O - wsoc

ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН
Терентьев Александр Олегович
Пероксиды
в химии и жизни
История получения пероксида водорода
Пероксид бария BaO2 - 1799 год (Alexander von Humboldt)
Пероксид натрия Na2O2 - 1811 год
(Louis Jacques Thénard и Joseph Louis Gay-Lussac)
В 1818 год Louis Jacques Thénard получил H2O2
BaO2 + кислоты или вода = H2O2
1832 год первое промышленное производство
H2O2 на основе BaO2
Прогноз объема мирового производства H2O2
к 2017 году
4.67 миллионов тонн
Цена: ~ 0.5 долл. США / 1 л 30% водного H2O2
2
Промышленное производство пероксида водорода
Электролиз серной кислоты впервые осуществлен и внедрён в 1908 году
(Weißenstein, Carinthia, Австрия)
2H2SO4
H2S2O8 + H2O
H2SO5 + H2O
-2e
H2S2O8 + 2H+
H2SO5 + H2SO4
H2O2
+ H2SO4
В настоящее время способ используется в РФ.
Позволяет получать H2O2 концентрацией до 98%
3
Промышленное производство пероксида водорода
Антрахиноновый метод получения H2O2 разработан в 1930 годах
(IG Farben, Ludwigshafen, Германия)
В России не используется.
Позволяет получать H2O2 концентрацией до 70%.
Эффективен только для крупных производств.
Окисление изопропанола 1957 – 1980 годы (Shell)
В настоящее время используется в России.
Позволяет получать H2O2 концентрацией до 50%.
4
Пероксид водорода
и промышленно производимые
неорганические продукты
• H2O2
• H2O2 * NH2-CO-NH2
• Na2CO3 * 1.5 H2O2
• K2CO3 * 3 H2O2
• KF * H2O2
• Na2HPO4 * 2 H2O2
• [NaBO2 * H2O2]2 * 6H2О
5
Применение пероксида водорода
и его неорганических производных
Производство перкарбоната и пербората натрия для моющих средств.
Отбеливание волос, кожи, зубов.
Дезинфектанты и антисептики.
Топливо для ракет и торпед (моно- и дикомпонентные смеси).
6
Органические пероксиды
Применение
Биологически активные
соединения
Производство
полимеров
Инициаторы
радикальной
полимеризации и
сшивки
Полистирол, ПВХ, ПЭВД,
полиакрилаты,
полипропилен,
полибутадиен,
кремнийорганические,
этилен-пропиленовые,
бутадиеновые и
хлорсодержащие каучуки
7
ROOR’
Реагенты и
полупродукты тонкого
органического синтеза
(окисление,
инициирование
радикальных реакций и
перегруппировки)
Антипаразитарные
препараты
Малярия:
болеет 300 - 500 млн.
ежегодно умирает ~ 2 млн.
Гельминтозы:
В мире заражены ~ 1 млрд.
(17 млн. ежегодно умирает).
В России заражены ~ 5 млн.
(34 тыс. умирают ежегодно).
1. Производство полимеров
По различным оценкам от 10 до 30 % полимеров
производятся с использованием пероксидов
RO
Диапазон инициирования: 15-200 °С
ROOR’
R'O
8
Пероксиды,
используемые в производстве полимеров
Диацилпероксиды
Сложные
пероксиэфиры
Перкетали
Диалкилпероксиды
Пероксидикарбонаты
Циклические трипероксиды
ацетона и метилэтилкетона
Гидропероксиды
Пероксикарбонаты
Олигомерные пероксиды
и сложные смеси пероксидов
9
2. Биологически активные соединения
на основе пероксидов
АНТИМИКРОБНЫЕ
ПРЕПАРАТЫ И ДЕЗИНФЕКТАНТЫ
Бензоилпероксид -лечение и
профилактика угревой сыпи
O
O
O
O
АНТИПАРАЗИТАРНЫЕ
ПРЕПАРАТЫ
Малярия и гельминтозы
В мире малярией болеет 300 - 500
млн. человек, приблизительно
~ 2 млн. ежегодно умирает.
Шистосомоз:
Перуксусная кислота –
антисептик
CH3COOOH
10
инфицировано 200 млн. человек
Мировые тенденции в поиске
лекарственных средств на основе пероксидов
11
В 1971 году из листьев однолетней полыни (Artemisia annua) был выделен
артемизинин (циклический пероксид), обуславливающий лечебное
действие этого растения, которое в течение двух тысячелетий
применяется традиционной китайской медициной для лечения малярии.
В полыни содержится от 0.3 до 0.5 % артемизинина.
O
O
Артемизинин
O
O
O
Артемизинин и его полусинтетические аналоги, 12
используемые в медицинской практике
Artemisinin
Artemether
Arteether
таблетки, свечи
капсулы,
внутримышечные
инъекции
внутримышечные
инъекции
Artesunate
Dihydroartemisinin
таблетки, свечи
внутримышечные
и внутривенные
инъекции
таблетки, свечи
13
Природные пероксиды с высокой
антигельминтной и антималярийной активностью
O
O
O
OR
Пероксиды из губок рода
Plakortis
HO
O
O O
O
H
Каниоян
HO
Аскаридол
O
O O
O
H
Бисэпиканиоян
Yingzhaosu A
Синтетические циклические пероксиды
с высокой противомалярийной активностью
In vitro и In vivo аналогичны
артемизинину
In vitro и In vivo превосходят
артемизинин
14
Synriam (2012 год)
комбинированный антималярийный препарат
O
O
OH
O O
N
H
O
NH2
Артеролан малеат
Cl
N
OH
O
Cl
N
N
N
N
4 H3PO4, 4H2O
Пиперахин фосфат
N
15
Синтетические пероксиды с высокой
антималярийной активностью
16
Соединения
с высокой противоопухолевой активностью
17
OAc
COR
O
O
O
OAc
H
O
R'
Артемизинин
Синтетические «стероидные тетраоксаны»
O
O O
O O
R
( )4
HO
O
O
O
R'
R''
O O
R'''
1,2-Диоксетаны
Plakinic acid C
H
O O
MeO
H
O
OMe
R
C14
O O
O
Plakortolides A-H
Plakorin
Сесквитерпеновые эндопероксиды
Синтез
органических
пероксидов
Кетоны, альдегиды и H2O2 –
основные реагенты для
получения пероксидов в промышленности
Основная проблема - селективность
19
Селективный синтез пероксидов
из кеталей и эфиров енолов
R2
R1 O O
OOR'
R2
R1 OOR'
O O R3
R2
A
R1 O O R4
R2
A
R2
OOH
OR R2
OR
R1 OR
R1
R1 OOH
R2
R1
O O R3
Si
O O R4
H 2O 2
(R'OOH)
OOR'
R1 OO
OR3
9
O
R3
R4
O
O
O
R2
R1
R2
R1
OOH
O O
HOO
R1
R2
R2
20
R3
O
R1 O
Si R4
9 O
R2
O
O
O
R2
R1
R3
O
R1 O
Ge R4
9 O
R2
O
O
O
R2
R1
Синтез с использованием синглетного кислорода 21
(широко распространен в природе)
Синтез
с использованием гидропероксидов и
металлов переменной валентности
22
Аутоокисление
23
Озонолиз
Озонолиз алкенов
Совместный озонолиз оксимов и кетонов
24
Применение пероксидов
в промышленном и
лабораторном синтезе
Реакции окисления
25
Перегруппировки
Свободнорадикальные
пероксидов и
реакции
родственные процессы
Реакции окисления
Реакция Прилежаева (1909 г.)
Лабораторный синтез эпоксидов
Вариант реакции Прилежаева
Rubottom Oxidation
26
Реакции окисления
Эпоксидирование гидропероксидами в присутствии оснований
(Weitz-Scheffer Epoxidation)
Вариант энантиоселективного эпоксидирования
J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 8134-8135
27
Реакции окисления
Эпоксидирование по Паену
(Payne Epoxidation)
28
Реакции окисления
Эпоксидирование диметилдиоксираном
29
Реакции окисления
Эпоксидирование по Ши (Shi Epoxidation)
Приготовление хирального
катализатора из D-фруктозы
Эпоксидирование с промежуточным
образованием диоксирана
Y. Shi, J. Am. Chem. Soc., 1997, 11224
30
Реакции окисления
Эпоксидирование
катализированное металлами переменной валентности
M = Cr, V, Mo, Co, Cu, Mn, Fe, Ti, Zr, W
Первое упоминание - 1950 г
Начало активных исследований – 1965 г
31
Перегруппировки
пероксидов и
родственные процессы
Кислотно-катализированные
превращения пероксидов
Реакция Байера-Виллигера –
Получение лактонов и сложных эфиров из кетонов
A. Baeyer, V. Villiger, Chem. Ber. 1900, 33, 858-864
Используется в промышленном
производстве капролактона и поликапролактона
O
O
O
O (CH2)5
n
33
Кислотно-катализированные
превращения пероксидов
Реакция Криге
34
Кислотно-катализированные
превращения пероксидов
Реакция Хока – 1944 г
Hock, H.; Lang, S. Autoxydation von Kohlenwasserstoffen, IX Mitteil.
Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (A and B Series) 1944, 77, 257–264
Реакция Удриса-Сергеева-Кружалова – 1942 г
Промышленный метод получения фенола и ацетона
35
Превращения пероксидов
с участием оснований
Реакция Корнблюма-де ла Маре (Kornblum–DeLaMare)
36
Превращения пероксидов
с участием оснований
Окисление по Дакину (Dakin)
37
38
«Самопроизвольные» перегруппировки пероксидов
Перегруппировка Шенка (Schenck)
Продукт реакции холестерола
с синглетным кислородом
Перегруппировка Смита (Smith)
Фотохимические превращения
пероксидов
39
Свободнорадикальные реакции
R-O-O-R'
h
t
Mn+
RO
RO
RO
R'O
R'O
R'O-
Горение, взрыв
Фотоотверждаемые пломбы
Высыхание лаков и красок
Прогоркание масла
Отверждение шпаклевок и
герметизирующих материалов
40
Термическое инициирование
41
Инициированное пероксидами присоединение алкенов
к кетонам и сложным эфирам.
Отрыв
водорода
O
RO
-ROH
С-радикал
O
H
R'' SH Присоединение
алкена
O
H
H
R"
H
R"
H
H
H
H
O
OR'
O
O
OR'
OR'
Производство поверхностно-активных веществ
и синтетических масел
Разложение пероксидов
42
катализируемое металлами переменной валентности
-распад
HO
OOH
HO
O
O
HO
HO
( )n
n
Cu(OAc)2
HO
O
( )n
CuBr2
(CuCl2)
HO
( )n
O
OH
Димеризация
FeSO4
()
O
( )n
( )n
Cu(SCN)2
O
()n
Br (Cl)
O
HO
( )n
α,ω – Функционализированные соединения –
предшественники биологически активных веществ
SCN
43
Разложение пероксидов
катализируемое металлами переменной валентности
Синтез макроциклов
( )
( )
m

( )
O
n
OOH
n
O
R
O
1
( )
R
m
2
CuOAc + AcOH
Cu(OAc)2
H2 O
( )
- распад
m
( )
( )
O
n
O
n
R
A
O
O
( )
R
m
B
44
Разложение пероксидов
катализируемое металлами переменной валентности
N
N
H
O
RCHO
R С
-ButOH
N
R
N
H
O
O
O
ButOOH
FeSO4
ButO
O
N
H
O
O
R
O
N
H
R
R
H3C
H3C
O
N
H
H3C
H2C
O
N
H
N
H
R
N
H
H3C
N
O
H
Производственная сфера
Полимеры
Радикальная полимеризация,
вулканизация,
функционализация полимеров
Фармацевтика,
медицина
Антипаразитарные,
антимикробные препараты,
антисептики, дезинфектанты
Различные
отрасли
промышленности
Горение и взрыв, добавки в
топливо, отбеливание бумаги,
тканей, приготовление клеев и
композиционных материалов
Органический
синтез
Радикальные и ионные
реакции, окисление
Биология
Дыхание, апоптоз, окисление
липидов, синтез
простагландинов,
хемилюминесценция
организмов
Теоретическая
химия
Связь структуры,
реакционной способности,
биологической активности,
строение вещества, цепные
реакции
Экология
Атмосферные процессы,
окисление в воде и почве,
очистка сточных вод