Химия - Получение спиртов

01 марта 2011


Оглавление:
1. Получение спиртов
2. Получение спиртов в промышленности



Спирты являются обширным и очень разнообразным классом органических соединений: они широко распространены в природе, имеют важнейшее промышленное значение и обладают исключительными химическими свойствами.

Существует огромное количество методов получения спиртов, при этом их можно разбить на две условных группы:

  • химические способы получения спиртов — синтетические спирты;
  • биохимические способы получения спиртов — биоспирты.


Химические способы получения спиртов

Занимая одну из центральных позиций в органической химии, спирты могут быть получены из множества других соединений. На практике в качестве исходных веществ для синтеза спиртов наиболее часто используют  :

  • алкилгалогениды — щелочной гидролиз или реакция с супероксидом калия;
  • алкены — кислотная гидратация, реакция гидроксимеркурирования-демеркурирования или гидроборирование с последующим окислением, а также промышленные методы оксо-синтеза;
  • карбонильные соединения — восстановление или взаимодействие с реактивами Гриньяра.

Далее в разделе будет подробно рассмотрена химия существующих методов получения одноатомных спиртов. Промышленные аспекты получения спиртов, включая биохимические методы синтеза, подробно рассмотрены в подразделе «Получение спиртов в промышленности».

Краткий обзор методов органического синтеза многоатомных спиртов будет рассмотрен в соответствующем подразделе.

Получение спиртов из галогенуглеводородов

Галогенпроизводные углеводородов под действием оснований трансформируются с образованием спиртов.

Обычно, первичные и вторичные галогенуглеводороды вступают в реакцию по одностадийному SN2 механизму. Пример — гидролиз бромэтана:
Гидролиз бромэтана

Реакции такого типа, обычно, происходят стереоспецифично — с обращением геометрической конфигурации исходного вещества. Реакционная способность алкилгалогенидов уменьшается при переходе от производных йода к производным фтора При этом фторпроизводные устойчивы к нуклеофильному замещению в обычных условиях и практически не используются для получения спиртов.

Первичные хлоралканы удовлетворительно гидролизуются под действием водного раствора щёлочи при нагревании:

\mathsf{_2CHCH_2CH_2Cl+NaOH}\xrightarrow{100^oC}\mathsf{_2CHCH_2CH_2OH+NaCl}

Для реакций, протекающих по SN2 механизму, используют только полярные растворители, причем скорость превращения возрастает при использовании вместо протонных растворителей апротонные; при этом в апротонных растворителях нуклеофильность уходящих групп будет иной:

\mathsf{Cl^->Br^->I^-}

Третичные и в меньшей степени вторичные галогенуглеводороды гидролизуются по двухстадийному SN1 механизму:

Гидролиз трет-бутилбромида

Реакция, протекающая по SN1 механизму проводят в полярных протонных растворителях, чаще всего воде или водном растворе метилового или этилового спирта.

Из-за устойчивости карбкатиона по такому механизму гидролизуются галогеналкены:

\mathsf{CH_2Cl\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH_2+H_2O}\rightarrow\mathsf{CH_2OH\!\!-\!\!CH\!\!=\!\! CH_2+HCl}

Так как в процессе реакции образуется карбкатион, его атака нуклеофилом может происходить с обеих сторон, что приводит к рацемизации образующегося продукта.

Для высокореакционных реагентов используют мягкое замещение с использованием соединений одновалентного серебра или двухвалентной ртути:

Мягкое замещение с использованием соединений одновалентного серебра

\mathsf{C_6H_{13}\!\!-\!\!CHBr\!\!-\!\!CH_3+H_2O}\ \xrightarrow{Hg_2}\ \mathsf{C_6H_{13}\!\!-\!\!CH\!\!-\!\!CH_3\ _{}+HBr}

В современной лабораторной практике описанные выше реакции сольволиза проводят достаточно редко, так как спирты — более доступные полупродукты — являются исходным объектом для синтеза галогенпроизводных. Кроме того, следует помнить, что помимо изменения стереохимии исходных компонентов, реакции замещения конкурируют с элиминированием, а также перегруппировками, что часто приводит к нежелательным продуктам:

\mathsf{CH_3\!\!-\!\!C_2\!\!-\!\!Br}\xrightarrow{H_2O}\mathsf{CH_3\!\!-\!\!C_2\!\!-\!\!OH\ _{}+CH_3\!\!-\!\!C\!\!=\!\!CH_2\ _{}+HBr}

\mathsf{CH_3\!\!-CHCl\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH_2+H_2O}\rightarrow\mathsf{CH_3\!\!-\!\!CH\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH_2+CH_3\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!CH_2OH+HCl}

В то же время существует достаточно новый метод превращения в спирты алкилгалогенидов действием на последние супероксида калия в среде диметилсульфоксида в присутствии 18-краун-6 полиэфира, при этом происходит практически полное геометрическое обращение:

Гидролиз алкилгалогенидов с применением суперокисда калия

Получение спиртов из алкенов

Гидратация алкенов

Кислотная гидратация алкенов историческим была первым синтетическим методом получения спиртов.

Общий механизм процесса представлен ниже:

\mathsf{H_2O+HX}\rightarrow\mathsf{H_3O^++X^-}

\mathsf{R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH_2+H_3O^+}\rightleftarrows\mathsf{+H_2O}\rightarrow\mathsf{R\!\!-\!\!CH\!\!-\!\!CH_3+H^+}

Присоединение происходит по правилу Марковникова.

В случае использования серной кислоты в качестве катализатора промежуточным продуктом является эфир серной кислоты-CH3), который в условиях реакции полностью гидролизуется до спирта.

Для проведения реакции кроме серной кислоты используют и другие реагенты: смесь муравьиной и каталитического количества серной кислоты, смесь муравьиной и хлорной кислоты, трифторуксуную кислоту и др.

Реакции вторичных алкенов, вследствие перегруппировок карбокатионов, часто приводят к образованию смеси продуктов, что затрудняет их использование для получения вторичных спиртов:

\mathsf{CH_3_3CH\!\!=\!\!CH_2+H_2O}\ \xrightarrow{HCOOH,\ HClO_4}\ \ \mathsf{CH_3_3CHCH_3+CH_3_2CHCH_2CH_3}

В лабораторной практике метод кислотной гидратации применим весьма ограниченно как из-за перспективы получения смеси продуктов, так и низких выходов. Чаще его используют для получения третичных спиртов, но и в этом случае выход, обычно, не превышает 40-45 %:

\mathsf{_2C\!\!=\!\!CH_2+H_2O}\ \xrightarrow{65% H_2SO_4}\ \ \mathsf{_2CCH_3}\ _{}

Кислотная гидратация

В промышленности, помимо жидкофазной используют прямую газофазную гидратацию алкенов. В качестве катализаторов используется фосфорная кислота на твердом носителе при 200—300 °C и давлении 2-8 МПа; при этом выход спиртов достигает 95 %:

\mathsf{CH_2\!\!=\!\!CH_2+H_2O}\ \xrightarrow{H_3PO_4/SiO_2}\ \ \mathsf{CH_3CH_2OH}

\mathsf{CH_3CH\!\!=\!\!CH_2+H_2O}\ \xrightarrow{H_3PO_4/SiO_2}\ \ \mathsf{CH_3CHCH_3}

Гидроксимеркурирование-демеркурирование алкенов

Метод получения спиртов гидроксимеркурированием-демеркурированием алкенов имеет ряд важных преимуществ перед реакцией кислотного гидролиза:

  • отсутствие перегруппировок для склонных для этого субстратов;
  • анти-стереоспецифичность для нормальных алкенов за исключением особых случаев пространственного затруднения;
  • лучшие выходы;
  • строгая ориентация по правилу Марковникова.

Механизм реакции выглядит следующим образом:

Механизм гидроксимеркурирования-демеркурирования алкенов

Присоединение ацетата ртути к алкену происходит по электрофильному механизму, а демеркурирование имеет радикальную природу; так как последняя стадия не обладает высокой стереоселективностью, то и весь процесс не стереоспецифичен в строгом смысле.

Синтез спиртов гидроксимеркурированием-демеркурированием алкенов протекает в мягких условиях, с выходами близкими к количественным и практически без образования побочных продуктов; при этом промежуточное ртутьорганическое соединение не требует выделения — все стадии реакции протекают в один за другим.

Практические примеры использования реакции:

\mathsf{CH_3_3CH\!\!=\!\!CH_2}\ \xrightarrow{1)\_2Hg,;\ THF-H_2O;\ 20^oC }\ \ \mathsf{CH_3_3CHCH_3}\ _{}

\mathsf{C_6H_5\!\!-\!\!C\!\!=\!\!CH_2}\ \xrightarrow{1)\_2Hg,;\ THF-H_2O;\ 20^oC }\ \ \mathsf{C_6H_5\!\!-\!\!C\!\!-\!\!CH_3}\ _{}

\mathsf{_3C\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH_2}\ \xrightarrow{1)\_2Hg,;\ THF-H_2O;\ 20^oC }\ \ \mathsf{_3C\!\!-\!\!CH\!\!-\!\!CH_3}\ _{} Присоединение воды к нонборнену

Гидроборирование алкенов с последующим окислением

Присоединение гидридов бора к алкенам и последующее их расщепление в щелочной среде, открытое Г. Брауном в 1958 году, является столь важной реакцией, что за ее обнаружение и изучение в 1979 году ученый был удостоен Нобелевской премии по химии.

Присоединение происходит многоступенчато с образованием промежуточного циклического активированного комплекса, причем присоединение бора происходит против правила Марковникова — к наиболее гидрогенизированному атому углерода:

Присоединение борана к алкенам

В синтезе используется, обычно, не собственно диборан, а его донорно-акцептоный комплекс с простым эфиром; а сам диборан получают реакцией борогидрида натрия с трифторидом бора в среде тетрагидрофурана:

\mathsf{3NaBH_4+4BF_3\cdotO}\rightarrow\mathsf{2B_2H_6+3NaBF_4+4O}

Образование ДАК

Алкилбораны легко расщепляются под действием пероксида водорода в щелочной среде, образуя спирты:

Расщепление алкилборана

Реакция гидроборирования является реакцией син-присоединения — ее результатом становятся цис-аддукты.

Данный метод имеет широкое препаративное значение. Например, алкены с концевой двойной связью дают первичные спирты с выходами 80-90 %. Примеры практического использования метода:

\mathsf{RCH\!\!=\!\!CH_2}\ \xrightarrow{B_2H_6}\ \ \mathsf{RCH_2\!\!-\!\!CH_2OH}\ _{}+\mathsf{RCH\!\!-\!\!CH_3}\ _{}

\mathsf{C_6H_5CH\!\!=\!\!CH_2}\ \xrightarrow{B_2H_6}\ \ \mathsf{C_6H_5CH_2\!\!-\!\!CH_2OH}\ _{}+\mathsf{C_6H_5CH\!\!-\!\!CH_3}\ _{}

\mathsf{_2CHCH\!\!=\!\!CHCH_3}\ \xrightarrow{B_2H_6}\ \ \mathsf{_2CHCH_2CHCH_3}\ _{}+\mathsf{_2CHCHCH_2CH_3}\ _{}

Пример синтеза бициклических терпеновых спиртов:

Синтез бициклических терпеновых диолов

Для повышения селективности реакции гидроборирования используют замещенные, пространственно затрудненные бораны:

Тексилборан
2,3-диметилбутил-2-боран
Дисиамилборан
бис-боран
9-ББН
9-борабициклононан
Диизопинокамфеилборан
3-дипинанилборан
\mathsf{CH_3CHC_2BH_2}
Дисиамилборан
9-ББН
Диизопинокамфеилборан

Использование, например, в реакции со стиролом дисиамилборана повышает выход первичного спирта с 80 % до 98 %:

\mathsf{C_6H_5CH\!\!=\!\!CH_2}\ \xrightarrow{DIAB}\ \ \mathsf{C_6H_5CH_2\!\!-\!\!CH_2OH}\ _{}+\mathsf{C_6H_5CH\!\!-\!\!CH_3}\ _{}

Высокая селективность указанных выше производных борана позволяет избирательно вступать в реакцию с цис-изомером, находящемся в смеси транс-изомером или гидроборировать одну двойную связь из двух имеющихся в молекуле алкена, например:

\mathsf{CH_2\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!_3\!\!-\!\!C\!\!=\!\!CH_2}\ \xrightarrow{_2BH}\ \ \mathsf{HOCH_2\!\!-\!\!CH_2\!\!-\!\!_3\!\!-\!\!C\!\!=\!\!CH_2}

Гидроборирование алкенов с последующим присоединением окиси углерода

Одним из лучших способов получения третичных спиртов является присоединение к окиси углерода к алкилборанам. Реакция легко протекает при обычном давлении и температуре около 125 °C, в качестве растворителя используется диглим:

\mathsf{3RCH\!\!=\!\!CH_2+BH_3^-O^+_2}\rightarrow\mathsf{_3B+O_2}

\mathsf{_3B+CO}\xrightarrow{125^oC}\mathsf{}\rightarrow\mathsf{}\rightarrow

\rightarrow\mathsf{}\xrightarrow{H_2O_2}\mathsf{_3COH+Na}

Этот метод дает неплохие выходы со многими алкенами:

\mathsf{CH_3CH\!\!=\!\!CHCH_3}\xrightarrow{1)\ B_2H_6;\ 2)\ CO}\mathsf{-)_3COH}\ _{}

Синтез третичных спиртов присоединением CO к боранам

Если данную реакцию проводить в присутствии водного раствора щелочи, получаются вторичные спирты:

\mathsf{CH_3CH\!\!=\!\!CHCH_3}\xrightarrow{1)\ B_2H_6;\ 2)\ CO;\ NaOH+H_2O}\mathsf{-)_2CHOH}

Гидроформилирование алкенов

Широко используемая в промышленности классическая реакция гидроформилирования алкенов, то есть каталитического присоединение к ним водорода и монооксида углерода с получением на выходе альдегидов, может быть проведена таким образом, что продуктом её реакции сразу будут спирты без выделения промежуточных карбонильных соединений Это метод иногда называют восстановительным гидроформилированием.

\mathsf{RCH\!\!=\!\!CH_2+CO+2H_2}\xrightarrow{Co_2_8}\mathsf{RCH_2CH_2CH_2OH+RCHCH_3}

Катализирует реакцию координационно ненасыщенный гидрокарбонил кобальта, образующийся в ходе реакции:

\mathsf{Co_2_8+H_2}\rightleftarrows\mathsf{2HCo_4}

\mathsf{HCo_4}\rightleftarrows\mathsf{HCo_3+CO}

Цикл синтеза спирта на основе CO

Для получения спиртов в одну стадию в качестве катализаторов используют карбонилы кобальта, модифицированные фосфинами, что помимо более активного гидрирования, позволяет добиться существенно более высокой селективности выхода нормальных продуктов вследствие стерического эффекта объемного фосфинового лиганда в переходном состоянии.

Получение спиртов из простых эфиров и спиртов

Реакция гомологизации спиртов

Гомологизация, то есть превращение органического соединения в свой гомолог путём внедрения одной или нескольких метиленовых групп, для спиртов была впервые осуществлена в 1940 году — на основе метанола каталитическим путём под воздействием высокого давления был синтезирован этанол:

\mathsf{CH_3OH+CO+2H_2}\ \xrightarrow{Co_2_8}\ \ \mathsf{CH_3CH_2OH+H_2O}

Реакция гомологизации по своему механизму близка реакции гидроформилирования алкенов и в настоящее время с помощью модифицированных катализаторов кобальта и рутения и добавления йодид-ионов в качестве промоторов удаётся добиться 90 % выхода по этанолу.

Исходный метанол также получают из окиси углерода, так что общая схема выглядит следующим образом:

\mathsf{C+H_2O}\rightarrow\mathsf{CO+H_2}\rightarrow\mathsf{CH_3OH}\ \xrightarrow{CO\ +\ H_2}\ \ \mathsf{CH_3CH_2OH}

Побочными продуктами реакции в случае синтеза этанола будут ацетальдегид, этилен и диэтиловый эфир.

Реакция Гербе

Реакция Гербе представляет собой высокотемпературный процесс каталитической конденсации первичных алифатических спиртов, не имеющих разветвления в α-положении, по следующей схеме:

\mathsf{2RCH_2CH_2OH}\rightarrow\mathsf{RCH_2CH_2CHCH_2OH}

В качестве катализаторов используют сложную смесь на основе никеля Ренея, меди, солей железа и других компонентов.

Предполагаемый условный механизм реакции:

\mathsf{2RCH_2CH_2OH}\rightarrow\mathsf{2RCH_2CH_2CHO+H_2}

\mathsf{2RCH_2CH_2CHO}\rightarrow\mathsf{RCH_2CH\!\!=\!\!CCHO+H_2O}

\mathsf{RCH_2CH\!\!=\!\!CCHO+H_2}\rightarrow\mathsf{RCH_2CH_2CHCH_2OH}

или

\mathsf{RCH_2CH\!\!=\!\!CCHO+2RCH_2CH_2OH}\rightarrow\mathsf{RCH_2CH_2CHCH_2OH+2RCH_2CHO}

Реакция имеет оганиченное применение как из-за жестких условий её проведения и относительно низкого выхода, так и образования кислоты и альдегида в качестве побочного продукта.

Кислотное расщепление простых эфиров

В лабораторной практике подобный способ получения спиртов крайне редок, так как именно спирты служат исходным компонентом для синтеза простых эфиров. Вместе с тем, если в качестве исходного объекта выбран, скажем природный простой эфир сложной структуры, его лабораторное расщепление до исходного спирта может оказаться востребованным. Кроме того, в некоторых случаях для защиты гидроксильной группы в процессе многоступенчатого синтеза, её могут перевести в эфирную и вводить в реакцию уже простой эфир. По окончании процесса для обратного превращения соединения в спирт может потребоваться расщепление эфира.

Обычно реакцию проводят нагреванием эфира и концентрированного раствора бромоводородной или йодоводородной кислоты, при этом расщепление может осуществляться как по механизму SN1, так и SN2:

SN1 механизм расщепления простых эфиров
SN2 механизм расщепления простых эфиров

Если в реакцию вступают несиметричные эфиры, в результате получаются два спирта и два галогенпроизводных, однако если эфир метиловый, продуктом реакции будет спирт и метилиодид или метилбромид:

Расщеплениебензола

Для расщепления эфиров могут использоваться также кислоты Льюиса: BF3, BCl3, AlCl3 и др, а также сильные органические кислоты. Например, расщепление трет-бутилциклогексилового эфира трифторуксуной кислотой происходит по механизму SN1 с образованием циклогексанола и 2-метилпропена:

Расщепление трет-бутилциклогексилового эфира

Перегруппировка Виттига

Простые эфиры под действием фениллития перегруппировываются в спирты:

Перегруппировка Виттига

Реакция представляет собой карбанионную перегруппировку, которая осуществляется через радикальный механизм расщепления-рекомбинации:

Перегруппировка Виттига — механизм

Говоря о стереохимии перегруппировки Виттига, следует отметить, что образование новой C-C связи происходит настолько быстро, что радикал R не успевает инвертироваться, поэтому обычно, реакция протекает с сохранением исходной конфигурации. Изучение перегруппировки на примере β-алкоксиалкилаллиловых эфировCH_2\!\!-\!\!O\!\!-\!\!CH_2CH\!\!=\!\!CH_2}" src="//upload.wikimedia.org/math/7/f/b/7fb9712f193327c6b297e3b01f2d7f70.png" />) показало, что в результате реакции с выходом 14-32 % образовывались син-1,3-диол производные с селективностью 90-95 %.

Перегруппировка Виттига может осуществляться не только с помощью алкил- или ариллитиевых соединений, но и под действием других сильных оснований; например, следующая реакция протекает в жидком аммиаке в присутствии амида калия:

Синтез 9,10-дигирофенантрен-9-ола

Для аллильно-замещенных субстратов-перегруппировка конкурирует с-перегруппировкой, которую можно наблюдать практически полностью независимо при низких температурах:

2,3 перегруппировка Виттига

Получение спиртов из альдегидов и кетонов

В данном разделе помимо получения собственно спиртов из альдегидов и кетонов приведены синтезы гидроксикарбонильных соединений. Это связано с тем, что приведенные реакции являются мощными препаративными методами и широко используются на практике.

Этинилирование карбонильных соединений

Важным методом получения ацетиленовых спиртов является реакция Фаворского, иначе говоря, реакция этинилирования карбонильных соединений:

\mathsf{RC}\!\!\equiv\!\!\mathsf{CH+CH_2O}\rightarrow\mathsf{RC}\!\!\equiv\!\!\mathsf{C\!\!-\!\!CH_2OH}

\mathsf{HC}\!\!\equiv\!\!\mathsf{CH+2CR_2O}\rightarrow\mathsf{HOCR_2\!\!-\!\!C}\!\!\equiv\!\!\mathsf{C\!\!-\!\!CR_2OH}

В реакцию вступают незамещенные алкины, кетоны и некоторые альдегиды в присутствии оснований при температуре от −70 до +40 °C, давлении 0,4-0,9 МПа.

Механизм данной реакции связан с нуклеофильным присоединеним этинильного карбаниона к карбонильной группе:

Механизм реакции этинилирования

Примеры реакций:

\mathsf{HC}\!\!\equiv\!\!\mathsf{CH+CH_3CHO}\rightarrow\mathsf{CH_3CHC}\!\!\equiv\!\!\mathsf{CH}\ _{}

\mathsf{HC}\!\!\equiv\!\!\mathsf{CH+2RR'C\!\!=\!\!O}\rightarrow\mathsf{RR'CC}\!\!\equiv\!\!\mathsf{CRR'}\ _{}

Существуют, по-меньшей мере, две модификации этого метода:

  • Реакция Реппе — конденсация алкинов с альдегидами или кетонами в присутствии каталитических количеств ацетиленидов меди, серебра или ртути.
  • Реакция Нефа — реакция с последующим гидролизом ацетиленидов щелочных металлов с кетонами, включая α,β-непредельные и ароматические карбонильные соединения.

Взаимодействие альдегидов с аллилборанами

Современным методом получения аллильных спиртов заданной конфигурации является применение в качестве агента аллилборана, который реагирует с альдегидами в присутствии оснований по следующей схеме:

\mathsf{RCHO+CH_2CH\!\!=\!\!CHCH_2\!\!-\!\!BX_2}\rightarrow\mathsf{RCHCH_2CH\!\!=\!\!CH_2}

Реакция была использована, в частности, в качестве базовой для полного синтеза ряда природных соединений и их аналогов, например, феромонов короеда:

Ипсенол Ипсдиенол
Ипсенол Ипсдиенол

Существуют различные методики этой реакции, среди которых:

  • Присоединение кротилборана к альдегидам:

Присоединение кротилборана к альдегидам

Если в реакцию вступают цис-алкены, в основном, будут образовываться син-продукты присоединения.

Другим удобным агентом, реагирующим по данной схеме является аллилборный эфир винной кислоты.

  • Региоселективный синтез линейных или разветвленных аллиловых спиртов:

Региоселективный синтез линейных или разветвленных аллиловых спиртов

Как видно из схемы, меняя температуру реакции, можно вызвать миграцию атома бора к соседнему углероду, получив тот или иной изомерный спирт.

Реакция Сакураи

Другой способ аллилирования, заключающийся в электрофильном взаимодействии аллилсиланов с различными соединениями в присутствии кислот Льюиса носит название реакции Сакураи. С точки зрения получения спиртов, существуют две модификации подобного синтеза:

  • Реакция с карбонильными соединениями с получением вторичных или третичных спиртов:

\mathsf{RCOR'+CH_2\!\!=\!\!CHCH_2Si_3}\ \xrightarrow{Lewis\ acid}\ \mathsf{RR'CCH_2CH\!\!=\!\!CH_2}

  • Реакция с эпоксидами с получением вторичных спиртов:

\mathsf{O+CH_2\!\!=\!\!CHCH_2Si_3}\ \xrightarrow{Lewis\ acid}\ \mathsf{RCHCHCH_2CH\!\!=\!\!CH_2}

В качестве катализаторов реакции могут выступать: TiCl4, BF3, SnCl4 и пр.

Пример практического использования реакции Сакураи:

Пример препаративного использования реакции Сакураи

Реакция Бэйлиса-Хиллмана-Морита

Традиционная реакция Бэйлиса-Хиллмана-Морита представляет собой метод получения аллиловых кетоспиртов взаимодействием альдегидов с метилвинилкетонами или другими активированными алкенами в присутствии третичных фосфинов и каталитических количеств фенола или его производных. Впоследствии реакция была несколько модифицирована: в качестве катализатора стали использовать третичные амины:

Реакция эйлиса-Хиллмана-Морита

Предположительно, механизм реакции выглядит следующим образом:

Механизм реакции Бэйлиса-Хиллмана-Морита

Реакция Нозаки-Хияма-Киши

Реакция Нозаки-Хияма-Киши представляет собой современный метод получения спиртов селективным восстановительным сочетанием альдегидов с винил- или аллилгалогенидами в присутствии хром-никелевого катализатора:

\mathsf{R'\!\!-\!\!CHO+R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CHBr}\ \xrightarrow{CrCl_2,\ NiBr_2}\ \mathsf{R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!CHR'}

Каталитический цикл реакции выглядит следующим образом:

Реакция Нозаки-Хияма-Киши — каталитический цикл

Каталитическое сочетание альдегидов с аллиловыми спиртами и их производными

Аналогом синтетического метода, рассмотренного в предыдущем подразделе, является реакция сочетания альдегидов с аллиловыми спиртами и их производными в присутствии катализаторов. В научной литературе описано множество лабораторных методик осуществления подробного синтеза с примененением органических соединений кремния, олова, хрома, лития, рутения, палладия, цинка, титана, циркония и других металлов.

Приведём некоторые характерные примеры использования этого метода на практике:

  • Реакция аллилацетата с альдегидами в присутствии солей рутения:

Реакция аллилацетата с альдегидами в присутствии солей рутения

  • Реакция аллилового спирта с алифатическими альдегидами в присутствии палладиевого катализатора:

Реакция аллилового спирта с алифатическими альдегидами в присутствии палладиевого катализатора

  • Реакция аллилтрибутилстанната с альдегидами в присутствии рениевого комплекса:

Реакция аллилтрибутилстанната с альдегидами в присутствии рениевого комплекса

Более подробно о современных методах получения спиртов реакцией аллиловых спиртов и их производных с карбонильными соединениями можно прочитать в монографии: Junzo Otera. Modern Carbonyl Chemistry — Wiley-VCH, Weinheim, 2000—613 Pages — ISBN 978-3-527-29871-6.

Реакция Канниццаро

Реакция Канниццаро представляет собой оксилительно-восстановительное диспропорционирование альдегидов в первичные спирты и карбоновые кислоты под действием оснований:

\mathsf{2R\!\!-\!\!CHO}\ \xrightarrow{OH^-}\ \mathsf{R\!\!-\!\!CH_2OH+R\!\!-\!\!COOH}

На первом этапе реакции происходит нуклеофильное присоединение основания к карбонильному углероду альдегида. Образующийся анион депротонируется с образованием промежуточного дианиона, который затем вступает в реакцию с молекулой альдегида: Реакция Канниццаро

В реакцию Канниццаро вступают альдегиды, не способные к енолизации, поскольку для последних преобладающей будет альдольная конденсация. Например, в известном примере с бензальдегидом, выход бензилового спирта может достигать 90 %:

\mathsf{2C_6H_5\!\!-\!\!CHO}\ \xrightarrow{NaOH}\ \mathsf{C_6H_5\!\!-\!\!CH_2OH+C_6H_5\!\!-\!\!COOH}

Чаще реакция Канниццаро используется для синтеза ароматических и гетероароматических спиртов.

Для повышения реакционного диапазона используемых альдегидов и увеличения выхода спиртов на практике используется перекрестная реакция Канниццаро, то есть использование двух различных альдегидов, причем в качестве альдегида-восстановителя обычно используется формальдегид, который в ходе реакции окисляется в муравьиную кислоту:

\mathsf{R\!\!-\!\!CHO+HCHO}\rightarrow\mathsf{R\!\!-\!\!CH_2OH+HCOOH}

В настоящее время существуют более эффективные синтетические методы, поэтому полезность реакции Канниццаро ограничена, как правило, диспропорционированием кетоальдегидов в гидроксикарбоновые кислоты:

\mathsf{R\!\!-\!\!CO\!\!-\!\!CHO}\ \xrightarrow{OH^-}\ \mathsf{R\!\!-\!\!CHCOOH}

Циангидринный синтез

Карбонильные соединения, особенно альдегиды и стерически не затруднённые кетоны, легко вступают в реакции нуклеофильного присоединения c цианистым водородом с образованием циангидринов:

\mathsf{R\!\!-\!\!CO\!\!-\!\!R+HCN}\rightarrow\mathsf{R\!\!-\!\!C\!-\!\!R}

Для ароматических кетонов вместо HCN используют цианид диэтилалюминия 2AlCN или цианотриметилсилан 3SiCN, продукт присоединения которого затем гидролизуется до циангидрина:

\mathsf{Ar\!\!-\!\!CO\!\!-\!\!R+_3SiCN}\rightarrow\mathsf{Ar\!\!-\!\!C_3)\!-\!\!R}\rightarrow\mathsf{Ar\!\!-\!\!C\!-\!\!R}

Далее при необходимости циангидрин легко гидролизуется до гидроксикислоты или восстанавливается в аминоспирт:

\mathsf{R\!\!-\!\!C\!-\!\!R+2H_2O+H^+}\rightarrow\mathsf{R\!\!-\!\!C\!-\!\!R+NH_4^+}

\mathsf{R\!\!-\!\!C\!-\!\!R}\ \xrightarrow{LiAlH_4}\ \mathsf{R\!\!-\!\!CCH\!-\!\!R}

Альдольная конденсация

Альдольная конденсация — это одна из старейших реакций органического синтеза, в которой две молекулы альдегида или кетона под действием основания или кислоты соединяясь, образуют кетоспирты или альдоли:

Альдольное присоединение

Возможны два механизма этой реакции: щелочной или кислотный, однако с точки зрения синтеза спиртов, последний менее предпочтителен, так как часто реакция не останавливается на стадии спирта а протекает дальше с дегидратацией и образованием непредельных карбонильных соединений.

Механизм конденсации, происходящий под действием основания, следующий:

Механизм альдольной конденсации

Для проведения конденсации, как видно из её механизма, необходимо, чтобы хотя бы одна из молекул содержала водород в α-положении к карбонильной группе. Обычно, для отрыва этого атома водорода силы гидроксид-иона бывает достаточно, но в отдельных случаях используют и более сильные основания, например — бутиллитий.

Возможны пять комбинаций протекания альдольной конденсации:

  • Взаимодействие двух молекул одного альдегида: реакция легко осуществима и приводит к одному продукту, однако из-за электроноакцепторного эффекта альдегидной группы, использование их для синтеза спиртов не эффективно из-за обычно преобладающего расщепления образующегося альдоля до непредельного альдегида, например:

\mathsf{2CH_3CHO}\rightarrow\mathsf{CH_3CH\!\!=\!\!CHCHO}

  • Взаимодействие двух молекул различных альдегидов: теоретически реакция может привести к четырем разным продуктам, но если один из альдегидов не будет содержать α-карбонильный водород, возможно осуществление только перекрестной реакции;
  • Взаимодействие двух молекул одного кетона: реакция сильно смещена влево, поэтому для её проведения либо пользуются специальным оборудованием, позволяющим фактически удалять из реакционной зоны продукт реакции или использовать в качестве основания особые реагенты;
  • Взаимодействие двух молекул разных кетонов: применяется довольно редко и в случаях, когда один из кетонов не содержит α-карбонильный водород;
  • Взаимодействие одной молекулы альдегида с одной молекулой кетона: чаще всего в качестве альдегида используют формальдегид, который даёт один продукт конденсации. Другой вариант — использование не самого кетона, а его енольной формы, например в виде литиевой соли или силилового эфира.

Кроме собственно альдегида, возможно использование имина и диизопропиламида лития в качестве основания:

Модифицированная альдольная реакция

Разновидностью альдольной реакции является реакция Мукаямы, в которой используются силиленольные эфиры:

Реакция Мукаямы

Бензоиновая конденсация

Бензоиновая конденсация представляет собой обратимое образование из альдегидов под действием цианид-ионов CN α-оксикетонов с общей формулой —СR—СО—:

Бензоиновая конденсация

В этой реакции на первом этапе цианид анион вступает в реакцию нуклеофильного присоединения с альдегидом. Перегруппировка образующегося интермедиата в карбанион завершается дальнейшим присоединением второй карбонильной группы также по нуклеофильному механизму. Завершает реакцию переноса протона и отщепление цианидной группы с образованием бензоина в качестве конечного продукта.

Реакция Иванова

Реакция Иванова представляет собой метод получения β-гидроксикарбоновых кислот общей формулой —CR—CR1— из карбонильных соединений и реактивов Иванова: магнийгалогенпроизводных солей арилуксусных кислот. Например:

\mathsf{R\!\!-\!\!CO\!\!-\!\!R+MgCl^+}\rightarrow\mathsf{}\rightarrow\mathsf{Ar\!\!-\!\!CR\!\!-\!\!CHROH}

При необходимости оксикислота может быть легко превращена в соответствующий спирт методом декарбоксилирования.

Получение спиртов из карбоновых кислот и сложных эфиров

Гидролиз сложных эфиров карбоновых кислот

Ацилоиновая конденсация

Ацилоиновая конденсация

Декарбонилирование карбоновых кислот

Получение спиртов восстановлением эпоксидов и карбонильных соединений

Восстановление эпоксидов гидридами металлов

Восстановление карбонильных соединений гидридами металлов

Восстановление карбонильных соединений по реакции Меервейна-Пондорфа-Верлея

Восстановление карбонильных соединений органическими реагентами

Восстановление ароматических кетонов щелочными металлами

Восстановление карбоновых кислот и сложных эфиров по методу Буво-Блана

Восстановление по Буво-Блану

Восстановление хлорангидридов карбоновых кислот

Каталитическое гидрирование карбонильных соединений

Получение спиртов с использованием металлорганических соединений

Присоединение реактивов Гриньяра к эпоксидам

Присоединение реактивов Гриньяра к альдегидам или кетонам

Реакция Гриньяра

Присоединение реактивов Гриньяра к сложным эфирам или ацилгалогенидам

Получение спиртов окислительными методами

Окисление алканов и циклоалканов

Окисление алкенов

Озонолиз алкенов с последующим восстановлением

Реакция Циглера

Является методом синтеза высших спиртов при помощи алюминийорганических соединений. Алюминийорганические соединения легко могут быть получены из олефинов в присутствии водорода. Данным методом можно получать чистые первичные спирты

\mathsf{RCH\!\!=\!\!CH_2}\ \xrightarrow{H_2,\ AlR_3}\ \mathsf{RCH_2CH_2\!\!-\!\!AlR_2}\ \xrightarrow{O_2}\ \mathsf{RCH_2CH_2\!\!-\!\!O\!\!-\!\!Al_2}\ \xrightarrow{H_2O}\ \mathsf{RCH_2CH_2OH}

Окисление реактивов Гриньяра

Окисление реактивов Гриньяра

Окисление Тамао-Кумада-Флеминга

Прочие методы получения спиртов

Гидролиз эфиров неорганических кислот

Диазотирование первичных алифатических аминов

Реакция Демьянова

Реакция Фриделя-Крафтса

Реакция Фриделя-Крафтса с участием окиси этилена

Восстановление сложных эфиров тиокислот

Реакция Кулинковича

Краткий обзор методов органического синтеза многоатомных спиртов

Получение 1,2-диолов гидратацией эпоксидов

Получение 1,2-диолов конденсацией карбонильных соединений

Получение 1,2-диолов цис-дигидроксилированием алкенов

Получение 1,2-диолов транс-дигидроксилированием алкенов

Получение 1,3-диолов по реакции Принса

Получение многоатомных спиртов по реакции Толленса



Просмотров: 21250


<<< Пропиловый спирт