Восстановление оловом и хлоридом олова (II) в кислой среде

Восстановление оловом и хлоридом олова — простой и давно известный способ восстановления нитро-, нитрозо-, гидроксиамино-, азо- и диазо- групп. Он широко применяется в лабораторной практике, но не в промышленности (по экономическим соображениям). Легкость протекания восстановления оловом в солянокислой среде используется при качественном анализе ароматических нитросоединений.

Механизм восстановления нитрогрупп металлами аналогичен механизму восстановления карбонильных соединений.

Восстановление нитросоединений металлами в кислой среде идет с образованием, прежде всего, нитрозогруппы, затем замещенного гидроксиламина и амина:

Вследствие более высокой активности уловить промежуточные вещества во время восстановления, как правило, не удается.

Восстановление оловом особенно удобно для превращения ароматических нитросоединений (а также нитрозосоединений и замещенных гидроксиламинов) в амины, которые находят широкое применение в качестве промежуточных продуктов при синтезе фармацевтических препаратов.

Уравнение процесса:

Образующийся первоначально хлорид олова (II) может взаимодействовать с нитросоединениями в качестве восстановителя:

Для осуществления процесса восстановления к раствору, эмульсии или суспензии нитросоединения в концентрированной соляной кислоте, взятой в небольшом избытке, добавляют порциями гранулированное олово. Одновременная загрузка большого количества олова может привести к выбросу реакционной массы, поэтому, после загрузки первой порции олова, ее осторожно нагревают и затем, как правило, ведут реакцию, поддерживая спокойное кипение реакционной массы до получения прозрачного раствора. Затем горячий раствор быстро фильтруют от не прореагировавшего олова. Фильтрат, содержащий амин в виде комплексной соли с хлоридами олова, подщелачивают аммиаком или щелочью. Если продукт реакции перегоняется с водяным паром, то его отгоняют прямо из реакционной массы. В других случаях амин экстрагируют подходящим растворителем.

Восстановление хлоридом олова(II) позволяет оказать более сильное и специфическое восстанавливающее действие и часто дает лучшие результаты, чем восстановление металлическим оловом.

Хлорид олова(II) восстанавливает нитро - и азосоединения до аминов, соли диазония до арилгидразина, избирательно восстанавливает нитрогруппы в полинитро-, гетероциклических и галогеннитросоединениях:

Наиболее отчетливо избирательность восстановления проявляется в 2,4-динитро-трехзамещенных производных бензола. Так, в 2,4-динитротолуоле хлорид олова восстанавливает нитрогруппу в положении 2, практически не затрагивая нитрогруппу в положении 4.

Метод позволяет вести восстановление в гомогенной среде, т.к. хлорид олова растворяется в воде и в этиловом спирте. Благодаря этому восстановление идет быстро, с хорошими выходами и при низких температурах, хотя реакцию можно вести и при температуре кипения. Проведение восстановления хлоридом олова не вызывает особых затруднений и в основном не отличается от методики восстановления. Порядок загрузки реагентов

Регенерацию олова лучше всего осуществлять электрохимическим методом. Этот способ позволяет вернуть в цикл практически все олово. В лабораторной практике иногда пользуются осаждением олова в виде нерастворимого сульфида при пропускании сероводорода через реакционную массу.

Восстановление цинком

Восстановление цинком в промышленности проводят как в кислой, так и щелочной среде. Для восстановления используют также амальгаму цинка.

В промышленности цинком в кислой среде восстанавливают:

а) карбонильные соединения до спиртов. При этом альдегиды реагируют легче, чем кетоны

б) аренсульфохлориды до тиофенолов

в) двойную связь в α,β-ненасыщенных карбонильных соединениях до насыщенных карбонильных соединений

В синтезе сарколизина этот метод применяют для восстановления двойной связи в α,β-положении «азлактона», используя цинковую пыль в солянокислой среде, после чего образующейся бензоилсарколизин гидролизуют:

 

г) нитро-, нитрозо- и другие азотсодержащие группы до соответствующих аминов, что имеет наибольшее практическое значение

В качестве примера можно привести превращение азометина во вторичный амин цинком в среде уксусной кислоты в синтезе дикаина:

Восстановление нитро-, нитрозо- и азогрупп в среде муравьиной кислоты может сопровождаться формилированием образующегося амина (синтез производных пурина — теофилина, теобромина, кофеина, меркаптопурина и др.):

Цинк в щелочной среде восстанавливает:

а) карбонильные соединения до спиртов, как, например, в одном из методов синтеза димедрола при получении бензгидрола:

б) г алогениды до углеводородов (получение 2-амино-4-метилпиримидина в производстве метилсульфазина):

в) нитроарены и другие производные, содержащие атом азота (оксимы, нитрозо-, азо-, гидразосоединения) до аминов. В этих целях цинк в щелочной среде применяется чаще всего, как и предыдущий метод.

В щелочной среде процесс восстановления нитрогруппы идет медленнее и сложнее, чем в кислой. При этом восстановление нитрозосоединений и производных гидроксиламина замедляется настолько, что решающее значение приобретает конкурирующая реакция сильного нуклеофила арилгидроксиламина с нитрозогруппой. Это приводит к образованию азоксисоединений, которые могут быть далее восстановлены до азо-, гидразосоединений и, наконец, до аминов:

Практически все промежуточные продукты восстановления ароматических нитросоединений в щелочной среде могут быть выделены.

При получении гидразобензола (полупродукта в синтезе препарата бутадиона) обычно используют цинковую пыль, которая обладает большой удельной поверхностью, и загружают ее на 10—15 % больше теоретически рассчитанного количества:

Едкий натр в реакции практически не расходуется, т.к. образующийся цинкат в условиях реакции гидролизуется, давая гидроксиды цинка и натрия. Поэтому щелочи берут в 5—100 раз меньше, чем необходимо по теории.

Высокая концентрация щелочи может привести к образованию амина наряду с гидразосоединением. Однако при недостаточной щелочности восстановление идет вяло. Поэтому процесс разделяют на две стадии. Сначала ведут восстановление в концентрированной щелочи при 80—90 °С до образования азокси- и азосоединений, причем цинковую пыль и щелочь строго дозируют. Затем образовавшиеся соединения восстанавливают новой порцией цинковой пыли, но уже в разбавленном растворе щелочи при 65—70 °С.

При восстановлении контролируют температуру, рН среды и окраску раствора. Образующиеся в процессе восстановления азосоединения имеют интенсивную окраску, а при дальнейшем восстановлении они дают неокрашенные гидразосоединения. Реакцию прекращают сразу после обесцвечивания раствора, так как дальнейшее восстановление может привести к появлению аминов в реакционной массе.

Гидразосоединение выпадает в виде осадка вместе с гидроксидом цинка. Гидроксид растворяют осторожным подкислением реакционной массы до нейтральной реакции и гидразосоединение отфильтровывают.

Для успешного проведения восстановления необходимо энергично перемешивать довольно вязкую массу, в которую для уменьшения вязкости иногда добавляют органические растворители. При этом продукты реакции переходят в раствор, что облегчает их выделение.

Восстановление нитросоединений цинком в щелочной среде проводят в стальных или чугунных аппаратах с якорной мешалкой и рубашкой.

Амальгама цинка в соляной кислоте (метод Клемменсена) замещает кислород карбонильной группы двумя атомами водорода:

Реакция проходит при нагревании в водно-спиртовых средах, в некоторых случаях в среде уксусной кислоты или в инертных растворителях.

Гидроксисоединения в этих условиях не восстанавливаются, что свидетельствует о том, что восстановление СО-группы проходит не через стадию образования соответствующего одноатомного спирта.

Однако в ходе реакции образуется значительное количество побочных продуктов, например, пинаконы и другие спирты, а также олефины и высокомолекулярные углеводороды. Реакция часто проходит неполностью даже за очень длительное время. Диарилкетоны, как правило, реагируют плохо.

Тем не менее, при восстановлении многих альдегидов и алифатических или арилалифатических кетонов этот метод дает хорошие результаты, поэтому не утратил своего значения и применяется в промышленности и лабораторной практике.

Восстановление железом

Восстановление железом проводят в среде электролитов и в водных растворах кислот. В некоторых случаях используют соли железа.

Железо в присутствии электролитов восстанавливает ароматические нитросоединения до соответствующих аминов (один из распространенных промышленных методов). При этом одновременно протекает четыре реакции:

Скорость процесса восстановления лимитируется первой стадией, которая аналогична процессу влажной коррозии железа. Поэтому восстановление ведут в среде электролита, как правило, в слабокислой среде. При повышении величины рН среды скорость реакции уменьшается. При рН > 12 процесс практически прекращается.

Электролиты вводят в реакционную массу в готовом виде (хлорид аммония) или получают в самом реакторе при протравливании чугунной стружки соляной кислотой. Наиболее активным электролитом является хлорид аммония, менее активным хлорид железа (II), сульфат аммония и т.д.

Для восстановления лучше всего использовать стружку серого чугуна, которая является отходом металлообрабатывающих производств. Активность серого чугуна объясняется возникновением в присутствии электролитов гальванической пары на границе раздела: железо–графит. Вследствие зернистого строения серый чугун в процессе восстановления распадается на мелкие частицы, что ведет к ускорению реакции.

Чугунная стружка должна быть специально подготовлена для реакции. После измельчения и просева, а также удаления пыли, чугунную стружку обезжиривают и протравливают небольшим количеством соляной кислоты, что увеличивает ее активность вследствие образования хлоридов.

Процесс восстановления чугунной стружкой ведут при температуре кипения реакционной массы. Обогрев чаще всего производят острым паром.

Обычно к нагретой до температуры кипения суспензии чугунной стружки в растворе электролита постепенно загружают нитропродукт. Каждую следующую порцию вводят лишь после того, как прореагирует предыдущая. В некоторых случаях порядок загрузки может быть изменен.

Если получающийся амин летуч с водяным паром, то часть его отгоняется во время процесса с водяным паром. Смесь паров воды и амина конденсируется в холодильнике, после чего поступает в отстойник для разделения. Остальную часть амина отгоняют с водяным паром после окончания процесса восстановления и подщелачивания реакционной массы. Иногда предварительно выделившийся амин сифонируют после отстаивания реакционной массы в редукторе. Амины, плохо перегоняющиеся с водяным паром, экстрагируют из реакционной массы органическими растворителями.

В производстве восстановление проводят в стальных или чугунных аппаратах (редукторах), футерованных диабазовой плиткой на кислотоупорной замазке и снабженных мешалкой (лопастной или сошниковой) и барботером для подачи острого пара.

Этот метод используют при производстве анестезина, новокаина и ряда других препаратов:

Метод отличается простотой, технологичностью, дешевизной сырья и высоким выходом целевого продукта реакции. В то же время, с развитием технологии металлообрабатывающей промышленности, отходами которой является чугунная стружка, сокращается сырьевая база этого метода, к тому же чугунная стружка с разных предприятий отличается по качеству. Однако основной проблемой метода являются трудности утилизации образующегося шлама. Фильтрация, транспортировка плохо фильтрующегося тяжелого и содержащего абразивные частицы осадка представляет серьезные трудности. Наконец, в некоторых случаях при экстрагировании продукта раствор плохо отстаивается от суспензии шлама, что вызывает большие потери растворителя.

Железныеопилки в среде соляной или уксусной кислот восстанавливают нитросоединения, азосоединения и альдегиды.

Процесс ведут при температуре кипения, медленно добавляя нитросоединение к суспензии железа в слабокислой водной или водно-спиртовой среде. Концентрация спирта может иметь большое значение. Наилучшие результаты получают при работе с железом, восстановленным водородом. Добавление небольшого количества хлорида никеля ускоряет реакцию.

Метод имеет промышленное значение. Положительными сторонами этого процесса являются дешевизна металла, небольшой расход кислоты, возможность использования образующихся оксидов железа в качестве красящих пигментов.

В синтезе парамиона восстановление осуществляют последовательным добавлением к раствору нитросоединения в уксусной кислоте чугунных стружек и соляной кислоты при 105—110 °С:

Сульфат железа (II) в присутствии аммиака восстанавливает нитрогруппу в молекулах соединений, содержащих и другие способные к восстановлению группы. Этот метод дает хорошие результаты при восстановлении ароматических нитрокарбоновых кислот и нитроальдегидов.

Восстановление алкоголятами алюминия
(метод Меервейна-Понндорфа-Верлея)

Алкоголяты алюминия восстанавливают ароматические и алифатические карбонильные соединения в соответствующие спирты, не затрагивая другие функциональные группы (С=С связи, в том числе и сопряженные с карбонильной группой, нитрогруппы и атомы галогенов).

В отличие от алкоголятов натрия связь между Аl и OR имеет выраженный ковалентный характер, поэтому алкоголяты алюминия являются слабыми основаниями и в незначительной степени катализируют альдольную конденсацию. Вследствие этого, а также из-за относительно большой способности к хелатообразованию алкоголяты алюминия особенно пригодны для восстановления по Меервейну-Понндорфу-Верлею.

Являясь кислотой Льюиса, алюминий в молекуле алкоголята образует комплекс с карбонильной группой и повышает ее электрофильную активность. Одновременно комплексно связанный атом алюминия вызывает сдвиг электронов в исходящих от него связях. Вследствие этого α-водородный атом алкоголята с электронной парой переносится к электронодефицитному карбонильному атому углерода:

Схема реакции:

Восстановление идет за счет спиртового радикала алкоголята, который окисляется до карбонильного соединения. Образовавшийся новый алкоголят алюминия может подвергаться алкоголизу под действием растворителя, благодаря чему регенерируется изопропилат алюминия. Поэтому алкоголяты выполняют в основном роль катализатора. Однако лучшие результаты получаются при применении алкоголята в количествах 1 и более моль на моль субстрата.

Для восстановления обычно используют изопропилат алюминия в изопропиловом спирте; реже — этилат алюминия в этиловом спирте (для восстановления альдегидов). Восстановительные свойства у алкоголятов вторичных спиртов выражены значительно сильнее, чем у первичных. Кроме того, они менее склонны к побочным реакциям.

Альдегиды восстанавливаются значительно легче, чем кетоны из-за меньшего влияния пространственного фактора и большей электрофильности карбонильного атома углерода. Такие альдегиды как, например, фурфурол, восстанавливаются при комнатной температуре.

Процесс восстановления алкоголятами алюминия обратимый, поэтому обычно его проводят при нагревании с отгонкой образующегося карбонильного соединения, что способствует образованию целевого продукта. В связи с этим чаще всего в качестве восстановителя используют изопропиловый спирт, так как ацетон является самым летучим компонентом системы.

Полученный спирт выделяют, обрабатывая образовавшийся алкоголят алюминия разбавленной серной кислотой. Выходы продуктов обычно составляют 80—95 %.

Продолжительность реакции сильно зависит от природы субстрата. При слишком большой длительности процесса можно поднять температуру реакции, используя растворитель с более высокой температурой кипения (однако скорость побочных реакций увеличивается в большей степени, чем основной), добавить к реакционной смеси никель Ренея или хлорид алюминии, при этом через реакционную массу пропускают азот или водород.

Восстановление по Меервейну-Понндорфу-Верлею используется при синтезе левомицетина, мезатона, фетанола и ряда других препаратов: