Реферат: Методы окисления в химической технологии бав

Методы окисления в химической технологии БАВ


9.1. Общие положения

Практическое значение реакций окисления чрезвычайно велико. В промышленности органического синтеза путем окисления получают разнообразные многотоннажные полупродукты: синтетические жирные кислоты, малеиновый и фталевый ангидриды, окиси этилена и пропилена, акрилонитрил, ацетальдегид и др. Как правило, в указанных производствах используются наиболее прогрессивные методы: непрерывные технологические схемы, высокоэффективные катализаторы и производительное оборудование.

Окислительные процессы широко применяются в синтезе лекарственных веществ и витаминов (оксолина, левомицетина, цистамина, хиноксидина, нитроксолина, этамида, витамина РР и многих других).

Окисление - это реакция, происходящая вследствие отрыва электронов от способной окисляться молекулы реагентом, обедненным электронами (окислителем). Реакция может протекать с отрывом пары электронов (ионный механизм), или с отрывом одного электрона (радикальный механизм). Окисление представляет собой процесс, противоположный восстановлению. В любой окислительно-восстановительной системе окислитель реагирует с субстратом, который по отношению к нему является восстановителем. При этом в качестве продуктов реакции образуются новый окислитель и новый восстановитель. Таким образом, отнесение одних реакций к реакциям окисления, а других – к реакциям восстановления является чисто условным, связанным с технической направленностью процесса.

Наиболее чувствительные к окислению положения имеют наибольшую электронную плотность и, следовательно, совпадают с центрами, чувствительными к электрофильным и радикальным атакам. К таким центрам относятся гетероатомы (N, S, O), имеющие неподеленные пары электронов, двойные или тройные связи в алкенах и алкинах, активированные связи С-Н, С-С и др. Таким образом, легкость окисления субстрата возрастает вместе с ростом его нуклеофильности.

В качестве окислителей используются соединения, обладающие сильным сродством к электронам (электрофильностью): азотная кислота, кислород, озон, перекисные соединения (перекись водорода, перекиси металлов, органические гидроперекиси, надкислоты), сера, двуокись селена (SeO2), хлор, бром, кислородные кислоты галогенов и их соли (гипохлориты и гипобромиты), хлорная кислота (HClO4), иодная кислота (HIO4), соединения металлов в высших степенях окисления (соединения железа (III), двуокись марганца (MnO2), перманганат калия (KMnO4), хромовая кислота (H2CrO4) и ее ангидрид (CrO3), бихроматы калия и натрия (Na2Cr2O7), двуокись свинца (РbO2), тетраацетат свинца (Pb(CH3COO)4) и др.), некоторые органические соединения (нитросоединения, циклогексанон).

Конечный результат, т.е. вид, качество и выход целевого продукта в каждом отдельном случае зависят от природы реагентов (исходного сырья и окислителя) и условий проведения процесса. При выборе того или иного окислителя руководствуются необходимостью получения целевого продукта из выбранного вида сырья, экономическими факторами, технологичностью процесса, вопросами техники безопасности и др. критериями. Следует отметить, что наиболее дешевым и доступным окислителем является кислород воздуха, который в настоящее время широко используется в каталитических процессах окисления.

^ 2. Окисление насыщенных углеводородов

Неразветвленные насыщенные углеводороды являются одними из наиболее трудно окисляемых органических соединений. Обычные окислители (например, KMnO4) при комнатной или повышенной температуре не действуют на алканы с неразветвленной цепью. Окисление проходит лишь в жестких условиях, например, при действии горячей хромовой смеси. Реакция, по-видимому, идет по радикальному механизму и сопровождается образованием большого числа побочных продуктов, а потому практически не используется для направленного синтеза биологически активных соединений.

Повысить селективность окисления алканов кислородом воздуха и сделать ее пригодной для промышленного использования можно с помощью катализаторов.

Исходными веществами для получения жирных кислот служат твердые и жидкие парафины (С5С23). Окисление проводят кислородом воздуха, чаще всего в жидкой фазе при температуре 100-150°С в присутствии солей переходных металлов как катализаторов. Реакция в условиях гомогенного катализа идет по радикальному механизму.

Суммарный выход товарных синтетических жирных кислот составляет 60-70% в расчете на исходные углеводороды. Поскольку все метиленовые группы равноценны с точки зрения их окисляемости, получают смесь жирных кислот с цепями разной длины. В химико-фармацевтической промышленности такие процессы практически не используются.

Способность алкильной группы к окислению существенно повышается, если она стоит при двойной связи, связана с карбонильной группой или ароматическим кольцом. В этих случаях реакция протекает более селективно, образуется меньшее число побочных продуктов. Конечными продуктами окисления являются карбоновые кислоты, однако, подбирая подходящие окислители и условия реакции, можно получать также альдегиды и кетоны, нитрилы, а иногда и спирты.

Бихромат в кислой среде и разбавленная азотная кислота являются наиболее сильными из широко распространенных окислителей, применяемых в химико-фармацевтической технологии. Эти окислители часто используют для окисления боковой цепи циклических углеводородов. Окисление, как правило, идет по активированному -углеродному атому.

Высохший млечный сок незрелых плодов снотворного мака – опий на 40-50% состоит из смеси более чем двадцати алкалоидов, в числе этих алкалоидов 12-16% составляет морфин и 10-18% наркотин. Окислением наркотина разбавленной азотной кислотой получают важный промежуточный продукт в синтезе лекарственных веществ – опиановую кислоту:





Аналогично проходит окисление никотина до никотиновой кислоты:



Циклогексанол превращается в адипиновую кислоту под действием 50%-ой азотной кислоты в присутствии ванадата аммония с выходом 60%:



Окислением азотной кислотой можно получить из анетола анисовый альдегид:



Основание папаверина получают дегидрированием 3,4-дигидропапаверина в среде тетралина при 190-200°С (тетралин – 1,2,3,4-тетрагидронафталин, т.кип. 207°С) в присутствии палладия на сульфате бария:




Для дегидрирования с целью получения алкенов можно использовать диоксид селена:



Этот метод также успешно применяется в химии стероидов.

^ 3. Получение альдегидов и кетонов окислением активированной метильной или метиленовой группы

Как уже указывалось, способность метильной группы к окислению значительно увеличивается, если она связана с ароматическим ядром или активирована иным способом.

При получении альдегидов реакцией окисления возникают определенные трудности, заключающиеся в дальнейшем легком окислении образующегося продукта, а также способности его к реакциям полимеризации и конденсации. Для предотвращения дальнейшего окисления целевого продукта применяются следующие методы:

а) удаление (как правило отгонка) низкокипящего альдегида из реакционной массы.



б) Превращение образующегося альдегида в более стабильное производное (например, диацетат), которое в дальнейшем можно снова количественно превратить в альдегид (например, гидролизовать).







в) Защита образовавшегося альдегида извлечением его в инертную фазу без окислителя (например, окисление MnO2 в эфире).

г) Использование высокоселективных окислителей и тщательный подбор условий проведения реакции.







Альдегиды можно получать дегидрированием спиртов в присутствии катализаторов на основе меди и серебра. Хорошие результаты получаются, в частности, при использовании медного катализатора на носителе с добавлением 5% Со и 2% Cr.



Получение альдегидов ароматического ряда окислением толуола и его производных является важным технологическим процессом в синтезе лекарственных веществ.

Для окисления метильной группы до альдегида применяют двуокись марганца. Процесс ведут в серной кислоте. В тех случаях, когда двуокись марганца берут в избытке, используют водную серную кислоту. Если двуокись марганца взята в стехиометрическом соотношении, применяют избыток концентрированной серной кислоты.



Если процесс вести при температуре не выше 40°С, то в результате реакции образуется альдегид. Если же температуру реакции поднять до 60-70°С, то основным продуктом будет бензойная кислота.

Бензальдегид и его производные можно получить из бензилхлорида и его замещенных окислением бихроматом в щелочной среде:



При окислении толуола воздухом в жидкой фазе образуется смесь продуктов, главным из которых является бензойная кислота (см. ниже). Бензальдегид образуется при этом в относительно небольших количествах.

Окисление толуола воздухом до бензальдегида может быть осуществлено в газовой фазе. Смесь паров толуола и воздуха пропускают над катализатором (смесь окислов урана, молбдена и меди) при температуре 475-500°С. Выход бензальдегида достигает 85-90%.

Метильные и метиленовые группы, находящиеся рядом с карбонилом, действием двуокиси селена могут быть превращены в карбонильные группы:





Как уже указывалось, окислением двуокисью селена могут быть получены также и гетероциклические альдегиды:





Жидкие вещества окисляют без растворителя, для твердых в качестве растворителя используют спирт, этилацетат, ксилол, диоксан. Выходы составляют 50-90%.

Получение кетонов аналогично получению альдегидов. Так же как альдегиды кетоны могут быть получены осторожным окислением спиртов (вторичных):





В ряде случаев в качестве окислителя используют хромовый ангидрид:



хлор



^ 4. Получение карбоновых кислот окислением метильной группы

При окислении толуола и его производных хромовой кислотой, азотной кислотой, перманганатом калия и другими сильными окислителями образуются соответствующие карбоновые кислоты. Окисление хромпиком в серной кислоте применяется в производстве о- и п-нитробензойных кислот:





Установлено, что чем ниже температура реакции, тем выше должна быть концентрация серной кислоты.

Образующийся при этом в качестве побочного продукта альдегид доокисляют перманганатом:





Бихроматы применяются в качестве окислителей не только в среде серной кислоты, но и в нейтральных растворах. Так окисление толуола водным раствором бихромата при давлении 20 МПа и температуре 305-315°С приводит к получению соли бензойной кислоты:







Поскольку хроматы реагируют значительно медленнее, чем бихроматы, к реакционной массе целесообразно добавлять некоторое количество кислоты (например, бензойной) с тем, чтобы нейтрализовать образующуюся щелочь.

В этих же условиях окисляются до соответствующих карбоновых кислот производные толуола.

Весьма удобным окислителем является перманганат калия. Окисление обычно ведут постепенным добавлением твердого перманганата к водному раствору или суспензии окисляемого вещества. В тех случаях, когда выделяющаяся щелочь может повредить продукту (например, способствовать омылению ацильного производного), к реакционной массе добавляют сульфат магния. Таким образом получают 4-нитро-2-ацетаминобензойную кислоту, 4-хлор-2-ацетаминобензойную кислоту и некоторые другие промежуточные продукты:



Окисление метильной группы до карбоксильной кислородом воздуха требует применения катализаторов.

Окисление толуола до бензойной кислоты кислородом воздуха протекает при температуре 140°С и давлении 0,4 МПа в присутствии нафтената кобальта.

Для разделения образующейся смеси продуктов реакционную массу обрабатывают раствором соды. Бензойная кислота в виде бензоата натрия переходит в водный слой и затем может быть выделена из него подкислением.

Органический слой содержит невступивший в реакцию толуол, а также образовавшиеся в качестве побочных продуктов дифенил, бензиловый эфир бензойной кислоты и бензальдегид. Органический слой разделяют на составные части дистилляцией. Толуол и бензальдегид возвращают на окисление.

Большое значение в химико-фармацевтической промышленности получил синтез гетероаналога бензойной кислоты – никотиновой кислоты. Никотиновая кислота (-пиридинкарбоновая кислота, витамин РР) может быть получена окислением -пиколина (-метилпиридина) различными окислителями, в том числе перманганатом в щелочной среде с выходом до 90%.



Аналогично этому 2,6-лутидин может быть окислен до калиевой соли 6-метилпиколиновой кислоты.



Никотиновую кислоту получают также в виде ее амида методом окислительного аминирования. Этот метод не требует дефицитного и дорогостоящего перманганата калия. Процесс можно осуществлять непрерывно:





Нитрилы пиридиновых кислот получают при пропускании смеси паров пиколина, аммиака и воздуха при 300-350°С над катализатором. Наилучшие результаты получены при использовании в качестве катализатора ванадата алюминия или V2O5, осажденного на Al2O3 с добавлением K2SO4. Выход нитрила на прореагировавший -пиколин 93,6%. Омыление нитрила осуществляют в водно-аммиачном растворе в присутствии едкого кали и 10%-го раствора перекиси. Разработано также электролитическое окисление -пиколина.

Никотиновую кислоту можно также получить окислением хинолина:



При окислении -пиколина перманганатом или пиролюзитом образуется изоникотиновая (-пиридинкарбоновая) кислота, которая является сырьем для синтеза противотуберкулезных препаратов.

^ 5. Окисление ароматических и непредельных углеводородов

Ароматические углеводороды достаточно устойчивы к окислению.

Во многих случаях окисление проводят при высокой температуре и на катализаторе. Таким образом получают малеиновый и фталевый ангидриды, антрахинон и некоторые другие соединения. Для синтеза химико-фармацевтических препаратов из перечисленных соединений наибольшее значение имеет малеиновый ангидрид.

Малеиновый ангидрид получают окислением бензола воздухом в паровой фазе. Реакция протекает при высокой температуре в присутствии катализатора:



В качестве побочных продуктов образуются п-бензохинон и углекислый газ:





Катализатором может служить пятиокись ванадия (V2O5). Однако больший выход малеинового ангидрида достигается на сложных катализаторах (смеси окислов или солей ванадия, молибдена и некоторых других металлов, нанесенных на пемзу или силикагель). Выход малеинового ангидрида при окислении бензола составляет около 60%.

Кроме того, малеиновый ангидрид образуется в качестве побочного продукта при окислении нафталина до фталевого ангидрида приблизительно в тех же условиях.

Для расщепления ароматических колец до карбоновых кислот необходимо энергичное воздействие таких окислителей, как бихроматы в серной или уксусной кислотах, KMnO4 в щелочной или кислой среде, HNO3, кислорода в присутствии эффективных катализаторов. Электроноакцепторные заместители стабилизируют ароматическое кольцо, а электронодонорные облегчают процесс окислительного разрушения.

В химико-фармацевтическом производстве указанный прием используется, например, при получении имидазол-4,5-дикарбоновой кислоты (синтез этимизола):



Процесс ведут по периодической схеме при нагревании реакционной массы до 85-90°С.

Достаточно сильным окислителем является хлорат натрия. С его помощью, например, можно превратить фурфурол в фумаровую кислоту с выходом около 60%:



Общим и удобным методом окисления алкенов является озонирование. Концентрация озона обычно составляет 14-15%. Более высокую концентрацию используют при окислении ароматических колец и соединений с сопряженными двойными связями.

В качестве растворителей используют ледяную уксусную кислоту, воду, метанол, метиленхлорид, четыреххлористый углерод, фтортрихлорметан и др. При окислении озоном выход альдегидов, кетонов и кислот обычно составляет 60-70%. При получении альдегидов к реакционной смеси добавляют цинк и уксусную кислоту для восстановительного расщепления озонида. В препаративной химии озонирование используют для получения труднодоступных диальдегидов из циклических олефинов и диенов.

Например, из гексадиена-1,5 можно получить янтарный альдегид, а из циклогексена – адипиновый альдегид. В последнем случае, добавляя к реакционной смеси уксусную кислоту и перекись водорода, реакцию можно довести до адипиновой кислоты с выходом 60%:



Озонирование изоэвгенола приводит к получению ванилина, что может явиться промышленным методом синтеза:



Интересно, что эвгенол и ванилин являются душистыми веществами: эвгенол имеет запах гвоздики, а ванилин – ванили.