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 разделить на две условных группы: химические способы получения спиртов — синтетические спирты; биохимические способы получения спиртов — биоспирты.
Химические способы получения спиртов 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 : алкилгалогениды — щелочной гидролиз или реакция с супероксидом калия; алкены — кислотная гидратация, реакция гидроксимеркурирования-демеркурирования или гидроборирование с последующим окислением, а также промышленные методы оксо-синтеза; карбонильные соединения — восстановление или взаимодействие с реактивами Гриньяра.
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.
Получение спиртов из галогеноуглеводородов Галогенпроизводные углеводородов под действием оснований трансформируются с образованием спиртов (реакция нуклеофильного замещения).
Обычно, первичные и вторичные галогенуглеводороды вступают в реакцию по одностадийному SN2 механизму. Пример — гидролиз бромэтана:
Реакции такого типа, обычно, происходят — с обращением геометрической конфигурации исходного вещества. Реакционная способность алкинов уменьшается при переходе от производных йода к производным фтора 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:
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:
Третичные и в меньшей степени вторичные галогенуглеводороды гидролизуются по двухстадийному SN1 механизму:
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 учёта 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:
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:
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, при этом происходит практически полное геометрическое обращение:
Получение спиртов из алкенов
Гидратация алкенов Кислотная гидратация алкенов исторически была первым синтетическим методом получения спиртов (см. подраздел «История открытия спиртов»).
Общий механизм процесса (реакция электрофильного присоединения AdE2) представлен ниже:
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.
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.
Реакции вторичных алкенов, вследствие перегруппировок карбокатионов, часто приводят к образованию смеси продуктов, что затрудняет их использование для получения вторичных спиртов:
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 %:
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 %:
Гидроксимеркурирование-демеркурирование алкенов Метод получения спиртов гидроксимеркурированием-демеркурированием алкенов имеет ряд важных преимуществ перед реакцией кислотного гидролиза: отсутствие перегруппировок для склонных для этого субстратов; анти-стереоспецифичность для нормальных алкенов за исключением особых случаев пространственного затруднения; лучшие выходы; строгая ориентация по правилу Марковникова.
Механизм реакции выглядит следующим образом:
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.
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.
Практические примеры использования реакции (в скобках указаны выходы, показывающие соотношение образующихся продуктов):
Гидроборирование алкенов с последующим окислением Присоединение гидридов бора к алкенам и последующее их расщепление в щелочной среде, открытое Г. Брауном в 1958 году, является столь важной реакцией, что за её обнаружение и изучение в 1979 году учёный был удостоен Нобелевской премии по химии.
Присоединение происходит многоступенчато с образованием промежуточного циклического активированного комплекса, причем присоединение бора происходит против правила Марковникова — к наиболее гидрогенизированному атому углерода:
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:
Алкилбораны легко расщепляются под действием пероксида водорода в щелочной среде, образуя спирты:
Реакция гидроборирования является реакцией син-присоединения — её 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):
Пример синтеза бициклических терпеновых спиртов:
Для повышения селективности реакции гидроборирования используют замещённые, пространственно затруднённые бораны: Тексилборан2,3-диметилбутил-2-боран Дисиамилборанбис-(1,2-диметилпропил)боран 9-ББН9-борабицикло[3,3,1]нонан Диизопинокамфеилборан(+)3-дипинанилборан
Использование, например, в реакции со стиролом дисиамилборана (DIAB) повышает выход первичного спирта с 80 % до 98 %:
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:
Гидроборирование алкенов с последующим присоединением окиси углерода 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:
Этот метод даёт неплохие выходы со многими алкенами:
Если данную реакцию проводить в присутствии водного раствора щёлочи, получаются вторичные спирты:
Гидроформилирование алкенов Широко используемая в промышленности классическая реакция гидроформилирования алкенов, то есть каталитического присоединение к ним водорода и монооксида углерода с получением на выходе альдегидов, 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:
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 объёмного фосфинового лиганда в переходном состоянии.
Получение спиртов из простых эфиров и спиртов
Реакция гомологизации спиртов 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:
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.
Исходный метанол также получают из окиси углерода (катализаторы на основе оксидов меди и цинка, давление 5-10 МПа, температура 250 °C), так что общая схема выглядит следующим образом:
Побочными продуктами реакции в случае синтеза этанола будут ацетальдегид, этилен и диэтиловый эфир.
Реакция Гербе́ 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:
В качестве катализаторов используют сложную смесь на основе никеля Ренея, меди, солей железа и других компонентов.
Предполагаемый условный механизм реакции:
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.
Кислотное расщепление простых эфиров 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»).