Каталитическое восстановлениеводородом
Восстановление дитионитом натрия
Дитионистая кислота (H2S2O4) в свободном виде неустойчива и применяется в виде солей. Дитионит натрия восстанавливает:
а) дикетоны— до гидроксипроизводных
б) алифатические нитросоединения— до оксимов, а ароматические— до аминов
в) азосоединения — до аминов очень легко и с высоким выходом
Реакцию обычно проводят в водном щелочном растворе при 40—90 °С.
Восстановление органических соединений водородом в присутствии катализаторов приобретает с каждым годом все большее значение. Основными достоинствамиметода являются универсальность, высокая скорость процесса, чистота получаемых продуктов и простота их выделения, а недостатками, препятствующими широкому распространению этого метода, — дефицитность применяемого электролитического водорода и катализаторов, большая пожаро- и взрывоопасность процесса и необходимость во многих случаях использования автоклавов.
Направление и выходреакции зависят как от условия ведения процесса, так и от активности и метода приготовления катализатора. Активностькатализаторов можно увеличивать или уменьшать, добавляя специальные вещества (промоторы и ингибиторы).
Чаще других используют металлические катализаторы, особенно металлы VIII группы периодической системы элементов, их окислы, сульфиды, хлориды. В зависимости от способа приготовления различают следующие виды катализаторов:
а) черни — очень мелкодисперсный металл, как правило, осажденный из раствора его соли восстановлением;
б) катализаторы Адамса — тонкоизмельченные платина или палладий, полученные восстановлением их оксидов водородом;
в) скелетные катализаторы (катализаторы Ренея) — получаются в виде пористой («губчатой») массы из двойных сплавов (никеля, железа, меди или кобальта соответственно с алюминием или кремнием) путем растворения одного компонента сплава в кислоте или щелочи;
г) катализаторы на носителях — металл в виде черни, окислов или солей, осажденный на пористый носитель (пемза, силикагель, уголь, карбонаты щелочноземельных металлов и т.д.) для увеличения поверхности и уменьшения расхода дорогостоящего благородного металла;
д) окисные и сульфидные катализаторы — хромиты меди, цинка, сульфиды молибдена, вольфрама и др. устойчивые и относительно дешевые промышленные катализаторы.
Существует довольно большое число гипотез, объясняющих закономерности каталитического восстановления водородом. Очевидно, однако, что роль катализатора заключается в активации реагентов. Водород хемосорбируется на поверхности катализатора с образованием гидридного комплекса и в такой форме реагирует с адсорбированным субстратом. Поэтому для гидрирования разных соединений можно использовать одни и те же катализаторы. В лаборатории применяют, прежде всего, скелетный никель (никель Ренея), платину и палладий.
Скорость восстановленияводородом на поверхности катализатора (контактно-каталитического восстановления) зависит от структуры субстрата, пространственных факторов, от его сорбционной активности. Легкость гидрирования отдельных групп, как правило, уменьшается в следующей последовательности: двойные связи > нитро > карбонильные > нитрильные > ароматические и гетероциклические системы > гидроксильные > карбоксильные группы.
Это позволяет проводить избирательное гидрирование.
Наиболее легко водород присоединяется к кратным связям между атомами углерода с образованием предельных углеводородов. Ацетилены гидрируются легче, чем алкены, при этом реакцию можно завершить на стадии образования алкенов. В отличие от химических методов, которые, в основном, пригодны для восстановления активированных двойных связей, газообразным водородом в присутствии катализаторов можно гидрировать как активированные, так и неактивированные двойные связи. Используя специально подготовленные катализаторы (платина, палладий, свободный от щелочи скелетный никель) можно селективно восстановить двойную С–С-связь в α,β-ненасыщенных кетонах.
Гидрирование аренов идет в значительно более жестких условиях, чем олефинов, при этом, чем «ароматичнее» арен, тем труднее идет реакция. В связи с этим конденсированные полициклические системы гидрируются легче, чем бензол, и ступенчато.
Альдегиды и кетоны, карбоновые кислоты, их хлорангидриды и эфиры восстанавливаются до спиртов, азометины, оксимы и нитрилы — до аминов, спирты и галогениды — до предельных углеводородов.
Альдегиды и кетоны гидрируются легче, чем большинство производных карбоновых кислот. Поэтому лишь ацилгалогениды удается восстановить до альдегидов, используя частично отравленный палладиевый катализатор.
Нитрилы, азометины, оксимы и подобные соединения легко восстанавливаются на платине и палладии, в то время как для восстановления на никеле Ренея, как правило, требуется температура около 100 °С.
Свободные кислоты, их эфиры и амиды, а также спиртовый гидроксил не затрагиваются в тех условиях, в которых гидрируются альдегиды, кетоны, нитрилы, основания Шиффа и другие соединения. Так, из ацетоуксусного эфира легко получить эфир β-гидроксимасляной кислоты. Условия гидрирования галогенидов зависят от их активности.
В промышленности каталитическое гидрирование карбоновых кислот и сложных эфиров осуществляют на медно-хромовом катализаторе при температурах 100—300 °С и давлении 20—30 МПа.