Quá trỉnh khử hóa trong tổng hợp hữu cơ & hóa dầu

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Bài tiểu luận môn học * BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC GVHD: NGUYỄN THỊ HỒNG ANH NHÓM 6 TRẦN VĂN DUY 3004080007NGUYỄN THỊ MỸ HƯỜNG 3004090088NGUYỄN THỊ HẠNH 3004090076NGUYỄN THÀNH TRUNG 3004080046 * NỘI DUNG CHÍNH * 7.1.1. Định nghĩa Trong hóa học, quá trình khử hóa là quá trình nhận thêm điện tử. Trong hóa học hữu cơ, quá trình khử hóa là quá trình làm giảm độ oxy hóa của chất đem khử và thêm những nguyên tử hydro hay loại khỏi nó nguyên tử dị tố. * Lấy thêm điện tử. Quá trình lấy thêm hydro là phản ứng cộng hợp. Quá trình loại nguyên tố dị tố là quá trình hydro phân (quá trình phá hủy liên kết dị tố bằng hydro). * 7.1.2. Mục đích Điều chế các hợp chất hydrocacbon no từ hợp chất hydrocacbon không no. Từ những chất có độ oxy hóa cao thành các chất có độ oxy hóa thấp. * 7.1.3. Cơ chế phản ứng Khử hóa có nhiều phương pháp, tác nhân khử và loại chất đem khử khác nhau nên cơ chế của phản ứng đó cũng khác nhau nên ta không thể biểu diễn nó thành công thức tổng quát được. Trong trường hợp cụ thể, sẽ được đề cập đến. * Có ba nhóm chính Khử bằng tác nhân hóa học Khử bằng hydro có xúc tác Khử bằng điện hóa Tác nhân khử hóa * 7.2.1. Khử bằng tác nhân khử hóa Kim loại trong môi trường kiềm hoặc axit (Fe, Zn, Sn). Các hỗn hống kim loại (Na, Al, Mg, Sn, Zn, Hg…). Các kim loại kiềm trong ancol. Các kim loại và amoniac. Các kim loại và amin hữu cơ. Các Hydrua kim loại (LiAlH4, NaBH4). Hydrazin N2H4. Các chất khử chứa lưu huỳnh. * 7.2.2.1. Các kim loại trong môi trường kiềm và axit Để khử hóa các hợp chất nitro hoặc nitrozo thành anmoni. Fe & Sn chỉ được sử dụng trong môi trường axit, Zn sử dụng trong cả axit lẫn kiềm. * Phản ứng khử hóa của Bechamp bằng Fe * Khử được nitro và nhiều loại chất. Giống như thiếc nhưng giá thành cao. Chủ yếu dùng khử hóa các hợp chất nitro * 7.2.1.2. Các hỗn hống của kim loại * 7.2.1.3. Tác nhân khử hóa kim loại kiềm trong ancol * 7.2.1.3. Tác nhân khử hóa kim loại kiềm trong ancol * 7.2.1.3. Tác nhân khử hóa kim loại kiềm trong ancol * 7.2.1.4. Tác nhân khử hóa là các kim loại với amoniac Một trong các tác nhân khử hóa mạnh nhất, quan trọng nhất và hay được sử dụng nhất trong các hợp chất có cản trở không gian lớn. Được sử dụng nhiều nhất trong nhóm này là liti hoặc natri với amoniac lỏng (đôi khi sử dụng tới cả kali hoặc canxi). * 7.2.1.5. Tác nhân khử là hydrua kim loại Hai chất được sử dụng như là tác nhân khử đó là Liti nhóm hidrua (LiAlH4) và Natri Bo Hydrua (NaBH4). Cả hai chất đều là chất rắn, tương đối bền vững. * 7.2.1.5. Tác nhân khử là hydrua kim loại Các hydrua kim loại dễ dàng cho nhóm cacbonyl hydrua ion để tạo thành phức ancolat. Hoặc * 7.2.1.5. Tác nhân khử là hydrua kim loại Dưới tác dụng của nước (proton), các phức ancolat này bị thủy phân để cho ancolat tương ứng. * 7.2.2. Khử bằng hydro hóa có xúc tác (khử hóa bằng hydrogen phân tử) Khi có mặt xúc tác thì phân tử hidro được hoạt hóa và khả năng phản ứng tăng lên rất nhiều nhờ vậy mà phản ứng hydro hóa mới thực hiện được. Cũng vì lẽ đó, hydro hóa bao giờ cũng cần phải có xúc tác. * 7.2.2.1. Các xúc tác hydro hóa bằng hydro phân tử * Xúc tác có thể sử dụng riêng một mình nó hoặc có thể đưa lên một chất mang. Chất mang loại có diện tích bề mặt riêng nhỏ gồm thủy tinh, nhôm oxit, đá bọt, bauxit… Chất mang có diện tích bề mặt riêng lớn gồm cao lanh, oxit tan, than hoạt tính, silicagel… Ngoài ra, còn có chất phụ trợ xúc tác (promotor) hoặc chất ức chế (giảm) xúc tác (inhibitor). 7.2.2.1.1. Các xúc tác kim loại * Kim loại hay được sử dụng nhất là: Niken, đồng, coban, sắt. 7.2.2.1.2. Các chất kim loại quý Các kim loại quý được sử dụng là palatin, paladi, ruteni và rido. 7.2.2.1.3. Các hợp chất phi kim loại Các oxit kim loại (kẽm, Crom, vanadi) hoặc sunfua kim loại (molipden, sắt, coban, niken) và borua kim loại (sắt, niken, bạc, crom vv…) 7.2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng hydro hóa * Nhiệt độ Nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng hydro hóa cũng tăng, đồng thời phản ứng chiều ngược dehydro hóa xuất hiện. Áp suất Làm tăng tốc độ phản ứng. Chi phối tới điểm cân bằng. Chọn lọc của xúc tác. 7.2.2.3. Các thiết bị sử dụng trong phản ứng hydro hóa. * Ở nhiệt độ cao áp suất lớn, hydro có tính ăn mòn cao – phản ứng với các vật liệu trong môi trường nhất định với sắt. Vật liệu chế tạo thiết bị hydro hóa phải là một loại thép đặc biệt chỉ chứa các kim loại Crom, vanadi, nhôm và niken. 7.2.2.4. Tính chất của hydro kỹ thuật an toàn. * Hyrogen là chất khí nhẹ nhất, nó dễ dàng rò rỉ qua những chỗ mà các khí khác hoặc thể hơi không thể rò rỉ qua được. Tính rò rỉ này càng tăng khi áp suất tăng bởi nó tạo ra hỗn hợp nổ với không khí rất nguy hiểm. * Quá trình khử hóa là một quá trình phản ứng phức tạp, sản phẩm sinh ra tùy thuộc chất khởi đầu đem khử là gì, thậm chí do mức độ và điều kiện khử hóa khác nhau mà dừng lại ở độ khử hóa khác nhau. Muốn hạn chế tạo thành sản phẩm đa dạng đó cần thiết phải tìm được các điều kiện khử hóa thích hợp. * 7.4.1. Khử hóa liên kết C-C không no. Khử hóa nối đôi olefin: Tốc độ khử hóa giảm dần theo các cấu trúc olefin. R’C=CR”R’” RR’C=CH2 RCH=CHR’ RCH=CH2 CH2=CH2 RR’C-CHR” 7.4.1. Khử hóa liên kết C-C không no Khử hóa nối đôi olefin: Mạch cacbon càng dài, càng nhiều mạch nhánh càng làm làm giảm tốc độ phản ứng. Cis-olefin dễ hydro hóa hơn trans-olefin. Phản ứng phụ hay sảy ra trong việc hydro hóa là sự chuyển dịch dây nối đôi. Ví dụ: * - Khử hóa các dẫn xuất axetylen: * Nối ba của axetylen hydro hóa được một cách dễ dàng. Có thể hydro hóa đồng đẳng của axetylen một cách chọn lọc để có thể dùng lại ở hợp chất olefin bằng chất khử hóa học lẫn bằng hydro hóa có xúc tác. - Ví dụ: * - Hydro hóa hệ vòng nhân thơm * Bão hòa nhân thơm khó hơn bão hòa các hợp chất mạnh thẳng không no. Khử hóa nhân thơm bằng tác nhân khử hóa chất thường không thể bão hòa được hết toàn bộ nhân thơm. Ví dụ khử hóa benzen bằng tác nhân khử là kim loại natri- amoniac: - Hydro hóa hệ vòng nhân thơm * Một quy luật phổ biến: Nhóm hút điện tử làm tăng khả năng bão hòa, nhóm đẩy điện tử thì gây khó khăn cho việc hydro hóa nhân thơm. Khi hydro hóa các hydrocacbon thơm nhiệt độ không vượt qua giới hạn nhiệt độ tối ưu vì khi vượt quá nhiệt độ đó hiệu suất tạo CyClohexan sẽ giảm do xúc tiến nhanh phản ứng ngược chiều - phản ứng dehydro hóa. - Hydro hóa các hợp chất nhân thơm có bộ khung đa vòng ngưng tụ. * Hydro hóa hợp chất thơm đa vòng dễ hơn hydro hóa nhân benzen. Vận tốc phản ứng tăng dần theo thứ tự sau: Benzen C=N-NH2), oxim (>C=N-OH), imin (CH=NH), azo (-N=N-), azoxi (-N=N→O). Khử hóa bằng hydro phân tử và hydrua kim loại (LiAlH4) để khử hóa nhóm nitrin thành amin hỗn hợp amin bậc I và bậc II. 7.4.5 Khử hóa các hợp chất chứa nito không no * Hạn chế các phản ứng phụ này bằng cách tiến hành ở áp suất thấp với sự có mặt của xúc tác Niken- Raney andehyt axetic- natri axetat. 7.5.1 Sản xuất socbit từ glucoza. Quá trình sản xuất vitamin C: Hydro hóa glucoza thành socbit với xúc tác Niken-Raney: * Sơ đồ sản xuất anilin theo phương pháp Bechamp. Sơ đồ dây chuyền công nghệ Hydro hóa furfuran thành furfuran ancol Sơ đồ Hydro hóa Este của axit béo thành rượu (C10 – C18) Sơ đồ sản xuất Aniline bằng Hidro hóa xúc tác Nitrobenzene