精细有机合成加氢

1、第第9 9章加氢章加氢 （Hydrogenation）9.1 概述概述 9.2 加氢反应的历程加氢反应的历程9.3 影响加氢的因素影响加氢的因素 9.4 液相加氢液相加氢 9.5 气相加氢气相加氢 9.6 不饱和烃的加氢不饱和烃的加氢9.7 含氧化合物的加氢含氧化合物的加氢 9.8 含氮化合物的加氢含氮化合物的加氢9.1 概述概述 加氢即为有机化合物与氢分子的反应。这里有较多情况涉及含氧化合物的还原。加氢主要用于医药，油脂加工行业，在其它精细化学品合成中也有应用。主要包括： 不饱和碳氢化合物含氧化合物含氮化合物 加氢过程中往往要用催化剂，按催化剂使用状态分类：非均相催化，均相催化，（前者多）；

2、按有机反应物料的状态分类：液相加氢，气相加氢（前者远比后者多）。CCC HC HCOCHOHCOORCOOHCH2OHCNCH2NH2NO2NH2根据化学反应特性进行分类，加氢有三种类型： 不饱和键的加氢3H2含C=C， ，芳环不饱和双键，醛、酮中的C=O键， 键的加氢，不难看出这类反应是脱氢的逆反应。 在氢的作用下生成水或其他不含碳的化合物RCOOH + 2H2 RCH2OH + H2OROH + H2 RH + H2ORCONH2 + 2H2 RCH2NH2 + H2ORNO2 + 3H2 RNH2 + 2H2OHCRROH2CHRROHCNRH2CH2NH2RCNCCHCH2CHH2CC

3、H2H2H3CCH3 这类反应是有机化合物在氢作用下被还原，包括脂肪酸加氢制脂肪醇；醇加氢制烷烃；酰胺、硝基化合物加氢还原成胺，反应中生成H2O,还有生成HCl、NH3、H2S等。RCOCl + H2 RCHO + HClRSH + H2 RH + H2S 涉及到C-C键的断裂，包括直链烷烃，脂环烃及芳烃侧链的氢解RCH2R + H2 RCH3 +RH + H2 CH3-(CH2)4-CH3 + H2 +RH 这类反应在石油化工中用得较多。HR9.2 加氢反应的历程加氢反应的历程加氢催化剂的作用是什么? 加氢过程的第一步第一步是反应物在催化剂活性中心发生化学吸附，被吸附分子的键，由于活性中心复

4、杂分子轨道的作用而被削弱,甚至发生分子的解离。以吸附H2为例,当H2被金属催化剂吸附后,先发生H2中两个H原子间键的削弱,进而解离成活泼H,与催化剂形成金属-氢化物: 烯烃、芳烃、炔烃很容易被催化剂吸附，这种强吸附作用是由不饱和键的部分或全部断裂引起的。As + H2 As H2 As-H H 2As-H(催化剂活性中心)+As+AsCH2=CH2As + As AsCH2=CH2 CH2CH2CH2CH2As As 不同化合物在不同催化剂上吸附作用的强弱是不同的，相比之下，饱和C-H化合物被催化剂吸附的能力较低。 加氢过程的第二步第二步是被吸附在邻近活化中心上的这些物质间相互发生反应，直至完

5、成反应。As- -As + As-H As + CH2CH2-2AsCH3CH2As-H CH3-CH3 -2As 羰基化合物加氢和醇的加氢反应历程与上面基本相同，它们有两种可能：一种是羰基历程，在C-O键上发生化学吸附，另一种是烯醇历程，在C=C键上发生吸附，并经过羰基的烯醇化： 研究工作表明：在低温下以第一种历程为主，在高 温下以第二种历程为主。9.3 影响加氢的因素影响加氢的因素 9.3.1 有机反应物的结构 可被加氢的官能团很多，许多加氢反应是分步进行的，如酸、醛（酮）分步加氢成醇，最终加氢成烷烃：RCOOHRCHORCH2OH RCH3H2H2H2CH3CCH3O+AsCH3COH3

6、CAsCH3CHCH3OH+AsH2CH3CCH3O+AsH3CCOHH2CCH3CHCH3OH+AsH2As 一个化合物含有两个或两个以上可以加氢的结构，有时需要对某一部位发生加氢，另一个部位保留不变，即选择加氢。如不饱和羧酸加氢时，既可发生不饱和双键加氢成饱和羧酸；又可发生羧基还原成不饱和醇；当然不饱和双键和羧基也能同时加氢生成饱和醇。RCH=CHCOOH RCH=CHCH2OHRCH2CH2COOH 可见加氢问题很复杂，当然与催化剂的选择有关，与有机化合物的反应活性也有关，至今没有完整的规律，作为一般规律总结如下： a.大多情况下 -CHO, -NO2， -CN，比较容易加氢，如，含-N

7、O2,-CN的芳烃可使-NO2,-CN加氢还原成-NH2,而芳环不被加氢。RCH2CH2CH2OHb. 几个官能团加氢活性顺序： O=如：CH2CH2-C-CH3CH=CH-C-CH3=OH2Ni=OCH2CH-CH3CH=C-CH3-H2Ni-CHOCH2OHc. 各类C=C双键加氢的活性，一般是链炔、烯容易，芳烃难， 顺序：开链炔开链烯 环烯 萘 苯 -C-Cl -NO2 -CHO -CR -CN-COR -CNH2 -COOHO=O=O=CH2=CH-C3H7CH2=C-C2H5CH3CH3C=C-CH3加氢速度1：0.620.02：芳烃中亦有类似规律： 9.3.2 催化剂影响 加氢催化

8、剂都是过渡金属，常用的有Ni、Pt、Pd、Fe、Co、Cr、Zn、Cu、Ag，还有还有Ru、Re、Rh等。等。 它们可以是：被还原金属单质、金属的氧化物、硫化物及其它们复合物，有时金属以骨架型（Ni,Cu）作催化。RR2CH3CH3开链烯中，取代烯烃比不取代烯烃难以加氢。 各种不同催化剂对加氢反应的选择性有很大影响，书中有具体详细介绍。基本规律：金属单质催化剂，如Ni 、Pd对极性官能团无特殊选择性吸附，而较易吸附反应物中双键部分，因此：NiH2Pd/Al2O3 而用Cu-Cr氧化物催化时，则双键，羰基同时加氢：CH3CH=CHCHO(巴豆醛)CH3CH2CH2CH2OH（丁醇）OHOHHCH

9、=CHCHOCH2CH2CHO 除催化剂性质外，催化剂用量对反应影响亦很重要。对一个具体加氢过程，要选择相应合适的催化剂，适宜的用量，如硝基物液相加氢还原采用5%Pd/C催化剂，用量10%左右；双键加氢用Ni，用量1520%，一般在低压下实验室规模加氢，催化剂用量高一些，而工业上采用间歇操作，催化剂用量要尽可能低一些，以防止由于放热等问题造成反应失控。在连续操作中，催化剂用量与物料在反应器中停留时间有关，另外通过控制催化剂用量，可抑制副反应发生。9.3.3 反应压力，温度对加氢的影响压力： 对液相加氢来说，是溶解在液相中的H2参加反应，压力提高，溶解H2增加，反应速率明显加快。对气相加氢，压力

10、提高相当于氢的浓度加大，反应速率也必然提高。温度：加氢反应温度对速率影响不是很大，一般温度低，反应较平稳；温度高容易发生副反应，而且加氢的温度常取决于催化剂的活性，如：Pt或Pd,常温,常压Ni,100C,13MPaMoS,250C,12MPa有时温度过高会改变反应方向：(CH3)2C=CH-C-CH=C(CH3)2=O(佛尔酮)兰尼Ni,160170C(CH3)2CH-CH2CCH2CH(CH3)2=O(CH3)2CH(CH2)3CH(CH3)2200C（二异丁基甲酮） 对不饱和烃类的加氢，高温对脱氢逆反应有利，因此C=C不饱和双键的加氢温度不宜过高。H9.3.4 溶剂 溶剂在加氢中的作用，

11、不仅影响加氢速率，有时也影响反应方向，因为溶剂使催化剂对被加氢物的吸附特性发生了变化，改变了氢的吸附量。如：H甲醇或乙醇兰尼Ni甲苯或环己烷 根据反应物料的状态，加氢反应分为液相加氢和气相加氢两种。9.4 液相加氢液相加氢 有机反应物呈液相，将H2鼓泡到含有催化剂的液体反应物中进行加氢。避免使用大过量H2使反应物汽化的预先蒸发过程，经济上较气相加氢合理，应用得较广。应用对象： 不易汽化的高沸点原料，如油脂，脂肪羧酸及其酯，二腈、二硝基化合物等。反应介质： 被加氢物或产物在反应温度下是固态的,加氢要在溶剂存在下进行，最常用的是醇类，如甲醇、乙醇、正丁醇等，有些反应可在水介质中进行，但有局限性。加

12、氢工艺过程：间歇操作，连续化操作。间歇操作设备是釜式或塔式反应器。液相加氢反应体系中通常是三相共存，（气相H2,液相反应原料及固相催化剂），反应在催化剂表面发生，因此加氢反应的速率与氢的浓度有关，而氢浓度与H2在反应物料中的溶解度及H2扩散到催化剂表面速率有关，因而增大压力是有利的。传统的加氢设备： 长/径比较大的圆筒式高压釜，而且要带有搅拌，有足够大的搅拌速度，一定的传质效率，才能保证气-液-固三相充分接触，提高加氢速率。a.釡式加氢反应器图：图： 对釜式反应器来说，强化传质受到搅拌转数及耐压密封性能的限制，而传热又受到釜体面积的限制。为强化传热可采取措施： 如低沸点反应物 ， 可通过将反应

13、混合物蒸发后再冷凝回流入反应器，把反应热带走。H用分散状，悬浮状催化剂进行加氢时，要安装热交换器。如下图（a） 固定床反应器要选择合适的催化剂，解决好传热问题。多数情况下，由于加氢放热量较大，固定床分为若干床层，每层催化剂填装在多孔支板上，各层间都装有冷却系统。这样的设计使每层催化剂都在绝热状态下工作，在进入下一床层前被冷却，冷却可用水冷或氢冷两种。如上图（c）、（d）。悬浮床加氢反应器是将催化剂一次装入反应器内，定期更换。 如上图（b）大吨位产品的加氢（液相）多采用连续化工艺。其中有罐组式、塔式、管道式的，反应器分固定床和悬浮床两种。b.水水水水生成物 + 反应物生成物 反应物（a）（b）图

14、图aa悬浮状间歇外部热交换液相加氢反应器悬浮状间歇外部热交换液相加氢反应器图图b悬浮状连续串联内部热交换液相加氢反应器悬浮状连续串联内部热交换液相加氢反应器（冷的）生成物 生成物 反应物水水水水反应物（c）（d）图图c固定床连续内部热交换液相加氢反应器固定床连续内部热交换液相加氢反应器图图d固定床连续氢冷却液相加氢反应器固定床连续氢冷却液相加氢反应器生成物及氢反应物图：悬浮床及固定床液相加氢联合操作系统图：悬浮床及固定床液相加氢联合操作系统 目前液相加氢中有采用悬浮床和固定床联合使用的设计方案，两者串联起来，主要加氢反应在悬浮床反应器中完成，剩余少部分未转化的反应物料在固定床中进行。压热反应器

15、反应物溶剂，催化剂悬浮液体H2H2物料流向循环泵热交换器混合及反应区H2图：图： 回流反应器原理图回流反应器原理图 9.5 气相加氢气相加氢 H2与气相反应物混合通过非均相催化剂发生反应，对不易挥发的化合物使用大量H2，在高温下通过蒸发器使之汽化。 使用对象：苯、苯酚、硝基苯、脂肪醛、酮等。 一般都是采用连续化操作，大多用固定床，个别采用流化床。 由于气体导热比液体差，解决气相加氢中的传热问题更为重要。根据反应放热量的不同，设计出不同类型反应器，如放热量大的加氢可采用管式固定床，而放热量不很大的，往往采用塔式多层固定床反应器。反应物蒸汽H2蒸汽冷却剂产物H2产物H2反应物H22（冷的）（ a

16、）（ b ）图：气相加氢反应器图：气相加氢反应器a a管式反应器；管式反应器； b b塔式反应器装有多层催化剂，用冷氢进行冷却塔式反应器装有多层催化剂，用冷氢进行冷却9.6不饱和烃的加氢不饱和烃的加氢9.6.1 C=C双键加氢 最初C=C双键加氢是用铂催化，后来研究开发了系列的烯烃加氢用催化剂，如兰尼Ni，分散在载体上的Ni、Cu等。在使用催化剂的情况下，加H反应速度很快，但要注意催化剂中毒问题（对S）。若原料中含S，使用催化剂要特别小心，选用抗S催化剂，如镍，钨，钼的硫化物。这类催化剂要求反应温度与压力相应高一些，300C，2030Mpa。 不饱和烃的C=C加氢很容易，产率几乎是定量的，乙烯

17、最容易，双键C上取代基愈多愈不易被加氢。 多烯烃也很容易加氢，在共轭双烯烃中，加氢可停留在1、4或1、2加氢，生成单稀烃，再进一步加氢成烷烃。H2H2CH3(CH2)2CH3CH2=CH-CH=CH2CH3-CH=CH-CH3CH3-CH2-CH=CH2 若选用合适的催化剂，控制好加氢比例，可使多烯烃进行部分加氢，保留部分双键。 环烯烃加氢存在与直链烯共性的问题，如使用相似的催化剂；双键上取代基的存在影响加氢速度。但值得提出的是，环烯加氢的同时有C-C键氢解副反应的发生，如三、四以及六个碳以上的环烯：H2CH3CH2CH3H2HH(CH3)2(CH3)3+CH3(CH2)6CH3+ +H 因此

18、环烯加氢,反应条件要选择好，才能得到理想的结果。 环烯加氢用的催化剂可以是分散在载体上的Ni,Co。环辛烷，环十二烷制备时可采用均相催化剂（高选择性），常用的是络合催化剂：HRh(CO)3 P(C4H9)3 氢羰基铑和三丁基膦配基的络合物。9.6.2 芳烃的加氢 芳烃上的双键可以通过加氢得饱和环烷烃，工业上常用的催化剂是分散在载体上的Ni，或金属氧化物如Cr2O3，芳烃加氢中也存在硫中毒问题。芳烃比较稳定，它的加氢比链烯、环烷烯要困难得多，比较下面三个化合物双键加氢的相对速率：1150900HCCH2 苯环上三个双键的加氢，有分步被加氢的可能，但实际操作中没有发现任何环烯中间产物的存在。 芳环

19、上取代基的存在影响加氢反应活性 特定条件下，也可保留侧链双键，而使环上加氢，但很难控制。HCCH2H2,CuH2,NiH2CCH3H2CCH3H 同环烯一样，芳环加氢也有氢解问题：H2Ni3CH4 + 3C 带侧链的芳环，尤其是含C数多的长链，加氢时很容易发生断键：因此芳烃加氢时要特别注意反应温度的控制。芳烃加氢在工业生产上最典型的应用是：+ 3H2Ni,140200C11.5MPaH(进而氧化成环已醇、酮 已内酰胺、已二酸)CH2CH2CH3H2HC3H7+HHC2H5CH3,H及低分子烷烃(工业上重要溶剂)HHH9.7 含氧化合物的加氢含氧化合物的加氢 a. 饱和脂肪醛、酮的加氢，问题相对

20、简单，就是羰基加氢生成相应的伯、仲醇。 比较复杂，有醇、醛、酮、酸等官能团加氢，而且还可能在结构中含不饱和双键或芳环，即存在二个加氢部位，就有选择加氢的问题。9.7.1 脂肪醛、酮的加氢催化剂是分散在载体上的Ni,Cu,Cu-CrRCHO+H2RCH2OHRCRO+H2RCHROH 醛、酮加氢活性上有差异，反应条件不同，醛加氢条件缓和些，温度较低，酮加氢温度高一点，甚至有时在压力下进行。 醛容易加氢，但加氢过程中有副反应发生，若催化剂活性不够或反应温度过低会发生醛和生成醇之间的缩合：若反应温度过高，有会发生醛的自身缩合：2RCH2CHORCH2-CH-CH-CHOH2RCH2CH-CH-CH2

21、OHOH ROH R二元醇所以醛在加氢时，反应温度的控制是非常重要的。RCHO+RCH2OHRHCOCH2ROHRCH2OHRHCOCH2ROCH2R 饱和脂肪醛加氢在实际生产中主要是用来制备伯醇，如正丙醇,正丁醇,及高C伯醇, 而醛是由烯烃羰基化合成的：b.不饱和醛、酮的加氢问题复杂一些，即部分选择加氢，全加氢。 * 不饱和双键和羰基同时发生加氢，生成饱和脂肪醇的反 应相对容易控制，用金属或金属氧化物催化如： CH3CH CH2+ CO + H2CH3(CH2)2CHO(CH3)2CHCHOCH3(CH2)2CH2OH(CH3)2CHCH2OHH2CH3CHCHCHO+H2CuO Cr2O3

22、CH3(CH2)2CH2OH2CH3(CH2)2CHOCH3(CH3)2CH CC2H5CHOCH(CH2)3CH CH2OHC2H5 *不饱和醛、酮部分加氢比较难控制 酮羰基加氢活性差，不饱和双键加氢好控制些，采用Pt、Ni、Cu等催化剂，在与烯烃加氢相似条件下反应即可。 相比之下，不饱和醛的选择双键加氢比较困难，在催化剂和条件的选择方面要十分小心，70%, 有少量全加氢生成饱和醇。 若将不饱和醛保留双键，制不饱和醇，则要选择对含氧官能团加氢有效的金属氧化物作催化剂，采用缓和的加氢条件：RCH=CH-CHOH2ZnO.Cr2O3 RCH=CH-CH2OH不可避免会有部分双键加氢生成饱和醛。H

23、2CCHCHOH2CuH3CH2CCHO9.7.2 脂肪酸或酯的加氢a.饱和脂肪酸或酯的加氢RCOOHRCHORCH2OHRCH3 由于醛比酸更易加氢，所以要由酸制醛是不易控制的，需用间接方法，如将脂肪羧酸转化成酰氯，再用Pt、Pd催化加氢还原：RCOOHRCOClH2Pt.PdRCHO 脂肪酸加氢在工业上有价值的应用是制高碳醇。从还原看，控制在醇这一步常伴有副反应生成烷烃，而且脂肪酸直接加氢条件苛刻。解决的办法是先将羧酸转变成酯，然后再加氢得醇。RCOOH+ CH3OHRCOOCH3H2RCH2OH + CH3OH 以天然油脂为原料，通过与甲醇进行酯交换，可得脂肪酸甲酯，再加氢得相应醇：CH

24、2-OCORCH2-OCORCH-OCOR+ 3CH3OH5070OH-3RCOOCH3+CH2-OHCH-OHCH2-OHH2RCH2OH由天然油脂生成的脂肪醇主要是C12、C18醇。 酯加氢的主要副反应，一是加氢不完全，原料甲酯与生成的脂肪醇进一步发生酯交换，生成脂肪酸高碳酯：RCOOCH3+RCH2OHRCOOCH2RCH3OH+另一个副反应是加氢过头生成饱和烷烃。 如：加氢反应要求条件比较高250350C，2530MPa.饱和二元酸的酯通过加氢制相应二元醇，而乙二醇合成：b. 不饱和羧酸和酯的加氢保留双键，使羧基还原的催化剂 ZnO,Cr2O3(油酸甲酯)（油醇） 保留羧基，双键加氢的

25、催化剂是分散在载体上的Ni或兰尼Ni。CuO Cr2O3ZnO Cr2O3CuOZnO Cr2O3COH2OHOCH2COOHHOH2CCH2OH+HCHO+H2C17H33COOCH3C17H33CH2OH羧基加氢还原的催化剂一般用金属氧化物： 如：工业上将常温下为液态的不饱和油脂加氢成固体饱和油脂 不饱和羧酸加氢的重要实用价值是将顺丁烯二酸酐转化成-丁内酯，再转化成四氢呋喃或吡咯烷酮：HCH2COCOC17H33OCOC17H33H2COCOC17H33H2NiHCH2COCOC17H35OCOC17H35H2COCOC17H35HCCOOCHCOH2H2CCOOCH2H2CH2H2CH2COCH2H2CNH3T.PH2CCONHCH2H2C9.8 含氮化合物的加氢含氮化合物的加氢 含氮化合物主要指酰胺，腈类，硝基化合物，通过加氢制胺，这里讨论前两种，硝基加氢放在下一章讨论。9.8.1羧酸的氢