还原有机化学课件

关于还原有机化学1第1页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三206.07.2023第八章思考题

1、什么是还原反应？2、常用的还原方法有哪些？3、什么叫催化氢化还原？4、常用的无机还原剂有哪几类？常用的有机还原剂有哪几种？各举三例。5、非均相液相氢化中含有哪几相？气相氢化中含有哪几相？6、骨架镍是怎样制备的？制备时，镍用量多大？如何保存？保质期多久？7、Pd-C催化剂是怎样制备的？第2页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三306.07.20238、液相催化氢化的影响因素有哪些？9、气液固非均相催化加氢时，各种催化剂的用量为多少？10、怎样的铁屑是好的？怎样的是差的？铁屑可还原哪些基团，对哪些基团无影响？11、被还原的芳香族硝基化合物上结构怎样，对还原有利？铁屑的实际用量多大？12、铁屑还原属于化学还原还是催化加氢还原？13、铁屑还原的电解质是什么？为什么要有电解质？14、铁屑还原加水的作用有哪些？15、铁屑还原法中分离产物芳胺的方法有哪些？1~15题中任选五题第3页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三406.07.2023

硝基化合物被还原的最终产物是胺。还原剂、介质不同时，还原产物不同。第4页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三506.07.2023第5页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三606.07.2023本章教学基本内容和要求概述化学还原催化氢化铁粉还原锌粉还原硫化碱还原亚硫酸盐还原金属复氢化合物还原第6页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三706.07.20236.1概述

广义地讲，在还原剂的参与下，能使某原子得到电子或电子云密度增加的反应称为还原反应。

狭义地讲，在有机分子中增加氢或减少氧的反应，或者兼而有之的反应称为还原反应。一、还原反应定义第7页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三806.07.2023二、还原反应的分类1、碳-碳不饱和键的还原；2、碳-氧双键的还原；3、含氮基的还原；4、含硫基的还原5、含卤基的还原其中：硝基、亚硝基、羟氨基、氧化偶氮、偶氮、以及肟、酰胺、腈、叠氮化合物等含碳一氮键的化合物在还原剂作用下制得胺类的方法是还原反应中重要的一类：本章重点讨论硝基化合物的还原。第8页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三906.07.2023三、反应的重要性得到具有特定性能的产品制备N-取代产物Ar-NO2→Ar-NH2→Ar-NHR(ArNR2)将氨基转变为其它取代基Ar-NH2→Ar-N2+Cl-→-Cl，-I，-F，-CN，-N=N-，H第9页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三1006.07.2023金属：FeCl2，SnCl2非金属：Na2S，Na2S2，Na2Sx，Na2S2O4活泼金属及其合金:Fe、Zn、Na、Zn-Hg、Na-Hg低价元素化合物金属复氢化合物：NaBH4、KBH4、LiBH4、LiAlH4四、化学还原剂的种类无机还原剂有机还原剂：异丙醇铝等烷氧基铝、甲醛、葡萄糖等。第10页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三1106.07.2023四、还原方法的分类加氢还原（催化氢化）化学还原法：以化学物质为还原剂电解还原法：在电极上进行电子转移均相催化氢化：催化剂溶于反应介质非均相催化氢化液相催化氢化气(固)相催化氢化第11页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三1206.07.20236.2催化氢化

在催化剂的存在下，有机物与氢气（H2)发生的反应叫做催化氢化（催化加氢）。芳杂环第12页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三1306.07.2023催化氢解

在催化剂存在下，含有碳杂键的有机物分子与氢气反应，发生碳杂键断裂，分解成两部分氢化产物的反应叫做催化氢解。H2/Pd/CC2H5OH第13页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三1406.07.2023一、催化氢化的方法催化氢化气-固相接触催化氢化气-液-固非均相催化氢化气-固相固定床反应器气-固相流化床反应器仅适用于沸点较低、容易气化的硝基物的还原。三相流化床反应器三相固定床反应器三相泥浆型反应器搅拌锅式鼓泡锅式立管锅式气-液-固非均相催化氢化的主要优点：1、反应活性高，能使那些用化学还原剂难于还原的化合物氢化，应用范围广。2、反应的选择性好、副反应少、产品质量好、收率高；3、反应完毕后，只要过滤出催化剂，蒸出溶剂即可得到产品，不会造成环境污染；4、可用于难汽化的被氢化物和中、小规模多品种生产；5、氢气价廉。第14页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三1506.07.2023表各类催化氢化催化剂二、催化剂第15页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三1606.07.20231、催化作用的电子因素加氢还原催化剂的活性与其最外层电子的空d轨道有关，一个优良的催化剂要求其d轨道有一定的电子占有程度。当d轨道有8～9个电子的，最为合适，如铂(5d96s1)、铑(4d85s1)、镍(3d84s2)；当d轨道占有的电子较少时，如Fe(3d64s2)，则反应物与催化剂结合的键能可达到较大数值，结合十分牢固，使吸附物不易解析，从而使催化剂失去活性；当d轨道已全部被电了占有而无空轨道存在时，如铜(3d104s1)，则结合键能甚弱，因而活化程度较小；钯(4d10)的d轨道虽已被占有，但由于其4d轨道的电子容易转移至5s轨道而变成4d95s1，故而仍具有较好的活性。第16页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三1706.07.20232、几种重要的催化剂(1)骨架镍（又称雷内(Raney)镍）（2）钯-炭（Pd-C）载体型催化剂1、骨架镍的基本原料是镍-铝合金，用氢氧化钠处理上述合金时，铝与氢氧化钠作用而溶解。其中镍的含量一般在30％～50％，其余为铝，碱的浓度为20~30％，由于镍-铝合金组成的变化，以及在骨架镍的制备过程中所用碱的浓度、反应温度、反应时间和洗涤催化剂的条件等方面的差异，可以得到不同活性的骨架镍，型号有W-1、W-2、W-3、W-4、W-5、W-6、W-7、T-I。W-2型活性适中，制法简便．能满足一般需要，为常用的骨架镍催化剂。W-4～w-7均属高活性镍催化剂。2、制备好的灰黑色骨架镍在干燥状态下会在空气中自燃，所以需保存在乙醇或蒸馏水中，使用时需注意安全。保质期不超过六个月。3、骨架镍是最常用的液相加氢催化剂，它能使合硝基、氰基、芳环的化合物和烯烃发生加氢反应。4、镍系催化剂对硫化物敏感，可造成永久中毒，无法再生。将钯盐水溶液浸渍在或吸附于载体上(如活性炭)，再经还原剂处理，使其形成金属微粒，经洗涤、干燥得载体钯催化剂。它在使用时不需经活化处理，是一类性能优良的催化剂，它作用温和，有较好的选择性，适用于多种有机化合物的选择性氢化还原。钯催化剂是烯烃、炔烃最好的氢化还原的催化剂。它能在室温和较低的氢压下还原很多官能团。它既可在酸性溶液中又可在碱性溶液中起作用(在碱性溶液中活性略有降低)。对毒物的敏感性差，故不易中毒。钯催化剂是一种应用范围较广的催化剂。使用过的钯-碳催化剂通过处理可套用4~5次，失去活性的钯—炭催化剂要回收处理。第17页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三1806.07.20233、注意问题

贮存、使用、安全性

（骨架镍作部分氧化处理，使之钝化到不会自燃而又保留足够高的活性；制成Ni－Zn型非自燃骨架镍等）中毒与再生

措施：A，使用不含“毒物”的原料（如铜盐可使Pd－C中毒）

B，寻找可以“抗毒”的催化剂任何再生方法都只能部分恢复催化剂的活性

第18页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三1906.07.2023三、非均相催化氢化反应历程+++吸附吸附π键打开反应解吸形成活泼氢原子+催化氢化和一般催化反应一样，包括以下三个基本过程：(1)反应物在催化剂表面的扩散、物理和化学吸附；(2)吸附络合物之间发生化学反应；(3)产物的解析和扩散，离开催化剂表面。第19页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三2006.07.2023原料的纯度和结构温度和压力催化剂的选择与负荷溶剂→改进传质设备与操作四、气-液-固非均相催化氢化的主要影响因素第20页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三2106.07.20231、原料的纯度和结构氢源和被氢化物空间效应越大，越不易靠近催化剂，需要强化反应条件，如升高温度、增加压力、提高催化剂活性等。分子结构不同，催化氢化的难易程度不同：

Ar-NO2＞--＞-C=C-＞-C=O,R-NO2＞ArH

直链烯烃＞环状烯烃＞萘＞苯＞烷基苯＞芳烷基苯第21页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三2206.07.20232、温度和压力

原则：（1）活性低的催化剂，反应温度高，活性高的催化剂，反应温度低。

Pd常温常压；

Ni100℃，1-3MPa；

MoS(抗中毒)：250℃，25MPa(2)T升高，速率增加，但T过高会引起焦化等副反应，并影响催化剂的寿命

P升高，相当于提高氢气的浓度，反应速率增加，但P超过一定的范围后则影响不大第22页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三2306.07.20233、催化剂的选择与负荷催化剂是影响加氢的主要因素

几种不同的金属—活性炭型催化剂对硝基苯的加氢进行比较

Pt＞Pd＞Rh＞Ni控制催化剂的浓度、用量、负荷以及损耗量负荷催化剂的用量一般为被氢化物质量的10%~20%（骨架镍），5%~10%（钯-炭），1%~2%（PtO2）

第23页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三2406.07.20234、溶剂→改进传质

溶剂的作用（1）溶解被氢化物；（2）有利于传质；（3）便于催化剂的回收利用；（4）改变反应的选择性。对溶剂要求（1）沸点高于反应温度；（2）对产物有较大的溶解度，有利于解析。第24页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三2506.07.2023溶剂的种类

CH3COOH＞H2O＞CH3CH2OH＞CH3COOC2H5

高压反应使用溶剂：H2O，，，第25页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三2606.07.2023四、应用1、顺丁烯二酸酐的催化氢化第26页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三2706.07.20231,4-丁二酸酐的制备由顺酐制备，氢化的方法主要有溶剂法和熔融法两种。

溶剂法是在1,4-二氧六环中，在铜的钼酸盐等温和催化剂的存在下，在120-160℃和20MPa进行氢化，丁二酸酐的收率可达100％。国外多采用此法，但此法要求条件较严，否则会过度加氢生成较多的γ-丁内酯酪或四氢呋喃。焙融法是将顺酐熔化后，在160℃、5MPa催化氢化。此法是近年中国研究成功的先进方法，因不用溶剂、工艺简化、产品质量提高、成本下降、环境污染减少。第27页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三2806.07.2023γ-丁内酯的制备（1）1，4-丁二醇脱氢法（2）顺酐氢化法2、苯的催化氢化第28页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三2906.07.20233、硝基苯的催化氢化（1）苯胺的制备第29页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三3006.07.2023（2）对氨基苯酚的制备催化氢化

对硝基苯酚铁粉还原法、对硝基苯酚催化氢还原法、硝基苯锌粉还原法、硝基苯催化氢化法和硝基苯电解还原法等五种第30页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三3106.07.2023例1：在用镍铝合金制备骨架镍时，为何制备条件不同所制得的骨架镍的催化活件会有很大差异？答：只要制备条件略有不同，就会使所制得的骨架镍的微晶结构、孔隙结构和力学强度等性质有所不同，从而它们的活性也各不相向。例2：硝基苯液相催化加氢制苯胺时，为何用骨架镍催化剂而不用钯／碳催化剂？答：骨架镍价廉、活性适中，不会使芳环加氢。钯／碳价格贵，活性高，有可能使芳环加氢。例题解析第31页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三3206.07.20236.3铁粉还原第32页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三3306.07.20236.3铁粉还原研究进程工艺特点反应设备影响因素实际操作铁粉还原过程是在有效搅拌下，向含有电解质的水溶液中分批交替地加入硝基化合物和铁粉，维持在沸腾温度下进行反应，还原反应可用下式表示：优点：工艺简单，适用面广，副反应少，对设备要求低缺点：生成大量含芳胺的铁泥和废水。4ArNO2＋9Fe＋4H2O→4ArNH2＋3Fe3O4实际操作例3第33页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三3406.07.2023一、理论解释（铁屑还原的电子历程）金属在水介质中对硝基化合物进行还原的过程，在理论上是和金属的腐蚀过程一致的，因此可根据金属腐蚀的电化学原理来说明。微电池的阳极反应：Fe-2e→Fe2+微电池的阴极反应：2H++2e→H2ArNO2+2H++2e→ArNO+H2OArNO+2H++2e→ArNHOHArNHOH+2H++2e→ArNH2+H2O结果：铁不断地腐蚀（氧化），硝基化合物就不断地被还原成胺类化合物。第34页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三3506.07.2023化学历程：总反应式：4ArNO2＋9Fe＋4H2O→4ArNH2＋3Fe3O4第35页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三3606.07.2023二、影响因素1、硝基化合物的结构和反应活性具有类似结构①的化合物，由于取代基的吸电子效应使氮原子上部分正电荷增加，接受电子能力因而增加，有利于还原反应的进行，反应温度也可低些；具有类似结构②的化合物，由于取代基的给电子效应使氮原子上部分负电荷增加，接受电子的能力固之减弱，不利于还原反应的进行。2、介质用铁屑还原硝基物一般以水为介质，水又是还原反应中氢的来源，为了保证有效搅拌，加强反应中的传热传质，一般取过量的水，但水量过多则会降低设备的生产能力，通常硝基物与水的摩尔比约为1：50～100。对于一些活性较低的化合物，可加入甲醇、乙醇、吡啶等能与水相混的溶剂，以利反应进行。3、铁的品质和用量还原反应在铁表面进行，因此铁的物理和化学状态对反应有很大的影响。显然，洁净和质软的灰铸铁屑优于组成比较纯净的钢屑，还原速度还部分地决定于铁屑颗粒的细度和多孔性。每摩尔硝基物理论上需要2.25摩尔铁屑，实际用量为3～4摩尔。4、电解质铁屑还原过程中，电解质的存在可提高溶液的导电能力，加速铁的腐蚀过程，因此还原速度取决于电解质的性质和浓度：曾研究各种电解质对还原速度的影响，其活性顺序为：NH4Cl(95.5)>FeCl2(91.3)>(NH4)2SO4(89.2)>BaCl2(87.3)>CaCl2(68.5)>NaCl(50.4)>Na2SO4(42.4)>KBr(41.0)>CH3COONa(10.0)>NaOH(0.7)第36页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三3706.07.2023三、实际操作还原反应还原产物的分离与精制芳胺废水的处理铁泥处理整个还原过程包括：制铁红颜料还原产物的分离可依胺类的性质不同而采用不同的分离方法：

(1)容易随水蒸气蒸出的芳胺如苯胺、邻甲苯