Гидрирование

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Гидри́рование (гидрогениза́ция) — химическая реакция, включающая присоединение водорода к органическому веществу. В ходе данной реакции молекула водорода присоединяется к двойной или тройной связи молекулы. Если в результате гидрирования происходит разрыв связи углерод — углерод или углерод — гетероатом, то такой процесс называется гидрогенолизом[1].

Гидрирование широко применяется для получения органических веществ как в лаборатории, так и в промышленном масштабе. Оно также используется в некоторых процессах очистки, например, для удаления следов ацетилена из этилена или примесей кислорода из различных систем[1].

Реакция гидрирования

История[править | править исходный текст]

Первая описанная в литературе реакция каталитического гидрирования была проведена в 1874 году. Она заключалась в превращении ацетилена и этилена в этан. Расцвет каталитического гидрирования был связан с работами Поля Сабатье, который превратил гидрирование в универсальный метод и в 1912 году получил за это Нобелевскую премию. В оригинальной работе водород и пары органического вещества пропускали над медным или никелевым катализатором при температурах 100—300 °C. В данное время такой метод гидрирования не используется[2].

Механизм[править | править исходный текст]

Гидрирование находится в равновесии с обратным процессом дегидрирования и является сильно экзотермическим процессом (105—125 кДж на 1 моль водорода). Согласно принципу Ле Шателье, такое равновесие должно смещаться вправо при понижении температуры, поэтому в промышленных реакциях иногда ограничивают температуру, повышающуюся из-за экзотермичности реакции[3].

\mathsf{A} + n \mathsf{H_2} \rightleftharpoons \mathsf{B}

Гетерогенный катализ[править | править исходный текст]

Механизм Хориути — Поляни

За небольшими исключениями, молекулярный водород не реагирует с органическими веществами при температуре ниже 480 °С. Реакция с газообразным водородом возможна лишь на поверхности катализатора, который сорбирует и водород, и органические молекулы, облегчая их контакт. Однако даже в таких условиях энергия активации реакции составляет 6,5—16 ккал/моль (значения измерены для реакции пропилена с водородом в присутствии различных катализаторов). Активность металлических катализаторов в данной реакции уменьшается в следующем ряду[4]:

\mathsf{Rh > Ir > Ru > Pt > Pd > Ni > Fe > Co > Ni.}

Из металлов данного ряда сейчас используются только платина, палладий, родий, рутений и никель. Также находят применение и некоторые другие вещества[4].

Согласно механизму Хориути — Поляни (1934), реакция на поверхности катализатора осуществляется постадийно. На первой стадии происходит сорбция субстрата и водорода на катализаторе, затем на второй стадии атом водорода мигрирует к β-углеродному атому двойной связи и образуется связь между металлом и α-углеродным атомом. Наконец, на третьей стадии происходит восстановительное элиминирование продукта. Между присоединением первого и второго атома водорода проходит некоторое время, за которое могут происходить водородный обмен, цис-транс-изомеризация или миграция двойной связи. Побочные процессы также ускоряются при недостаточном насыщении катализатора водородом. Гидрирование протекает тем быстрее, чем менее затруднена молекула. Скорость гидрирования алкенов уменьшается при увеличении числа заместителей при двойной связи. Электронные эффекты гораздо меньше влияют на реакцию[4][5].

Считается, что атомы водорода, находящиеся на поверхности катализатора, присоединяются к молекуле субстрата с одной стороны, из-за чего образуются продукты цис-конфигурации[5].

Стереохимия реакции гидрирования

Гомогенный катализ[править | править исходный текст]

При гомогенном катализе водород и гидрируемое вещество координируются внутри каталитического комплекса. При этом водород диссоциирует, за счёт чего и происходит его активация[6]. Активация водорода может происходить тремя способами, из который лишь третий важен для рассмотрения механизма гомогенного катализа реакции гидрирования:

Механизм гидрирования алкенов на катализаторе Уилкинсона

Активация алкена происходит также за счёт координации с атомом металла. При этом алкены никогда не вытесняют из комплекса другие лиганды, поэтому их координация может происходить только к ненасыщенным комплексам, которые должны образовываться в реакционной смеси. Способность алкена связываться с металлом во многом зависит от доступности его двойной связи и её конфигурации. Образующиеся алкеновые комплексы переходных металлов не очень активно активируют молекулярный водород, поэтому большинство известных каталитических систем реагируют по дигидридному каталитическому циклу. (Описаны также алкеновый и алкильный цикл, однако они встречаются редко.) Типичным примером такого поведения служит катализатор Уилкинсона, который реагирует с водородом, образовывая дигидридный комплекс. Далее происходит координация с алкеном, его миграция и восстановительное элиминирование продукта, после чего ключевой каталитический интермедиат вовлекается в очередной цикл реакции[7].

Лимитирующей стадией является атака алкена на дигидридный комплекс. Недиссоциированные комплексы родия с этиленом не могут активировать кислород, поэтому этилен отравляет катализатор в своей собственной реакции восстановления и является нежелательной примесью при гомогенном восстановлении других алкенов[8].

Несмотря на то, что присоединение атомов водорода происходит не одновременно, стереохимический результат можно описать как син-присоединение (т. е. с образованием цис-продуктов). Причина такой стереоселективности в том, что родий и водород присоединяются к двум углеродным атомам двойной связи синхронно. Второй атом водорода внедряется по связи углерод — родий, сохраняя общую цис-конфигурацию. Показано также, что водород преимущественно присоединяется с более доступной стороны двойной связи, что затем было использовано при дизайне хиральных катализаторов гомогенного гидрирования[8].

Гомогенный катализ дигидридного типа имеет ряд преимуществ перед гетерогенным катализом и гомогенным катализом других типов. Короткое время жизни алкильного комплекса уменьшает вероятность реакций изомеризации. Это свойство также позволяет проводить реакции дейтерирования[8].

Условия реакции[править | править исходный текст]

Каталитическое гидрирование развилось в два основных направления: гидрирование в стеклянном приборе при низких температурах (до 100 °C) и низком давлении (1—4 атм) и гидрирование при высоком давлении (от нескольких до нескольких сотен атм) и температурах от 20 до 400 °С. Второй метод гидрирования требует более сложных приборов — автоклавов, выдерживающих давление до 350 атм. В лабораторных условиях гидрирование под высоким давлением проводят в небольших стальных цилиндрах, присоединённых к источнику водорода и насосу, перемешивание в которых осуществляется при помощи магнитной мешалки, а нагревание — на масляной бане[2].

Субстраты[править | править исходный текст]

Гидрирование может применяться для соединений различных классов. Используемые субстраты и соответствующие им продукты приведены в таблице[3].

Субстрат Формула субстрата Продукт Формула продукта
алкены R2C=CR2 алканы R2CH–CHR2
алкины RC≡CR алкены цис-RCH=CHR
альдегиды RCHO первичные спирты RCH2OH
кетоны RCOR' вторичные спирты RR'CHOH
карбоновые кислоты RCOOH первичные спирты RCH2OH
сложные эфиры RCOOR' два спирта RCH2OH, R'OH
имины R2C=NR' амины R2CH–NHR'
амиды RC(O)NR'2 амины RCH2NR'2
нитрилы RCN имины RCH=NH
нитросоединения RNO2 амины RNH2
сульфиды RSR' насыщенные соединения RH, R'H, H2S

Катализаторы[править | править исходный текст]

Для проведения реакции гидрирования используют широкий набор катализаторов. Достаточно активными являются металлы группы платины: платина, палладий, родий и рутений. В качестве экономичных альтернатив предложены недрагоценные металлы: никель, медь, молибден и кобальт. Данные металлы обладают способностью сорбировать одновременно субстрат и водород, облегчая реакцию между ними[9].

Катализаторы гидрирования делятся на две группы:

  • гетерогенные катализаторы, являющиеся твёрдыми веществами и образующие отдельную фазу в жидкой реакционной смеси;
  • гомогенные катализаторы, растворяющиеся в жидкой среде[9].

Гетерогенные катализаторы[править | править исходный текст]

Платиновые катализаторы

Первоначально предложенные виды платины (коллоидная платина, платиновая губка) вышли из употребления: на смену им пришли катализаторы с более воспроизводимыми свойствами. Оксид платины PtO2 (катализатор Адамса) представляет собой стабильный коричневый порошок, который под действием водорода превращается в платину с очень высокой активностью. Он подходит почти для всех реакций гидрирования, активируется некоторыми солями металлов, дезактивируется серой и другими каталитическими ядами, выдерживает сильные органические и минеральные кислоты[10].

Для увеличения площади контакта катализатора с водородом и гидрируемыми веществами платину осаждают на специальные подложки (активированный уголь, силикагель, сульфат бария и другие). Это достигается путём восстановления платинохлористоводородной кислоты в водных суспензиях данных материалов. Такие катализаторы содержат 5, 10 или 30 % платины по массе, имеют высокую активность, часто проявляют пирофорность[10].

Платиновые катализаторы могут служить для гидрирования разнообразных веществ при комнатной температуре и невысоком давлении (1—4 атм), но они неэффективны при восстановлении карбоновых кислот или сложных эфиров до спиртов[10].

Палладиевые катализаторы

Палладиевые катализаторы весьма похожи на платиновые. Оксид палладия PdO получают из хлорида палладия и нитрата натрия. Металлический палладий получается при восстановлении хлорида палладия боргидридом натрия. Палладиевые катализаторы на подложках (угле, карбонате кальция, сульфате бария) содержат 5 или 10 % палладия. Катализаторы на основе палладия более часто модифицируют для получения заданной селективности. Например, палладий на карбонате кальция, дезактивированный ацетатом свинца, служит для частичного гидрирования алкинов до цис-алкенов (катализатор Линдлара)[10].

Палладиевые катализаторы можно использовать в сильнокислой и щелочной среде. Они подходят для гидрогенолиза защитных групп бензильного типа[10].

Никелевые катализаторы

Катализаторы на основе никеля универсальны и используются как в лаборатории, так и в промышленности. В качестве носителя используется кизельгур, в водной суспензии которого осаждают карбонат никеля (действием карбоната натрия на нитрат никеля), который затем восстанавливают водородом при 450 °C, после чего сушат при 110—120 °С[10].

Весьма активными являются катализаторы типа никеля Ренея: их получают из сплава никеля и алюминия путём растворения в 25—50 % растворе гидроксида натрия при нагревании. Алюминий растворяется, а никель остаётся в виде очень мелкого порошка. В зависимости от условий образуется катализатор той или иной активности. Никель Ренея может использоваться для восстановления практически любых функциональных групп, он не дезактивируется серой и может быть использован для десульфурирования серосодержащих соединений. Катализаторы P-1 и P-2, похожие по активности на никель Ренея, получают восстановлением солей никеля, например, ацетата никеля, боргидридом натрия. Они содержат большую долю борида никеля, не пирофорны и могут применяться для гидрирования при комнатной температуре и атмосферном давлении. Никель, осаждённый из раствора хлорида никеля алюминиевой или цинковой пылью, называется катализатором Урушибары и по активности также похож на никель Ренея[10].

Другие гетерогенные катализаторы

В реакциях гидрирования применяются также катализаторы на основе оксидов меди, цинка и хрома, однако их использование ограниченно, поскольку они требуют высоких температур (150—200° C) и давления (100—150 атм). То же самое касается рениевых катализаторов[10].

Гомогенные катализаторы[править | править исходный текст]

Отдельный класс катализаторов гидрирования составляют соединения, растворимые в органических растворителях, — катализаторы гомогенного гидрирования. Они представляют собой комплексы благородных металлов. Наиболее известным примером является хлорид трис(трифенилфосфин)родия. Гомогенное гидрирование обычно проводят при комнатной температуре и атмосферном давлении. Оно менее эффективно и более селективно, чем гетерогенное гидрирование, поэтому больше подходит для восстановления сложных полифункциональных субстратов. Также данные катализаторы применяются в энантиоселективном гидрировании, поскольку предоставляют большие возможности для введения хиральных лигандов[10].

В промышленности такие катализаторы используются только в тех случаях, когда не удалось подобрать подходящий гетерогенный катализатор. Это связано с тем, что их трудно выделить из реакционной смеси. Тем не менее, хиральный катализатор на основе родия используется в промышленном синтезе леводопы[11].

Активность катализаторов[править | править исходный текст]

На активность катализаторов большое влияние оказывает присутствие посторонних примесей, которые могут увеличить, уменьшить скорость гидрирования или даже полностью его остановить. Например, всего 0,2 % примеси палладия на платиновом катализаторе с угольной подложкой деактивирует этот катализатор в реакции гидрогенолиза бензильных защитных групп и галогенов[10].

Самыми сильными ингибиторами благородных металлов являются сера и большинство серосодержащих соединений. За исключением отдельных случаев (например, использования катализатора Линдлара) их присутствие в реакционной смеси весьма нежелательно. Удаление их из среды можно провести под действием никеля Ренея, который связывает серу в виде сульфида никеля. Встряхивание или перемешивание реакционной смеси с этим катализатором делает возможным дальнейшее гидрирование в присутствии благородных металлов. Многие нуклеофилы (меркаптаны, сульфиды, цианиды, иодиды) выступают как ингибиторы по отношению к платине, палладию и родию[10].

Большую роль играет также кислотность среды: для гидрирования ароматических колец необходимо наличие кислоты, а реакции с участием никеля Ренея обычно проводят в присутствии третичных аминов или щелочей[10].

Другие условия[править | править исходный текст]

Каталитическое гидрирование проводят в присутствии 1—3 % платинового катализатора (в расчёте на массу металла). Никель Ренея используется в гораздо бо́льших количествах. Лучшие растворители для водорода (пентан, гексан) не всегда являются таковыми для остальных компонентов реакции. Растворяющая способность метанола и этанола по отношению к водороду в три раза ниже, однако они используются наиболее часто. Также в качестве растворителей для проведения гидрирования используют бензол, циклогексан, диоксан и уксусную кислоту. Вода также может быть использована для гидрирования тех веществ, которые в ней растворимы (например, кислот и их солей)[12].

На скорость реакции влияет температура, хоть это влияние не так сильно, как в случае других реакций. Повышение давления ожидаемо увеличивает скорость гидрирования. Поскольку реакция является трёхфазной, эффективным перемешиванием также не следует пренебрегать[12].

Проведение реакции[править | править исходный текст]

Для проведения реакции необходимо рассчитать количество водорода, которое необходимо затратить на гидрирование субстрата. Особенно это важно для реакций частичного гидрирования, когда требуется вовремя остановить реакцию. В точных расчётах необходимо учитывать давление пара растворителя, поскольку оно также вносит вклад в общее давление в системе. Если в качестве катализатора используются оксиды металлов, необходимо также учесть количество водорода, необходимое для их восстановления[13].

При смешивании реагентов следует аккуратно обращаться с пирофорными катализаторами: обычно раствор добавляют к катализатору, находящемуся в реакционном сосуде, а не наоборот[13].

Выделение продукта проводят фильтрованием катализатора и упариванием растворителя. Перегонка или перекристаллизация обычно приводят к чистому продукту. Если используется гомогенный катализатор, то обработка реакционной смеси более сложная и зависит от типа катализатора[13].

Стереоселективное гидрирование[править | править исходный текст]

Родиевый асимметрический катализ[править | править исходный текст]

Хиральные лиганды для асимметрического гидрирования

Первые примеры асимметрической реакции гидрирования, катализируемой комплексом родия, были опубликованы независимо Хорнером и Ноулзом в 1968 году (Нобелевская премия, 2001). Катализатор Уилкинсона, содержащий в качестве лиганда хиральный фосфин P(C6H5)(н3H7)(CH3) катализировал гидрирование некоторых алкенов с оптическим выходом в 3—15 %. Прогресс в асимметрическом гидрировании начался с открытием бидентатных хиральных фосфиновых лигандов. Так, Анри Каган[en] открыл лиганд DIOP, получаемый из винной кислоты. Родиевый комплекс с этим лигандом катализировал энантиоселективное гидрирование производных α-(ациламино)коричной кислоты до соответствующих аминокислот с энантиомерным избытком до 80 %. Позже был найден другой отличный лиганд для этой реакции — DIPAMP[en]. Поиск новых лигандов позволил наладить промышленное получения ряда природных и неприродных аминокислот с энантиомерным избытком более 90 %[14].

Примеры асимметрического гидрирования на родиевых катализаторах

При изучении области применимости данной реакции было обнаружено, что она не очень широка: необходимо, чтобы при двойной связи находилась аминогруппа и атом водорода в транс-положении, иначе невоможно добиться высокой энантиоселективности. Фенильная группа может быть заменена водородом либо углеводородным заместителем[14].

Рутениевый асимметрический катализ[править | править исходный текст]

Хиральный рутениевый катализатор

Вместе с тем разрабатывались методы энантиоселективного гидрирования, заключающиеся в использовании рутениевых катализаторов (Р. Нойори, Нобелевская премия, 2001). В частности, гидрирование α,β-ненасыщенных карбоновых кислот протекало с количественным выходом и высокой энантиоселективностью при использовании хирального фосфин-содержащего катализатора Ru(OAc)2(BINAP), при этом необходимое количество используемого катализатора было меньше количества субстрата в 100—600 раз. На основе данной реакции был разработан промышленный энантиоселективный синтез противовоспалительного препарата напроксена[15].

Асимметрическое гидрирование на рутениевом катализаторе

Подобным образом енамиды, содержащие при двойной связи донорную группировку, также подвергаются гидрированию в присутствии хиральных рутениевых катализаторов с высокой энантиоселективностью. Впоследствии такие процессы были развиты в общий асимметрический синтез алкалоидов изохинолинового ряда. Рутениевый катализ был применён также к ряду других субстратов, например, для тех же α-(ациламино)коричных кислот, гидрирование которых разрабатывалось У. Ноулзом. Интересно, что направление асимметрической индукции в данном случае оказалось противоположным тому, что наблюдалось в случае родиевого катализа. В реакцию эннатиоселективного гидрирования вступали также β-(ациламино)акриловые кислоты, аллиловые и гомоаллиловые спирты[16].

Стереоселективное гидрирование кетонов[править | править исходный текст]

Гидрирование кетонов было реализовано с использованием хиральных родиевых катализаторов и дало возможность энантиоселективно синтезировать адреналин, пантолактон и ряд бета-адреноблокаторов. Рутениевый катализ также позволяет гидрировать карбонильные соединения. Реакция требует наличия рядом с карбонильной группой какой-либо стереонаправляющей функциональной группы в α-, β- или γ-положении (диалкиламино, гидроксильной, алкоксильной, кетогруппы, сложноэфирной, карбоксильной или др.), а направление асимметрической индукции можно изменять путём смены конфигурации лиганда BINAP в рутениевом катализаторе. Наилучшими субстратами являются β-кетоэфиры. Например, реакция гидрирования метил-3-оксобутаноата даёт выход, близкий к количественному, практически 100%-ный оптический выход и позволяет проводить синтез в масштабе от 100 мг до 100 кг при весьма низкой концентрации катализатора (отношение концентраций субстрата и катализатора составляет от 1000 до 10 000)[17].

Асимметрическое гидрирование кетонов

Применение[править | править исходный текст]

Наиболее важными примерами гидрирования в промышленности являются синтез Фишера — Тропша (гидрирование оксида углерода(II) для получения метанола и углеводородов), гидрирование угля, использовавшееся во времена Второй мировой войны для получения жидкого топлива, а также гидрирование азота с образованием аммиака (процесс Габера — Боша)[1].

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. 1 2 3 Ullmann, 2012, p. 451
  2. 1 2 Hudlicky, 1984, p. 1—4
  3. 1 2 Ullmann, 2012, p. 452
  4. 1 2 3 Hudlicky, 1984, p. 4—5
  5. 1 2 Encyclopedia of Catalysis, 2002
  6. Кнунянц И. Л. и др. Т. 1 А—Дарзана // Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — С. 553—554. — 100 000 экз.
  7. 1 2 The Metal – Carbon Bond, 1987, p. 1053—1055
  8. 1 2 3 The Metal – Carbon Bond, 1987, p. 1055—1061
  9. 1 2 Ullmann, 2012, p. 452—453
  10. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Hudlicky, 1984, p. 5—11
  11. Ullmann, 2012, p. 453
  12. 1 2 Hudlicky, 1984, p. 11—12
  13. 1 2 3 Hudlicky, 1984, p. 12—13
  14. 1 2 Noyori, 1994, p. 17—28
  15. Noyori, 1994, p. 28—33
  16. Noyori, 1994, p. 33—47
  17. Noyori, 1994, p. 56—70

Литература[править | править исходный текст]

  • Gallezot P. Hydrogenation – Heterogeneous // Encyclopedia of Catalysis. — Wiley, 2002. — DOI:10.1002/0471227617.eoc114
  • Hartley F. R., Jardine F. H. 12. Mechanism of homogeneous hydrogenation // The Metal – Carbon Bond. — Wiley, 1987. — Т. Volume 4. — P. 1049—1071. — DOI:10.1002/9780470771778.ch12
  • Hudlicky M. Reductions in Organic Chemistry. — Ellis Horwood Limited, 1984.
  • Noyori R. Asymmetric Catalysis in Organic Synthesis. — Wiley, 1994. — 400 p. — ISBN 978-0-471-57267-1
  • The Handbook of Homogeneous Hydrogenation / de Vries J. G., Elsevier C. J.. — Wiley, 2007. — ISBN 9783527311613 — DOI:10.1002/9783527619382
  • Sanfilippo D., Rylander P. N. Hydrogenation and Dehydrogenation // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Wiley, 2012. — DOI:10.1002/14356007.a13_487.pub2

Ссылки[править | править исходный текст]