Пероксиды

в химии и жизни

Терентьев Александр Олегович

ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН

История получения пероксида водорода 2

В 1818 год Louis Jacques Thénard получил H2O2

BaO2 + кислоты или вода = H2O2

Пероксид натрия Na2O2 - 1811 год

(Louis Jacques Thénard и Joseph Louis Gay-Lussac)

Прогноз объема мирового производства H2O2

к 2017 году

4.67 миллионов тонн

Цена: ~ 0.5 долл. США / 1 л 30% водного H2O2

1832 год первое промышленное производство

H2O2 на основе BaO2

Пероксид бария BaO2 - 1799 год (Alexander von Humboldt)

Промышленное производство пероксида водорода

Электролиз серной кислоты впервые осуществлен и внедрён в 1908 году

(Weißenstein, Carinthia, Австрия)

2H2SO4

-2eH2S2O8 + 2H+

H2S2O8 + H2O H2SO5 + H2SO4

H2SO5 + H2O H2O2 + H2SO4

В настоящее время способ используется в РФ.

Позволяет получать H2O2 концентрацией до 98%

3

Позволяет получать H2O2 концентрацией до 50%.

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.

4

• H2O2

• H2O2 * NH2-CO-NH2

• Na2CO3 * 1.5 H2O2

• K2CO3 * 3 H2O2

• KF * H2O2

• Na2HPO4 * 2 H2O2

• [NaBO2 * H2O2]2 * 6H2О

Пероксид водорода

и промышленно производимые

неорганические продукты

5

Производство перкарбоната и пербората натрия для моющих средств.

Отбеливание волос, кожи, зубов.

Дезинфектанты и антисептики.

Топливо для ракет и торпед (моно- и дикомпонентные смеси).

Применение пероксида водорода

и его неорганических производных

6

7

ROOR’

Производство

полимеров

Инициаторы

радикальной

полимеризации и

сшивки

Реагенты и

полупродукты тонкого

органического синтеза

(окисление,

инициирование

радикальных реакций и

перегруппировки)

Биологически активные

соединения

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).

Полистирол, ПВХ, ПЭВД,

полиакрилаты,

полипропилен,

полибутадиен,

кремнийорганические,

этилен-пропиленовые,

бутадиеновые и

хлорсодержащие каучуки

Органические пероксиды

Применение

1. Производство полимеров

ROOR’

RO

R'O

Диапазон инициирования: 15-200 °С

8

По различным оценкам от 10 до 30 % полимеров

производятся с использованием пероксидов

Пероксиды,

используемые в производстве полимеров

Диацилпероксиды Диалкилпероксиды Гидропероксиды

Сложные

пероксиэфиры

Пероксидикарбонаты Пероксикарбонаты

Перкетали Циклические трипероксиды

ацетона и метилэтилкетона

Олигомерные пероксиды

и сложные смеси пероксидов

9

АНТИПАРАЗИТАРНЫЕ

ПРЕПАРАТЫ

Малярия и гельминтозы

В мире малярией болеет 300 - 500

млн. человек, приблизительно

~ 2 млн. ежегодно умирает.

Шистосомоз:

инфицировано 200 млн. человек

АНТИМИКРОБНЫЕ

ПРЕПАРАТЫ И ДЕЗИНФЕКТАНТЫ

Перуксусная кислота –

антисептик

CH3COOOH

Бензоилпероксид -лечение и

профилактика угревой сыпи

O

O O

O

10 2. Биологически активные соединения

на основе пероксидов

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.

Артемизинин O

O

O

O

O

В полыни содержится от 0.3 до 0.5 % артемизинина.

11 Мировые тенденции в поиске

лекарственных средств на основе пероксидов

Artemisinin таблетки, свечи

Artemether капсулы,

внутримышечные

инъекции

Artesunate таблетки, свечи

внутримышечные

и внутривенные

инъекции

Arteether внутримышечные

инъекции

Dihydroartemisinin таблетки, свечи

12 Артемизинин и его полусинтетические аналоги,

используемые в медицинской практике

O

HOO

H

OO O

HOO

H

OO

Каниоян Бисэпиканиоян

OO

O

OR

Пероксиды из губок рода

Plakortis

Yingzhaosu A

Аскаридол

13 Природные пероксиды с высокой

антигельминтной и антималярийной активностью

In vitro и In vivo аналогичны

артемизинину

In vitro и In vivo превосходят

артемизинин

14 Синтетические циклические пероксиды

с высокой противомалярийной активностью

Synriam (2012 год)

комбинированный антималярийный препарат

15

Артеролан малеат

Пиперахин фосфат

OO

O

O

NH

NH2

O

O

OH

OH

N

Cl

N N N N N

Cl

4 H3PO4, 4H2O

16 Синтетические пероксиды с высокой

антималярийной активностью

17

O

OO

O

R'

HOAc

OAcCOR

Синтетические «стероидные тетраоксаны»

O O

H

O

OMe

MeO

C14

Plakorin

Plakinic acid C

OOO

HO ( )4

Plakortolides A-H

OO

O

O

H

R

R

OO

R' R''

OO OO

R'''

1,2-Диоксетаны

Артемизинин

Сесквитерпеновые эндопероксиды

Соединения

с высокой противоопухолевой активностью

Синтез

органических

пероксидов

Кетоны, альдегиды и H2O2 –

основные реагенты для

получения пероксидов в промышленности

19

Основная проблема - селективность

20 Селективный синтез пероксидов

из кеталей и эфиров енолов

R1

ORR2

ORR1

ORR2

OOHR1

OOHR2

OOR'R1

OOR'R2

R1

R2 OO

O O

R3

R4

R1

R2

OO

R1

R2

OOH

HOO

OO

O

OO

O9

R3

R4

R2R1

R1

R2

OOR1

OOR'R2

OR3

OO

O

SiO

O

O9

R3

R4

R2R1

R1

R2

OO

O

GeO

O

O9

R3

R4

R2R1

R1

R2

R1

R2 OO

O O

SiR3

R4

H2O2 (R'OOH)

A

A

Синтез с использованием синглетного кислорода

(широко распространен в природе) 21

Синтез

с использованием гидропероксидов и

металлов переменной валентности

22

Аутоокисление 23

Озонолиз 24

Озонолиз алкенов

Совместный озонолиз оксимов и кетонов

Применение пероксидов

в промышленном и

лабораторном синтезе

Перегруппировки

пероксидов и

родственные процессы

Реакции окисления Свободнорадикальные

реакции

25

Реакции окисления

Реакция Прилежаева (1909 г.)

Вариант реакции Прилежаева

Rubottom Oxidation

26

Лабораторный синтез эпоксидов

Реакции окисления

Эпоксидирование гидропероксидами в присутствии оснований

(Weitz-Scheffer Epoxidation)

27

Вариант энантиоселективного эпоксидирования

J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 8134-8135

Эпоксидирование по Паену (Payne Epoxidation)

Реакции окисления 28

Реакции окисления

Эпоксидирование диметилдиоксираном

29

Реакции окисления

Эпоксидирование по Ши (Shi Epoxidation)

Приготовление хирального

катализатора из D-фруктозы

Y. Shi, J. Am. Chem. Soc., 1997, 11224

Эпоксидирование с промежуточным

образованием диоксирана

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

33

A. Baeyer, V. Villiger, Chem. Ber. 1900, 33, 858-864

Используется в промышленном

производстве капролактона и поликапролактона

O

O

O (CH2)5

O

n

Кислотно-катализированные

превращения пероксидов

Реакция Криге

34

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

Кислотно-катализированные

превращения пероксидов

Промышленный метод получения фенола и ацетона

35

Реакция Корнблюма-де ла Маре (Kornblum–DeLaMare)

Превращения пероксидов

с участием оснований

36

Окисление по Дакину (Dakin)

Превращения пероксидов

с участием оснований

37

Перегруппировка Шенка (Schenck)

Перегруппировка Смита (Smith)

«Самопроизвольные» перегруппировки пероксидов

Продукт реакции холестерола

с синглетным кислородом

38

Фотохимические превращения

пероксидов

39

Свободнорадикальные реакции

R-O-O-R'

th Mn+

R'O

RO

R'O

RO RO

R'O-

40

Горение, взрыв

Фотоотверждаемые пломбы

Высыхание лаков и красок

Прогоркание масла

Отверждение шпаклевок и

герметизирующих материалов

Термическое инициирование

Инициированное пероксидами присоединение алкенов

к кетонам и сложным эфирам.

41

O

O

OR'

R''

O

O

OR'

H

H

H H

-ROH

H

H

O

O

OR'

H

H

R"

R"

Отрывводорода

Присоединение алкена

SHROС-радикал

Производство поверхностно-активных веществ

и синтетических масел

Разложение пероксидов

катализируемое металлами переменной валентности

42

α,ω – Функционализированные соединения –

предшественники биологически активных веществ

( )

OOHHO

FeSO4

( )

OHO

( )

OHO

Димеризация

( )

OHO

( )

O OH

Cu(OAc)2

( )

OHO

( )

OHO

CuBr2(CuCl2)

Br (Cl)

Cu(SCN)2

( )

OHOSCN

n n n

n n n

nn

-распад

Разложение пероксидов

катализируемое металлами переменной валентности

H2O

- распад

Cu(OAc)2

CuOAc + AcOH

1

( )n

( )m

O R

OOH

( )n

( )m

O R

O A

O

O R

( )n

( )m

B

O

O R

( )n

( )m

2

Синтез макроциклов

43

Разложение пероксидов

катализируемое металлами переменной валентности

44

ButOOHFeSO4

ButO

RCHO

-ButOHR С

O

N

N

H

N

N

H

O

R

O

O

O

ON

H

R

N

H

R

O

O

N

H

R

NH3C

H3C

O

HN

H3C

H2C

O

H N

H

R

N

H3C O

H

Полимеры Радикальная полимеризация,

вулканизация,

функционализация полимеров

Фармацевтика,

медицина Антипаразитарные,

антимикробные препараты,

антисептики, дезинфектанты

Экология Атмосферные процессы,

окисление в воде и почве,

очистка сточных вод

Биология Дыхание, апоптоз, окисление

липидов, синтез

простагландинов,

хемилюминесценция

организмов

Теоретическая

химия Связь структуры,

реакционной способности,

биологической активности,

строение вещества, цепные

реакции

Различные

отрасли

промышленности Горение и взрыв, добавки в

топливо, отбеливание бумаги,

тканей, приготовление клеев и

композиционных материалов

Производственная сфера

Органический

синтез Радикальные и ионные

реакции, окисление