Samara State Technical University Institutionen för organisk kemi rapport. Restoration (2013) - Institutionen för organisk kemi SamGTU Institutionen för organisk kemi Samgtu

UTBILDNINGSMINISTERIET OCH VETENSKAP AV RYSKA FEDERATIONEN FEDERAL STATE BUDGET UTBILDNINGSINSTITUTET FÖR HÖGRE YRKESUTBILDNING "SAMARA STATE TECHNICAL UNIVERSITY" Institutionen för organisk kemi LEONOV, Yu.N. KLIMOCHKIN METODER FÖR ÅTERSTÄLLNING I ORGANISK SYNTES Studiehandbok Samara Samara State Technical University 2012 Restaureringsmetoder i organisk syntes: läromedel./ M.V. Leonova, Yu.N. Klimochkin - Samara, Samar. stat tech. un-t. 2012. 111 s.: ill.1 Reduktionsreaktionerna av olika klasser av organiska föreningar beaktas. Egenskaper för vissa reduktionsmedel och hydreringskatalysatorer ges, instruktioner ges för val av reduktionsmetoder. Metoder för syntes av organiska föreningar av olika klasser baserade på reduktionsreaktioner ges. För studenter vid högre läroanstalter som studerar inom kemiteknikområden och specialiteter. M.V. Leonova, Yu.N. Klimochkin, 2012 Samara State Technical University, 2012 2 INNEHÅLL Inledning ………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………… 5 7 2 Återvinning av kolväten ……………………….. 3. Återvinning av halogenderivat av kolväten.. 4. Återvinning av alkoholer, fenoler och etrar. 5. Återvinning av aldehyder och ketoner………………. 18 29 33 37 6. Återvinning av karboxylsyror och deras derivat 7. Återvinning av kvävehaltiga föreningar ……….. 8. Återvinning av svavelhaltiga föreningar ………. 50 59 72 9. Framställning av reduktionsmedel och reduktionskatalysatorer ……………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………. 11. Säkerhetsåtgärder ………………………………………… 12. Frågor för självkontroll …………………………………... 82 101 105 Referenser ………………… ……… …... Bilagor ………………………………………………… 108 109 3 74 FÖRKORTNINGAR Ac – acetyl Alk - alkyl Ar – aryl AcOH – ättiksyra Bu – butyl BuOH - butanol t -Bu - tert.butyl t-BuOH - tert.butanol 9-BBN - 9-borabicyklononan BINAP - 2,21-bis(difenylfosfino)-1,11-binaftyl Et - etyl EtOH - etanol Hal - halogen Het - hetaryl Kt - LTBA katalysator - litium tris(tert-butoxi)aluminiumhydrid LTMA - litiumtris(metoxi)aluminiumhydrid Me - metyl Ph - fenyl Pr - propyl i-Pr - isopropyl i-PrOH - isopropanol THF - tetrahydrofuran Ts - tosyl (4-4SO2С ) Glim - 1 ,2-dimetoxietan DEG - dietylenglykol DIBAL-N - diisobutylaluminiumhydrid Diglyme - dietylenglykoldimetyleter DMF - N,N-dimetylformamid 4 INLEDNING Reduktion är en vanlig metod för framställning av många organiska föreningar, både i laboratoriet och inom industrin. Reduktions- och oxidationsreaktioner kännetecknas av processen för elektronöverföring, och oxidation är förlusten av elektroner av föreningen, och reduktion är förvärvet av elektroner. Därför donerar reduktionsmedlet en eller flera elektroner under reduktionsprocessen. Minskning av organisk syntes innefattar huvudsakligen två typer av reaktioner: a) reaktioner, som ett resultat av vilka graden av oxidation av kolatomer i organiska föreningar minskar i molekyler. Dessa reaktioner kan ske antingen med undanträngning av syre (med utveckling av vatten) eller utan undanträngning av syre; b) reaktioner åtföljda av en minskning av graden av oxidation av atomerna N, S, P och andra i organiska föreningar. Reduktionsreaktioner är kemiska omvandlingar, som ett resultat av vilka oxidationstillståndet för en atom eller atomer, som representerar reaktionscentrumet för den ursprungliga föreningen, minskar. När man beräknar graden av oxidation tillskrivs varje delat elektronpar helt och hållet den mer elektronegativa av partneratomerna, och ett par bindningselektroner mellan atomer av samma element delas mellan dem. Den laddning som finns kvar på atomen anses konventionellt vara dess oxidationstillstånd. Bildandet av en bindning mellan en kolatom och en mer elektronegativ atom är associerad med en ökning av dess oxidationstillstånd med en och, omvänt, bildandet av en bindning med en mindre elektronegativ atom, med en minskning av oxidationstillståndet med en. Nedan visas oxidationstillstånden för kolatomer i vissa molekyler: 5 OH H -4 CCHHHHOO -2 H C0 HHHHC +2 OH Medel som är goda elektrondonatorer (alkali, alkaliska jordartsmetaller, zink, tenn, järn, metallamalgam) , metall salter i lägsta oxidationstillstånd, komplexa metallhydrider, hydrazin, organomagnesiumföreningar, alkalimetallsulfider och -sulfiter, natriumditionit, etc.). Reduktionsmedlet är också väte vid tidpunkten för isolering eller i närvaro av en katalysator. Med en mängd olika reduktionsmetoder beror valet av en specifik metod på det ursprungliga substratets natur, villkoren för att isolera slutprodukten, dess stabilitet och möjligheten att återställa andra funktionella grupper. Samma ämne kan reduceras med flera metoder. Beroende på typen av ämne som ska reduceras och på det förväntade resultatet används lämpliga reduktionsmedel och reaktionsförhållanden. Samtidigt, genom att välja betingelser och reagens, är det möjligt att utföra reduktion med olika hastigheter och erhålla olika produkter. Den föreslagna manualen gör inte anspråk på att vara en fullständig presentation av materialet om återvinningsmetoder. Här är de metoder som används mest i laboratoriepraxis. I den här handboken presenteras det teoretiska materialet i följande sekvens för att underlätta och bättre assimilering för studenter av metoder för återvinning av organiska föreningar. Först ges egenskaperna och användningen av reduktionsmedel. Sedan övervägs metoder för reduktion av huvudklasserna av organiska föreningar: kolväten, halogenderivat, alkoholer och fenoler, aldehyder och ketoner, karboxylsyror och deras derivat, kvävehaltiga och svavelhaltiga föreningar. I den 6:e praktiska delen ges metoder för framställning av hydreringskatalysatorer som används i laboratoriepraxis, vissa reduktionsmedel och metoder för reduktion av olika klasser av organiska föreningar. 1. EGENSKAPER HOS REDUCERARE 1. Alkali- och jordalkalimetaller har låg joniseringspotential och donerar lätt elektroner. De används i system metall - flytande ammoniak eller amin, metall - alkohol, men ibland i aprotiska lösningsmedel. Amalgamer av alkali- och jordalkalimetaller används ofta. De reducerar karbonyl, kvävehaltiga föreningar, föreningar med konjugerade bindningar. 2. Tenn, zink, järn och vissa andra metaller, såväl som deras salter i det lägsta oxidationstillståndet i sura, alkaliska eller neutrala vattenhaltiga medier - de mest tillgängliga reagensen som ofta används för reduktion i industrin och i laboratorieförhållanden av en många olika syre-, svavel- och kvävehaltiga föreningar. 3. Bor och aluminiumhydrider. För återhämtning i laboratoriepraxis används: diboran B2H6; borankomplex med aminer R3N. BH3 (vätskor eller kristallina ämnen); borankomplex med dimetylsulfid BH3. SMe2; komplex av boran med tetrahydrofuran; dibromoboran, används i form av ett komplex med dimetylsulfid - HBBr2. SMe2; selektivt hydroborerande reagens - 9-borabicyklononan (9-BBN). 7 H B 9-BBN Diboran framställs vanligtvis genom att reagera natriumborhydrid med bortrifluorideterat. THF 3 NaBH 4 + 4 BF 3 o 2 B 2H6 + 3 NaBF 4 0 - 10 C För närvarande finns ett färdigt reagens - en utspädd lösning av diboran i tetrahydrofuran, som måste förvaras vid 0oC. Detta reagens är mycket aktivt, men extremt brandfarligt. Komplex av boran med aminer R3N. BH3 är inte brandfarliga, men reagerar med alkener endast vid förhöjda temperaturer (100°C). Bland aluminiumhydrider är det vanligaste reagenset för reduktion av multipelbindningar DIBAL-N diisobutylaluminiumhydrid (i-C4H9)2AlH. Inom industrin erhålls det från 2-metylpropen, aluminiumpulver och väte. o H3C CH2 4 + 2 Al + 50 - 70 C 3 H2 H3C 50 - 60 atm 2 ((ÑH3)2CHCH2)2AlH DIBAL-N Som reagens kan DIBAL-N användas ensamt eller som en 1M lösning i toluen. I det enskilda tillståndet är ämnet pyrofor, så det bör arbetas med i en atmosfär av argon eller kväve. Eter, bensen, toluen, cyklohexan används som lösningsmedel för att utföra reaktioner med DIBAL-N. Tetrahydrofuran bildar ett komplex med detta reagens. DIBAL-N fäster lätt på den tredubbla kol-kolbindningen även vid låga temperaturer. Dubbelbindningar С=С 8 genomgår hydroaluminisering mycket långsammare, vilket gör det möjligt att omvandla alkyner, särskilt terminala, till alkener. Dessutom återställer DIBAL-N enkelt många funktionella grupper (COOR, CN, etc.). 4. Komplexa metallhydrider - LiAlH4, NaBH4 och andra kan reducera organiska föreningar av många klasser. Komplexa metallhydrider är till sin natur nukleofila reagens som tillför väte tillsammans med ett par elektroner, d.v.s. en hydridjon. I den reducerade föreningen angriper de det elektrofila centret. Den mest använda litiumaluminiumhydriden är LiAlH4. Detta reagens upptäcktes 1947 och framställs i eter enligt följande schema: 4LiH + AlCl3 → LiAlH4 + 3LiCl Litiumaluminiumhydrid används vanligtvis som en lösning eller suspension i absolut eter eller tetrahydrofuran eftersom det reagerar med protiska lösningsmedel. LiAlH4 är mycket lösligt i eter (35 g reagens per 100 g eter). För att uppnå denna löslighet krävs långvarig kokning med ett överskott av eter. Komplexa alkoxialuminiumhydrider erhålls genom reaktion av litiumaluminiumhydrid med den beräknade mängden alkohol: LiAlH4 + 3 CH3OH → LiAl(OCH3)3H + 3 H2 LTMA. LiAlH4 + t-BuOH → LiAl(O-t-Bu)3H + 3 H2 överskott av LTBA 9 Alkoxialuminiumhydrider är mycket selektiva reduktionsmedel. Till exempel reducerar LTBA karbonylgruppen i α,β-omättade aldehyder utan att påverka C=C-bindningen. Dessutom kan LTBA, taget i en motsvarande mängd, reducera aldehydgruppen utan att påverka ketongruppen. Natriumborhydrid erhölls 1943. o 4 NaH + B(OCH3)3 250 C NaBH 4 + 3 NaOCH3 Denna komplexa hydrid visade sig vara mycket lämplig för reduktion av olika funktionella grupper. Det återställer effektivt aldehyder, ketoner, syraklorider. Reduktionen av NaBH4 kan utföras både i alkoholer och i en vatten-alkoholblandning. Reaktiviteten för detta reduktionsmedel är emellertid lägre än för litiumaluminiumhydrid, och reduktionen utförs ofta i ett alkaliskt medium, vilket ökar stabiliteten för NaBH4 i alkoholer och vatten-alkohollösningar. Beroende på strukturen av utgångsföreningen tas komplexa metallhydrider i en mängd lika med hydridekvivalenten. Hydridekvivalent - mängden reduktionsmedel (inklusive aktivt väte), uttryckt i mol, som krävs för att reducera 1 mol av utgångsföreningen. Så till exempel använder LiAlH4 fyra väteatomer för reduktion, och dess ena hydridevivalent är 0,25 mol. Reduktionsprodukterna av föreningar av olika klasser med litiumaluminiumhydrid och dess hydridekvivalent presenteras i tabell 1. 5. Alkoholer i närvaro av aluminiumalkoholater (RO) 3A1 används för att reducera aldehyder och ketoner (Meerwein-Ponndorf-Verley-reaktion). 10 6. Hydrazin H2N–NH2 är ett reduktionsmedel av grupperna –NO, -NO2, C=O, som även verkar på kol-kol dubbelbindningen. Reduktionsmedlet är inte hydrazin i sig, utan produkten av dess omvandling, diimid (HN=NH). Det erhålls genom oxidation av hydrazin, oftast med väteperoxid i närvaro av kopparsulfat som katalysator. Tabell 1 Föreningar reducerade med LiAlH4 Utgångsförening Reduktionsprodukt Aldehyd RCHO Keton R2C=O Syraklorid RCOCl Ester R1CO2R2 Alkohol RCH2OH Alkohol R2CHOH Amid RCONR2 (tertiär) Amid RCONHR (sekundär) Amid RCONH2 (Primär OxiOH2 RCOpNoxi RCO2 RCOlOHNoxi RCO2Noxi RCO2NHNO) (alifatiska) Halider RHal LiAlH4-förbrukning (hydridekvivalent) 1 1 Alkohol RCH2OH 2 Alkohol R1CH2OH+R2OH 2 Tertiär amin RCH2-NR2 eller aldehyd RCHO Sekundär amin RCH2NHR Primär amin RCH2NH2 Primär amin RCH2NH2N RCH2NH2 RCH2NH2 Primär amin RCH2NH2N Amin RCH2NH2N RCH2NH2 RCH2NH3 RNH2 etc. 6 Kolväte RH 1 11 1 3 4 2 1 3 7. Hydridjondonatorer - används för att reducera tertiära alkoholer och andra föreningar som lätt kan bilda karbeniumjoner. Trietylsilan och organisk kiseloligomer GKZh-94: CH3 Si O H n 8 används oftast vid utövandet av organisk syntes Svavelhaltiga reduktionsmedel. Natriumsulfid Na2S, natriumhydrosulfid NaHS, natriumpolysulfid Na2Sn (n=2,3...) används inom industrin. I di- och trinitroföreningar reducerar dessa reagens selektivt en nitrogrupp utan att påverka de andra. Natriumsulfit Na2SO3 används för att reducera diazoniumsalter till motsvarande arylhydraziner. Natriumditionit Na2S2O4 reducerar azoföreningar till aminer. Det används också för att reducera nitroso-, nitroföreningar, kinoner och disulfider. 9. Vätejodid HJ. Detta reagens används ofta i laboratoriepraxis för reduktion av alkoholer och etrar av den alifatiska serien. 10. Molekylärt väte - i närvaro av katalysatorer används för att reducera olika organiska föreningar. Tillsats av väte till organiska föreningar kallas hydrering. Hydrogenering kan utföras under betingelser av heterogen och homogen katalys. Heterogen hydrering fortskrider vanligtvis på den fasta ytan av katalysatormetallen och beror på aktiveringen av reaktantmolekylerna vid interaktion med ytan. Vätreduktion kan åtföljas av hydrogenolys. Hydrogenolys (destruktiv hydrering) är brytningen av kol-kol, kol-heteroatom (N, S, O, etc.) eller heteroatom-heteroatom-bindningar i organiska föreningar under inverkan av väte. Det utförs som regel i närvaro av hydreringskatalysatorer. Hydrogeneringsprodukterna visas i tabell 2. föreningar av olika klasser RCN RCH2NH2 RCOOR1 RCH2OH (R1OH) RCONHR1 RCH2NHR1 C6H6 C6H12 ROH RH RCOOH RCH2OH 13 Katalysatorer för heterogen hydrogenering är kemiska grundämnen med ofullständiga d-skal, oftast metaller i grupp VIII i Raneyperioden nickel (Ra) - Ni) - en aktiv och mångsidig katalysator. Mycket ofta används så kallade skelett- eller Raney-katalysatorer. Sju varianter av sådana katalysatorer är kända, vilka betecknas W1, W2, …….W7. De är gjorda av en 1:1 nickel-aluminiumlegering (Raney-legering) som innehåller en liten mängd titan (för att öka sprödheten). Legeringen krossas och behandlas sedan med alkali. Aluminiumet tvättas sedan ur och det frigjorda vätet adsorberas av nickeln: NiAl2 + 6NaOH + 6H2O → Ni + 2Na3 + 3H2 svampig Välförberedd Raney-nickel är pyrofor och måste förvaras under ett lager av lösningsmedel. Efter användning filtreras den från reaktionsblandningen (medan metallen inte ska förbli torr) och löses i utspädd salpetersyra (häftig reaktion!). Aktiviteten hos Raney-nickel beror till stor del på hydreringsbetingelserna och kan varieras över ett ganska brett område genom att tillföra lämpliga substanser i reaktionsblandningen. Ökningen i aktivitet uppnås främst genom användning av palladiumklorid och platina som aktivatorer. En partiell minskning av aktiviteten av Raney-nickel för att använda det för selektiv hydrogenering kan uppnås genom att införa zinkacetat och piperidin, pyridin eller kinolin, en blandning av nikotinsyra, morfolin och pyridin, etc. b) Pt, Pt/С, PtO2.Н2О (Adams-katalysator) – platinakatalysatorer som tillåter hydrogenering av de flesta funktionella grupper. 14 Platinasvart erhålls i laboratoriepraxis genom reduktion av klorplatinsyra med formalin. H 2 PtCl 6 + H2O CH 2 O KOH Pt svart pulver Det resulterande svarta pulvret tvättas med destillerat vatten. När man erhåller denna katalysator är det nödvändigt att strikt följa villkoren för att erhålla svart, annars kan en inaktiv form av katalysatorn erhållas. För hydrering är det bekvämare att använda Adams PtO2-katalysator. H2O. Den erhålls genom att fusionera kloroplatinasyra med natriumnitrat vid 500-550°C. H2PtCl6 + NaNO3 → PtO2 gulbrun Efter att NO2-utvecklingen upphört kyls legeringen och tvättas med vatten. Den resulterande PtO2-oxiden. H2O är väl bevarad och dess reduktion med väte till platina sker direkt i reaktionskärlet. Avsatt platina på Pt/C-kol kan framställas genom reaktion av Na2PtCl6-salt med natriumborhydrid i närvaro av en bärare, till exempel: Na 2 PtCl 6 NaBH 4, C-pulver Pt/C o C2 H5OH, 25 C c) Pd, Pd/C, Pd/CaCO3 och andra är palladiumkatalysatorer. Gratis metallkatalysatorer är inte särskilt lätta att hantera och kräver speciella försiktighetsåtgärder vid lagring. Dessutom deltar endast ett tunt ytskikt av metallen i de katalytiska processerna, därför är det tillrådligt att applicera ett tunt skikt av katalysatorn på substratet - "bäraren". 15 Olika bärare används: aktivt kol, aluminiumoxid, kiseloxid, sulfater och karbonater av barium, kalcium och andra metaller, asbest, pimpsten, kiselgur etc. Till ett barium tillsätts till exempel en beräknad mängd natriumsulfatlösning kloridlösning och sedan en Na2PdCl4-lösning, som adsorberades på ytan av bariumsulfat. Detta följs av konventionell reduktion till metall, till exempel med formaldehyd. Na2PdCl4 + CH2O + 3NaOH → Pd + HCOONa + 4NaCl + 2H2O En mycket aktiv katalysator är palladium på kol Pd/C. Den inerta bärarens roll är att öka kontaktytan av metallen eller annan aktiv komponent i katalysatorn med reaktanterna. Därför påverkar själva bärarens specifika yta och dess struktur aktiviteten hos katalysatorn. Dessutom kan dess aktivitet, selektivitet och stabilitet ofta ökas genom att tillsätta små mängder av andra metaller, salter, oxider eller mineralsyror, så kallade promotorer (aktivatorer). Ibland är uppburna katalysatorer komplexa sammansättningar: Pd/CaCO3 + Pb(OCOCH3)2 - Lindlars katalysator är effektiv för selektiv hydrogenering av trippelbindningar till cis-dubbelbindningar; Pd/BaSO4 + S8/kinolin - Rosenmunds katalysator. d) oxid (MgO, ZnO, Cr2O3, Fe2O3, etc.), komplex oxid (ZnO + Cr2O3, CuO + Cr2O3, CuO + CuCr2O4), sulfid (FeS, CoS, Re2S7, MoS2, NiS, WS2, etc.) . ) och flerkomponentkatalysatorer, inklusive föreningar av titan, vanadin, aluminium, magnesium, zink. 16 Adkins katalysator är kopparkromit, en komplex oorganisk förening med sammansättningen Cu2Cr2O5, som används för katalys i organisk syntes. homogen hydrering. Vissa övergångsmetallkomplex är kapabla att katalysera hydreringen av alkener och alkyner. Eftersom dessa komplex är lösliga i organiska lösningsmedel och är i samma fas med de initiala reagensen kallas sådan hydrering homogen. Homogena hydreringskatalysatorer är: (Ph3P)3RhCl, Wilkinsons katalysator; IrCl(CO)(Ph3P)2 - katalysator av Vaska et al. Hydrogenering av alkener eller alkyner i närvaro av övergångsmetallkomplex påverkar inte grupperna NO2, COOR, CN, C(O)R, till exempel: Ph CH CH NO 2 + H2 (PPh 3) 3RhCl CH 3COC 2H5 Ph CH2 CH2 NO 2 44% Fördelarna med homogen hydrogenering framför heterogen är: - bättre reproducerbarhet av resultat; - brist på hydrogenolys av C-O- och C-N-bindningar; - hög selektivitet; - okänslighet för katalytiska gifter. Användningen av kirala ligander tillåter asymmetrisk hydrering av C=C-, C=O- eller C=N-bindningar. En av de mest använda chirala liganderna för detta ändamål är 2,21bis(difenylfosfino)-1,11-binaftyl (BINAP). 17 PPh2 PPh2 (R)-(+)-BINAP 2. HYDROCARBONS REDUCTION Kolvätereduktionsreaktioner kan delas in i två typer: 1. Vätetillsats via multipla bindningar: CH CH H2 CH2 CH2 H2 CH3 CH3 2. Reaktioner med väte, åtföljd av delning av kol-kolbindningar (destruktiv hydrering eller hydrogenolys). Dessa reaktioner är kapabla till kolväten med öppen kedja, cykloalkaner, aromatiska föreningar med en sidokedja. Alkaner och cykloalkaner. Hydrogenolys av alkaner utförs vanligtvis på industriella reformeringskatalysatorer, till exempel Pt/Al2O3 vid 285°C, vilket leder till deras omvandling till kolväten med lägre molekylvikt. Hydrogenolys kan bryta alla C-C-bindningar i alkanmolekyler. Innehållet av metan i reaktionsprodukterna ökar signifikant med en ökning av graden av förgrening av kolvätet 18 och följaktligen med en ökning av antalet metylgrupper. Hydrogenolys av alkaner med etan som exempel kan representeras av följande schema: CH3 H2 CH3 Kt 2 CH4 Under inverkan av väte i närvaro av en katalysator sker ringöppning i cykloalkanmolekyler. Den katalytiska hydrogenolysen av cyklopropaner fortskrider mycket lätt. Cyklobutan är mindre reaktivt och ringöppning under hydrogenolys fortsätter under svårare förhållanden. H2/Ni 80°C H2/Ni 180°C H2/Ni 300°C Alkener och diener Tillsatsen av väte till en isolerad kol-kol dubbelbindning i närvaro av ädelmetaller och Raney-nickel sker vanligtvis lätt vid en temperatur av 20°C –25°C och ett vätgastryck på 1–4 atm. Reaktionshastigheten beror på föreningens struktur och, i serien av alkener och cykloalkener, minskar med en ökning av graden av substitution av etenfragmentet (Lebedevs regel). Eten hydreras snabbast, och för dess homologer minskar reaktionshastigheten på grund av screeningseffekten av substituenter i följande ordning: 19 R H2 C CH2 CH2 > > R R R > CH2 > R R > R R R R R > R C H H Katalysator C CH H Katalysator CH CH CH Katalysator I diagrammen ovan kan det ses att båda väteatomerna närmar sig kolatomerna i dubbelbindningen från ytan av katalysatormetallen. Och vanligtvis sker additionen endast på ena sidan av dubbelbindningen. I detta fall är substratmolekylen vänd mot katalysatorytan, som regel, med dess rumsligt mindre blockerade sida. Om alkenen binder tillräckligt starkt till katalysatorn kommer hydreringen övervägande att bilda synadditionsprodukten*. Men med mindre stark bindning av alkenen till katalysatorytan sker tillsatsen av väte stegvis. Efter tillsatsen av den första väteatomen kan både en förändring av substratmolekylens position på katalysatorytan och olika isomeriseringsprocesser inträffa. I detta fall kan antiaddition vara den dominerande reaktionsvägen. Det stereokemiska resultatet av hydrogenering kan variera beroende på vilken katalysator som används. Sålunda ger platinakatalysatorer huvudsakligen en syn-additionsprodukt, medan användningen av en palladiumkatalysator ofta resulterar i en anti-additionsprodukt. Till exempel, hydrering av 1,2-dimetylcyklohexen med PtO2 i ättiksyra vid 25°C och atmosfärstryck ger en produkt innehållande 82% cis-isomer och 18% trans-isomer. Med en ökning av vätetrycket till 500 atm ökar halten av cis-isomeren till 95 %. ______________________________________________________________________ *Syn-vidhäftning - när två fragment av reagenset är fästa på ena sidan av en multipelbindning. I de fall där atomer eller grupper av atomer är fästa från olika sidor av en multipelbindning sker antiaddition. Termerna syn- och anti- har samma betydelse som termerna cixi trans-. Det bör beaktas att termerna syn- och anti- hänvisar till typen av vidhäftning, och termerna cis- och trans- hänvisar till substratets struktur. HCH 3 H2, Pd/CH2, PtO 2 H o AcOH, 25 CH H3CH H 73% trans-1,2-dimetylcyklohexan H o AcOH, 25 CH3C CH3 1,2-dimetylcyklohexen H3C CH3 82% cis-1,2 -dimetylcyklohexan Hydrogenering av 1,2-dimetylcyklohexen med Pd/C leder till bildning av en blandning av 1,2-dimetylcyklohexanisomerer, i vilka trans-isomeren redan dominerar (73%). Hydrogeneringsreaktionen är exoterm. En viktig egenskap hos de flesta hydreringsreaktioner är deras reversibilitet (dehydrering). Reduktionen av alkener till motsvarande alkaner kan utföras med användning av diimid NH=NH. Diimid kan erhållas genom två huvudmetoder: genom oxidation av hydrazin med väteperoxid 21 i närvaro av Cu2+-joner eller genom reaktion av hydrazin med Ni-Raney. CH3 CH3 NH2NH2 H CH3 Ni - Raney CH3 H cis-1,2-dimetylcyklopentan 1,2-dimetylcyklopenten En utmärkande egenskap hos denna metod är att reduktionsprocessen fortskrider som en syn-addition. En indirekt metod för hydrering av omättade föreningar är interaktionen mellan alkener och borhydrider. Denna metod kallas hydroborering. Reaktionen av diboran B2H6 med en alken sker som en sinaddition till en dubbelbindning, till exempel: CH3 CH3 CH3 H + B2H6 BH2 CH3 CH3 CH3 HH) B 3 BHH CH3 3 + B(OAc) 3)3 B mot Markovnikovs styre. 22 H3C CH CH2 B2H 6 H3C CH2 CH2 BH2 ..... (H3C CH2 CH) B 23 Denna tillsatsriktning orsakas främst av rumsliga effekter. Under inverkan av syror i alkylboraner delas C-B-bindningen, medan protonen angriper kolatomen som har en delvis negativ laddning: ättiksyra, eftersom boratomen tenderar att bilda bindningar med syre. Rakkedjiga diener hydreras snabbare än olefiner. Beroende på strukturen av dien kan väte tillsättas först till 1,4-positionen eller samtidigt till 1,2- och 1,4-positionerna. Fullständig hydrering leder till alkaner. 1,2H2C CH CH CH2 H2 H3C CH2 CH CH2 H2 1,4- H3C CH CH H3C CH2 CH2 CH3 CH3 Konjugerade diener går lättare in i additionsreaktioner än icke-konjugerade. Hydrogenering av konjugerade diener under betingelser av heterogen katalys leder som regel till alkaner. Det är möjligt att selektivt reducera dien med produktion av en alken genom verkan av natriumamalgam i ett vatten-alkoholmedium eller med natrium i flytande ammoniak. I detta fall bildas 1,4-additionsprodukter (E- och Z-isomerer): 23 Na NH3 vätska. CH2 CH CH CH2 CH3 CH Na (Hg) CH CH3 H2O, EtOH 1,3-butadien 2-buten Alkyner Reduktionen av acetyleniska kolväten kan fortgå uttömmande till mättade föreningar eller delvis till etenföreningar. Fullständig hydrering utförs vanligtvis under milda förhållanden (25°C, 1–5 atm) på palladium-, platina- och aktiva nickelkatalysatorer: CH3 C CH H2 Kt CH3 CH CH2 H2 CH3 CH2 CH3 Kt Partiell hydrering av acetylener är mycket större praktisk betydelse. I detta fall är de mest lämpliga katalysatorerna palladium, delvis deaktiverat med blyacetat (Lindlar-katalysator), och nickelkatalysatorer (skelett, etc.). Till exempel: R 1 R 2 H2, kat. Lindlar R 1 R 2 o EtOH, 0-20 CHH cis-alken Hydreringshastigheten för trippelbindningen på dessa katalysatorer är högre än dubbelbindningen, medan det på andra katalysatorer inte finns någon sådan skillnad, eller så är dubbelbindningen hydrogenerad vid en högre hastighet (speciellt om dessa är terminalanslutningar). Alkyner kan också reduceras genom metalllösningar i flytande ammoniak. Denna process är stereoselektiv och produkterna från 24-reduktionen av disubstituerade alkyner är alkener med E-konfigurationen (trans-), till exempel: CH3 CH2 CC CH2 COOH H CH3 CH2 Li CC THF, NH3 CH2 COOH H-konfiguration (cis-) . Aluminiumhydrider används för att reducera alkyner i organisk syntes. Tillsatsen av aluminiumhydrider till flera bindningar kallas hydroalumineringsreaktionen. Det mest populära reagenset för dessa reaktioner är diisobutylaluminiumhydrid - (i-C4H9) 2AlH (DIBAL-N). En utmärkande egenskap hos detta reagens är att det är lätt att lägga till den tredubbla kol-kolbindningen, även vid låga temperaturer. Dubbelbindningar hydroalumineras mycket långsammare. Detta möjliggör omvandling av alkyner, särskilt terminala sådana, till alkener. R C CH + (i-Bu)2AlH -20oC toluen R H H CH 3OH Al(i-Bu)2 R H H H Vid aluminiumhydridreduktion binder aluminiumatomen företrädesvis till den mindre substituerade kolatomen. Arenas Stabiliteten hos det aromatiska systemet bestämmer dess lägre reaktivitet under hydrogenering jämfört med olefiner. Således är de relativa hydreringshastigheterna för bensen, cyklohexen och dubbelbindningen i styren: 25 900 150 1 Bensen hydreras mycket svårare än omättade kolväten. Det antas att tillsatsen av väteatomer som kommer från katalysatorytan till den adsorberade molekylen sker stegvis. Det första steget kommer med absorption av energi. De efterföljande stegen är exotermiska och deras hastighet är mycket högre än den för det första steget. Som ett resultat är det omöjligt att isolera mellanprodukter (cyklohexadien och cyklohexen) under hydreringen av bensen. 3 H2 N i För hydrering av bensen, dess homologer och derivat, platina- och rodiumkatalysatorer används, i vissa fall högaktiva varianter av skelettnickel vid temperaturer på 25–50 °C och ett vätetryck på 1–3 atm. Bensenhomologer hydreras i en lägre hastighet än bensen själv. I alkenylbensener reduceras först sidokedjan. Beroende på reaktionsbetingelserna och katalysatorn kan fullständig hydrering av den aromatiska kärnan och sidokedjan eller selektiv hydrering av sidokedjan utföras: C2H5 4 H2 CH CH2 Ni 26 H2 Cu C2H5 Aromatiska kolväten med kondenserade kärnor hydreras stegvis, med bindningarna i en ring mättas först. Naftalenhydrering flödar över följande steg (med mellanliggande isomerisering av 1,4-dihydronfthalin i en mer stabil 1,2-isomer): 8 1 7 H2 2 6 H2 3 4 5 1,4-Äèäääàààèèèèèààààíèíèèííííàí rac hydrerad till positionerna 9 och 10: 8 9 1 7 2 6 först kommer tillsatsen av 6 H2 H2 3 5 10 4 syntes. Lösningar av metaller i flytande ammoniak fungerar som tillräckligt kraftfulla medel för att reducera den aromatiska ringen, och samtidigt är de tillräckligt specifika för att reduktionen endast delvis ska gå vidare till dihydrobensener (cyklohexadiener). Denna typ av reaktion är känd som Björkreduktion. Lättheten att reducera minskar i serien: antracen > fenantren > naftalen > difenyl > bensen Bensen i sig kan inte reduceras med en alkalimetall i flytande ammoniak, och dess reduktion kan framgångsrikt utföras till 1,4-dihydrobensen endast i närvaro av en mer effektiv protondonator än ammoniak, såsom etanol: Na, EtOH NH3 (æ) Denna typ av reduktion observeras även för substituerade bensenderivat. Kemoselektivitet är en unik egenskap hos Björk-reduktionen, eftersom icke-konjugerade diener är huvudprodukterna. När natrium ersätts med litium ökar utbytet av dienprodukter. Vid användning av litium utförs återvinning även i de fall där natrium inte är effektivt. I denna metod tillsätts alkohol i slutet av reaktionen. För att öka lösligheten av utgångsmaterialet tillsätts ofta eter eller tetrahydrofuran till reaktionsblandningen. Reaktionsmekanismen i det första steget inkluderar överföringen av en elektron från metallen till den aromatiska föreningen med bildning av radikalanjonen (1). Protonering av denna radikalanjon med en alkohol resulterar i radikal (2), som sedan lägger till ytterligare en elektron för att ge anjon (3). Protonering av den senare med alkohol leder till cyklohexadien (4). 28 H H. . + M=Li, Na. ROH - RO M NH3 - H H . +H-. MHHHH (2) ROH NH3 - RO HHH (1) H - H (3) H (4) Björkreaktionen saktar ner i närvaro av elektrondonerande substituenter i den aromatiska föreningsmolekylen, eftersom de hindrar det första långsamma steget av reaktion - överföringen av en elektron från alkalimetallen till molekylens aromatiska förening. I detta fall bildar substrat som innehåller en elektrondonerande substituent 1-substituerad 1,4cyklohexadien. O O Na CH3 CH3 NH3(æ) 80 % Reduktion av substrat med elektronbortdragande substituenter leder till bildning av 3-substituerad 1,4cyklohexadien. - COOH СOO Na Na, NH3(æ) + COOH H3O EtOH 29 + Därför är en betydande andel av exemplen på Björk-reduktion av aromatiska derivat innehållande elektronbortdragande grupper förknippade med reduktionen av aromatiska syror eller deras amider. I de fall där ammoniumacetat används som protonkälla reduceras amidgruppen till aldehydgruppen. 3. REDUKTION AV KOLväte HALOGENERIVATIV Hydrogenolys av halogenderivat fortskrider lätt på olika katalysatorer. Av avgörande betydelse vid hydrogenolysen av halogenderivat är arten av kol-halogenbindningen (typ av halogen) och reaktionsbetingelserna, i första hand temperatur. I allmänhet förändras motståndet mot hydrogenolys av kol-halogenbindningen i följande serier: jod-< 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 Reduktionen av fenoler fortskrider under svårare förhållanden. Fenoler reduceras inte av kemiska reduktionsmedel, de tillgriper huvudsakligen katalytisk reduktion, och reaktionsriktningen bestäms av hydreringsförhållandena och katalysatorn. Inom industrin erhålls cyklohexanol i betydande mängder genom hydrering av fenol, som används vid framställning av polymera material. Processen att reducera fenol till cyklohexanol med väte utförs på en nickelkatalysator vid ett förhöjt vätetryck (1,5-2,5 MPa) och en temperatur på 140-150 ° C: OH OH 3H2, Ni / Cr 2O 3 o 140-150 C fenol cyklohexanol Möjligen ofullständig reduktion av fenol till cyklohexanon. Reaktionen utförs på en palladiumkatalysator: OH O OH 2H 2 Pd / Al 2O3 o 110-140 C 88-92% fenol cyklohexanon Tertiära fettaromatiska alkoholer reduceras nästan kvantitativt till kolväten genom inverkan av zink i ättiksyra: Zn OH trifenylkarbinol + 2 CH 3COOH trifenylmetan 35 (CH 3COO) 2Zn + H2 O Primära och sekundära fettaromatiska alkoholer reduceras till motsvarande kolväten genom inverkan av natrium i alkohol: Na OH CH2 EtOH COH BF3 + R3 CR"3 SiH R3 CH Ett annat exempel på reduktion av tertiära alkoholer med hydridjondonatorer är reaktionen av 1-alkyl-1-cyklohexanol med trietylsilan i trifluorättiksyra för att bilda kolvätet: R (C 2H5) 3SiH OH R CF 3COOH Reduktion av etrar adifatisk serie fortskrider med uppdelningen av CO-bindningen. Till exempel under inverkan av jodidväte i ättiksyra, vid upphettning spjälkas etrar för att bilda en blandning av alkoholer och alkylhalider. 36 O H3 C HI OH H3 C CH3 + Reduktion av oxiraner med väte till motsvarande alkoholer, till exempel: H2 O H3 CI leder till H3 C o Ni, 100 C OH Reduktion av oxiraner med litiumaluminiumhydrid leder till ringöppning med bildning av en sekundär eller tertiär alkohol. Reaktionen består i en nukleofil attack av hydridjonen på den minst substituerade kolatomen: CH3 O CH3 o 1. LiAlH 4, THF, OC OH 2. H2 O 83 % I omättade estrar tillsätts väte till multipelbindningen: OO H2 CH3 o Ni, 20 C vinylfenyleterfenetol Hydrogenering av difenyleter sker under svåra förhållanden: O OH H2 o Fe , 485 C 37 + 5. REDUKTION AV ALDEHYDER OCH KETONER Reduktionen av aldehyder och ketoner kännetecknas av en mängd olika metoder Därför presenteras materialet i detta avsnitt för enkelhetens skull beroende på vilken typ av reduktionsmedel som används. Katalytisk hydrering Under katalytiska hydreringsförhållanden reduceras aldehyder till primära alkoholer, medan ketoner reduceras till sekundära. Alla metallkatalysatorer är lämpliga för reduktion av karbonylföreningar med väte. De mest effektiva är platina och aktiva kvaliteter av skelettnickel. På dessa katalysatorer, såväl som på rodium och rutenium, hydreras de flesta aldehyder och ketoner vid en temperatur på 25°C och ett tryck på 1–4 atm. Med mindre aktiva varianter av Raney-nickel uppnås en tillräcklig reduktionshastighet vid temperaturer upp till 100 - 125 ° C och tryck upp till 100 atm: O H2 HOR OH PtO2 (Ni), 25oC, 3 atm HO H2 CH3 R Ni, 25 -30o C, 1-3 atm CH3 R =Me, Ph Vid partiell hydrering av ,-omättade aldehyder och ketoner reagerar endast C=C-bindningen: O H2 RHO o Pd/Al 2 O3, 25 C, 2 atm 38 RH 88% Reaktiviteten av aldehyder och ketoner under reduktion beror på elektroniska och rumsliga faktorer. Så aldehyder reduceras lättare än ketoner, och formaldehyd är lättare än acetaldehyd. Vid fullständig hydrering (2 mol väte) av ,-omättade aldehyder och ketoner på Raney-nickel bildas mättad alkohol: O H2 H OH Ni, 125oC, 100 atm krotonaldehyd 94 % butanol-1 under hydreringen kan alkoholen ytterligare genomgår hydrogenolys under samma förhållanden: O H2 Ar Kt R OH Ar H2 Kt Ar CH2 R + H2 ELLER Många aromatiska karbonylföreningar på kopparkromit eller Raney-nickel genomgår hydrogenolys, till exempel: O H2 CuCr2O4, EtOH, 175oC, 100-150 atm. difenylketon difenylmetan Katalysatorer som rodium och rutenium gör det möjligt att minimera hydrogenolysen av CO-bindningen. 39 OH OH O CH3 H2 (3 atm), 5%Rh/Al2O3 C2H5OH, 50oC CH3 OH 78% Hydrogenering på platina-rodium-katalysatorer i etanol eller ättiksyra vid en temperatur på 20–90°C och ett tryck på upp till 5 atm resulterar också i reduktion av bensenringen: H3С O H3C H2 OH RhO2 - PtO2, EtOH (AcOH) 94% acetofenon 1-fenyletanol Katalysatorer som palladium på kol och kopparkromit används oftast för att reducera aromatiska ketoner, eftersom hydreringen av den aromatiska ringen är mycket långsam på dessa katalysatorer. Med partiell hydrering av aromatiska omättade ketoner sker reduktion endast vid C=C-bindningen: O CH CH C CH3 H2 O CH2 CH2 C CH3 Pt/C Således interagerar en multipel kol-kolbindning med väte snabbare än en karbonylgrupp. Reduktiv aminering 40 Om hydreringen av aldehyder och ketoner utförs i närvaro av ammoniak, primära eller sekundära aminer, erhålls motsvarande primära, sekundära eller tertiära aminer istället för alkoholer (reduktiv aminering). För dessa ändamål används vanligtvis katalysatorer av skelettet nickel (40–150°C, 3–150 atm) eller platina (25°C, 1–3 atm). 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 mellanprodukter här är azometiner eller enaminer. När man utför reduktiv aminering måste man ta hänsyn till möjligheten till sidoreaktioner, inklusive bildning av aminer med högre alkyleringsgrad än den specificerade. Den föredragna produktionen av en amin med den erforderliga alkyleringsgraden bestäms av förhållandet mellan reagensen. För att erhålla monoalkyleringsprodukter tas aminkomponenten vanligtvis i överskott. Av de alifatiska aldehyderna är det bara föreningar som innehåller mer än fem kolatomer som lämpar sig väl för katalytisk reduktiv aminering, medan lägre aldehyder lätt bildar kondensationsprodukter (som aldoler) under reaktionen. Reaktionen fortskrider smidigt när det gäller alifatiska och aromatiska ketoner och aromatiska aldehyder. Reduktiv aminering av aldehyder eller ketoner kan också utföras genom inverkan av ammoniumformiat eller formamider (Leuckart-Wallach-reaktion): 41 O R CO + R H C N R1 R2 R3 R2 CH N - CO2 R1 R3 Utgång av slutprodukter 70-75%. Bäst av allt, enligt Leuckart-Wallach, erhålls tertiära aminer. Vid framställning av primära eller sekundära aminer bildas alltid högalkylerade aminer som biprodukter. Modifiering av Leuckart-Wallach-reaktionen - erhållande av N-metylerade aminer genom att reagera primära eller sekundära aminer med formaldehyd och myrsyra (Eschweiler-Clark-reaktion). 100o C R2 N H + CH2 O + HCO OH R2 N CH3 Reduktion med komplexa metallhydrider Komplexa metallhydrider används oftare i laboratoriepraxis för reduktion av aldehyder och ketoner. Litiumaluminiumhydrid och natriumborhydrid reducerar alifatiska aldehyder respektive ketoner till primära och sekundära alkoholer: O H3 C LiAlH 4 ýôèð H3C CH2 OH HO H3 C CH3 LiAlH 4 ýôèð OH H3 C CH3-jonen, som är det 42-aktiva medlet i kärnan. karbonylgruppen: i förhållande till CO-atom RR kol RR AlH4- R till CO - H2O RC OH HH Reduktion av ,-omättade aldehyder och ketoner med litiumaluminiumhydrid eller natriumborhydrid, beroende på strukturen på substratet, naturreagens och reaktionsbetingelser kan passera antingen genom karbonylgruppen eller med reduktion av både karbonylgruppen och dubbelbindningen. Som regel reducerar dessa reagens huvudsakligen karbonylgruppen utan att påverka dubbelbindningen: O LiAlH4 HO ... 2 ester H OH krotonaldehyd krotylalkohol I vissa fall resulterar användningen av dessa reduktionsmedel i en blandning av två produkter. O OH NaBH 4 + EtOH 2-cyklohexenon OH 2-cyklohexenol 59 % cyklohexanol 41 % OH kanelvätealkohol Aluminiumalkoxihydrider är de föredragna reagensen för reduktion av omättade aldehyder och ketoner till motsvarande omättade alkoholer. Till exempel reducerar litiumtris(tert-butoxi)aluminiumhydrid (LTBA) karbonylgruppen i α,β-omättade aldehyder utan att påverka dubbelbindningen. OH LiAl (Ot-Bu)3 H kanelaldehyd OH kanelalkohol LTBA, taget i en ekvivalent mängd, kan reducera aldehydgruppen utan att påverka ketongruppen: OH LiAl (Ot-Bu)3 H OH OO reduktionsmedel som komplexa metallhydrider, ketoner omvandlades till motsvarande alkoholer genom inverkan av natrium i etanol: 44 OH O Na EtOH + 65% Reduktionsmekanismen genom att lösa upp metaller består i överföringen av en elektron från metallen till det organiska substratet och kan representeras enligt schemat: . R + OR Na CH R" OR - R" R" R . . O Na - Na+ - . ON a+ -NaOEt- R" R CH O H3O+ - R" EtO HR CH OH R" Liknande reaktioner involverar två på varandra följande överföringar elektron och två protonöverföringar. Clemmensenreduktion När aldehyder och ketoner behandlas med amalgamerad zink i saltsyra reduceras de till kolväten (Clemmensenmetoden): ORR CH2 2 Zn/Hg, 4HCl + 2 ZnCl2 45 + H2O Zinkdamm förbehandlas med utspädd saltsyra för att rengör ytan och sedan med en lösning av kvicksilverklorid HgCl2. De bästa resultaten erhålls när reaktionen utförs i ett tvåfassystem "saltsyra - toluen". Många a-substituerade ketoner genomgår reduktiv eliminering av en substituent under Clemmensen-reaktionsförhållanden: R CH CR" XO Zn/Hg HCl, R CH2 COR" R CH2 CH2 R" X=Cl, Br, I, OH, OR", OCOR α , β - omättade karbonylföreningar, reduceras C=C-bindningen samtidigt, till exempel: Zn/Hg, COOH HCl, toluen COOH O Clemmensenmetoden ger bra utbyten av kolväten vid reduktion av många aldehyder och alifatiska och aromatiska fettketoner. Restaurering enligt Kizhner-Wolf I det fall aldehyder och ketoner är instabila i en sur miljö, utförs reduktionen enligt Kizhner-Wolf-metoden. Först erhålls en aldehyd eller ketonhydrazon, och sedan värms den upp med alkali i ett högkokande lösningsmedel. 46 N2H 4 R R O 1 R ÄÝÃ, R 1 N NH2 R KOH, H 2O R 1 + CH2 N2 I den moderna modifieringen av Kizhner–Wolf-reduktionen är hydrazon inte isolerat i det enskilda tillståndet. Reaktionen fortskrider enligt följande: N2 H 4 RRRO 1 -H 2 ELLER 1 HO - RRN NH2 RN NH 1 - - CRN NH 1 H2 ORR 1 H H2 ORRHCHR 1 H -N 2 RN 1 - N HO - RHRN NH 1 Metoden är tillämpbart både aldehyder och ketoner. När det gäller aldehyder är emellertid utbytena av reaktionsprodukterna inte alltid tillfredsställande. Kizhner-Wolf-metoden har ett antal begränsningar. Om det finns en substituent i α-positionen till karbonylgruppen, sker elimineringen av substituenten under reaktionen. Om karbonylgruppen är avskärmad av mycket skrymmande substituenter kommer Kizhner-Wolf-reduktionen inte att fungera. Reduktion i närvaro av metallalkoholater Reduktion av aldehyder och ketoner till alkoholer kan utföras i närvaro av aluminiumalkoholater (Meerwein-Ponndorf-Werley-reaktion): 47 R OH CO ((CH3)2CHO)3Al + RR1CHOH + H3C CH3 H3C R1 O CH3 karbonylförening med aluminiumisopropoxid i vattenfri isopropanol. Reaktionen är reversibel, därför är det nödvändigt att avlägsna den bildade acetonen från reaktionssfären för att uppnå höga utbyten. Meerwein-Ponndorff-Verley-reaktionen kännetecknas av en hög grad av specificitet och dubbel- och trippelkol-kolbindningar förblir opåverkade under reduktionen. Nitrogruppen och halogenatomerna reduceras inte heller under dessa förhållanden. Till exempel fortsätter reduktionen av krotonaldehyd med bevarandet av den dubbla C=C-bindningen: OO i-PrOH H3CH ((CH3)2CHO)3Al krotonaldehyd H3C OH + H3C CH3 krotylalkohol Den dubbla kol-kolbindningen i omättade aldehyder och ketoner kan vid behov reduceras verkan av natriumamalgam i en vatten-alkohollösning eller zink i ättiksyra. Cannizzaro-reaktion Aromatisk och oförmögen att enolisera alifatiska aldehyder under inverkan av basiska katalysatorer (alkali- och jordalkalimetallhydroxider) oproportionerligt att bilda karboxylsyror och alkoholer (Cannizzaro-reaktion). I reaktion 48 är två aldehydmolekyler inblandade: en av dem oxideras, den andra reduceras. O 2 R C - O HO H + R CH R CH2 OH OH Vid enolisering av aldehyder är hastigheten för aldolreaktionen mycket högre än hastigheten för Cannizzaro-reaktionen, så endast den första av dessa reaktioner fortsätter faktiskt. Man tror att reaktionen fortskrider enligt följande: O С H + H С С H С + H O- O- OH OH H OH OO OS - HO С + O С HHAH + O С B 1) I det första steget, nukleofil addition av hydroxidjon till karbonylkolatomen. 2) Detta följs av överföringen av hydridjonen från den resulterande alkoxidjonen till karbonylatomen i en annan aldehydmolekyl. 3) I det tredje steget överförs en proton från syran till alkoxidjonen. Den resulterande syramolekylen och alkoholatjonen A passerar som ett resultat av protonutbytet till ett mer stabilt par: en alkoholmolekyl och syraanjon B. Om Cannizzaro-reaktionen utförs med en blandning av aldehyd och formaldehyd, fungerar den senare alltid som en donator av hydrid49-jonen och oxideras till myrsyra (korsreaktion av Cannizzaro): O HO H CH2 O + - HO HHO + H OH Detta beror på att formaldehyd lättare fäster hydroxidjonen än andra aldehyder, där elektrofiliciteten av karbonylkolatomen reduceras. Reduktiv koppling enligt McMurry En specifik metod för reduktion av karbonylföreningar är bildning av alkener genom inverkan av titanföreningar i lägre oxidationstillstånd på aldehyder och ketoner. Denna metod kallas McMurry-återställningskombinationen. När aldehyder och ketoner behandlas med ett reagens, som erhålls genom reduktion av titan (III eller IV) salter med metallisk zink i pyridin, sker deras fördubbling, till exempel: O Zn + TiCl4 pyridin 90 % Reduktion av kinoner Kinoner till sin natur tillhör konjugerade cykliska diketoner. De har en hög oxiderande potential och reduceras mycket lätt med olika reagenser upp till 50 dihydroxiaromatiska föreningar. Bensokinoner, naftokinoner och antrakinoner är av största praktiska betydelse. Övergången av bensokinoner till diatomiska fenoler leder till en energivinst, eftersom det sker en omvandling av den cykliska dienstrukturen till en aromatisk: natriumsulfit, natriumditionit, zink i isättika, titan (III) klorid och många andra reducerande agenter. 6. REDUCERING AV KOLBOXSYROR OCH DÄRAV DERIVAT Karboxylsyror Reduktionen av karboxylgruppen är möjlig till alkoholer och kolväten. Eftersom aldehyder reduceras mycket snabbare än syror, saknas de i de slutliga reaktionsprodukterna. I många fall är reduktionen av karboxylsyror svår. Därför rekommenderas det att omvandla dem till estrar eller syraklorider, som är mycket lättare att återvinna. Så förmågan att återställa karboxylsyror och deras derivat förändras i serien: 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, CN, 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  N2H4H2O + 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 N2H4H2O  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  PtO2H2O 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 255оС (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

Samara State Technical University Institutionen för organisk kemi PRAKTIKRAPPORT Plats för praktikplats: LLC PKF "Vershina" Praktikchef från företaget: Kondratiev V. A. Student III-хт-6 Anashkin Yury

Syfte: Konsolidering av teoretiska och praktiska kunskaper som erhållits vid studier av allmänna yrkesdiscipliner; Uppgifter: Bekantskap med organisationen av arbetet vid industriföretag Att behärska specialiteten hos en spStudera reglerande och informationslitteratur och dokumentation (GOSTs, TUs, etc.) Få moderna idéer om integrerad användning av råvaror, avfallshantering

Produkter - Tillverkning av aluminiumlegeringar enligt kraven i GOST 1583-93 eller enligt kundens specifikationer, inklusive - Gjutgods av olika komplexitetsgrupper som väger upp till 20 kg. - Smide av olika komplexitetsgrupper erhållna i öppna formar på heta smidespressar

OOO PKF Vershina tillverkar och säljer aluminiumlegeringar kvaliteterna AK 12, AK 9 h, AK 7 h, AK 5 M 2, AK 9 M 2, AK 12 MMG. N, AK 12 M2 Mg. H och många andra märken.

Laboratorium Spektrallaboratoriet vid PKF Vershina LLC är utrustat med ett moderniserat komplex för spektralanalys av metaller och legeringar, motsvarande DFS-500 spektrofotometer. Tiden för kemisk analys är 5÷ 15 minuter. Processens stabilitet och analysens noggrannhet säkerställs genom användning av högfrekvent argon i installationen och högkvalitativa GSO-prover.

Atomemissionsspektroskopi Funktionsprincipen för en optisk emissionsspektrometer är baserad på det faktum att atomerna i varje element kan avge ljus av vissa våglängder - spektrallinjer. För att atomer ska avge ljus måste de exciteras - genom uppvärmning, av en elektrisk urladdning, av en laser eller på annat sätt. Ju fler atomer av ett givet grundämne finns i det analyserade provet (provet), desto ljusare blir strålningen av motsvarande våglängd.

Efter omorganisationen av det medicinska institutet till Military Medical Academy (juli 1939-1942) var avdelningschef docent Solomin Vladimir Alekseevich, som ledde avdelningen fram till november 1962. Han gav ut läroboken Allmän och oorganisk kemi, som kännetecknades av originell presentation av kemifrågor och var populär. Från 1963 till 1983 leddes avdelningen av docent Batalin Viktor Ivanovich, som säkerställde överföringen av avdelningens utbildningsprocess till modern nivå både i pedagogiska och metodologiska och vetenskapliga termer, lade grunden för profilerad undervisning i kemi vid nyöppnade fakulteter - pediatriska, dentala och farmaceutiska.

Chef för institutionen för allmän, biooorganisk och bioorganisk kemi, professor N.P. Avvakumova

I enlighet med den nya läroplanen fick institutionen från den 1 september 1982 ett nytt namn - Institutionen för biooorganisk och biofysisk kemi. Från 1 september 1983 till 1 september 2008 leddes avdelningen av Agapov Albert Ivanovich, en examen från Leningrad State University, som också var arrangör och förste dekanus för den farmaceutiska fakulteten vid Samara State Medical University, nu en hedersbetygelse professor vid Samara State Medical University. Läsåret 1985-86 överfördes kursen organisk kemi till institutionen, tidigare undervisad vid institutionen för biokemi, och institutionen blev känd som institutionen för allmän, biooorganisk och bioorganisk kemi.

Sedan september 2008 har avdelningen letts av en examen från den första examen från den farmaceutiska fakulteten, en hedersexamen från universitetet, doktor i biologiska vetenskaper, professor Avvakumova Nadezhda Petrovna. Under sina studentår ledde hon i 5 år Komsomol-organisationen vid Farmaceutiska fakulteten, 1975 fotograferades hon vid Victory-bannern.

En högt kvalificerad fakultet och laboratoriepersonal är involverad i undervisningen: 2 professorer, 4 docent, 4 senior lärare; grad på 100 % är medelåldern för de anställda 52 år.

Avdelningens utbildningsarbete

Utbildningsarbete syftar till att implementera modellen för personlighetsorienterad och avancerad utbildning av specialister, bidrar till förvärvet av professionell kunskap, personlig utveckling. Kemi undervisas på hög vetenskaplig och pedagogisk nivå med både traditionella och moderna metoder för undervisning och uppföljning av elevers kunskaper.

Institutionen tillhandahåller utbildning för studenter vid olika fakulteter inom utbildningsformer på heltid, deltid och deltid. Följande discipliner i de grundläggande läroplanerna är tilldelade institutionen för allmän, biooorganisk och bioorganisk kemi:

• Specialitet "Medicin": kemi;
• Specialitet "Pediatrik": kemi;
• Specialitet "Medicinskt och förebyggande arbete": allmän och bioorganisk kemi;
• Specialitet "Tandvård": kemi;
• Specialitet "Apotek": allmän och oorganisk kemi;

Utbildningsprocessen genomförs i enlighet med de mål och färdigheter som tilldelats av SES för varje specialitet och utbildningsområden. Målen och förvärvade färdigheter i specifika discipliner, som tilldelas avdelningen, anges i arbetsprogrammen, utbildnings- och temaplanerna för de relevanta disciplinerna och uppfyller kraven i den statliga utbildningsstandarden.

Ett kännetecken för att undervisa i disciplinen vid institutionen är dess medicinska och biologiska inriktning. Läroplanen innehåller utvalda avsnitt av allmän, biooorganisk, bioorganisk, fysikalisk, kolloidal och analytisk kemi, som, organiskt kombinerade, i huvudsak bildar kursen "Kemiska grunder för kroppens vitala processer", som är nödvändig för bildandet av naturvetenskapligt tänkande. av medicinsk personal. Denna kurs lägger grunden för att förstå principerna för evidensbaserad medicin. Varje avsnitt (modul) i denna kurs utrustar läkarstudenter med den kunskap de behöver för att förstå och tillgodogöra sig essensen och mekanismen för processer som sker i kroppen på molekylär nivå.

Team av Institutionen för allmän, biooorganisk och bioorganisk kemi

Föreläsningskursen läses med hjälp av multimediaprojektorer; alla kemiska laboratorier är utrustade med nödvändig utrustning och reagens.

Mycket arbete utförs av personalen på avdelningen inom ramen för fakulteten för förskoleutbildning: de ger rådgivande hjälp till kemilärare i medicinska klasser, deltar i skolbarnens olympiska rörelse "The Future of Medicine", och ge undervisning inom ramen för de förberedande kurserna vid Samara State Medical University.

Institutionens vetenskapliga arbete

För närvarande har det varit möjligt att bilda en enda vetenskaplig riktning för avdelningen "Forskning av strukturen, egenskaperna och biologiska aktiviteten hos specifika organiska ämnen av terapeutisk lera och preparat baserade på dem", som för närvarande är relevant, patenterbar och innovativ. I denna riktning färdigställdes två doktorsavhandlingar (A.I. Agapov, 1999 och Avvakumova N.P., 2003) och 8 doktorsavhandlingar, 13 patent och 4 anslag erhölls, varav 2 är internationella.

Inom ramen för den vetenskapliga kongressen i Tomsk 2010 erkändes avdelningen som Ryska federationens ledande centrum för studiet av den biologiska aktiviteten av humusämnen.

Professor A. I. Agapov tilldelades den högsta utmärkelsen från Ryska akademin för tekniska vetenskaper för utvecklingen av teorin och praktiken för att använda humiska preparat - A. Chizhevsky Gold Medal.

Avdelningen, inom ramen för kreativt samarbete, genomför sina projekt tillsammans med många universitet i landet: Moscow State University, SamSU, BSU, BSMU (Ufa), KemGMA (Kemerovo). Institutionen bedriver experimentell forskning med forskningscentra: Forskningsinstitutet "Institute of Experimental Medicine and Biotechnology" (Samara); "Institute of Petrochemistry and Catalysis of the Russian Academy of Sciences" (Ufa), NPO "Khimavtomatika" (Moskva).

Under hela institutionens existens har dess anställda aktivt interagerat med studenter inom ramen för studentvetenskapsföreningen. Studenter, tillsammans med lärare, är framgångsrikt engagerade i genomförandet av vetenskapligt och experimentellt arbete, vars resultat är många diplom, stipendier och certifikat.

Aktivister från studentvetenskapskretsen och unga forskare från avdelningen talar vid olika internationella, allryska och regionala konferenser.

Pedagogiskt arbete

Institutionen för allmän, biooorganisk och bioorganisk kemi handleder studenter vid pediatriska och farmaceutiska fakulteter. Lärare leder utbildnings-, forskning-, kultur- och utbildningsarbete, deltar i anordnandet av olika utställningar och konserter. Gemensamma teaterbesök genomförs och diskussioner förs om samtida aktuella frågor. Studentlivets ljusaste händelser återspeglas i väggtidningen "Vår övervakade sponsrade ström". Enligt resultatet av vinterpasset, som är det första i förstaårsstudenternas studentliv, skickas tackbrev till föräldrar till elever som fått ett "utmärkt" betyg. Den pågående verksamheten bidrar till elevernas allmänna kulturella och moraliska fostran.