Alkoholer är en omfattande och mycket mångsidig klass av organiska föreningar : de är brett spridda i naturen, är av stor industriell betydelse och har exceptionella kemiska egenskaper.
Det finns ett stort antal metoder för att få alkoholer, medan de kan delas in i två villkorliga grupper:
Med en av de centrala positionerna i organisk kemi kan alkoholer erhållas från många andra föreningar. I praktiken används följande oftast som utgångsmaterial för syntes av alkoholer [1] [2] :
Vidare i avsnittet kommer kemin hos befintliga metoder för framställning av envärda alkoholer att behandlas i detalj. Industriella aspekter av att erhålla alkoholer, inklusive biokemiska syntesmetoder, diskuteras i detalj i underavsnittet " Erhålla alkoholer i industrin ".
En kort genomgång av metoder för organisk syntes av flervärda alkoholer kommer att behandlas i motsvarande underavsnitt .
Halogenderivat av kolväten omvandlas under inverkan av baser för att bilda alkoholer ( nukleofil substitutionsreaktion ).
Vanligtvis reagerar primära och sekundära halokolväten med en enstegs S N 2 mekanism [3] . Ett exempel är hydrolysen av brometan :
Reaktioner av denna typ uppstår vanligtvis - med inversion av den geometriska konfigurationen av det ursprungliga ämnet [3] . Alkynernas reaktivitet minskar vid övergång från jodderivat till fluorderivat [4] Samtidigt är fluorderivat resistenta mot nukleofil substitution under normala förhållanden och används praktiskt taget inte för att erhålla alkoholer.
Primära kloralkaner hydrolyseras på ett tillfredsställande sätt under inverkan av en vattenlösning av alkali vid upphettning [5] :
För reaktioner som fortskrider enligt S N2 -mekanismen används endast polära lösningsmedel, och omvandlingshastigheten ökar vid användning istället för protiska lösningsmedel (till exempel: vatten eller alkohol) aprotiska (till exempel: dimetylsulfoxid ); i detta fall, i aprotiska lösningsmedel, kommer nukleofilicitet för de lämnande grupperna att vara annorlunda [3] :
Tertiära och, i mindre utsträckning, sekundära halogenkolväten hydrolyseras genom en tvåstegs S N 1 - mekanism [3] :
Reaktionen som fortskrider enligt SN 1 -mekanismen utförs i polära protiska lösningsmedel, oftast vatten eller en vattenlösning av metyl- eller etylalkohol .
På grund av karbokatjonens stabilitet hydrolyseras haloalkener enligt denna mekanism:
Eftersom en karbokatjon bildas under reaktionen , kan dess attack (under idealiska förhållanden utan att ta hänsyn till inverkan av substituenter) av nukleofilen ske från båda sidor, vilket leder till racemisering av den resulterande produkten.
För mycket reaktiva reagens används mjuk substitution med föreningar av monovalent silver eller tvåvärt kvicksilver [5] :
I modern laboratoriepraxis utförs de ovan beskrivna solvolysreaktionerna ganska sällan, eftersom alkoholer, mer lättillgängliga mellanprodukter, är det initiala syftet för syntesen av halogenderivat. Dessutom bör man komma ihåg att förutom att ändra stereokemin hos startkomponenterna konkurrerar substitutionsreaktioner med eliminering , såväl som omarrangemang, vilket ofta leder till oönskade produkter [3] :
Samtidigt finns det en ganska ny metod för att omvandla alkylhalider till alkoholer genom att behandla de senare med kaliumsuperoxid i ett dimetylsulfoxidmedium i närvaro av 18-krona-6 , och i detta fall sker nästan fullständig geometrisk inversion [2 ] :
Syrahydratisering av alkener har historiskt sett varit den första syntetiska metoden för framställning av alkoholer (se underavsnittet " Historia om upptäckten av alkoholer ").
Den allmänna mekanismen för processen ( ad E 2 elektrofil additionsreaktion ) presenteras nedan [6] :
Tillägget sker enligt Markovnikovs regel .
Vid användning av svavelsyra som katalysator är mellanprodukten svavelsyraester ( R-CH(OSO 2 OH)-CH 3 ), som under reaktionsförhållandena är fullständigt hydrolyserad till alkohol [6] .
Förutom svavelsyra används också andra reagens för att utföra reaktionen: en blandning av myrsyra och en katalytisk mängd svavelsyra (i vissa fall möjliggör det uppnående av stereospecificitet), en blandning av myrsyra och perklorsyra , trifluorättiksyra , etc. [7 ] .
Reaktioner av sekundära alkener , på grund av omarrangemang av karbokater, leder ofta till bildning av en blandning av produkter, vilket gör det svårt att använda dem för att erhålla sekundära alkoholer [8] :
I laboratoriepraxis är syrahydreringsmetoden mycket begränsad tillämpbar både på grund av möjligheten att erhålla en blandning av produkter och låga utbyten. Oftare används det för att erhålla tertiära alkoholer, men även i detta fall överstiger utbytet vanligtvis inte 40-45% [8] :
Inom industrin används förutom vätskefas direkt hydrering av alkener i gasfas. Katalysatorerna som används är fosforsyra på ett fast underlag vid 200–300°C och ett tryck på 2–8 MPa; i detta fall når utbytet av alkoholer 95 % [9] :
Hydroxymercuration-demercuration av alkener
Metoden för att erhålla alkoholer genom hydroxymercuration-demercuration av alkener har ett antal viktiga fördelar jämfört med sur hydrolysreaktion [10] :
Reaktionsmekanismen är som följer [11] :
Tillsatsen av kvicksilveracetat till en alken sker genom en elektrofil mekanism , och demercuration är av radikal natur; eftersom det sista steget inte har hög stereoselektivitet är hela processen inte stereospecifik i strikt mening [12] .
Syntesen av alkoholer genom hydroxikvicksilering-avsvallning av alkener fortskrider under milda förhållanden, med utbyten nära kvantitativa (90-98%) och praktiskt taget utan bildning av biprodukter; i detta fall kräver den intermediära organiska kvicksilverföreningen inte isolering - alla steg i reaktionen fortsätter efter varandra [12] .
Praktiska exempel på användningen av reaktionen (utbyten anges inom parentes, som visar förhållandet mellan de resulterande produkterna) [12] :
Hydroborering av alkener följt av oxidation
Tillsatsen av borhydrider till alkener och deras efterföljande splittring i ett alkaliskt medium, upptäckt av G. Brown 1958 , är en så viktig reaktion att vetenskapsmannen tilldelades Nobelpriset i kemi 1979 för sin upptäckt och studie [13] .
Tillsatsen sker i många steg med bildandet av ett intermediärt cykliskt aktiverat komplex, och tillsatsen av bor sker mot Markovnikov-regeln - till den mest hydrerade kolatomen [14] :
I syntesen används vanligtvis inte diboran i sig , utan dess donator-acceptorkomplex med en enkel eter; och diboran i sig erhålls genom reaktion av natriumborhydrid med bortrifluorid i tetrahydrofuran [14] :
Alkylboraner spjälkas lätt under inverkan av väteperoxid i ett alkaliskt medium och bildar alkoholer [14] :
Hydroboreringsreaktionen är en syn -additionsreaktion - den resulterar i cis -addukter.
Denna metod har ett brett förberedande värde. Till exempel ger alkener med en terminal dubbelbindning primära alkoholer i 80-90 % utbyte. Exempel på praktisk användning av metoden (utdata anges inom parentes, som visar förhållandet mellan de resulterande produkterna) [7] :
Ett exempel på syntesen av bicykliska terpenalkoholer [15] :
För att öka selektiviteten för hydroboreringsreaktionen används substituerade, steriskt hindrade boraner [16] :
Texylboran 2,3-dimetylbutyl-2-boran |
Disiamilboran bis-(1,2-dimetylpropyl)boran |
9-BBN 9-borabicyklo[3,3,1]nonan |
Diisopinokamfeylboran (+)3-dipinanylboran |
Användningen av till exempel disamylboran (DIAB) i reaktionen med styren ökar utbytet av primär alkohol från 80 % till 98 % [17] :
Den höga selektiviteten hos ovanstående boranderivat gör det möjligt att selektivt reagera med cis- isomeren som finns i blandningen med trans -isomeren eller hydroborera en av de två dubbelbindningarna som finns i alkenmolekylen, till exempel [6] :
Hydroborering av alkener följt av tillsats av kolmonoxid
Ett av de bästa sätten att erhålla tertiära alkoholer är tillsatsen av kolmonoxid till alkylboraner. Reaktionen fortskrider lätt vid normalt tryck och temperatur på cirka 125 °C, diglyme används som lösningsmedel [ 7] :
Denna metod ger bra avkastning med många alkener [14] :
Om denna reaktion utförs i närvaro av en vattenlösning av alkali, erhålls sekundära alkoholer [18] :
Hydroformylering av alkener
Den klassiska reaktionen med hydroformylering av alkener som används allmänt inom industrin, det vill säga katalytisk tillsats av väte och kolmonoxid till dem med framställning av aldehyder [19] , kan utföras på ett sådant sätt att alkoholer omedelbart blir produkten av dess reaktion utan att isolera mellanliggande karbonylföreningar Denna metod kallas ibland reduktiv hydroformylering.
Koordination omättad kobolthydrokarbonyl, som bildas under reaktionen, katalyserar reaktionen [19] :
För att erhålla alkoholer i ett steg används koboltkarbonyler modifierade med fosfiner som katalysatorer , vilket, förutom mer aktiv hydrogenering, gör det möjligt att uppnå en betydligt högre selektivitet i utbytet av normala produkter (upp till 90%) på grund av sterisk effekt av bulkfosfinliganden i övergångstillståndet [20] .
Homologisering , det vill säga omvandlingen av en organisk förening till dess homolog genom att införa en eller flera metylengrupper, utfördes först för alkoholer 1940 - etanol syntetiserades katalytiskt under påverkan av högt tryck på basis av metanol [21] :
Homologeringsreaktionen liknar i sin mekanism hydroformylering av alkener, och för närvarande är det med hjälp av modifierade kobolt- och ruteniumkatalysatorer och tillsats av jodidjoner som promotorer möjligt att uppnå 90 % utbyte i etanol [21] .
Den initiala metanolen erhålls också från kolmonoxid (katalysatorer baserade på koppar- och zinkoxider, tryck 5-10 MPa, temperatur 250 °C) [21] , så det allmänna schemat är som följer:
Biprodukterna från reaktionen i fallet med etanolsyntes skulle vara acetaldehyd , eten och dietyleter .
Guerbets reaktionGuerbet-reaktionen är en process vid hög temperatur (200°C, tryck 5–6 MPa) för katalytisk kondensation av primära alifatiska alkoholer som inte har förgrening i α-positionen, enligt följande schema [22] :
Som katalysatorer används en komplex blandning baserad på Raney-nickel , koppar , järnsalter och andra komponenter [23] .
Föreslagen villkorlig reaktionsmekanism [23] :
eller
Reaktionen är av begränsad användning både på grund av dess hårda förhållanden och relativt låga utbyte (vanligtvis upp till 70%), och bildandet av syra och aldehyd som en biprodukt [23] .
Syrklyvning av etrarI laboratoriepraxis är en liknande metod för att erhålla alkoholer extremt sällsynt, eftersom det är alkoholer som fungerar som den initiala komponenten för syntes av etrar . Samtidigt, om, säg, en naturlig eter av en komplex struktur väljs som initialobjekt, kan dess laboratorieklyvning till den initiala alkoholen vara efterfrågad. Dessutom, i vissa fall, för att skydda hydroxylgruppen i processen för flerstegssyntes, kan den omvandlas till en etergrupp och en eter kan införas i reaktionen. I slutet av processen kan klyvning av etern krävas för att vända omvandlingen av föreningen till alkohol (se underavsnittet "Skydd genom etrar" för mer information ).
Vanligtvis utförs reaktionen genom upphettning av etern och en koncentrerad lösning av bromväte eller jodvätesyra , medan spjälkningen kan utföras både med mekanismen SN 1 och SN 2 [ 24] :
Om osymmetriska etrar reagerar blir resultatet två alkoholer och två halogenderivat, men om estern är metyl blir reaktionsprodukten alkohol och metyljodid eller metylbromid [25] :
För klyvning av estrar kan Lewis-syror också användas: BF 3 , BCl 3 , AlCl 3 och andra [25] , samt starka organiska syror. Till exempel sker klyvningen av tert -butylcyklohexyleter med trifluorättiksyra enligt S N 1 - mekanismen med bildning av cyklohexanol och 2-metylpropen [26] :
Wittig omarrangering
Etrar under inverkan av fenyllitium omarrangeras till alkoholer ( Georg Wittig , 1942 ):
Reaktionen är en karbanjonomlagring , som utförs genom en radikal splittrings-rekombinationsmekanism [27] :
På tal om stereokemin i Wittig-omarrangemanget bör det noteras att bildandet av en ny CC-bindning sker så snabbt att R -radikalen inte har tid att invertera, därför fortsätter reaktionen vanligtvis med den ursprungliga konfigurationen bevarad [28] . Studien av omlagringen med användning av exemplet med β-alkoxialkylallyletrar (allmän form: ) visade att som ett resultat av reaktionen bildades syn -1,3-diolderivat med en selektivitet på 90-95% med ett utbyte av 14 -32 % [29] .
Wittig-omlagringen kan utföras inte bara med hjälp av alkyl- eller aryllitiumföreningar ( fenyllitium , butyllitium , metyllitium , litiumdietylamid , etc.), utan också under inverkan av andra starka baser; till exempel sker följande reaktion i flytande ammoniak i närvaro av kaliumamid (90 % utbyte) [30] :
För allylsubstituerade substrat konkurrerar (1,2)-omlagringen med (2,3)-omlagringen, som kan observeras nästan helt oberoende vid låga temperaturer [27] :
I detta avsnitt, förutom att erhålla riktiga alkoholer från aldehyder och ketoner , ges synteser av hydroxikarbonylföreningar ( ketoalkoholer och derivat av hydroxikarboxylsyror ; se underavsnitten " Aldolkondensation ", " Bensoinkondensation ", " Reformatsky-reaktion ", " Ivanov-reaktion " ). Detta beror på det faktum att ovanstående reaktioner är kraftfulla förberedande metoder och används allmänt i praktiken.
Etynylering av karbonylföreningarEn viktig metod för att erhålla acetyleniska alkoholer är Favorsky-reaktionen , med andra ord, etynyleringsreaktionen av karbonylföreningar:
Osubstituerade alkyner (tagna i stort överskott), ketoner och vissa aldehyder ( formaldehyd används oftast ) går in i reaktionen i närvaro av baser ( KOH eller NaNH 2 i ett organiskt lösningsmedel) vid en temperatur på -70 till +40 °C , ett tryck på 0,4-0,9 MPa [31] .
Mekanismen för denna reaktion är associerad med den nukleofila additionen av etynylkarbanjonen till karbonylgruppen [32] :
Exempel på reaktioner [33] :
Det finns minst två modifieringar av denna metod:
En modern metod för att erhålla allylalkoholer med en given konfiguration är användningen av allylboran som ett medel, som reagerar med aldehyder i närvaro av baser enligt följande schema [36] :
Reaktionen användes i synnerhet som bas för den fullständiga syntesen av ett antal naturliga föreningar och deras analoger, till exempel barkborresferomoner [ 36] :
Ipsenol | Ipsdienol |
Det finns olika metoder för denna reaktion, bland annat:
Om cis -alkener kommer in i reaktionen kommer syn -additionsprodukter huvudsakligen att bildas (97 % av det totala utbytet).
Ett annat lämpligt medel som reagerar enligt detta schema är vinsyraallylboronester (Rausch, 1985 ) [38] .
Som kan ses från schemat, genom att ändra reaktionstemperaturen, är det möjligt att orsaka migrering av boratomen till det angränsande kolet , varvid en eller annan isomer alkohol erhålls.
Sakurais reaktionEn annan allyleringsmetod, som består i den elektrofila interaktionen av allylsilaner med olika föreningar i närvaro av Lewis-syror, kallas Sakurai-reaktionen . Ur synvinkeln att erhålla alkoholer finns det två modifikationer av en sådan syntes [39] :
Reaktionskatalysatorerna kan vara: TiCl 4 , BF 3 , SnCl 4 , etc.
Ett exempel på den praktiska användningen av Sakurai-reaktionen [40] :
Baylis-Hillman-Morit reaktion
Den traditionella Baylis-Hillman-Morit-reaktionen är en metod för att framställa allylketoalkoholer genom att reagera aldehyder med metylvinylketoner eller andra aktiverade alkener i närvaro av tertiära fosfiner och katalytiska mängder av fenol eller dess derivat [41] . Därefter modifierades reaktionen något: tertiära aminer användes som katalysator (till exempel: 1,4-diazobicyklo[2.2.2]oktan eller DABCO [42] ):
Förmodligen är reaktionsmekanismen följande [43] :
Nozaki-Hiyama-Kishi reaktion
Nozaki-Hiyama-Kishi-reaktionen är en modern metod för att framställa alkoholer genom selektiv reduktiv koppling av aldehyder med vinyl- eller allylhalider (bromider eller jodider) i närvaro av en krom - nickel -katalysator [44] :
Den katalytiska reaktionscykeln är som följer [45] :
Katalytisk koppling av aldehyder med allylalkoholer och deras derivat
En analog till den syntetiska metoden som diskuterades i föregående underavsnitt är kopplingsreaktionen av aldehyder med allylalkoholer och deras derivat i närvaro av katalysatorer . Den vetenskapliga litteraturen beskriver många laboratorieprocedurer för att utföra detaljerad syntes med hjälp av organiska föreningar av kisel , tenn , krom , litium , rutenium , palladium , zink , titan , zirkonium och andra metaller.
Här är några typiska exempel på hur denna metod används i praktiken:
Mer detaljer om moderna metoder för att erhålla alkoholer genom reaktion av allylalkoholer och deras derivat med karbonylföreningar finns i monografin: Junzo Otera . Modern Carbonyl Chemistry - Wiley-VCH, Weinheim, 2000-613 sidor - ISBN 978-3-527-29871-6 .
Cannizzaros reaktionCannizzaro-reaktionen är en redox- disproportionering av aldehyder till primära alkoholer och karboxylsyror under inverkan av baser [49] :
I det första steget av reaktionen sker nukleofil addition av en bas (till exempel: hydroxidanjon) till karbonylkolet i aldehyden . Den resulterande anjonen deprotoneras (detta kräver exponering för en tillräckligt stark bas) för att bilda en mellanliggande dianjon, som sedan reagerar med en aldehydmolekyl:
Aldehyder som inte kan enoliseras (som inte har α-väte) går in i Cannizzaro-reaktionen , eftersom aldolkondensation kommer att råda för den senare . Till exempel, i det välkända exemplet med bensaldehyd , kan utbytet av bensylalkohol nå 90% [50] :
Oftare används Cannizzaro-reaktionen för syntes av aromatiska och heteroaromatiska alkoholer [50] .
För att öka reaktivitetsintervallet för de använda aldehyderna och öka utbytet av alkoholer används i praktiken Cannizzaro- korsreaktionen , det vill säga användningen av två olika aldehyder, och formaldehyd används vanligtvis som den reducerande aldehyden , som oxideras till myrsyra under reaktionen [51] :
Mer effektiva syntetiska metoder finns nu, så användbarheten av Cannizzaro-reaktionen är i allmänhet begränsad till disproportioneringen av ketoaldehyder till hydroxikarboxylsyror [52] :
Cyanhydrinsyntes
Karbonylföreningar, särskilt aldehyder och steriskt obehindrade ketoner, går lätt in i nukleofila additionsreaktioner med vätecyanid (nukleofil CN − ) för att bilda cyanohydriner [53] :
För aromatiska ketoner används dietylaluminiumcyanid (C 2 H 5 ) 2 AlCN eller cyanotrimetylsilan (CH 3 ) 3 SiCN istället för HCN , vars additionsprodukt sedan hydrolyseras till cyanohydrin [53] :
Vidare, om nödvändigt, hydrolyseras cyanohydrin lätt till en hydroxisyra eller reduceras till en aminoalkohol :
Aldol kondensation
Aldolkondensation är en av de äldsta organiska syntesreaktionerna ( 1872 , Würz ), där två molekyler av en aldehyd eller keton kombineras under inverkan av en bas eller syra för att bilda ketoalkoholer eller aldoler [54] :
Två mekanismer för denna reaktion är möjliga: alkalisk eller syra, men ur syntesen av alkoholer är den senare mindre att föredra, eftersom reaktionen ofta inte stannar vid alkoholstadiet, utan fortsätter vidare med dehydrering och bildning av omättade karbonylföreningar ( krotonkondensation ) [54] .
Kondensationsmekanismen som uppstår under verkan av basen är som följer [54] :
För att utföra kondensation , som kan ses från dess mekanism, är det nödvändigt att minst en av molekylerna innehåller väte i α-positionen till karbonylgruppen. Vanligtvis är styrkan på hydroxidjonen tillräcklig för att lossa denna väteatom, men i vissa fall används även starkare baser, till exempel butyllitium .
Fem kombinationer av aldolkondensering är möjliga [53] :
Förutom själva aldehyden är det möjligt att använda en imin- och litiumdiisopropylamid som bas [53] :
En variant på aldolreaktionen är Mukayama-reaktionen , som använder silylenoletrar:
Bensoinkondensering
Bensoinkondensation är en reversibel bildning från aldehyder (huvudsakligen aromatiska) under inverkan av cyanidjoner CN - α-oxyketoner (acyloiner) med den allmänna formeln -CR (OH) - C (O) O -:
I denna reaktion, i det första steget, går cyanidanjonen in i en nukleofil additionsreaktion med en aldehyd. Omarrangemanget av den resulterande mellanprodukten till en karbanjon fullbordas genom ytterligare addition av den andra karbonylgruppen, också via den nukleofila mekanismen. Fullbordar reaktionen av protonöverföring och eliminering av cyanidgruppen för att bilda bensoin som slutprodukt.
Ivanovs reaktionIvanov-reaktionen är en metod för att erhålla β-hydroxikarboxylsyror med den allmänna formeln -CR(OH)-CR1(COOH)- från karbonylföreningar och Ivanovs reagens: magnesiumhalogenidsalter av aryättiksyror (vanligtvis fenylättiksyra ) [55] . Till exempel:
Om nödvändigt kan hydroxisyran lätt omvandlas till motsvarande alkohol genom dekarboxylering.
Hydrolysen av estrar av karboxylsyror är en typisk alifatisk nukleofil substitutionsreaktion , som fortsätter enligt följande villkorliga schema:
Vanligtvis utförs reaktionen genom upphettning i ett alkaliskt medium. I synnerhet är denna metod ett av de industriella sätten att få glycerin från animaliska eller vegetabiliska fetter .
AcyloinkondenseringAcyloinkondensation är framställningen av a-hydroxiketoner (acyloiner) genom reduktion av estrar med natriummetall :
Denna reaktion innefattar flera steg, i vilka anjonradikaler först bildas, och efter en serie omvandlingar, alkoholater, som under inverkan av vatten förvandlas till acyloiner.
Dekarbonylering av karboxylsyrorDekarbonylering (avlägsnande av CO) av karboxylsyror är en ganska sällsynt laboratoriemetod för att erhålla alkoholer, som kan utföras med metallkatalysatorer.
Återvinning av karboxylsyraklorider Katalytisk hydrering av karbonylföreningar
Tillsats av Grignard-reagens till estrar eller acylhalider
Flervärda alkoholer kan erhållas genom mild oxidation (enligt Wagner) av alkener - för detta är det nödvändigt att passera dem genom en vattenlösning av ett oxidationsmedel, till exempel kaliumpermanganat , - vid en temperatur av 0 till 5 grader Celsius: Det är också möjligt att erhålla sekundära alkoholer genom metoden för hårdoxidation av grenade alkener (antingen en surgjord oxidantlösning eller osmium(VIII)oxid ) följt av reduktion:
Ozonolys av alkener följt av reduktion
Alkohol kan erhållas genom ozonering av en alken, följt av reaktion med ett starkt reduktionsmedel ( natriumtetrahydroborat , litiumtetradihydroaluminat ):
Ozonolysreaktionen bör utföras med hjälp av organiska lösningsmedel såsom metylenklorid eller etylacetat [56] .
Ziegler reaktionDet är en metod för syntes av högre alkoholer (C 8 och högre) med användning av organoaluminiumföreningar. Organoaluminiumföreningar kan lätt erhållas från olefiner i närvaro av väte. Denna metod kan användas för att erhålla rena primära alkoholer:
Oxidation av Grignard-reagenser Tamao-Kumada-Fleming-oxidation
Återvinning av tiosyraestrar Kulinkovich reaktion