и т.д. б) Pt, Pt/С, PtO2.Н2О (катализатор Адамса)– платиновые катализаторы, позволяющие гидрировать большинство функциональных групп. 14 Платиновую чернь в лабораторной практике получают восстановлением платинохлористоводородной кислоты формалином. H 2 PtCl 6 + H2O CH 2 O KOH Pt черный порошок Полученную чернь промывают дистиллированной водой. При получении этого катализатора необходимо точно соблюдать условия получения черни, иначе может получиться неактивная форма катализатора. Для гидрирования удобнее применять катализатор Адамса PtO2 . Н2О. Его получают сплавлением платинохлористоводородной кислоты с нитратом натрия при 500-550оС. H2PtCl6 + NaNO3 → PtO2 желто-коричневый После прекращения выделения NO2 сплав охлаждают и промывают водой. Полученный оксид PtO2 . Н2О хорошо сохраняется, а его восстановление водородом до платины происходит непосредственно в реакционном сосуде. Нанесенную платину на угле Pt/С можно приготовить реакцией соли Na2PtCl6 c боргидридом натрия в присутствии носителя, например: Na 2 PtCl 6 NaBH 4, C-ïîðîøîê Pt/C o C2 H5OH, 25 C в) Pd, Pd/C, Pd/CaCO3 и др. – палладиевые катализаторы. Свободные металлические катализаторы не очень удобны в обращении, требуют специальных предосторожностей при хранении. Кроме того, в каталитических процессах принимает участие лишь тонкий поверхностный слой металла, поэтому целесообразно наносить тонкий слой катализатора на подложку – «носитель». 15 Применяют разнообразные носители: активированный уголь, оксид алюминия, оксид кремния, сульфаты и карбонаты бария, кальция и других металлов, асбест, пемза, кизельгур и др. Например, к раствору хлорида бария прибавляют рассчитанное количество раствора сульфата натрия и затем раствор Na2PdCl4, который адсорбируется на поверхности сульфата бария. Далее следует обычное восстановление до металла, например, с помощью формальдегида. Na2PdCl4 + CH2O + 3NaOH → Pd + HCOONa + 4NaCl + 2H2O Весьма активен катализатор - палладий на угле Pd/С. Роль инертного носителя состоит в увеличении поверхности контакта металла или другого активного компонента катализатора с реагирующими веществами. Поэтому удельная поверхность самого носителя и его структура влияют на активность катализатора. Кроме того, его активность, селективность и стабильность нередко могут быть повышены путем добавления небольшого количества других металлов, солей, оксидов или минеральных кислот, называемых промоторами (активаторами). Иногда катализаторы на носителях представляют собой сложные композиции: Pd/CaCO3 + Pb(OСОСН3)2 – катализатор Линдлара эффективен для селективного гидрирования тройных связей до цисдвойных связей; Pd/BaSO4 + S8/хинолин - катализатор Розенмунда. г) в промышленности используются оксидные (MgO, ZnO, Сr2О3, Fe2O3 и др.), сложные оксидные (ZnО + Сг2О3, СuO + Сг2О3, СuO + CuСг2О4), сульфидные (FeS, СoS, Re2S7, MoS2, NiS, WS2 и др.) и многокомпонентные катализаторы, включающие соединения титана, ванадия, алюминия, магния, цинка. 16 Катализатор Адкинса - это хромит меди, комплексное неорганическое соединение состава Cu2Cr2O5, которое используется для катализа в органическом синтезе. Гомогенное гидрирование. Некоторые комплексы переходных металлов способны катализировать гидрирование алкенов и алкинов. Поскольку эти комплексы растворимы в органических растворителях и находятся в одной фазе с исходными реагентами, то такое гидрирование называется гомогенным. Катализаторами гомогенного гидрирования являются: (Ph3P)3RhCl – катализатор Уилкинсона; IrCl(CO)(Ph3P)2 - катализатор Васка и др. При гидрировании алкенов или алкинов в присутствии комплексов переходных металлов группы NO2, COOR, CN, C(O)R не затрагиваются, например: Ph CH CH NO 2 + H2 (PPh 3)3RhCl CH 3COC 2H5 Ph CH2 CH2 NO 2 44% Преимуществами гомогенного гидрирования по сравнению с гетерогенным являются: - лучшая воспроизводимость результатов; - отсутствие гидрогенолиза связей С-О и C-N; - высокая селективность; - нечувствительность к каталитическим ядам. Использование хиральных лигандов позволяет проводить ассиметрическое гидрирование С=С, С=О или С=N связей. Один из наиболее применяемых для этой цели хиральных лигандов - 2,21бис(дифенилфосфино)-1,11-бинафтил (BINAР). 17 PPh2 PPh2 (R)-(+)-BINAР 2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ Реакции восстановления углеводородов можно разделить на два типа: 1. Присоединение водорода по кратным связям: СН СH H2 CH2 СH2 H2 CH3 СH3 2. Реакции с водородом, сопровождающиеся расщеплением углерод - углеродных связей (деструктивное гидрирование или гидрогенолиз). К этим реакциям способны углеводороды с открытой цепью, циклоалканы, ароматические соединения с боковой цепью. Алканы и циклоалканы. Гидрогенолиз алканов обычно проводят на промышленных катализаторах риформинга, например, Pt/Al2O3 при 285°С, что приводит к превращению их в более низкомолекулярные углеводороды. При гидрогенолизе может происходить разрыв любых связей С-С в молекулах алканов. Содержание метана в продуктах реакции значительно возрастает с увеличением степени разветвления 18 углеводорода и, следовательно, с увеличением числа метильных групп. Гидрогенолиз алканов на примере этана можно представить следующей схемой: CH3 H2 CH3 Kt 2 CH4 Под действием водорода в присутствии катализатора в молекулах циклоалканов происходит раскрытие цикла. Каталитический гидрогенолиз циклопропанов протекает очень легко. Циклобутан менее реакционноспособен и раскрытие кольца при гидрогенолизе идет в более жестких условиях. H2/Ni 80°C H2/Ni 180°C H2/Ni 300°C Алкены и диены Присоединение водорода по изолированной двойной углерод углеродной связи в присутствии благородных металлов и никеля Ренея обычно происходит легко при температуре 20 – 25оС и давлении водорода 1 – 4 атм. Скорость реакции зависит от строения соединения и в ряду алкенов и циклоалкенов снижается при увеличении степени замещения этиленового фрагмента (правило Лебедева). Быстрее всего гидрируется этилен, а для его гомологов скорость реакции вследствие экранирующего влияния заместителей падает в ряду: 19 R H2 C CH2 CH2 > > R R R > CH2 > R R > R R R R R > R Стереохимический результат гидрирования во многом зависит от природы катализатора и условий реакции. С Н Н катализатор С С Н катализатор С Н СН СН катализатор В приведённых схемах видно, что оба атома водорода подходят к атомам углерода двойной связи с поверхности металла-катализатора. И обычно присоединение происходит только с одной стороны двойной связи. При этом молекула субстрата обращена к поверхности катализатора, как правило, своей пространственно менее затруднённой стороной. Если алкен связывается с катализатором достаточно прочно, то в результате гидрирования преимущественно образуется продукт синприсоединения*. Однако при менее прочном связывании алкена с поверхностью катализатора присоединение водорода происходит ступенчато. После присоединения первого атома водорода может произойти как изменение положения молекулы субстрата на поверхности катализатора, так и различные процессы изомеризации. В этом случае преимущественным направлением реакции может оказаться анти-присоединение. Стереохимический результат гидрирования может изменяться в зависимости от используемого катализатора. Так, платиновые катализаторы дают в основном продукт син-присоединения, а при 20 использовании палладиевого катализатора часто образуется продукт анти-присоединения. Например, при гидрировании 1,2-диметилциклогексена на PtO2 в уксусной кислоте при 25оС и атмосферном давлении образуется продукт, содержащий 82% цис-изомера и 18% транс-изомера. При повышении давления водорода до 500 атм содержание цис-изомера увеличивается до 95%. ___________________________________________________________________ *Син-присоединение - когда два фрагмента реагента присоединяются с одной стороны кратной связи. В тех случаях, когда атомы или группы атомов присоединяются с разных сторон кратной связи, имеет место антиприсоединение. Термины син- и анти- по смыслу эквивалентны терминам циси транс-. Следует учитывать, что термины син- и анти- относятся к типу присоединения, а термины цис- и транс- к строению субстрата. H C H 3 H2, Pd/C H2, PtO 2 H o AcOH, 25 C H3C H 73% транс-1,2-диметилциклогексан H o AcOH, 25 C H3C CH3 1,2-диметилциклогексен H3C CH3 82% цис-1,2-диметилциклогексан Гидрирование 1,2-диметилциклогексена на Pd/C приводит к образованию смеси изомеров 1,2-диметилциклогексана, в которой преобладает уже транс-изомер (73%). Реакция гидрирования является экзотермической. Важной особенностью большинства реакций гидрирования является их обратимость (дегидрирование). Восстановление алкенов до соответствующих алканов может быть осуществлено с помощью диимида NH=NH. Диимид можно получать двумя основными методами: окислением гидразина перекисью 21 водорода в присутствии ионов Cu2+ или взаимодействием гидразина с Ni-Ренея. CH3 CH3 NH2NH2 H CH3 Ni - Ренея CH3 H цис-1,2-диметилциклопентан 1,2-диметилциклопентен Отличительной особенностью этого метода является то, что процесс восстановления идет как син-присоединение. Косвенный метод гидрирования ненасыщенных соединений заключается во взаимодействии алкенов с гидридами бора. Этот метод называют гидроборированием. Реакция диборана В2Н6 с алкеном происходит как синприсоединение к двойной связи, например: CH3 CH3 СH3 H + B2H6 BH2 CH3 CH3 CH3 H H) B 3 B H H CH3 Последующее разложение образующегося трис(2-метилциклогексил)борана уксусной кислотой приводит к углеводороду: CH3 H CH3 AcOH 3 + B(OAc) 3)3 B Если алкен несимметричный, то атом бора присоединяется преимущественно к наименее замещенному атому углерода (наиболее гидрогенизированному), т.е. против правила Марковникова. 22 H3C CH CH2 B2H 6 H3C CH2 CH2 BH2 ..... (H3C CH2 CH) B 23 Такое направление присоединения вызвано в первую очередь пространственными эффектами. Под действием кислот в алкилборанах происходит расщепление связи С-В, при этом протон атакует атом углерода, несущий частично отрицательный заряд: (R CH2 + CH2)3 B 3 R CH2 CH3 Для расщепления связи С-В наиболее эффективна уксусная кислота, поскольку атом бора склонен образовывать связи с кислородом. Диены с прямой цепью гидрируются быстрее олефинов. В зависимости от строения диена водород может присоединяться сначала в 1,4-положение или одновременно в 1,2- и 1,4-положения. Полное гидрирование приводит к алканам. 1,2H2C CH CH CH2 H2 H3C CH2 CH CH2 H2 1,4- H3C CH CH H3C CH2 CH2 CH3 CH3 Сопряженные диены легче вступают в реакции присоединения, чем несопряженные. Гидрирование сопряженных диенов в условиях гетерогенного катализа, как правило приводит к алканам. Избирательно восстанавливать диен с получением алкена удается при действии амальгамы натрия в водно-спиртовой среде или натрием в жидком аммиаке. При этом образуются продукты 1,4-присоединения (E- и Z-изомеры): 23 Na NH3 жидк. CH2 CH CH CH2 CH3 CH Na (Hg) CH CH3 H2O, EtOH 1,3-бутадиен 2-бутен Алкины Восстановление ацетиленовых углеводородов может проходить исчерпывающе в насыщенные соединения или частично – в этиленовые. Полное гидрирование обычно осуществляется в мягких условиях (25оС, 1 – 5 атм) на палладиевых, платиновых и активных никелевых катализаторах: CH3 C CH H2 Kt CH3 CH CH2 H2 CH3 CH2 CH3 Kt Гораздо большее практическое значение имеет частичное гидрирование ацетиленов. В этом случае наиболее подходящими катализаторами являются палладиевые, частично дезактивированные ацетатом свинца (катализатор Линдлара), и никелевые катализаторы (скелетный и др.). Например: R 1 R 2 H2, êàò. Ëèíäëàðà R 1 R 2 o EtOH, 0-20 C H H цис-алкен Скорость гидрирования тройной связи на этих катализаторах выше, чем двойной, в то время как на других катализаторах такого различия нет, либо двойная связь гидрируется с большей скоростью (особенно если это концевые связи). Алкины также можно восстанавливать растворами металлов в жидком аммиаке. Этот процесс стереоселективен и продуктами 24 восстановления дизамещенных алкинов являются алкены, имеющие Еконфигурацию (транс-), например: CH3 CH2 C C CH2 COOH H CH3 CH2 Li C C THF, NH3 CH2 COOH H Этот метод удачно дополняет каталитическое гидрирование, при котором получаются алкены с Z-конфигурацией (цис-). Для восстановления алкинов в органическом синтезе находят применение гидриды алюминия. Присоединение по кратным связям гидридов алюминия называют реакцией гидроалюминирования. Наиболее популярным реагентом для этих реакций является диизобутилалюминий гидрид - (i-C4H9)2AlH (ДИБАЛ-Н). Отличительным свойством этого реагента является легкость присоединения по тройной углерод-углеродной связи даже при низких температурах. Двойные связи подвергаются гидроалюминированию гораздо медленнее. Это позволяет превращать алкины, особенно терминальные, в алкены. R C CH + (i-Bu)2AlH -20oC толуол R H H CH 3OH Al(i-Bu)2 R H H H При восстановлении гидридами алюминия атом алюминия предпочтительнее связывается с менее замещенным атомом углерода. Арены Стабильность ароматической системы обусловливает её меньшую реакционную способность при гидрировании по сравнению с олефинами. Так, относительные скорости гидрирования бензола, циклогексена и двойной связи в стироле составляют: 25 900 150 1 Бензол гидрируется значительно труднее, чем ненасыщенные углеводороды. Предполагается, что присоединение атомов водорода, поступающих с поверхности катализатора к адсорбированной молекуле, происходит ступенчато. Первая стадия идёт с поглощением энергии. Последующие стадии экзотермические, и их скорость значительно выше, чем у первой стадии. Вследствие этого при гидрировании бензола выделить промежуточные продукты (циклогексадиен и циклогексен) невозможно. 3 H2 N i Для гидрирования бензола, его гомологов и производных используются платиновые и родиевые катализаторы, в отдельных случаях – высокоактивные сорта скелетного никеля при температурах 25 – 50оС и давлении водорода 1 – 3 атм. Гомологи бензола гидрируются с меньшей скоростью, чем сам бензол. У алкенилбензолов в первую очередь восстанавливается боковая цепь. В зависимости от условий реакции и катализатора можно провести полное гидрирование ароматического ядра и боковой цепи или селективное гидрирование боковой цепи: C2H5 4 H2 СH CH2 Ni 26 H2 Cu C2H5 Ароматические углеводороды с конденсированными ядрами гидрируются ступенчато, причём сначала идёт насыщение связей одного кольца. Гидрирование нафталина протекает через следующие стадии (с промежуточной изомеризацией 1,4-дигидронафталина в более стабильный 1,2-изомер): 8 1 7 H2 2 6 H2 3 4 5 1,4-äèãèäðîíàôòàëèí íàôòàëèí 1,2-äèãèäðîíàôòàëèí 3 H2 äåêàëèí òåòðàëèí При гидрировании антрацена водорода в положения 9 и 10: 8 9 1 7 2 6 сначала идёт присоединение 6 H2 H2 3 5 10 4 9,10-äèãèäðîàíòðàöåí àíòðàöåí ïåðãèäðîàíòðàöåí Восстановление ароматических колец системой «металл – аммиак» является наиболее применяемым методом восстановления в 27 органическом синтезе. Растворы металлов в жидком аммиаке выступают как достаточно мощные агенты для того, чтобы восстановить ароматическое кольцо, и одновременно достаточно специфичны, для того чтобы восстановление прошло лишь частично до дигидробензолов (циклогексадиенов). Этот тип реакции известен как восстановление по Берчу. Лёгкость восстановления уменьшается в ряду: антрацен > фенантрен > нафталин > дифенил > бензол Сам бензол не удаётся восстановить щелочным металлом в жидком аммиаке, и его восстановление может быть успешно проведено до 1,4-дигидробензола лишь в присутствии более эффективного, чем аммиак, донора протонов, такого как этанол: Na, EtOH NH3 (æ) Такой тип восстановления наблюдается и для замещённых производных бензола. Хемоселективность является уникальной особенностью восстановления по Берчу, так как главными продуктами оказываются несопряжённые диены. При замене натрия на литий выходы диеновых продуктов увеличиваются. При использовании лития восстановление осуществляется даже в тех случаях, когда натрий не эффективен. В этом методе спирт добавляют в конце реакции. Для повышения растворимости исходного вещества в реакционную смесь часто добавляют эфир или тетрагидрофуран. Механизм реакции на первой стадии включает перенос электрона от металла к ароматическому соединению с образованием анион-радикала (1). Протонирование этого анион-радикала спиртом приводит к радикалу (2), который затем присоединяет еще один электрон, давая анион (3). Протонирование последнего спиртом приводит к циклогексадиену (4). 28 H H . . + M=Li, Na . ROH - RO M NH3 - H H . + H - . M H H H H (2) ROH NH3 - RO H H H (1) H - H (3) H (4) Реакция Берча замедляется при наличии в молекуле ароматического соединения электронодонорных заместителей, поскольку они затрудняют протекание первой медленной стадии реакции – передачу электрона от щелочного металла к молекуле ароматического соединения. В этом случае субстраты, содержащие электронодонорный заместитель, образуют 1-замещенный 1,4циклогексадиен. O O Na CH3 CH3 NH3(æ) 80% Восстановление субстратов с электроноакцепторными заместителями приводит к образованию 3-замещенного 1,4циклогексадиена. - COOH ÑOO Na Na , NH3(æ) + COOH H3 O EtOH 29 + Следует отметить, что большинство акцепторных групп в условиях реакции Берча восстанавливаются сами, причем в первую очередь. Поэтому значительная доля примеров восстановления по Берчу ароматических производных, содержащих электроноакцепторные группы, связана с восстановлением ароматических кислот или их амидов. В случаях, когда в качестве источника протонов используют ацетат аммония, амидная группа восстанавливается до альдегидной. 3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ Гидрогенолиз галогенпроизводных протекает легко на различных катализаторах. Решающее значение в гидрогенолизе галогенпроизводных имеет характер связи углерод – галоген (тип галогена) и условия реакции, в первую очередь температура. В целом устойчивость к гидрогенолизу связи углерод – галоген изменяется в следующем ряду: йод- < бром- < хлор- < фторпроизводные Йод- и бромалканы легко восстанавливаются на скелетном никелевом катализаторе в присутствии гидроксида калия при температуре 25оС и атмосферном давлении. Хлориды в этих условиях подвергаются гидрогенолизу медленнее. Алкилфториды восстановить с приемлемыми выходами даже в жёстких условиях практически не удаётся. В случае непредельных галогенпроизводных восстановительное дегалогенирование протекает особенно легко, если атом галогена находится в аллильном или пропаргильном положении. При этом во всех случаях восстанавливается и кратная связь. 30 R CH CH CH2Br H2 R CH2 CH2 CH3 Ni В ароматических соединениях атом галогена в бензильном положении замещается водородом намного легче, чем атом галогена, находящийся в ароматическом кольце. Дегалогенирование может быть осуществлено без восстановления бензольного кольца. Прекрасным катализатором гидрогенолиза галогенпроизводных разных типов является никель Ренея. Дегалогенирование арилгалогенидов проводят в присутствии щёлочи и обычно при температуре 25оС и давлении 1 – 3 атм: Br OH OH H2 o Ni, 25 C O CH3 O CH3 Арилгалогениды на оксиде платины при температуре 50-70оС и давлении 3 атм не только подвергаются гидрогенолизу, но и полностью гидрируются, давая циклоаланы с выходом 70-95%, например: R H2 PtO2, EtOH, 55oC, 3атм R=Br, Cl При действии комплексных гидридов металлов на первичные и вторичные алкилгалогениды происходит замещение галогена водородом: H3C CH2 LiAlH 4 CH2 Br ýôèð 31 H3C CH2 CH3 Бензил- и аллилгалогениды при действии алюмогидрида лития претерпевают восстановительное расщепление легче, чем арилгалогениды. Это иногда позволяет провести процесс селективно. Cl Cl LiAlH 4 ýôèð CH3 Br Присутствие электронодонорных заместителей в орто- или параположении арилгалогенидов оказывает положительное влияние на скорость реакции. Неактивированные арилфториды и арилхлориды не восстанавливаются комплексными гидридами металлов, а арилбромиды и арилйодиды легко восстанавливаются. Это дает возможность селективно восстанавливать полигалогенпроизводные, например: Cl LiAlH 4 Cl ýôèð I Общим методом дегалогенирования является обработка субстрата металлическим литием и третбутиловым спиртом в тетрагидрофуране. Эта восстанавливающая система замещает галоген в алкильных, винильных, аллильных, ароматических галогенидах. Данным методом удается удалить даже галоген, находящийся в голове моста бициклической системы и восстановить геминальные дигалогенпроизводные, например: 32 Cl Cl Li + t - BuOH THF Другой способ замещения галогена на водород заключается во взаимодействии галогенпроизводного с магнием в эфире и последующим гидролизом полученного реактива Гриньяра: R Hal + Mg H2O R MgHal ýôèð R H реактив Гриньяра Особенно легко таким образом реагируют алкилгалогениды, аллил- и бензилгалогениды. Галогенпроизводные алифатического ряда восстанавливаются йодистым водородом так же хорошо, как и спирты: R R I + HI H + I2 Легче всего реагируют йодиды, а некоторые хлорпроизводные практически не взаимодействуют с йодистым водородом. 4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ СПИРТОВ, ФЕНОЛОВ И ПРОСТЫХ ЭФИРОВ Спирты и фенолы весьма устойчивы к действию восстановителей. Они часто являются конечными продуктами восстановления различных карбонильных соединений. Для каталитического восстановления спиртов наиболее эффективными катализаторами являются никель Ренея, медные и железные катализаторы при температуре 250 – 300оС: 33 H2 OH H3C Ni H3C CH3 Алифатические спирты в лабораторной практике удобнее восстанавливать до алканов действием йодистого водорода. Это классический метод замещения гидроксильной группы водородом (дезоксигенирование). Реакция осуществляется в две стадии. На первой стадии идёт замещение гидроксила на атом водорода: R OH + HI R I + H2O На второй стадии происходит восстановление йодистого алкила второй молекулой йодистого водорода с образованием алкана и иода: R H + R I + HI I2 Недостатком этого метода является использование большого избытка достаточно дорогого реагента - йодистого водорода. Бензиловые спирты восстанавливаются легче, чем алифатические. По способности к восстановлению их можно расположить в следующий ряд: HO C > HO CH > CH2OH Восстановление фенолов протекает в более жестких условиях. Фенолы не восстанавливаются химическими восстановителями, в основном прибегают к каталитическому восстановлению, а направление реакции определяется условиями гидрирования и 34 катализатором. В промышленности в значительных количествах гидрированием фенола получают циклогексанол, применяемый в производстве полимерных материалов. Процесс восстановления фенола до циклогексанола водородом проводят на никелевом катализаторе при повышенном давлении водорода (1,5-2,5 МПа) и температуре 140-150оС: OH OH 3H2, Ni/Cr 2O 3 o 140-150 C фенол циклогексанол Возможно и неполное восстановление фенола в циклогексанон. Реакцию проводят на палладиевом катализаторе: OH O OH 2H 2 Pd/Al 2O3 o 110-140 C 88-92% фенол циклогексанон Третичные жирноароматические спирты почти количественно восстанавливаются до углеводородов при действии цинка в уксусной кислоте: Zn OH трифенилкарбинол + 2 CH 3COOH трифенилметан 35 (CH 3COO) 2Zn + H2 O Первичные и вторичные жирноароматические спирты восстанавливаются до соответствующих углеводородов действием натрия в спирте: Na OH CH2 EtOH дифенилкарбинол (бензгидрол) дифенилметан Третичные, а также бензиловые и аллиловые спирты эффективно восстанавливаются при обработке силанами в присутствии кислот Льюиса: R3 COH BF3 + R3 C R"3 SiH R3 CH Другим примером восстановления третичных спиртов донорами гидрид-иона является реакция 1-алкил-1-циклогексанола с триэтилсиланом в трифторуксусной кислоте с образованием углеводорода: R (C 2H5)3SiH OH R CF 3COOH Восстановление простых эфиров адифатического ряда протекает с расщеплением связи С-О. Например, при действии иодистого водорода в уксусной кислоте при нагревании простые эфиры расщепляются с образованием смеси спиртов и алкилгалогенидов. 36 O H3 C HI OH H3 C CH3 + Восстановление оксиранов водородом соответствующим спиртам, например: H2 O H3 C I приводит к H3 C o Ni, 100 C OH Восстановление оксиранов алюмогидридом лития приводит к раскрытию цикла с образованием вторичного или третичного спирта. Реакция состоит в нуклеофильной атаке гидрид-иона по наименее замещенному атому углерода: CH3 O CH3 o 1. LiAlH 4 , THF, O C OH 2. H2 O 83% У ненасыщенных эфиров происходит присоединение водорода по кратной связи: O O H2 CH3 o Ni , 20 C винилфениловый эфир фенетол Гидрирование дифенилового эфира протекает в жёстких условиях: O OH H2 o Fe , 485 C 37 + 5. ВОССТАНОВЛЕНИЕ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ Восстановление альдегидов и кетонов отличается большим разнообразием методов, поэтому для удобства материал этого раздела изложен в зависимости от типа используемого восстановителя. Каталитическое гидрирование Альдегиды в условиях каталитического гидрирования восстанавливаются в первичные спирты, а кетоны – во вторичные. Для восстановления карбонильных соединений водородом подходят все металлические катализаторы. Наиболее эффективны платина и активные сорта скелетного никеля. На этих катализаторах, а также на родии и рутении большинство альдегидов и кетонов гидрируются при температуре 25оС и давлении 1 – 4 атм. С менее активными разновидностями никеля Ренея достаточная скорость восстановления достигается при температурах до 100 – 125оС и давлениях до 100 атм: O H2 H O R OH PtO2 (Ni), 25oC, 3атм HO H2 CH3 R Ni, 25-30o C, 1-3атм CH3 R=Me, Ph При частичном гидрировании ,-непредельных альдегидов и кетонов реагирует только связь С=С: O H2 R H O o Pd/Al 2 O3 , 25 C, 2 àòì 38 R H 88% Реакционная способность альдегидов и кетонов при восстановлении обусловлена электронными и пространственными факторами. Так, альдегиды восстанавливаются легче кетонов, а формальдегид легче, чем ацетальдегид. При полном гидрировании (2 моль водорода) ,-непредельных альдегидов и кетонов на никеле Ренея образуется предельный спирт: O H2 H OH Ni, 125oC, 100 атм кротоновый альдегид 94% бутанол-1 Если карбонильная группа связана с ароматическим ядром, то образующийся при гидрировании спирт может далее в тех же условиях подвергаться гидрогенолизу: O H2 Ar Kt R OH Ar H2 Kt Ar CH2 R + H2 O R Многие ароматические карбонильные соединения на хромите меди или на никеле Ренея подвергаются гидрогенолизу, например: O H2 CuCr2O4, EtOH, 175oC, 100-150атм дифенилкетон дифенилметан Такие катализаторы как родий и рутений позволяют свести к минимуму гидрогенолиз связи С-О. 39 OH OH O CH3 H2 (3 атм), 5%Rh/Al2O3 C2H5OH, 50oC CH3 OH 78% При гидрировании на платино-родиевых катализаторах в этаноле или уксусной кислоте при температуре 20-90оС и давлении до 5 атм происходит восстановление и бензольного кольца: H3С O H3C H2 OH RhO2 - PtO2, EtOH (AcOH) 94% ацетофенон 1-фенилэтанол Для восстановления ароматических кетонов чаще всего используют такие катализаторы, как палладий на угле и хромит меди, так как на этих катализаторах гидрирование ароматического кольца идет очень медленно. При частичном гидрировании ароматических непредельных кетонов восстановление происходит только по связи С=С: O CH CH C CH3 H2 O CH2 CH2 C CH3 Pt/C Таким образом, кратная углерод - углеродная связь взаимодействует с водородом быстрее, чем карбонильная группа. Восстановительное аминирование 40 Если гидрирование альдегидов и кетонов проводить в присутствии аммиака, первичных или вторичных аминов, то вместо спиртов получаются соответствующие первичные, вторичные или третичные амины (восстановительное аминирование). Для этих целей применяют обычно скелетный никелевый (40-150оС, 3-150 атм) или платиновый (25оС, 1-3 атм) катализаторы. R1 O R2 NHR 3R4 R1 NR 3R4 R2 R1 H2 OH CH NR 3R4 + H2 O R2 Kt R4 =H (R 3 =R 4 =H) - H2 O R1 C R2 NR 3 H2 Kt R1 CH NR 3 R2 Предполагается, что промежуточными продуктами здесь являются азометины или енамины. При проведении восстановительного аминирования надо считаться с возможностью побочных реакций, в том числе и образованием аминов с более высокой, чем заданная, степенью алкилирования. Преимущественное получение амина необходимой степени алкилирования определяется соотношением реагентов. Для получения продуктов моноалкилирования аминную компоненту, как правило, берут в избытке. Из алифатических альдегидов хорошо поддаются каталитическому восстановительному аминированию только соединения, содержащие более пяти углеродных атомов, в то время как низшие альдегиды легко образуют в ходе реакции продукты конденсации (типа альдолей). Гладко идет реакция в случае алифатических и ароматических кетонов и ароматических альдегидов. Восстановительное аминирование альдегидов или кетонов можно проводить также действием формиата аммония или формамидов (реакция Лейкарта-Валлаха): 41 O R C O + R H C N R1 R2 R3 R2 CH N - CO2 R1 R3 Реакцию проводят при 50-200оС в муравьиной или уксусной кислоте, или без растворителя. Выходы конечных продуктов 70-75%. Лучше всего по Лейкарту-Валлаху получаются третичные амины. При получении первичных или вторичных аминов в качестве побочных продуктов всегда образуются высокоалкилированные амины. Модификация реакции Лейкарта-Валлаха - получение Nметилированных аминов при взаимодействии первичных или вторичных аминов с формальдегидом и муравьиной кислотой (реакция Эшвейлера - Кларка). 100o C R2 N H + CH2 O + HCO OH R2 N CH3 Восстановление комплексными гидридами металлов Комплексные гидриды металлов чаще других реагентов используют в лабораторной практике для восстановления альдегидов и кетонов. Алюмогидрид лития и боргидрид натрия восстанавливают алифатические альдегиды и кетоны соответственно до первичных и вторичных спиртов: O H3 C LiAlH 4 ýôèð H3C CH2 OH H O H3 C CH3 LiAlH 4 ýôèð OH H3 C CH3 При восстановлении алюмогидридом лития комплексный ион AlH4- выступает в роли переносчика гидрид-иона, который и является 42 нуклеофильным агентом карбонильной группы: по отношению C O атому R R углерода R R AlH4- R к C O - H2O R C OH H H Восстановление ,-непредельных альдегидов и кетонов алюмогидридом лития или боргидридом натрия в зависимости от строения субстрата, природы реагента и условий реакции может проходить либо по карбонильной группе, либо с восстановлением одновременно карбонильной группы и двойной связи. Как правило, эти реагенты восстанавливают преимущественно карбонильную группу, не затрагивая при этом двойную связь: O LiAlH4 HO ... 2 эфир H OH кротоновый альдегид кротиловый спирт В некоторых случаях применение этих восстановителей приводит к смеси двух продуктов. O OH NaBH 4 + EtOH 2-циклогексенон OH 2-циклогексенол 59% циклогексанол 41% В случае, когда двойная связь сопряжена с ароматическим кольцом, восстановление алюмогидридом лития может идти и по двойной связи, и по карбонильной группе: 43 O H LiAlH4 эфир коричный альдегид OH гидрокоричный спирт Алкоксигидриды алюминия являются более предпочтительными реагентами для восстановления непредельных альдегидов и кетонов до соответствующих непредельных спиртов. Например, трис(третбутокси)алюмогидрид лития (LTBA) восстанавливает карбонильную группу α,β-непредельных альдегидов, не затрагивая двойной связи. O H LiAl (O-t-Bu)3 H коричный альдегид OH коричный спирт LTBA, взятый в эквивалентном количестве, способен восстановить альдегидную группу, не затрагивая кетонную: O H LiAl (O-t-Bu)3 H OH O O Восстановление растворяющимися металлами До введения в лабораторную практику таких восстановителей как комплексные гидриды металлов кетоны превращали в соответствующие спирты действием натрия в этаноле: 44 OH O Na EtOH + 65% Механизм восстановления растворяющимися металлами заключается в переносе электрона от металла на органический субстрат и может быть представлен схемой: . R + O R Na CH R" O R - R" R" R . . O Na - Na+ - . O N a+ -NaOEt- R" R CH O H3O+ - R" EtO H R CH OH R" Подобные реакции включают в себя два последовательных переноса электрона и два переноса протона. Восстановление по Клемменсену При действии на альдегиды и кетоны амальгамированного цинка в соляной кислоте, происходит их восстановление до углеводородов (метод Клемменсена): O R R CH2 2 Zn/Hg, 4HCl + 2 ZnCl2 45 + H2O Цинковую пыль предварительно обрабатывают разбавленной соляной кислотой для очистки поверхности, а затем раствором хлорида ртути HgCl2. Наилучшие результаты получают при проведении реакции в двухфазной системе «соляная кислота – толуол». Многие α-замещенные кетоны в условиях реакции Клемменсена претерпевают восстановительное отщепление заместителя: R CH C R" X O Zn/Hg HCl, R CH2 C O R" R CH2 CH2 R" X=Cl, Br, I, OH, OR", OCOR" В случае α, β – непредельных карбонильных соединений одновременно происходит восстановление связи С=С, например: Zn/Hg, COOH HCl, òîëóîë COOH O Метод Клемменсена даёт хорошие выходы углеводородов при восстановлении многих альдегидов и алифатических и жирноароматических кетонов. Восстановление по Кижнеру-Вольфу В том случае, когда альдегиды и кетоны неустойчивы в кислой среде, то восстановление проводят по методу Кижнера – Вольфа. Вначале получают гидразон альдегида или кетона, а затем нагревают его со щелочью в высококипящем растворителе. 46 N2H 4 R R O 1 R ÄÝÃ, R 1 N NH2 R KOH, H 2O R 1 + CH2 N2 В современной модификации восстановления по Кижнеру – Вольфу гидразон не выделяют в индивидуальном состоянии. Реакция идет по следующей схеме: N2 H 4 R R R O 1 -H 2 O R 1 HO - R R N NH2 R N NH 1 - - C R N NH 1 H2 O R R 1 H H2 O R R H C H R 1 H -N 2 R N 1 - N HO - R H R N NH 1 Метод применим как к альдегидам, так и кетонам. Однако в случае альдегидов выходы продуктов реакции не всегда оказываются удовлетворительными. Метод Кижнера-Вольфа имеет ряд ограничений. Если в α-положении к карбонильной группе находится заместитель, то в процессе реакции происходит элиминирование заместителя. Если карбонильная группа экранирована очень объемными заместителями – восстановление по Кижнеру-Вольфу не пойдет. Восстановление в присутствии алкоголятов металлов Восстановление альдегидов и кетонов до спиртов можно проводить в присутствии алкоголятов алюминия (реакция Меервейна – Понндорфа – Верлея): 47 R OH C O ((CH3)2CHO)3Al + RR1CHOH + H3C CH3 H3C R1 O CH3 Реакцию обычно проводят нагреванием карбонильного соединения с изопропилатом алюминия в безводном изопропаноле. Реакция обратима, поэтому для достижения высоких выходов необходимо выводить из сферы реакции образующийся ацетон. Реакция Меервейна – Понндорфа – Верлея характеризуется высокой степенью специфичности и при восстановлении остаются незатронутыми двойные и тройные углерод-углеродные связи. Нитрогруппа и атомы галогенов в этих условиях также не восстанавливаются. Например, восстановление кротонового альдегида протекает с сохранением двойной С=С связи: O O i-PrOH H3C H ((CH3)2CHO)3Al кротоновый альдегид H3C OH + H3C CH3 кротиловый спирт Двойную углерод – углеродную связь в ненасыщенных альдегидах и кетонах при необходимости можно восстанавливать действием амальгамы натрия в водно-спиртовом растворе или цинком в уксусной кислоте. Реакция Канниццаро Ароматические и неспособные к енолизации алифатические альдегиды под действием основных катализаторов (гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов) диспропорционируют с образованием карбоновых кислот и спиртов (реакция Канниццаро). В 48 реакции участвует две молекулы альдегида: одна из них окисляется, другая – восстанавливается. O 2 R C - O HO H + R C H R CH2 OH OH У енолизирующихся альдегидов скорость альдольной реакции гораздо больше, чем скорость реакции Канниццаро, поэтому практически протекает только первая из этих реакций. Считается, что реакция протекает следующим образом: O С H + H С С H С + H O- O- OH OH H OH O O OС - HO С + O С H H A H + O С Б 1) На первой стадии происходит нуклеофильное присоединение гидроксид-иона к карбонильному атому углерода. 2) Далее следует перенос гидрид-иона с образовавшегося алкоксид-иона на карбонильный атом другой молекулы альдегида. 3) На третьей стадии происходит перенос протона от кислоты на алкоксид-ион. Образующиеся молекула кислоты и ион алкоголята А переходят в результате обмена протоном в более устойчивую пару: молекулу спирта и анион кислоты Б. Если реакцию Канниццаро проводить со смесью альдегида и формальдегида, то последний всегда выступает в роли донора гидрид49 иона и окисляется при этом до муравьиной кислоты (перекрёстная реакция Канниццаро): O HO H CH2 O + - HO H H O + H OH Это объясняется тем, что формальдегид легче присоединяет гидроксид-ион, чем другие альдегиды, у которых снижена электрофильность карбонильного атома углерода. Восстановительное сочетание по Мак-Мурри Специфическим методом восстановления карбонильных соединений является образование алкенов при действии на альдегиды и кетоны соединениями титана в низших степенях окисления. Этот метод называется восстановительное сочетание по Мак-Мурри. При действии на альдегиды и кетоны реагентом, который получают восстановлением солей титана (III или IV) металлическим цинком в пиридине, происходит их сдваивание, например: O Zn + TiCl4 ïèðèäèí 90% Восстановление хинонов Хиноны по своей природе относятся к сопряжённым циклическим дикетонам. Они обладают высоким окислительным потенциалом и очень легко восстанавливаются различными реагентами до 50 дигидроксиароматических соединений. Наибольшее практическое значение имеют бензохиноны, нафтохиноны, антрахиноны. Переход бензохинонов в двухатомные фенолы приводит к выигрышу энергии, так как имеет место превращение циклической диеновой структуры в ароматическую: O OH _ + 2H+ 2e _ (- 2e) O OH 1,4-бензохинон гидрохинон Для восстановления хинонов в лабораторной практике применяют йодистый водород, сульфит натрия, дитионит натрия, цинк в ледяной уксусной кислоте, хлорид титана (III) и многие другие восстановители. 6. ВОССТАНОВЛЕНИЕ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ Карбоновые кислоты Восстановление карбоксильной группы возможно до спиртов и углеводородов. Поскольку альдегиды восстанавливаются намного быстрее кислот, они в конечных продуктах реакции отсутствуют. Во многих случаях восстановление карбоновых кислот идет с трудом. Поэтому их рекомендуется превращать в сложные эфиры или хлорангидриды, которые восстанавливаются гораздо легче. Так, способность к восстановлению карбоновых кислот и их производных изменяется в ряду: RCOO- < RCOOH < RCONR1 < RCN < RCOOR1 < RCOHal 51 Металлические катализаторы гидрирования малоэффективны при восстановлении карбоксильной группы. Вместо них успешно применяют оксидные катализаторы (катализаторы Адкинса), обладающие селективной адсорбционной способностью к кислородсодержащим соединениям. Процесс проводят при высоких температурах 100-300оС и высоком давлении 200-300 атм. Этот метод имеет значение в промышленности для получения высших первичных спиртов с прямой углеродной цепью, а в лаборатории их восстановление чаще всего осуществляют другим путем. При гидрировании карбоновых кислот образующиеся спирты дают сложные эфиры, восстановление которых протекает гораздо легче. 2 H2 R COOH -H2O R CO O H R CH2 OH - H2 O R COOCH2R 2 H2 2 R CH2 OH В практическом отношении такой процесс имеет существенное преимущество, так как устраняется стадия получения сложного эфира. Непредельные карбоновые кислоты и их эфиры можно гидрировать по трём направлениям: 1. по двойной углерод – углеродной связи с образованием предельных кислот; 2. по карбоксильной группе с сохранением двойной связи (получение непредельных спиртов); 3. по обеим функциональным группам с получением предельных спиртов. H2 R CH CH R C H2 C H2 (C H2)n C O O H 2 H2 -H2O (C H2)n C O O H R (C H2)n+2 C H2O H 2 H2 - H O 2 R CH 52 CH (C H2)n C H2 O H H2 Ароматические карбоновые кислоты можно восстановить до соответствующих спиртов или до карбоновых кислот циклогексанового ряда: 2 Н2 . CH2OH CuO Cr2O3, 250 o C COOH 3 H2 COOH Ni, 160 o C Ароматическое кольцо бензойных кислот гидрируется значительно труднее, чем ядро бензола или фенола. Наиболее часто в лабораторной практике для восстановления карбоксильной группы применяют алюмогидрид лития. Восстановление идет в более жестких условиях, по сравнению с восстановлением альдегидов и кетонов. Обычно реакцию проводят при кипячении в тетрагидрофуране: CH3 O CH3 o LiAlH 4 , THF, 40 C OH H3 C H3 C CH3 OH CH3 92% Карбоновые кислоты реагируют с алюмогидридом лития согласно следующему уравнению: LiAl(OCH2R)4 + 2 LiAlO2 + 4 H2 4 RCOOH + 3 LiAlH4 LiAl(OCH2R)4 + 4 H2O 4 RCH2OH + LiAl(OH)4 Таким образом, один гидридный эквивалент алюмогидрида лития расходуется на реакцию с активным атомом водорода кислоты и два эквивалента – на восстановление карбоксильной группы в гидроксильную. Причина инертности карбоновых кислот 53 заключается во-первых, в низкой растворимости их литиевых солей в эфире, во-вторых, в пониженной электрофильности углеродного атома карбоксильной группы. Боргидридом натрия карбоновые кислоты не восстанавливаются. Восстановление карбоксильной группы под действием диборана в тетрагидрофуране осуществляется в очень мягких условиях и не затрагивает некоторые функциональные группы (NO2, CN, COOR). Поэтому этот метод в некоторых случаях оказывается предпочтительнее. O2N o 1. B 2 H6 , THF, 20 C CH 2 COOH 2. H2 O, H O2N + CH 2 CH 2 OH 95% В непредельных кислотах алюмогидридом лития двойные связи практически не восстанавливаются. Однако когда двойная связь сопряжена с ароматическим кольцом, она может восстанавливаться: LiAlH4 CH3CH=CH CH=CHCOOH эфир CH3CH=CH-CH=CHCH2OH 92% CH CH CO OH CH2 C H2 C H2O H LiA lH4 эфир 85% коричная кислота гидрокоричный спирт Сложные эфиры Для гидрирования сложных эфиров в спирты, как и для карбоновых кислот, применяют высокотемпературные оксидные 54 катализаторы Адкинса (хромит меди, реже хромит цинка). В промышленности этим способом из жиров и жирных кислот получают высшие спирты, которые далее перерабатывают в моющие средства. Для восстановления сложных эфиров наряду с хромитными катализаторами применяется скелетный никель. В присутствии избытка этого катализатора эфиры гидрируются при температурах 25 – 125оС и давлении 350 атм с выходами не менее 80%. R COOC4H9 2 H2 R CH2OH + C4H9OH Ni Специфично протекает гидрирование бензиловых эфиров карбоновых кислот на палладиевых катализаторах при температуре 30оС и атмосферном давлении. Продуктами реакции являются соответствующая карбоновая кислота и толуол. O R H2 ÑH2 O CH3 o Pd/C, 30 C + RCOOH Гидрирование этилового эфира бензойной кислоты нельзя остановить на стадии образования бензилового спирта, поскольку гидрогенолиз последнего происходит гораздо легче, чем гидрирование сложного эфира. OH COOEt H2, (200 àòì) CH3 H2 ÑuCr 2O4 o ÑuCr 2O4, EtOH, 25 C + H2 O При получении спиртов восстановлением сложных эфиров комплексные гидриды металлов применяются чаще, чем другие восстановители. В тех случаях, когда целью является получение спирта из соответствующей кислоты, целесообразно восстановлению 55 подвергать не саму кислоту, а её метиловый или этиловый эфиры, так как в этом случае требуется меньший гидридный эквивалент. Восстановление сложных эфиров осуществляют в мягких условиях, при комнатной температуре. В качестве растворителя применяют абсолютный диэтиловый эфир или тетрагидрофуран. Предположительно реакция протекает в две стадии. На первой стадии идёт восстановление сложного эфира до полуацеталя соответствующего альдегида, который затем восстанавливается до первичного спирта. Выходы спиртов обычно высокие: O R CH2 O LiAlH 4 ýôèð CH3 R CH2 CH2 OH Циклические сложные эфиры – лактоны – при восстановлении алюмогидридом лития образуют диолы: O O LiAlH4, эфир H3O + HOCH2CH2CH2CH2OH 83% Боргидрид натрия восстанавливает лишь сложные эфиры фенолов, причём особенно хорошо в тех случаях, когда в ароматическом ядре содержатся электроноакцепторные группы. С другими сложными эфирами взаимодействие боргидрида натрия протекает слишком медленно. В присутствии избытка трехфтористого бора комплексные гидриды металлов восстанавливают сложные эфиры в простые, например: O R O NaBH4 + BF3 диглим, THF Аналогично идет реакция с лактоном: 56 R O 70% O O NaBH4 + BF3 диглим, THF O Сложные эфиры могут быть восстановлены до альдегидов при использовании реагента, обладающего высокой селективностью. Таким реагентом является ДИБАЛ-Н. Для того, чтобы предотвратить дальнейшее восстановление альдегида до первичного спирта, реакцию проводят при температуре -60, -78оС в растворе толуола и инертной атмосфере. H3C H3C CHCOOCH2CH3 ДИБАЛ-Н, толуол, -78 оС Н3О H3C + CHC H3C О Н 79% Фениловые эфиры карбоновых кислот можно восстановить до альдегидов таким мягким восстановителем, как трис(третбутокси)алюмогидрид лития (LTBA): O R O O LiAlH(O-t-Bu)3 R H Восстановление сложных эфиров можно проводить действием металлического натрия в абсолютном этаноле по методу Буво – Блана: RCOOCH2CH3 + 4 Na + 3 CH3CH2OH → RCH2OH + 4СH3CH2ONa Для восстановления по Буво-Блану в лаборатории применяют также изопропанол и циклогексанол. Этот метод дает особенно хорошие результаты при восстановлении эфиров алифатических 57 карбоновых кислот и имеет также промышленное значение для получения непредельных спиртов. В противоположность каталитическому гидрированию при восстановлении по Буво-Блану не затрагиваются двойные связи. Ангидриды и галогенангидриды карбоновых кислот Восстановление ангидридов карбоновых кислот протекает труднее. Реакция идет с выделением СО2: O H3C C O H3C H2 Cd, 280oC C O C CH3 + CO2 CH3 O уксусный ангидрид ацетон При использовании алюмогидрида лития восстановление обычно приводит к превращению ангидридов кислот в первичные спирты: O R O R 1. LiAlH4 2. H2O 2 R CH2 OH O На практике чаще используют восстановление циклических ангидридов дикарбоновых кислот, которые в зависимости от условий могут давать гликоли или лактоны. Так, комплексные гидриды металлов восстанавливают фталевый ангидрид до фталилового спирта (c, d). В других условиях (при этом, избегая избытка комплексных гидридов) удается восстановить фталевый ангидрид до фталида (a, b): 58 O a,b O O O O C H2O H c,d C H2O H а- NaBH4, ДМФА, 0-25оС, выход 97%; b - LiBHEt3, THF, 0oC, выход 76%; c - LiAlH4, эфир, 35оС, выход 87%; d - NaAlH2(OCH2CH2OCH3)2, PhH, 80оС, выход 88%. Из производных карбоновых кислот хлорангидриды относятся к наиболее легко восстанавливаемым соединениям. Каталитическое восстановление водородом хлорангидридов карбоновых кислот приводит к альдегидам (реакция Розенмунда): O R O H2 C R Pd/C Cl + HCl C H В качестве катализатора обычно используют палладий на носителе (BaSO4, CaCO3, BaCO3, уголь, асбест). Легкость гидрогенолиза связи С-Cl при восстановлении хлорангидридов кислот по Розенмунду можно продемонстрировать на следующем примере: O O H2 Cl Pd/BaSO 4 + S 8 /õèíîëèí H Серу и хинолин добавляют с целью сделать катализатор менее активным. Следует отметить, что гидрогенолиз связи С-Cl идет 59 намного легче, чем восстановление карбонильной группы в альдегиде. Это достигается за счет снижения каталитической активности катализатора добавлением каталитических «ядов» (ртуть, сера, амины). Эти соединения образуют достаточно прочные связи с поверхностью катализатора, закрывая его активные центры. Восстановление хлорангидридов карбоновых кислот алюмогидридом лития до первичных спиртов протекает по следующей схеме: O 1. LiAlH4 Cl 2. H2O R R CH2-OH Методы восстановления других производных карбоновых кислот амидов и нитрилов рассматриваются в следующем разделе «Восстановление азотсодержащих соединений». 7. ВОССТАНОВЛЕНИЕ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ Восстановление соединений, содержащих группы C=N, CN, NO2, N3, N2+, N=N, N=O, N-OH часто используется в лабораторной практике. В промышленности восстановление азотсодержащих соединений проводится главным образом для получения аминов, широко применяемых в качестве основного химического сырья. Для восстановления используются как водород в присутствии катализаторов, так и другие восстановители: комплексные гидриды металлов, щелочные металлы в спиртах, железо, цинк, олово, различные соли. Амины. 60 Амины бензильного типа легко подвергаются гидрогенолизу на таких катализаторах, как палладий на угле или никель Ренея, например: CH3 N CH3 CH3 H2 Ni Дезаминирование* четвертичных аммониевых проводить действием амальгамы натрия: C H3 + C H2N CH3 I H2O, 100 o C C H3 можно C H3 5% Na/Hg C H3 C H3 солей C H3 C H3 Замещение аминогруппы водородом в алифатических аминах применяется редко. Его можно провести обработкой соответствующего тозиламина О-гидроксиламинсульфокислотой в щелочной среде. RNH2 TsCl RNHTs NH2OSO3H водный NaOH RH + N2 _____________________________________________________________________ Дезаминирование* - удаление аминогруппы из молекул органических соединений, сопровождающееся замещением аминогруппы на другую группу или образованием кратной связи. 61 В лабораторной практике дезаминирование используется в тех случаях, когда амино- или диалкиламиногруппа не должна присутствовать в конечном продукте реакции, но необходима на промежуточных стадиях. Дезаминирование ароматических первичных аминов, как правило, проводят через стадию диазотирования с последующей обработкой иона диазония фосфорноватистой кислотой: COOH COOH COOH Br2 Br Br NH2 HNO2 Br COOH Br H3PO2 Br Br + N2 NH2 Br Br Br Нитросоединения Среди групп, содержащих азот, легче всего восстанавливается нитрогруппа. Для гидрирования алифатических нитросоединений применяют малоактивные катализаторы, главным образом медь и железосодержащие. Используя скелетный никель, гидрирование лучше проводить при низких температурах. Нитросоединения в присутствии никеля Ренея, активированного небольшим количеством гидроксида натрия, восстанавливаются с высоким выходом (98 - 99%) до аминов. R H2 NO 2 R NH2 Ni, NaOH Нитроалканы восстанавливают до алкиламинов комплексными гидридами металлов, железом или цинком в кислой среде, гидразином или серосодержащими восстановителями (Na2S, Na2S2O4). Восстановление нитроалканов алюмогидридом лития идет по следующей схеме: R NO 2 1. LiAlH 4 R 2. H 2O 62 NH2 + LiAl(OH) 4 Например, 2-нитробутан восстанавливается до 2-аминобутана с выходом 85%. NO 2 NH2 LiAlH 4 H3C CH3 H3C CH3 ýôèð Наибольшее распространение имеет восстановление нитроаренов. Каталитическое гидрирование ароматических нитросоединений имеет широкое промышленное применение (получение анилина, ароматических ди- и полиаминов). Оно проводится при 200-300оС на медьсодержащем катализаторе. N O2 o 3 H2, 200-300 C + щС щщ C u / A l2O 3 N H2 + 2 2 H2O При использовании таких катализаторов, как платина, палладий, никель, основная реакция (восстановление нитрогруппы) сопровождается гидрированием ароматического ядра, а также частичным отщеплением аминогруппы. Для восстановления ароматических нитросоединений чаще всего применяют металлы (олово, цинк, железные опилки) и соли металлов в присутствии кислот и водных растворов, например: 4 ArNO2 + 9 Fe + 4 H2O → 4 ArNH2 + 3 Fe3O4 ArNO2 + 3 SnCl2 + 6 HCl → ArNH2 + 3 SnCl4 + 2 H2O Восстановление осуществляется через ряд последовательно протекающих реакций. Во всех реакциях процесс восстановления 63 начинается с переноса электрона от восстановителя к молекуле нитросоединения. На ход реакции и природу конечного продукта значительное влияние оказывают рН среды и природа восстановителя. Нитросоединение прежде всего восстанавливается до нитрозосоединения, далее - в замещенный гидроксиламин. O H2 + N - N O - H2O O H2 нитрозобензол H2 NH OH NH2 - H2O фенилгидроксиламин При восстановлении металлом продуктом является первичный амин: в кислой среде конечным NH2 NO 2 9 Fe, 4 H2O 4 4 HCl + 3 Fe3O4 В нейтральной среде например, при взаимодействии нитробензола с цинковой пылью в водном растворе хлорида аммония, процесс восстановления может быть остановлен на стадии образования фенилгидроксиламина. NO2 NHOH Zn, NH4Cl (водн.) 65oC Наконец, у ароматических нитросоединений в щелочной среде процесс восстановления нитрозосоединения, а также гидроксиламина замедляется настолько сильно, что начинает преобладать другая реакция. Свободный арилгидроксиламин обладает высокой нуклеофильностью и поэтому может легко реагировать с арилнитрозопроизводным. Это приводит к азоксисоединениям, 64 которые могут быть гидразосоединений. далее восстановлены до азо- и NO NO 2 íèòðîçîáåíçîë HO + N N - O àçîêñèáåíçîë NHOH ôåíèëãèäðîêñèëàìèí N N àçîáåíçîë NH NH ãèäðàçîáåíçîë Каждое из этих производных азобензола в кислой среде легко восстанавливается до анилина. Амиды Амиды гидрируются в амины на хромите меди или никелевом катализаторе при температуре 210 - 300оС и давлении 100 - 350 атм: H O N H3C H 2 H2 o H Ni, 250 C ацетамид H этиламин 65 + H3C CH2 N H2O H O H 2 H2 N o CH3 H3C Ni, 250 C CH3 o CH3 H3C CH3 CH3 2 H2 N H2O метилэтиламин N-метилацетамид O + H3C CH2 N + H3C CH2 N Ni, 250 C H2O CH3 диметилэтиламин N,N-диметилацетамид N-Моно- и N,N-дизамещенные амиды в аналогичных условиях дают соответственно вторичные и третичные амины. Амиды карбоновых кислот с помощью алюмогидрида лития можно превратить в соединения трех типов: альдегиды, амины или спирты. При этом все реакции проходят через стадию образования полуаминаля соответствующего альдегида: H2O RCHO + R"2NH O-Al H3Li+ RCONR"2 LiAlH4 LiAlH4 RCHNR"2 RCH2NR"2 1. LiAlH4 2. H2O RCH2OH + R"2NH Полное восстановление амидов до аминов используется наиболее часто. На практике для восстановления амидов до аминов следует применять избыток LiА1Н4. N,N-Дизамещенные амиды уже при 25 - 30%-ном избытке LiА1Н4 восстанавливаются до аминов количественно и быстро. N-Монозамещенные амиды следует длительное время (12 - 20 ч) кипятить с 30-40%-ным избытком LiА1Н4. Возможность восстановления амидов с образованием альдегидов зависит от структуры амида, а также от условий реакции. Иногда 66 бывает достаточно смешать реагенты в обратном порядке при низкой температуре или использовать стехиометрическое количество LiА1Н4. Нитрилы Нитрилы восстанавливаются труднее, чем нитросоединения. Гидрирование нитрилов на металлических катализаторах (никель Ренея, кобальт, платина, палладий, медь и др.) идет до первичных аминов. H2 R C N o Pt, 25 C, 1-3 àòì R C N H H2 R CH2 NH2 H При гидрировании нитрилов в качестве побочных продуктов очень часто образуются вторичные и третичные амины. Восстановление нитрилов до аминов имеет практическое значение для тех случаев, когда нитрил дешевле и доступнее, чем соответствующие хлорпроизводные или спирты. В результате восстановления нитрилов алюмогидридом лития можно получить либо амин, либо альдегид. Полагают, что промежуточным продуктом восстановления является имин (RCH=NH) и, следовательно, если остановить реакцию на этой стадии, то после гидролиза получается альдегид; дальнейшее восстановление имина даст первичный амин: 2 LiAlH 4 4 R C ... H2O ... H2O 4 R CH2 NH2 N O LiAlH 4 4 R C H 67 Таким образом, теоретически на полное восстановление 1 моль нитрила в амин расходуется 0,5 моль LiА1Н4. Однако многие нитрилы требуют для восстановления большее количество реагента. Так, для полного восстановления нитрилов до первичных аминов рекомендуется применять не менее 200%-ного избытка LiА1Н4 и, кроме того, проводить процесс при низких температурах, так как при более высоких температурах могут образовываться вторичные амины. Ароматические и алифатические нитрилы могут легко превращаться в альдегиды под действием LiА1Н4 в зависимости от условий проведения реакции и порядка добавления реагентов. При восстановлении нитрилов натрием в этаноле образуются амины: 4 Na H3C C N H3C CH2 EtOH ацетонитрил NH2 + 4 CH 3CH 2ONa этиламин Под действием хлорида олова в солянокислой среде образуются продукты неполного восстановления – альдимины: SnCl 2, 2 HCl H3 C C N H3 C CH NH + SnCl 4 Оксимы Восстановление оксимов представляет собой наиболее удобный путь перехода от альдегидов и кетонов к аминам. Оксимы легко восстанавливаются каталитическим гидрированием над платиной или палладием, тогда как при использовании скелетного никеля требуется температура ~ 100оС. В лабораторной практике для восстановления оксимов чаще применяют алюмогидрид лития: 68 R N OH R R LiAlH4 NH2 ýôèð R Так, на восстановление 1 моль оксима требуется 0,75 моль LiА1Н4, при этом 0,25 моль гидрида расходуется на реакцию с активным водородом оксима. Рассматриваемая реакция является косвенным методом получения первичных аминов из соответствующих альдегидов и кетонов. Однако выходы первичных аминов часто бывают невысокими из-за возможности побочных процессов. В частности, арилкетоксимы образуют значительное количество вторичных аминов. Азометины Восстановление азометинов (оснований Шиффа) до вторичных аминов осуществляют каталитическим гидрированием над платиной или палладием: R CH N 1 R H2 R Kt CH2 NH 1 R Имины, основания Шиффа и другие соединения, содержащие связь С=N, восстанавливаются также под действием LiА1Н4 и NаВН4. Соли диазония Восстановление солей диазония в зависимости от условий и природы восстановителя может идти с образованием фенилгидразинов или ароматических углеводородов. Восстановление солей диазония удобнее проводить водным раствором 69 фосфорноватистой кислоты Н3РО2. Этот прием часто используется для удаления аминогруппы (см. раздел Амины (дезаминирование)). + N N Cl - H3PO2, H2O + o 10-25 C N2 + HCl + H3PO3 Восстановление солей диазония до углеводородов можно проводить действием формальдегида в щелочной среде: + N N Cl - CH2O + N2 + HCl + H2O + HCOONa NaOH Диазогруппа может быть замещена на водород действием этанола при нагревании. Однако процесс идет с образованием значительных количеств побочного продукта – фенетола. + N N Cl - O CH3 O C2H5OH + + o t C N2 + HCl + H3 C H ôåíåòîë Восстановление тетрафторборатов арилдиазония можно проводить действием боргидрида натрия при температуре не более 0оС: + N N BF4 N aBH4 MeO H и ли ДМФ А 70 Удобным методом получения арилгидразинов в лабораторных условиях является восстановление солей диазония хлоридом олова (II). Восстановление проводят в соляной кислоте при температуре 0– 10оС. + N N Cl - + NH NH3 Cl SnCl 2 - NH NH2 NaOH HCl H 2O + + NaCl H 2O ôåíèëãèäðàçèí Основным промышленным способом восстановления солей диазония является сульфит-бисульфитный метод. Сульфит натрия присоединяется по тройной связи диазогруппы, а затем бисульфит натрия по двойной связи бензолдиазосульфоната натрия. + N N Cl Na2SO3 N N SO3Na + NaCl H N N SO3Na HCl NaHSO3 . NH NH2 HCl SO3Na Нагреванием в концентрированной соляной кислоте динатриевой соли N,N1-фенилгидразиндисульфокислоты получают гидрохлорид фенилгидразина. По аналогичной схеме получают и другие замещенные фенилгидразины. Азиды Азиды можно восстановить в первичные амины водородом над металлическим катализатором или алюмогидридом лития: 71 + N H3C HC N - N H2N H2 COOC2H5 H3C CH COOC2H5 Pt этил-α-азидопропионат этил-α-аминопропионат Алифатические и ароматические азиды восстанавливаются алюмогидридом лития согласно следующему общему уравнению: 4 RN3 + LiAlH4 → LiAl(NHR)4 + 4 N2 На практике применяют избыток 1,2-1,5 моль LiAlH4 на 1 моль азида и восстановление проводят в кипящем эфире в течение нескольких часов. R N + N LiAlH4 - N R ýôèð NH2 R=Alk, Ar Боргидридом натрия азиды не восстанавливаются. Удобным методом восстановления азидов до первичных аминов является реакция с трифенилфосфином, протекающая через образование промежуточного фосфинимина, который под действием HBr в уксусной кислоте омыляется с образованием амина и оксида трифенилфосфина: P + R HBr N P -N 2 + N - N R NH2 + P 72 O N R CH 3COOH Азосоединения Восстановление связи N=N азосоединений легко протекает в условиях гидрирования: N H2 N NH o H2 NH Pd/C, 20 C азобензол гидразобензол NH2 2 8. ВОССТАНОВЛЕНИЕ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ Восстановление алифатических и ароматических сульфокислот проводят металлами в кислой среде. При этом образуются тиоспирты (тиолы) или тиофенолы: O R S Zn O R SH HCl OH R=Alk, Ph Сульфоксиды в отличие от сульфокислот более доступны нуклеофильной атаке, поэтому их можно с успехом восстанавливать как цинком в соляной кислоте, так и комплексными гидридами металлов до сульфидов (тиоэфиров): O Zn, 2 HCl S H3C CH3 S H3C CH3 73 + ZnCl2 + H2O Сульфоны гораздо устойчивее сульфоксидов. Они восстанавливаются под действием алюмогидрида лития при температуре 100оС в течение длительного времени. Продуктами восстановления являются сульфиды: O O 2 LiAlH 4 2 S H3C CH3 + S H3C CH3 LiAlO 2 + 2 H2O Меркаптаны (тиолы), сульфиды, дисульфиды, сульфоксиды, сульфоны можно восстановить до соответствующих углеводородов методом восстановительного обессеривания (десульфуризации). Восстановление, как правило, проводят водородом на никеле Ренея и других катализаторах. H2 H3C CH2 SH H3 C 2 H2 CH3 S + H3C CH3 Kt H2S 2 CH4 + H 2S 2 CH4 + 2 H2S + H 2S Kt H3C S S 3 H2 CH3 Kt O 3 H2 S H3 C CH3 O O S H3C CH3 2 CH4 Kt 4 H2 2 CH4 Kt 74 + H 2S + + H2 O 2 H2O К десульфуризации способны также гетероциклические соединения, например тиофен, бензотиазол, тиоиндиговые красители и т.п. Способность производных тиофена к десульфуризации используют для синтеза соответствующих алифатических соединений. Восстановление проводят на никеле Ренея в этаноле. H2 S R Kt H3C R + H 2S Восстановление серосодержащих соединений до углеводородов в нефтяных фракциях широко используется в промышленности (процесс гидроочистки). Дисульфиды легко восстанавливаются до тиолов цинком в уксусной кислоте (старый метод) или раствором щелочного металла в жидком аммиаке: R S S R 1)Na; жидк. NH3; -330C 2) H2O; NH4Cl 2 R SH 9. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ И КАТАЛИЗАТОРОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ Гидразин гидрат ·SO4 + 2 KOH N2H4H2O + K2SO4 + H2O Реактивы: сульфат гидразина – 50 г (0,38 моль); гидроксид калия – 50 г (0,89 моль). 75 Смешивают 50 г сухого сульфата гидразина с таким же количеством порошкообразного КОН, добавляют 2,5 мл воды и перегоняют образующийся гидразин гидрат с нисходящим холодильником. Сначала перегонку проводят при слабом нагреве, однако к концу реакции для полного ее завершения необходимо смесь сильно нагреть. Гидразин гидрат, в котором еще содержится вода, очищают фракционной перегонкой. Чистый гидразин гидрат перегоняется в интервале 117-119оС. Гидразин, безводный N2H4 N2H4H2O N2H4 +H2O Маслянистая, сильно дымящая жидкость. Разъедает пробку, каучук и другие органические вещества. Затвердевает при 0 оС и кипит при 113,5оС. В склянках с притертыми пробками может сохраняться в течение неограниченно долгого времени. Горючее вещество. Смешивается с водой и спиртами. Взрывается в смеси с воздухом при нагревании. Реактивы: гидразин гидрат – 20 г, 19,4 мл (0,4 моль); гидроксид натрия – 20 г (0,5 моль). В колбу для фракционной перегонки с пришлифованной пробкой и пришлифованным термометром помешают 20 г гидразин гидрата и 20 г NaOH в гранулах. Колбу очень медленно нагревают на масляной бане, чтобы гидразин начал кипеть только через 2 ч. К этому моменту весь NaOH должен уже раствориться в жидкости. Температура масляной бани должна быть ~120оС. После начала перегонки колбу продолжают медленно нагревать, пока температура масляной бани не достигнет ~150оС. При этом отгоняется чистый безводный гидразин. 76 Изопропилат алюминия Al(OCH(CH3)2)3 Al + 3 (CH3)2CHOH Al(OCH(CH3)2)3 + 3/2 H2 Реактивы: алюминий – 27 г (1 грамм атома); изопропиловый спирт – 300 мл (3,9 моль); сулема (хлорид ртути, HgCl2) – 0,5 г; четырёххлористый углерод – 2 мл. В литровой колбе с эффективным обратным холодильником, защищённым хлоркальциевой трубкой, смешивают 27 г алюминиевой фольги с 300 мл безводного изопропилового спирта и 0,5 г сулемы. Затем смесь нагревают с обратным холодильником. Как только смесь начнёт закипать, добавляют через холодильник 2 мл четырёххлористого углерода и нагревают до тех пор, пока не начнётся выделение водорода. После этого прекращают нагревание (в отдельных случаях бывает даже необходимо прибегнуть к охлаждению). Когда основная, бурная стадия реакции окончится, смесь снова кипятят до полного растворения алюминия (6 – 12 ч). Затем растворитель отгоняют, и остаток перегоняют под уменьшенным давлением, используя воздушный холодильник. Полученный продукт затвердевает обычно только через 1 –2 дня. Выход около 90 – 95% от теоретического. Ткип 130 – 140оС / 7 мм рт.ст., Тпл 118оС. Для проведения восстановления по Меервейну – Понндорфу – Верлею часто используют 1 М раствор изопропилата алюминия в безводном изопропиловом спирте. Этот раствор можно хранить в тщательно закрытой стеклянной пробкой склянке; снаружи пробку заливают парафином. 77 Триэтилсилан HSiCl3 + 3 CH3CH2MgBr (CH3CH2)3SiH а) Получение реактива Гриньяра. C2H5Br + Mg → C2H5MgBr Реактивы: магний – 19,1 г (0,78 грамм атома); этилбромид – 100 г (0,8 моль); диэтиловый эфир абсолютный – 400 мл. В трехгорлую колбу емкостью 2 л, снабженную механической мешалкой, обратным холодильником и капельной воронкой с хлоркальциевыми трубками, помещают 19,1 г стружек магния и небольшое количество эфира (40-45 мл). Затем прибавляют 1-2 мл этилбромида. Через 10-15 мин происходит помутнение раствора и разогрев эфира. Если реакция не начинается, то в реакционную смесь добавляют несколько кристалликов иода, либо 0,5 мл 1,2-дибромэтана и слегка подогревают колбу теплой водой. После того как реакция началась, добавляют по каплям при перемешивании остальное количество этилбромида (суммарно 0,8 моль), растворенного примерно в 320-360 мл эфира. Добавление реагента ведут с такой скоростью, чтобы смесь умеренно кипела. После прибавления всего количества этилбромида реакционную смесь аккуратно подогревают на плитке в течение 30 мин до полного растворения магния. б) Получение триэтилсилана. Реактивы: трихлорсилан – 27,0 г (0,2 моль); этилмагнийбромид – 0,8 моль; диэтиловый эфир – 500 мл; 3%-ная соляная кислота. К свежеприготовленному раствору 0,8 моль этилмагнийбромида в 400 мл диэтилового эфира прибавляют при перемешивании и охлаждении 27,0 г (0,2 моль) трихлорсилана в 100 мл диэтилового эфира. Реакционную массу нагревают в течение 5 ч, затем обрабатывают 250 мл 3%-ной соляной кислоты. Органический слой 78 отделяют, сушат сульфатом натрия, эфир упаривают, а продукт перегоняют при температуре 107 – 108оС. Выход 20,8 г (90% от теоретического), n D20 1,4130. Амальгама натрия Реактивы: натрий – 6,9 г (0,3 грамм атома); ртуть – 340 г (1,69 грамм атома). В круглодонную колбу вместимостью 250 мл помещают 6,9 г аккуратно разрезанного на куски натрия (для амальгамы с содержанием 2 % масс. натрия) или 10 г (для амальгамы с содержанием 3 % масс. натрия). Через два боковых горла пропускают трубки для ввода и вывода азота. В среднее горло вставляют капельную воронку с 340 г (25 мл) ртути. После тщательного заполнения колбы азотом к натрию добавляют 10 мл ртути и колбу осторожно нагревают на открытом пламени до тех пор, пока не начнется реакция. Затем медленно приливают остальное количество ртути, при этом достаточно лишь слегка подогревать колбу. Когда вся ртуть будет перенесена в колбу, еще горячую расплавленную амальгаму выливают на чистую плитку и разбивают ее на куски (под тягой!), пока она еще теплая и хрупкая. Если натрия берут 1 % масс., то получают жидкую амальгаму. Амальгама цинка Реактивы: цинк – 15 г (0, 22 грамм атома); хлорид ртути (HgCl2) – 2,5 г (0,009 моль); вода – 50 мл. В круглодонную колбу ёмкостью 250 мл помещают 15 г цинка, приливают раствор 2,5 г хлорида ртути в 50 мл воды и оставляют стоять в течение 1 ч при частом перемешивании. Затем жидкость сливают, а цинк промывают несколько раз чистой водой. 79 Скелетный никелевый катализатор NiAl2 + 6 NaOH + 6 H2O Ni + 2 Na3 + 3 H2 Осторожно! При реакции выделяется водород, и работу следует проводить в хорошо действующем вытяжном шкафу. Катализатор пирофорен и на воздухе самовоспламеняется. Поэтому катализатор следует хранить под слоем спирта. Реактивы: никель-алюминиевый сплав – 10 г; гидроксид натрия – 16 г (0,4 моль). В стакан ёмкостью 1 л помещают 10 г никель-алюминиевого сплава и 100 мл дистиллированной воды. Затем прибавляют твёрдый гидроксид натрия с такой скоростью, чтобы вспенивание не происходило слишком бурно. Энергичное течение реакции начинается после некоторого индукционного периода, поэтому вначале следует проявить осторожность. Когда дальнейшее прибавление гидроксида натрия не будет больше приводить к заметному вскипанию (до этого момента необходимо добавить примерно 16 г), смесь выдерживают 10 мин при комнатной температуре и затем 30 мин на водяной бане при 70оС. По истечении указанного времени жидкость, находящуюся поверх осевшего на дно стакана никеля, тщательно декантируют и катализатор промывают дистиллированной водой, перемешивая и сливая воду с отстоявшегося осадка. Промывку ведут до достижения нейтральной реакции по фенолфталеину. Таким же образом затем вытесняют воду спиртом (20 – 30 мл). Катализатор хранят в стеклянной посуде под слоем спирта. Хотя катализатор можно хранить таким образом некоторое время, более целесообразно готовить его непосредственно перед употреблением (в количестве, необходимом для каждого конкретного синтеза), избегая заметного падения его активности при хранении. Активность 80 катализатора можно проверить, положив несколько крупинок его на лист бумаги: через 1 – 2 мин можно наблюдать самовозгорание катализатора. Палладий, сорбированный на угле PdCl 2 H2 Ñ-ïîðîøîê Pd/C Реактивы: дихлорид палладия – 0,5 г (0,03 моль); уголь активированный – 4 г; водород. В сосуде для гидрирования к 4 г активированного угля прибавляют водный раствор 0,5 г дихлорида палладия. Восстановление проводят на установке, показанной в разделе 10, рис.1. После того, как поглощение водорода закончится, катализатор отфильтровывают, промывают водой, спиртом и, наконец, эфиром. Полученный катализатор содержит 7% палладия, нанесённого на уголь. Получение платиновой черни по способу Вильштеттера H2PtCl6 + 8 KOH + 2 CH2O Pt + 2 HCOOK + 6 KCl + 6 H2O Реактивы: платинохлористоводородная кислота – 5 г (0,012 моль); формалин 40%-ный – 15 мл; гидроксид калия 50%-ный водный раствор – 28 мл. В коническую колбу, содержащую 5 г платинохлористоводородной кислоты, растворённой в 10 мл воды, добавляют 2 – 3 капли соляной кислоты и 15 мл 40%-ного раствора 81 формалина. Полученную смесь охлаждают до –10оС (лёд с солью) и, следя за тем, чтобы температура не поднималась выше 5оС, осторожно по каплям добавляют к ней 28 мл 50%-ного раствора гидроксида калия. Смесь нагревают при перемешивании в течение 30 мин при температуре 55 - 60оС. Выпавшую в осадок платиновую чернь несколько раз промывают водой. Затем быстро отфильтровывают на воронке Бюхнера, следя за тем, чтобы платина находилась под слоем воды. Затем отжимают между листами фильтровальной бумаги и помещают в вакуум-эксикатор. Через 2 - 3 дня эксикатор наполняют углекислым газом, в атмосфере которого катализатор хранят до момента использования. Аналогично получают палладиевую чернь. Выход около 1,8 г (75%). Перед употреблением катализатор необходимо активировать воздухом или кислородом путем встряхивания его в среде растворителя (этилового спирта, этилацетата и др.). Платиновую и палладиевую чернь нельзя приводить в контакт с такими взрывоопасными смесями, как воздух – метанол, воздух – бензол или воздух – водород. Получение двуокиси платины по способу Адамса H2PtCl6 + 6 NaNO3 Pt(NO3)4 + 6 NaCl + HNO3 Pt(NO3)4 PtO2 + 4 NO2 + O2 PtO2 + H2O PtO2H2O Реактивы: платинохлористоводородная кислота – 3,5 г (0,0086 моль); нитрат натрия – 35 г (0,41 моль). В фарфоровом тигле (можно в стакане из стекла пирекс) растворяют 3,5 г платинохлористоводородной кислоты в 10 мл воды и к раствору добавляют 35 г кристаллического нитрата натрия. Смесь осторожно нагревают горелкой и, перемешивая стеклянной палочкой, 82 выпаривают досуха. После этого температуру постепенно повышают до 350 – 370оС. масса расплавляется, выделяются бурые пары оксидов азота (тяга!) и образуется коричневая окись платины. При возможном вспенивании массы перемешивание необходимо усилить, не прекращая нагревания тигля. После того как через 15 – 20 мин. выделение газа значительно уменьшится и ещё через 15 – 20 мин. совсем прекратится, нагревание тигля следует продолжить ещё в течение 30 мин. до полного расплавления реакционной массы. Температура при этом достигает 500 – 550оС. Такая температура наиболее благоприятна для получения катализатора максимальной активности. По окончании расплавления массе дают охладиться, а затем обрабатывают её 50 мл воды. Получившийся быстро оседающий на дно тигля коричневый осадок окиси платины после трёхкратной декантации в тигле переносят на воронку, отмывают на фильтре до полного удаления азотнокислых солей (проба с дифениламином), отсасывают и сушат в эксикаторе до постоянного веса. Полученную окись платины (1,5 – 1,65 г), представляющую собой тяжёлый зернистый коричневый порошок, используют в качестве исходного материала для получения платиновой черни в виде тонкой суспензии. Для этого окись платины, находящуюся в растворителе, применяемом для гидрирования (этиловый спирт, этилацетат, ледяная уксусная кислота), восстанавливают водородом при комнатной температуре. 10. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Методика гидрирования Лабораторное гидрирование в жидкой фазе при атмосферном давлении осуществляется в колбе, снабженной насадкой Дрекселя. Перемешивание реакционной смеси достигается при помощи магнитной мешалки. Водород поступает в реактор из газовой бюретки (рис. 1), связанной резиновым шлангом с уравнительной склянкой 83 (напорным резервуаром). До подачи водорода в бюретку её заполняют водой, газовую линию от бюретки к реактору перекрывают, а линию от газометра с водородом к бюретке открывают. Рис. 1. Установка для каталитического гидрирования при атмосферном давлении: 1 – газометр; 2 – трёхходовой кран; 3 – газовый цилиндр (бюретка); 4 – уравнительная склянка; 5 – реакционная колба с насадкой Дрекселя; 6 магнитная мешалка. Воду вытесняют из бюретки водородом в уравнительную склянку, после чего водородный резервуар (газометр) отключают и открывают кран на газовой линии, соединяющей бюретку и реактор, в который помещены реагенты и который предварительно «промыт» водородом. Опуская уравнительную склянку, выравнивают уровень воды в ней и бюретке и тем самым устанавливают в системе давление, равное атмосферному. Измерив начальный объём водорода в бюретке, начинают гидрирование. 84 Гидрокоричная кислота (3-фенилпропионовая кислота) O O H2 OH Ni OH Реактивы: коричная кислота – 3,7 г (0,025 моль); никель Ренея – 0,5 г; водород (из баллона); этанол – 20 мл. Работа проводится в установке для каталитического гидрирования (рис. 1). Газометр, наполненный водородом, соединяют при помощи трехходового крана с газовым цилиндром, который заполняют водородом. Замечают объем газа, для чего уравнительную склянку устанавливают таким образом, чтобы уровень воды в ней был одинаков с уровнем воды в цилиндре. Затем переводят трехходовой кран в положение, при котором газовый цилиндр соединяется с реакционной колбой, и проверяют установку на герметичность. После этого, перекрыв соединение установки с колбой, вносят в нее коричную кислоту, этанол и 0,5 г никеля Ренея. Далее вытесняют воздух из реакционной колбы. Для этого ее соединяют с газовым цилиндром и медленно пропускают 200 – 300 мл водорода. Водород выходит под тягу через шланг, надетый на отводную трубку насадки Дрекселя. После промывки систему закрывают заглушкой, надетой на отводную трубку насадки Дрекселя, а трехходовой кран переводят в положение, при котором газовый цилиндр соединен с реакционной колбой. Отмечают исходный объем водорода в цилиндре, пускают в ход мешалку. Гидрирование можно считать оконченным, когда поглотится рассчитанное количество водорода. Реакционную массу фильтруют, этанол тщательно удаляют на ротационном испарителе. Остаток на холоде затвердевает. Продукт очищают 85 перекристаллизацией из разбавленной соляной кислоты (примерно 10%-ной). Выход 3,4 г (90% от теоретического). Тпл 47 - 49оС. Метилциклогексан. Восстановление 1-метилциклогексанола-1 триэтилсиланом CH3 CH3 (C 2H5)3SiH OH CF 3COOH Реактивы: 1-метилциклогексанол-1 – 15,1 г (0,13 моль); трифторуксусная кислота – 37,5 мл (0,49 моль); триэтилсилан – 30 мл; гексан – 40 мл; 20%-ный раствор гидроксида натрия - 120 мл. К раствору 15,1 г 1-метилциклогексанола-1 в 37,5 мл трифторуксусной кислоты прикапывают 30 мл триэтилсилана в 40 мл гексана при температуре не выше 25оС. Перемешивают 1 ч и выдерживают при 45-50оС в течение 50 ч. Затем реакционную массу охлаждают, нейтрализуют 120 мл 20%-ного раствора гидроксида натрия, кипятят 5 ч, органический слой отделяют, сушат сульфатом натрия. Гексан отгоняют, а остаток перегоняют, собирая фракцию при температуре 100-101оС. Выход: 11,6 г (92% от теоретического). Ткип 101оС, n20D 1,4220. Бензиловый спирт и бензойная кислота. Восстановление бензальдегида (реакция Канниццаро). Метод А. O H OH KOH O + 2 86 - + OK Реактивы: бензальдегид – 20 г, 19,2 мл (0,18 моль); гидроксид калия – 17 г (0,3 моль); хлористый метилен. В колбу на 100 мл помещают 20 г свежеперегнанного бензальдегида и охлаждённый раствор гидроксида калия (17 г в 10 мл воды). Смесь встряхивают до образования стойкой эмульсии (10 -20 мин) и оставляют в закрытой колбе на сутки. К образовавшейся массе добавляют 10 мл воды и из полученного раствора экстрагируют бензиловый спирт хлористым метиленом 2-3 раза по 20 мл. Вытяжки соединяют вместе и промывают 10 мл 40%-ного раствора гидросульфита натрия, затем водным раствором соды, сушат над безводным Na2SO4. Отгоняют сначала на водяной бане хлористый метилен, затем заменяют водяной холодильник на воздушный и перегоняют бензиловый спирт. Температура кипения спирта – 206оС. Выход бензилового спирта 8,2 г (84% от теоретического). Водно-щелочной раствор, оставшийся после экстрагирования эфиром бензилового спирта, подкисляют соляной кислотой. Выпавшую бензойную кислоту отфильтровывают и перекристаллизовывают из воды. Выход бензойной кислоты около 6,9 г (60% от теоретического). Бензиловый спирт. Восстановление бензальдегида (перекрестная реакция Канниццаро). Метод Б. O H OH H + OH O H 87 - + HCOOH Реактивы: бензальдегид – 20 г, 19,2 мл (0,18 моль); формалин (40%) – 40 мл; гидроксид натрия – 16 г (0,4 моль); гидросульфит натрия. В колбу, снабжённую обратным холодильником, вливают 19,2 мл бензальдегида, 50 мл воды и 40 мл формалина. При постоянном перемешивании добавляют раствор едкого натра (16 г NaOH в 24мл воды) и нагревают реакционную смесь до 700С. Затем колбу закрывают пробкой и оставляют стоять в течение суток. Жидкость разделяется на два слоя. Бензиловый спирт отделяют, промывают гидросульфитом натрия и водой, высушивают над безводным Na2SO4 и перегоняют. Температура кипения – 2060С. Выход 11,6 г (59% от теоретического). Бутанол-2. Восстановление метилэтилкетона натрием в эфире O H3C CH3 OH Na ýôèð âëàæí. H3C CH3 Реактивы: метилэтилкетон – 8,5 г (0,12 моль); металлический – 8 г (0,35 грамм атома); эфир – 60 мл; вода. натрий В двухгорлую колбу с обратным холодильником помещают 8,5 г метилэтилкетона, 16 мл воды и 15 мл эфира. При охлаждении колбы ледяной водой и непрерывном встряхивании постепенно добавляют в неё маленькими кусочками 8 г натрия (кусочки отрезают скальпелем на фильтровальной бумаге – см. меры предосторожности). Когда прибавлена половина всего натрия, можно вводить кусочки натрия большего размера и добавить ещё 8 мл воды. Когда весь натрий прореагирует, верхний слой отделяют в делительной воронке, а нижний (водный) один раз экстрагируют 40 мл эфира. Эфирные 88 вытяжки объединяют, промывают один раз водой, сушат над MgSO4, отгоняют эфир и собирают фракцию с температурой кипения 95 1010С. Выход 6,2 г (70% от теоретического). 1-Фенилэтанол. Восстановление ацетофенона в присутствии изопропилата алюминия O HO CH3 CH3 O i-PrOH + Al(O- i-Pr) 3 H3 C CH3 Реактивы: ацетофенон – 12,2 г (0,1 моль); изопропилат алюминия – 20,4 г (0,1 моль); изопропиловый спирт – 100 мл; 3 М раствор H2SO4 – 200 мл. В колбе емкостью 200 мл с обратным холодильником, снабженным хлоркальциевой трубкой, смешивают 20,4 г изопропилата алюминия в 100 мл изопропилового спирта (приготовление изопропилата алюминия см. методику раздел 9) и 12,2 г ацетофенона. Реакционную смесь кипятят в течение одного часа, затем заменяют обратный холодильник на нисходящий и отгоняют образовавшийся ацетон и изопропиловый спирт со скоростью 5 капель/мин. Колбу с остатком жидкости охлаждают. Жидкость постепенно при перемешивании вливают в 175 мл охлаждённого 3 М раствора H2SO4, остаток жидкости из колбы смывают 25 мл охлаждённого 3 М раствора H2SO4 и добавляют к основной массе. Из полученной смеси 1-фенилэтанол экстрагируют несколько раз хлористым метиленом. Вытяжки продукта в хлористом метилене сушат над безводным К2СО3, 89 хлористый метилен отгоняют, а остаток перегоняют в вакууме. Температура кипения – 940С (12 мм рт. ст.). Выход 8,6 г (71% от теоретического). Этилбензол. Восстановление ацетофенона по Клемменсену O CH3 CH3 + 2 Zn + + 4 HCl 2 ZnCl2 + H 2O Реактивы: ацетофенон - 6 г (0,05 моль); цинк гранулированный 15 г (0,23 грамм атома); хлорид ртути – 2,5 г (0,009 моль); соляная кислота концентрированная – 10 мл; хлористый кальций. К амальгамированному цинку, приготовленному из 15 г цинка и 2,5 г хлорида ртути по методике (см. раздел 9), помещенному в круглодонную колбу емкостью 250 мл, прибавляют ацетофенон и приливают 30 мл разбавленной соляной кислоты, полученной смешением 10 мл концентрированной соляной кислоты с 20 мл воды. Колбу соединяют с обратным холодильником, нагревают на плитке до энергичного кипения жидкости и кипятят в течение 5 ч, добавляя каждый час по 7 - 8 мл кислоты. По окончании реакции образовавшийся этилбензол (плавающий на поверхности жидкости в виде бесцветного масла) быстро отгоняют с водяным паром, отделяют от воды при помощи делительной воронки, сушат хлористым кальцием и перегоняют из маленькой перегонной колбы с воздушным холодильником. Выход 4 г (75% от теоретического). Ткип. 136,3°С. 90 Циклогексанол. Восстановление циклогексанона боргидридом натрия O HO NaBH 4 i-PrOH Реактивы: циклогексанон – 9,8 г (0,1 моль); боргидрид натрия – 1,5 г (0,04 моль); изопропанол – 120 мл; соляная кислота; хлористый метилен; сульфат натрия. К раствору 9,8 г циклогексанона в изопропиловом спирте при комнатной температуре постепенно прибавляют при перемешивании боргидрид натрия. Для завершения реакции реакционную смесь оставляют на ночь. Затем осторожно приливают разбавленную соляную кислоту до прекращения выделения водорода. Получившийся раствор 5 раз встряхивают с небольшими порциями хлористого метилена; вытяжки сушат сульфатом натрия, растворитель отгоняют. Выход 8 г (80% от теоретического). Ткип. 160оС, n20D 1.4650. N,N-Фурфурилдиэтиламин. Восстановительное аминирование фурфурола O O H CH3 + (ÑH3CH 2)2NH + N HCOOH CH3 O 91 + CO 2 + H2 O Реактивы: диэтиламин - 52 мл (0,5 моль); фурфурол свежеперегнанный - 8.3 мл (0,1 моль); муравьиная кислота (85%) - 22 мл (0,57 моль); гидроксид натрия; хлористый метилен. В трехгорлую колбу 200 мл, снабженную механической мешалкой, капельной воронкой и обратным водяным холодильником, помещают 22 мл 85%-ного раствора муравьиной кислоты. Постепенно (в течение 2,5 - 3 ч) прибавляют из капельной воронки 52 мл диэтиламина. Прибавление диэтиламина вызывает бурную реакцию. Поэтому колбу с реакционной смесью охлаждают в бане с холодной водой. Когда реакция замедлится, обратный холодильник заменяют нисходящим, а капельную воронку - термометром и отгоняют жидкость, перегоняющуюся до 135°С. После охлаждения реакционной смеси до комнатной температуры к ней прибавляют 8,3 мл свежеперегнанного фурфурола. Колбу вновь соединяют с обратным холодильником и нагревают на масляной бане в течение 5 ч при температуре реакционной смеси 150°С. Затем смесь охлаждают до комнатной температуры, добавляют к ней 100 мл воды и переливают в круглодонную колбу емкостью 1 л. При охлаждении водой к реакционной смеси добавляют небольшими порциями 25 г твердого гидроксида натрия и перегоняют смесь с водяным паром. Отгоняют 250 - 270 мл жидкости. В дистилляте растворяют 25 - 30 г гидроксида натрия, при этом образуются два слоя. Верхний слой отделяют с помощью делительной воронки, а нижний (водный) три раза экстрагируют хлористым метиленом (порциями по 15 мл). Основной продукт реакции объединяют с вытяжками хлористого метилена, высушивают гидроксидом натрия. Отгоняют хлористый метилен на водяной бане и затем фурфурилдиэтиламин, собирая фракцию, кипящую при 169 - 172 °С. Выход 10,7 г (70 % от теоретического). Сильван. 92 Восстановление фурфурола по Кижнеру-Вольфу NH2 O O N2H4 N ýòèëåíãëèêîëü H O H o NaOH, t C -N2 CH3 O Реактивы: фурфурол – 25 г (0,26 моль); этиленгликоль – 125 мл; гидразин гидрат – 15 мл, 15,45 г (0,3 моль); гидроксид натрия – 4 г. В круглодонной колбе емкостью 250 мл смешивают cвежеперегнанный фурфурол с этиленгликолем и постепенно при встряхивании и охлаждении водой прибавляют 15 мл гидразин гидрата. При этом выпадает желтый кристаллический осадок гидразона фурфурола (иногда осадок не выпадает, но на выходе сильвана это существенно не сказывается). Смесь оставляют на 15 мин при комнатной температуре, затем прибавляют NаОН, присоединяют к колбе дефлегматор с нисходящим холодильником и нагревают 45 мин на масляной бане при 100°С. Затем в течение 1 ч температуру поднимают до 145°С, при этом отгоняются сильван и вода. Сильван отделяют от воды, сушат над NaОН и перегоняют. Выход 12,8 г (60% от теоретического); Ткип. 63 - 68,5оС; nD20 1,4345. Бензиловый спирт. Восстановление метилбензоата алюмогидридом лития O O OH CH3 1. LiAlH 4 2. HCl 93 Реактивы: метилбензоат – 12,5 г (0,092 моль); алюмогидрид лития – 2,1 г (0,055 моль); диэтиловый эфир – 50 мл; этилацетат – 5 мл; соляная кислота (4 М) – 60 мл; сульфат натрия. Алюмогидрид лития добавляют небольшими порциями при перемешивании в 30 мл сухого эфира и кипятят до тех пор, пока большая часть алюмогидрида не растворится. Затем по каплям добавляют раствор метилбензоата в 20 мл эфира со скоростью, обеспечивающей слабое кипение растворителя. После перемешивания и кипячения в течение 30 мин медленно добавляют этилацетат и затем 60 мл 4 М соляной кислоты (см. Примечание). Отфильтровывают осадок оксида алюминия, промывают небольшим количеством эфира. Органический слой отделяют от водного с помощью делительной воронки. Эфирные вытяжки сушат сульфатом натрия. Растворитель отгоняют. Бензиловый спирт перегоняют при 205 - 207оС. Выход 7,9 - 8,5 г (80 - 90 % от теоретического). Примечание. Алюмогидрид лития для восстановления часто берут в большом избытке от теории (2–4 - кратный избыток), хотя необходимость этого часто не подтверждается контрольными опытами. При разложении большого количества алюмогидрида лития даже медленное добавление воды и перемешивание необходимо производить очень осторожно, так как выделяющийся водород может вызвать бурное вспенивание. Использование 10%-ного раствора NaOH или хлористого аммония более удобно, поскольку выделяющаяся при этом гранулированная окись алюминия легко отфильтровывается. Для разложения избытка алюмогидрида лития часто используют этилацетат, т.к. при этом не выделяется водород и продукт восстановления (этанол) не мешает выделению конечного продукта. 4 СН3СOOC2H5 + LiAlH4 → LiOCH3 + Al(OCH3)3 + 4 C2H5OH Выделению продукта восстановления часто мешает объемный студенистый осадок гидроокисей, обработка которого избытком кислоты или щелочи 94 приводит к увеличению объемов и образованию эмульсий. Этого можно избежать последовательным добавлением к восстановленной смеси из n г алюмогидрида лития по каплям n мл воды, затем n мл 15%-ного раствора NaOH и 3 n мл воды (при перемешивании). Это приводит к образованию сухого гранулированного осадка, который можно легко отфильтровать и отмыть. Фенилгидроксиламин. Восстановление нитробензола в нейтральной среде NO 2 NHOH 2 Zn, NH 4Cl + o 3 H2O , 60 C 2 Zn(OH) 2 Реактивы: нитробензол - 6 г (0,048 моль); хлорид аммония - 3,5 г; цинковая пыль - 9 г (0,13 грамм атома); вода; хлорид натрия. В колбе вместимостью 250 мл растворяют хлорид аммония в 60 мл воды и добавляют 6 г нитробензола. Массу энергично перемешивают и постепенно, примерно в течение 20 мин вносят 9 г цинковой пыли. При этом температура не должна превышать 60 - 65оС. После добавления всей цинковой пыли смесь перемешивают еще 30 мин до окончания реакции – пока не исчезнет запах нитробензола. Теплый раствор фильтруют. Осадок промывают 30 мл горячей воды. Промывную воду и фильтрат объединяют, добавляют тонкоизмельченный хлорид натрия до насыщения и охлаждают смесью льда и соли в течение 60 мин. 95 Фенилгидроксиламин выделяется в виде тонких светло-желтых игл. Его отфильтровывают и сушат на воздухе. Перекристаллизовывают из бензола или петролейного эфира. Выход 2,5 – 3,2 г (до 60% от теоретического). Тпл 81оС (с разложением). Гидразобензол. Восстановление нитробензола в щелочной среде NO 2 Zn, NaOH 2 NH o NH t C Реактивы: нитробензол – 6 г (0,048 моль); гидроксид натрия – 10 г (0,25 моль); цинковая пыль – 17 г (0,26 моль); этиловый спирт. В двухгорлую колбу емкостью 250 мл, снабженную обратным холодильником, помещают 6 г нитробензола, 25 мл воды, 13 мл спирта и 10 г едкого натра. Все перемешивают и через боковое горло вносят небольшими порциями цинковую пыль. После добавления очередной порции горло закрывают пробкой и прибор встряхивают. Цвет раствора сначала красный, затем желтый. Когда реакция приостанавливается, добавляют следующую порцию цинковых опилок. После прибавления всей цинковой пыли в колбу вливают 75 мл спирта и нагревают смесь на водяной бане до кипения. Раствор охлаждают на бане с ледяной водой. Гидразобензол выделяется в виде почти бесцветных кристаллов. Кристаллы отфильтровывают, затем на воронке промывают небольшим количеством 50%-ного спирта и сушат в эксикаторе. 96 Выход 3,4 г (77% от теоретического). Тпл 125оС. Анилин. Восстановление нитробензола в кислой среде NH2 NO 2 9 Fe, 4 H2O + 4 4 HCl 3 Fe3O4 Реактивы: нитробензол – 4 г (0,03 моль); соляная кислота 3%-ная – 15 мл; железные опилки – 7 г; гидроксид натрия – 0,4 г; хлорид натрия. В колбу вместимостью 250 мл, снабженную обратным холодильником, помещают 7 г железных опилок, 15 мл 3%-ной соляной кислоты и 4 г нитробензола. Реакционную массу доводят до кипения и кипятят 4-4,5 ч до исчезновения запаха нитробензола. По окончании восстановления в реакционную смесь прибавляют 0,4 г гидроксида натрия и отгоняют анилин с водяным паром. В дистиллят добавляют хлорид натрия, продукт экстрагируют хлористым метиленом. Вытяжки сушат 1 ч гидроксидом натрия и переносят в сухую колбу Вюрца. Растворитель отгоняют на водяной бане, следы растворителя – на воздушной бане (до 100-110оС). Анилин перегоняют с воздушным холодильником при 180-182оС. Выход 2 - 2,3 г (70 - 75% от теоретического). п-Толилгидразин, гидрохлорид NH2 + N NaNO 2 - + NH NH3 Cl SnCl 2 - NH NH2 . HCl 1. NaOH HCl HCl H3 C N Cl 2. HCl H3C H3 C 97 H3 C Реактивы: п-толуидин - 16,1 г (0,15 моль); концентрированная соляная кислота – 172 мл; нитрит натрия – 10,3 г (0,15 моль); хлорид олова – 62 г (0,32 моль); 40%-ный раствор NaOH; хлористый метилен; сульфат магния. В стакан емкостью 500 мл, снабженный мешалкой и термометром, помещают п-толуидин и 110 мл концентрированной соляной кислоты. Полученный раствор при перемешивании охлаждают в бане со льдом до 5°С и, поддерживая эту температуру, добавляют к нему из капельной воронки раствор 10,3 г NaNO2 в 30 мл воды. По окончании диазотирования раствор фильтруют через складчатый фильтр в охлаждаемую ледяной водой колбу и при интенсивном перемешивании приливают в стакан, содержащий охлажденный до 5°С раствор 62 г SnCl2 в 62 мл концентрированной НС1. Выпавший осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера и хорошо отжимают. Затем суспендируют его в 250 мл воды и при охлаждении подщелачивают 40%-ным раствором NaOH до сильнощелочной реакции (рН 10 по универсальной индикаторной бумаге). Температура при прибавлении щелочи не должна превышать 10°С. Реакционную массу трижды экстрагируют хлористым метиленом порциями по 100 мл, вытяжки высушивают над прокаленным MgSO4 (оставляют на ночь). Затем в раствор п-толилгидразина в хлористом метилене пропускают ток сухого хлористого водорода. Выпавший осадок отфильтровывают, промывают эфиром и высушивают в вакуум-эксикаторе. Выход 14,7 г (62% от теоретического); Тпл. 205 - 206 °С. N-Бензил-м-нитроанилин 98 O H H NO 2 N NO 2 NH NO 2 H2 C NaBH 4 + - H2 O MeOH H2 N Реактивы: бензальдегид – 2,5 г (0,023 моль); м-нитроанилин – 2,8 г (0,02 моль); бензол – 25 мл; метиловый спирт; боргидрид натрия – 0,75 г (0,02 моль). 1. Синтез N-бензилиден-м-нитроанилина. В колбу Вюрца емкостью 50 мл помещают бензальдегид, м-нитроанилин, 25 мл бензола и несколько кипелок, соединяют холодильник с алонжем и нагревают на электроплитке с закрытой спиралью до кипения. Используя в качестве приемника мерный цилиндр, отгоняют 22-24 мл бензола (обычно для этого требуется 25-30 мин). Остаток после охлаждения закристаллизовывается. Затем его перекристаллизовывают из минимального количества метилового спирта. Выход 2,3 г (45% от теоретического); Тпл. 70 °С. 2. Восстановление N-бензилиден-м-нитроанилина. Полученный N-бензилиден-м-нитроанилин помещают в трехгорлую колбу емкостью 50-100 мл, снабженную мешалкой, обратным холодильником и капельной воронкой, и вносят туда же 20 мл метилового спирта. В полученную смесь, охлажденную до -30°С, добавляют при перемешивании в течение 3 мин охлажденный до -30°С раствор 0,75 г NаВН4 в 15 мл метилового спирта (см. Примечание). Затем реакционную смесь кипятят с обратным холодильником в течение 15 мин и после охлаждения до комнатной температуры выливают при перемешивании в 50 мл воды. После стояния в течение 15 мин и периодического перемешивания выпавшие кристаллы 99 отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают их на фильтре водой и высушивают на фильтровальной бумаге. Выход 2,1 г (90% от теоретического). В случае необходимости продукт перекристаллизовывают из этилового спирта; Тпл 106-107 °С. Примечание: Раствор боргидрида готовят при -30°С не более чем за 5 мин. до применения, так как боргидрид натрия реагирует с метиловым спиртом; колбу с раствором нельзя плотно закупоривать (выделяется водород): NаВН4 + 4СН3ОН 4Н2 + СН3ОNa + В(ОСН3)3 п-Хлоранилин. Восстановление 4-нитрохлорбензола NO 2 NH2 H2 N NH2 Ni Cl Cl Реактивы: 4-нитрохлорбензол - 6,3 г (0,04 моль); гидразин гидрат - 4-6 г (0,08 – 0,12 моль); никель скелетный – 1 г; этанол (ректификат) – 140 мл. Осторожно! Гидразин является сильным ядом. Работу проводить только в хорошо действующем вытяжном шкафу. В круглодонной колбе вместимостью 250 мл, снабженной механической мешалкой и холодильником, готовят раствор 6,3 г (0,04 моль) 4-нитрохлорбензола в 140 мл этанола. К раствору добавляют 23-кратный мольный избыток гидразин гидрата, слегка подогревают содержимое колбы на водяной бане до 30-40оС и вносят небольшими 100 порциями суспензию скелетного никеля в спирте. При этом наблюдается вспенивание раствора. По мере протекания реакции (время может варьироваться от 5 до 60 мин) реакционная смесь желтого цвета становится почти бесцветной. Каждую следующую порцию катализатора прибавляют после того, как выделение газа (азота) уменьшится. Завершение реакции можно проконтролировать методом ТСХ. Элюент – хлороформ. После окончания процесса в реакционную колбу вносят еще немного катализатора, и раствор нагревают с обратным холодильником до кипения для удаления растворенных газообразных продуктов реакции. Горячий раствор фильтруют для освобождения от никеля (см. Примечание), кипятят с активированным углем и снова фильтруют. Охлажденный фильтрат выливают в большой избыток воды (~ 800 мл), осадок отфильтровывают и перекристаллизовывают из этанола. Выход 4,1 г (80% от теоретического). Тпл.71°С. Примечание: Сухой катализатор пирофорен и на воздухе самовоспламеняется. Поэтому фильтры со скелетным никелем нельзя бросать в корзину для бумаг! Все остатки использованного катализатора, в том числе и на фильтре, следует временно до полного уничтожения хранить под слоем воды. Восстановление 1-метилциклопентена 3 NaBH 4 + o 0 - 10 C 4 BF 3. OEt 2 + 3 NaBF 4 + CH3 CH3 6 2 B 2 H6 + B 2H 6 2 101 CH3 CH3COOH 3B 4 Et 2O 6 Реактивы: 1–метилциклопентен - 32,6 г (0,4 моль); боргидрид натрия – 3,8 г (0,1 моль); эфират трехфтористого бора – 14,6 г (0,13 моль); диглим (диметиловый эфир диэтиленгликоля) – 15 мл; ТГФ – 50 мл; уксусная кислота – 30 мл. Диборан, приготовленный из 3,8 г боргидрида натрия и 14,6 г эфирата трехфтористого бора в диглиме, током азота переводят в раствор 32,6 г 1-метилциклопентена в 50 мл тетрагидрофурана, поддерживая температуру 0оС. Реакционную смесь перемешивают в течение 1 ч и затем медленно прибавляют 30 мл уксусной кислоты. Продукт выделяют перегонкой, Ткип. 71.8оС. Выход 26 г (80% от теоретического). 11. МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ Неаккуратная и небрежная работа, несоблюдение мер предосторожности могут привести к взрывам, возникновению пожаров и к несчастным случаям. Особенности работы с водородом Водород относится к горючим и взрывоопасным газам. Он поступает в лаборатории в баллонах, окрашенных в зелёный цвет. 1. Баллон рекомендуется устанавливать вне здания и в специальных металлических шкафах. При такой установке газ к рабочим местам подаётся по медным или стальным трубам. 2. Работу с водородом надо проводить под тягой, так как смесь водорода с воздухом взрывоопасна. Допустимое количество водорода в лабораторных помещениях не должно превышать 5 л (при давлении 150 атм). 3. Основная опасность, связанная с применением водорода, заключается в образовании взрывчатых водородно-воздушных смесей, 102 пределы взрываемости которых по объёмной доле водорода очень широки: 3,3 – 81,5%. Наибольшую опасность представляет смесь, образованная двумя объёмами водорода и 4,8 объёмами воздуха. Учитывая это, при работе с водородом следует проявлять особую осторожность. 4. Необходимо избегать утечек газа, тщательно проверяя герметичность всех соединений рабочей установки. Должно быть исключено также присутствие поблизости открытого огня и нагретых предметов. 5. Приступать к выполнению работ с использованием водорода следует после ознакомления с инструкциями по технике безопасности при работе с газовыми баллонами и водородом. Особые меры предосторожности при работе с катализаторами В сухом состоянии на воздухе скелетные катализаторы пирофорны, сильно раскаляются и способны зажечь окружающие предметы. Учитывая это свойство, их следует хранить под слоем жидкости (вода, спирт, жидкие углеводороды и др.) и при загрузке в реакционный сосуд вводить во влажном состоянии. Скелетные катализаторы, приготовленные описанными выше способами, особенно активны в процессах гидрирования при низких давлениях и температурах не выше 100оС. При более высоких температурах и давлениях количество катализатора не должно превышать 5% от количества акцептора водорода. Несоблюдение указанных условий иногда может привести к весьма бурному протеканию реакции и к резкому увеличению давления. Не следует пользоваться скелетным никелем в растворе диоксана при температуре выше 175оС, так как в этом случае реакция может сопровождаться взрывом. Остатки катализатора нельзя выбрасывать в ведро с мусором, так как, например, никель Ренея легко воспламеняется. 103 Особенности работы с комплексными гидридами металлов При работе с комплексными гидридами металлов необходимо выполнять следующие меры предосторожности. 1. Работать с комплексными гидридами металлов можно только в защитных очках и перчатках, следует тщательно защищать органы дыхания от попадания в них растворов и пыли. Растворы комплексных гидридов при попадании на кожу вызывают ожоги и приводят к дерматитам, если подвергавшиеся их действию участки кожи своевременно не промыть разбавленным раствором уксусной кислоты. Работать только под тягой! Рядом не должно быть огня или раскалённых предметов (например, электроплиток). 2. На воздухе при комнатной температуре комплексные гидриды металлов достаточно стойки. Алюмогидрид лития, вероятно, вследствие реакции его поверхностного слоя с влагой и углекислотой воздуха образует поверхностную защитную плёнку гидроксида алюминия, что предотвращает его разложение. Однако при продолжительном хранении он превращается в серый порошок, очень легко воспламеняющийся и способный взрываться. Такой препарат использовать не рекомендуется, и он подлежит уничтожению. 3. Комплексные гидриды металлов нужно тщательно защищать от попадания на них влаги. Только боргидрид и цианоборгидрид натрия медленно реагируют с водой. Напротив, алюмогидрид лития и многие другие гидриды при контакте даже с небольшим количеством воды могут возгораться и взрываться. Реакция алюмогидрида лития с водой может сопровождаться взрывом и идет по следующей схеме: LiAlH4 + 4 H2O → 4 H2 + LiAl(OH)4 Для хранения алюмогидрида лития лучше использовать стеклянные сосуды, которые закрываются резиновыми пробками или 104 плотно завинчивающимися крышками. Сосуды предварительно должны быть заполнены азотом. 4. Алюмогидрид лития может воспламеняться также при пересыпании с помощью стеклянных воронок и измельчении. Для измельчения целесообразно использовать обёрнутые алюминиевой фольгой ступки и пестики из твёрдой резины. Для пересыпания следует применять воронки из меди. 5. Разлитые реакционные смеси могут воспламеняться на воздухе после того как часть растворителя испарится, поэтому они должны быть тщательно засыпаны песком. 6. Для работы с комплексными гидридами металлов следует применять только свежеперегнанные, свободные от пероксидов растворители. Особенно опасны в этом смысле тетрагидрофуран и диалкиловые эфиры, из которых часто употребляется диглим. Реакция между пероксидами и алюмогидридами плохо контролируется, поэтому возможны взрывы. 7. При работе с алюмогидридом лития следует помнить, что при температуре выше 100оС он разлагается, выделяя водород, что может представлять опасность. Также алюмогидрид лития реагирует с ОН-, SH-, NH- и СН-кислотами: LiAlH4 + 4 ROH → 4 H2 LiAlH4 + 4 R2NH → 4 H2 LiAlH4 + 4 RC≡CH → 4 H2 + LiAl(OR)4 + LiNR2 + Al(NR2)3 + LiC≡CR + Al(C≡CR)3 8. При работе с комплексными гидридами металлов следует обеспечить отвод выделяющегося при их разложении водорода от близко расположенного пламени, электромоторов, которые могут давать искру и т.п. 9. Подлежащие уничтожению остатки комплексных гидридов металлов небольшими порциями смешивают с сухим эфиром, не 105 содержащим пероксидов, переносят в колбу с мешалкой и обратным холодильником и по каплям добавляют раствор сухого этилацетата в эфире, пока не прекратится кипение эфира. 10. Для тушения воспламенившегося гидрида очаги пожара рекомендуется засыпать песком, измельчённым мелом или поваренной солью. Применение воды, пенных и углекислотных огнетушителей запрещается. Особенности работы с металлическим натрием 1. Металлический натрий и его обрезки необходимо хранить под слоем керосина. Вынимать его из керосина следует маленькими порциями, отрезанными под слоем керосина. Пинцет должен быть сухим! 2. Керосин с поверхности кусочков металлов удаляется фильтровальной бумагой, на которой кусочек режут в стружку скальпелем, перенося каждую стружку пинцетом в реакционную колбу. Отходы металлического натрия и фильтровальную бумагу, на которой резали натрий, категорически запрещается выбрасывать в канализацию, в ведро с мусором и т.п. их следует уничтожать путём полного растворения всех следов натрия в этиловом спирте. После этого бумагу промывают водой и выбрасывают, спиртовой раствор сливают в склянку для отходов. 3. Нельзя допускать не предусмотренных работой соприкосновений натрия с водой или хлорсодержащими соединениями. Нельзя использовать водяные бани. На холодильник следует надевать предохранительную бумажную муфточку (из фильтровальной бумаги). Работать следует с масляной, глицериновой или песчаной банями. 4. В случае возгораний, вызванных работой со щелочными металлами, нельзя использовать воду, пенные огнетушители или углекислоту. Надо применять сухой песок, асбестовые одеяла, лопаты, совки. 106 12. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Какие реакции в органической химии называют восстановлением? 2. Какие восстановители используются в лабораторной практике? 3. Назовите восстановители на основе гидридов бора и алюминия. 4. Напишите реакции получения комплексных алкоксиалюмогидридов. 5. Какой гидридный эквивалент (по теории) необходимо использовать при восстановлении нитрилов до первичных аминов; до альдегидов? 6. Какие катализаторы гетерогенного гидрирования вы знаете? 7. В чем заключается преимущество гомогенного гидрирования по сравнению с гетерогенным? 8. Приведите примеры реакций гидрогенолиза, дайте определение. 9. Как влияет строение алкена на скорость гидрирования? 10. Приведите пример реакции гидроборирования. 11. Какой катализатор используется для гидрирования алкинов до цисалкенов? 12. Какой надо взять восстановитель, чтобы получить из бутина-2 трансбутен-2? 13. Почему в перекрёстной реакции Канниццаро из смеси двух альдегидов окислению подвергается формальдегид, а другой альдегид восстанавливается до спирта? 14. Каким восстановителем надо действовать, и в каких условиях, чтобы из ароматического нитросоединения получить ароматический амин? 15. Каким реагентом надо действовать, и в каких условиях, чтобы из нитробензола получить гидразобензол? 16. В каких случаях восстановление альдегидов или кетонов проводят по Клемменсену, а в каких по Кижнеру-Вольфу? 17. Напишите реакцию восстановления соли диазония сульфитом натрия. 18. Почему при работе с алюмогидридом лития посуда и реактивы должны быть тщательно высушены? 19. Напишите продукты реакций и назовите их: а) O O C H CH2 C 107 O CH3 LiAlH4 б) O CH3 N LiAlH4 CH3 в) CH3 O Li NH3 г) O OH Li NH3 д) C N LiAlH 4 20. Завершите следующие реакции: а) O H2/Pt EtOH б) O (CH3)3C C NaBH4 CH2Br i-PrOH в) O CH3(CH2)6C H Na EtOH г) OH H2 OH 108 Kt 21. Напишите продукт, который преимущественно образуется из м- нитротолуола в каждой из следующих реакций: а) Zn, NaOH – EtOH; б) Fe, NH4Cl (водн.); в) Zn, NaOH (водн.); г) H2/Pt; д) SnCl2, HCl Библиографический список 1. Практикум по органической химии / Под ред. академика РАН Н.С. Зефирова. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 568 с. 2. Боровлев И.В. Органическая химия: термины и основные реакции. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 359 с. 3. Дядченко В.П., Трушков И.В., Брусова Г.П. Синтетические методы органической химии: Учеб. пособ., Ч.1-2. – М.: Химмед, 2004. – 154 с. 4. Органическая химия: Учеб. пособ., Ч.4. – М.: Изд-во химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 2002. – 143 с. 5. Органическая химия: Учеб. пособ., Ч.1. – М.: Изд-во химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 2002. – 102 с. 6. Репинская И.Б., Шварцберг М.С. Избранные методы синтеза органических соединений: Учеб. пособ. – Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 2000. – 284 с. 7. Кери Ф., Сандберг Р. Углублённый курс органической химии. – М.: Химия, 1981. – 254 с. 8. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1988. – 592 с. 109 9. Пассет Б.В. Основные процессы химического синтеза биологически активных веществ. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2002. – 376 с. 10. Органикум: Практикум по органической химии: В 2 т. /Пер. с нем. – М.: Мир, 1979. – Т.2. 442 с. 11. Современные методы органического синтеза /Под ред. Б.В. Иоффе. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1980. – 232 с. 12. Терней А. Современная органическая химия: В 2 т. – М.: Мир, 1981. 13. Хайош А. Комплексные гидриды в органической химии. – Л.: Химия, 1971. – 624 с. 14. Физер Л., Физер М. Реагенты для органического синтеза. В 6 т. - М.: Мир, 1970-1975. 110 ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Реакционная способность различных функциональных групп в реакциях с комплексными гидридами металлов при температуре 0 – 25оС Реакция RCHO RCH2OH R2CO R2CHOH RCOCl RCH2OH Лактон диол Эпоксид спирт R1COOR2 R1CH2OH + R2OH RCOOH RCH2OH RCOO- RCH2OH RCONR2 RCHNR2 RCN → RCH2NH2 RNO2 RNH2 RHal RH RCH=CH2 RCH2CH3 Восстановитель LiAlH4 NaBH4 LiBH4 LiAlH(OMe)3 LiAlH2(OCH2CH2OMe)2 LiBHEt3 NaBH3CN диглим + + + + + + LiAlH(tOBu)3 ТГФ + + + - эфир + + + + + + метанол + + + - ТГФ + + + + + + + + + + + + эфир + + + + + - + + - + + + + - - - + + + + + + + + + + + - + + - - - - + + - + - + + - + - П р и м е ч а н и е. Плюсом обозначено наличие реакции, минусом – очень медленная реакция. 109 Приложение 2 Растворимость некоторых комплексных гидридов металлов при температуре 255оС (г на 100 г растворителя) Гидрид Растворитель H2O MeOH EtOH Et2O ТHF Диоксан Глим Диглим LiAlH4 LiBH4 NaBH4 NaBH3CN 55 212 13 28 0,1 37,2 0,1 0,06 - 7 0,8 - 5 5,5 17,6 - 2,5 20 Слабо растворим - 35 – 40 2,5 0 0 NaBH(OMe)3 2,5 16,4 Хорошо растворим - - - 1,64 - - LiAlH(O-tBu)3 - - - 2 36 - 4 41 110 111
Самарский Государственный Технический Университет Кафедра органической химии ОТЧЕТ о прохождении производственной практики Место прохождения практики: ООО ПКФ «Вершина» Руководитель практики от предприятия: Кондратьев В. А. Студент III-хт-6 Анашкин Юрий
Цель: Закрепление теоретических и практических знаний, полученных при изучении общепрофессиональных дисциплин; Задачи: Знакомство с организацией работы на предприятиях промышленности Освоение специальности лаборанта спектрального анализа Изучение нормативной и информационной литературы и документации (ГОСТов, ТУ и др.) Получение современных представлений о комплексном использовании сырья, переработке отходов
Продукция - Производство алюминиевых сплавов по требованиям ГОСТ 1583 -93 или по ТУ Заказчика в т. ч. - Отливки различных групп сложности массой до 20 кг. - Поковки различных групп сложности, получаемые в открытых штампах на горячештамповочных прессах
ООО ПКФ «Вершина» осуществляет производство и продажу алюминиевых сплавов марок АК 12, АК 9 ч, АК 7 ч, АК 5 М 2, АК 9 М 2, АК 12 ММг. Н, АК 12 М 2 Мг. Н и многих других марок.
Лаборатория Спектральная лаборатория ООО ПКФ «Вершина» оснащена модернизированным комплексом для проведения спектрального анализа металлов и сплавов, соответствующим спектрофотометру ДФС-500. Время проведения химического анализа составляет 5÷ 15 минут. Стабильность процесса и точность анализа обеспечивается использованием в установке аргона высокой частоты, и высококачественных образцов ГСО.
Атомно-эмиссионная спектроскопия Принцип действия оптического эмиссионного спектрометра основан на том, что атомы каждого элемента могут испускать свет определенных длин волн - спектральные линии. Для того чтобы атомы начали испускать свет, их необходимо возбудить – нагреванием, электрическим разрядом, лазером или каким-либо иным способом. Чем больше атомов данного элемента присутствует в анализируемом образце (пробе), тем ярче будет излучение соответствующей длины волны.
