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:
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 [1][2] :
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.
Галогенпроизводные углеводородов под действием оснований трансформируются с образованием спиртов (реакция нуклеофильного замещения).
Обычно, первичные и вторичные галогенуглеводороды вступают в реакцию по одностадийному SN2 механизму[3]. Пример — гидролиз бромэтана:
Реакции такого типа, обычно, происходят стереоспецифично — с обращением геометрической конфигурации исходного вещества[3]. Реакционная способность алкилгалогенидов уменьшается при переходе от производных йода к производным фтора [4] 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[5]:
Для реакций, протекающих по SN2 механизму, используют только полярные растворители, причем скорость превращения возрастает при использовании вместо протонных растворителей (например: вода или спирт) апротонные (например: диметилсульфоксид); при этом в апротонных растворителях нуклеофильность уходящих групп будет иной[3]:
Третичные и в меньшей степени вторичные галогенуглеводороды гидролизуются по двухстадийному SN1 механизму[3]:
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:
Так как в процессе реакции образуется карбкатион, его атака (в идеальных условиях без учета фактора влияния заместителей) 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[5]:
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[3]:
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[2]:
Кислотная гидратация алкенов историческим была первым синтетическим методом получения спиртов (см. подраздел «История открытия спиртов»).
Общий механизм процесса (реакция электрофильного присоединения AdE2) представлен ниже[6]:
Присоединение происходит по правилу Марковникова.
В случае использования серной кислоты в качестве катализатора промежуточным продуктом является эфир серной кислоты (R-CH(OSO2OH)-CH3), который в условиях реакции полностью гидролизуется до спирта[6].
Для проведения реакции кроме серной кислоты используют и другие реагенты: смесь муравьиной и каталитического количества серной кислоты (в отдельных случаях позволяет добиться стереоспецифичности), смесь муравьиной и хлорной кислоты, трифторуксуную кислоту и др[7].
Реакции вторичных алкенов, вследствие перегруппировок карбокатионов, часто приводят к образованию смеси продуктов, что затрудняет их использование для получения вторичных спиртов[8]:
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 %[8]:
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 %[9]:
Метод получения спиртов гидроксимеркурированием-демеркурированием алкенов имеет ряд важных преимуществ перед реакцией кислотного гидролиза[10]:
Механизм реакции выглядит следующим образом[11]:
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[12].
Синтез спиртов гидроксимеркурированием-демеркурированием алкенов протекает в мягких условиях, с выходами близкими к количественным (90-98 %) и практически без образования побочных продуктов; при этом промежуточное ртутьорганическое соединение не требует выделения — все стадии реакции протекают в один за другим[12].
Практические примеры использования реакции (в скобках указаны выходы, показывающие соотношение образующихся продуктов)[12]:
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[13].
Присоединение происходит многоступенчато с образованием промежуточного циклического активированного комплекса, причем присоединение бора происходит против правила Марковникова — к наиболее гидрогенизированному атому углерода[14]:
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[14]:
Алкилбораны легко расщепляются под действием пероксида водорода в щелочной среде, образуя спирты[14]:
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 (в скобках указаны выходы, показывающие соотношение образующихся продуктов)[7]:
Пример синтеза бициклических терпеновых спиртов[15]:
Для повышения селективности реакции гидроборирования используют замещенные, пространственно затрудненные бораны[16]:
Тексилборан 2,3-диметилбутил-2-боран |
Дисиамилборан бис-(1,2-диметилпропил)боран |
9-ББН 9-борабицикло[3,3,1]нонан |
Диизопинокамфеилборан (+)3-дипинанилборан |
|
|
Использование, например, в реакции со стиролом дисиамилборана (DIAB) повышает выход первичного спирта с 80 % до 98 %[17]:
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[6]:
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[7]:
Этот метод дает неплохие выходы со многими алкенами[14]:
Если данную реакцию проводить в присутствии водного раствора щелочи, получаются вторичные спирты[18]:
Широко используемая в промышленности классическая реакция гидроформилирования алкенов, то есть каталитического присоединение к ним водорода и монооксида углерода с получением на выходе альдегидов[19], может быть проведена таким образом, что продуктом её реакции сразу будут спирты без выделения промежуточных карбонильных соединений Это метод иногда называют восстановительным гидроформилированием.
Катализирует реакцию координационно ненасыщенный гидрокарбонил кобальта, образующийся в ходе реакции[19]:
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 (до 90 %) вследствие стерического эффекта объемного фосфинового лиганда в переходном состоянии[20].
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[21]:
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[21].
Исходный метанол также получают из окиси углерода (катализаторы на основе оксидов меди и цинка, давление 5-10 МПа, температура 250 °C)[21], так что общая схема выглядит следующим образом:
Побочными продуктами реакции в случае синтеза этанола будут ацетальдегид, этилен и диэтиловый эфир.
Реакция Гербе представляет собой высокотемпературный (200 °C, давление 5—6 МПа) процесс каталитической конденсации первичных алифатических спиртов, не имеющих разветвления в α-положении, по следующей схеме[22]:
В качестве катализаторов используют сложную смесь на основе никеля Ренея, меди, солей железа и других компонентов[23].
Предполагаемый условный механизм реакции[23]:
или
Реакция имеет ограниченное применение как из-за жестких условий её проведения и относительно низкого выхода (как правило, до 70 %), так и образования кислоты и альдегида в качестве побочного продукта[23].
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 (см. подробнее подраздел «Защита через простые эфиры»).
Обычно реакцию проводят нагреванием эфира и концентрированного раствора бромоводородной или йодоводородной кислоты, при этом расщепление может осуществляться как по механизму SN1, так и SN2[24]:
|
|
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[25]:
Для расщепления эфиров могут использоваться также кислоты Льюиса: BF3, BCl3, AlCl3 и др[25], а также сильные органические кислоты. Например, расщепление трет-бутилциклогексилового эфира трифторуксуной кислотой происходит по механизму SN1 с образованием циклогексанола и 2-метилпропена[26]:
Простые эфиры под действием фениллития перегруппировываются в спирты (Георг Виттиг, 1942 год):
Реакция представляет собой карбанионную перегруппировку, которая осуществляется через радикальный механизм расщепления-рекомбинации[27]:
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[28]. Изучение перегруппировки на примере β-алкоксиалкилаллиловых эфиров (общий вид: ) показало, что в результате реакции с выходом 14-32 % образовывались син-1,3-диол производные с селективностью 90-95 %[29].
Перегруппировка Виттига может осуществляться не только с помощью алкил- или ариллитиевых соединений (фениллитий, бутиллитий, метиллитий, диэтиламид лития и пр.), но и под действием других сильных оснований; например, следующая реакция протекает в жидком аммиаке в присутствии амида калия (выход 90 %)[30]:
Для аллильно-замещенных субстратов (1,2)-перегруппировка конкурирует с (2,3)-перегруппировкой, которую можно наблюдать практически полностью независимо при низких температурах[27]:
В данном разделе помимо получения собственно спиртов из альдегидов и кетонов приведены синтезы гидроксикарбонильных соединений (кетоспирты и производные гидроксикарбоновых кислот; смотри подразделы «Альдольная конденсация», «Бензоиновая конденсация», «Реакция Реформатского», «Реакция Иванова»). Это связано с тем, что приведенные реакции являются мощными препаративными методами и широко используются на практике.
Важным методом получения ацетиленовых спиртов является реакция Фаворского, иначе говоря, реакция этинилирования карбонильных соединений:
В реакцию вступают незамещенные алкины (берутся в большом избытке), кетоны и некоторые альдегиды (чаще всего используется формальдегид) в присутствии оснований (KOH или NaNH2 в органическом растворителе) при температуре от −70 до +40 °C, давлении 0,4-0,9 МПа[31].
Механизм данной реакции связан с нуклеофильным присоединеним этинильного карбаниона к карбонильной группе[32]:
Примеры реакций[33]:
Существуют, по-меньшей мере, две модификации этого метода:
Современным методом получения аллильных спиртов заданной конфигурации является применение в качестве агента аллилборана, который реагирует с альдегидами в присутствии оснований по следующей схеме[36]:
Реакция была использована, в частности, в качестве базовой для полного синтеза ряда природных соединений и их аналогов, например, феромонов короеда[36]:
Ипсенол | Ипсдиенол |
Существуют различные методики этой реакции, среди которых:
Если в реакцию вступают цис-алкены, в основном, будут образовываться син-продукты присоединения (97 % от общего выхода).
Другим удобным агентом, реагирующим по данной схеме является аллилборный эфир винной кислоты (Рауш, 1985 год)[38].
Как видно из схемы, меняя температуру реакции, можно вызвать миграцию атома бора к соседнему углероду, получив тот или иной изомерный спирт.
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[39]:
В качестве катализаторов реакции могут выступать: TiCl4, BF3, SnCl4 и пр.
Пример практического использования реакции Сакураи[40]:
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[41]. Впоследствии реакция была несколько модифицирована: в качестве катализатора стали использовать третичные амины (например: 1,4-диазобицикло[2.2.2]октан или DABCO[42]):
Предположительно, механизм реакции выглядит следующим образом[43]:
Реакция Нозаки-Хияма-Киши представляет собой современный метод получения спиртов селективным восстановительным сочетанием альдегидов с винил- или аллилгалогенидами (бромиды или йодиды) в присутствии хром-никелевого катализатора[44]:
Каталитический цикл реакции выглядит следующим образом[45]:
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:
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 представляет собой оксилительно-восстановительное диспропорционирование альдегидов в первичные спирты и карбоновые кислоты под действием оснований[49]:
На первом этапе реакции происходит нуклеофильное присоединение основания (например: гидроксид-аниона) к карбонильному углероду альдегида. Образующийся анион депротонируется (это требует воздействия достаточно сильного основания) с образованием промежуточного дианиона, который затем вступает в реакцию с молекулой альдегида:
В реакцию Канниццаро вступают альдегиды, не способные к енолизации (не имеющие α-водорода), поскольку для последних преобладающей будет альдольная конденсация. Например, в известном примере с бензальдегидом, выход бензилового спирта может достигать 90 %[50]:
Чаще реакция Канниццаро используется для синтеза ароматических и гетероароматических спиртов[50].
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[51]:
В настоящее время существуют более эффективные синтетические методы, поэтому полезность реакции Канниццаро ограничена, как правило, диспропорционированием кетоальдегидов в гидроксикарбоновые кислоты[52]:
Карбонильные соединения, особенно альдегиды и стерически не затруднённые кетоны, легко вступают в реакции нуклеофильного присоединения c цианистым водородом (нуклеофил CN−) с образованием циангидринов[53]:
Для ароматических кетонов вместо HCN используют цианид диэтилалюминия (C2H5)2AlCN или цианотриметилсилан (CH3)3SiCN, продукт присоединения которого затем гидролизуется до циангидрина[53]:
Далее при необходимости циангидрин легко гидролизуется до гидроксикислоты или восстанавливается в аминоспирт:
Альдольная конденсация — это одна из старейших реакций органического синтеза (1872 год, Вюрц), в которой две молекулы альдегида или кетона под действием основания или кислоты соединяясь, образуют кетоспирты или альдоли[54]:
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 (кротоновая конденсация)[54].
Механизм конденсации, происходящий под действием основания, следующий[54]:
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[53]:
Кроме собственно альдегида, возможно использование имина и диизопропиламида лития в качестве основания[53]:
Разновидностью альдольной реакции является реакция Мукаямы, в которой используются силиленольные эфиры:
Бензоиновая конденсация представляет собой обратимое образование из альдегидов (преимущественно — ароматических) под действием цианид-ионов CN− α-оксикетонов (ацилоинов) с общей формулой —СR(ОН)—С(O)О—:
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 представляет собой метод получения β-гидроксикарбоновых кислот общей формулой —CR(OH)—CR1(COOH)— из карбонильных соединений и реактивов Иванова: магнийгалогенпроизводных солей арилуксусных кислот (обычно — фенилуксусной кислоты)[55]. Например:
При необходимости оксикислота может быть легко превращена в соответствующий спирт методом декарбоксилирования.
[1] [2]
Является методом синтеза высших спиртов (С8 и выше) при помощи алюминийорганических соединений. Алюминийорганические соединения легко могут быть получены из олефинов в присутствии водорода. Данным методом можно получать чистые первичные спирты
Получение спиртов.