氢化铝锂,是一种
无机化合物,化学式为LiAlH4,为白色结晶性粉末,不溶于烃类,溶于乙醚、
四氢呋喃,主要用作羰基试剂、还原剂。
理化性质
物理性质
密度:0.917g/cm3
熔点:125℃(分解)
外观:白色结晶性粉末
结构:经测定,AlH4-离子昊有四面体结构。在LiAlH4中,锂离子桥联于一对AlH4-离子之间,Li-H的距离较短,有三个为1.88~2.0Å,一个为2.16Å,与
氢化锂中的Li-H核间距2.04Å相比有些差别,表明有H…Li+之间的相互作用。在AlH4-四面体中Al-H的平均键长为1.55Å。
溶解性:不溶于烃类,溶于乙醚、四氢呋喃。一般来说,氢化铝锂在这些溶剂中在室温下放置数月也是稳定的。若长时间放置,或它的乙醚溶液经长时间放置,则常会发生分解作用而变成灰色。
化学性质
热分解反应
氢化铝锂在常温下是亚稳的。在长时间的贮存中,氢化铝锂会分解成Li3AlH6和LiH。这一过程可以通过钛、铁、钒等助催化元素来加速。当加热氢化铝锂时,其反应机理分为3步:
3LiAlH4 → Li3AlH6 + 2Al + 3H2↑(R1)
2Li3AlH6 → 6LiH + 2Al + 3H2↑(R2)
2LiH + 2Al → 2LiAl +H2↑(R3)
R1通常以氢化铝锂的熔化开始,温度范围为150~170℃,接着立即分解为Li3AlH6,但是R1是在低于LiAlH4熔点的情况下进行的。在大约200℃时,Li3AlH6分解成LiH和Al(R2),接着在400℃以上分解成LiAl(R3)。反应R1在实际中是不可逆的,而R3是可逆反应,在500℃时的平衡压强是25千帕。在有适当催化剂的情况下,R1和R2反应可以在常温下发生。
水解反应
LiAlH4遇水立即发生爆炸性的猛烈反应并放出氢气:
LiAlH4 + 2H2O → LiAlO2 + 4H2↑
LiAlH4 + 4H2O → LiOH + Al(OH)3 + 4H2↑
由于放出的氢是定量的,该反应可用来测定样品中氢化铝锂的含量。为了防止反应过于剧烈,常加入一些
二恶烷、
乙二醇二甲醚或
四氢呋喃作为稀释剂。这一反应提供了一个有用的实验室制取
氢气的方法。长期暴露在空气中的样品通常会发白,因为样品已经吸收了足够的水分,生成了由
氢氧化锂和
氢氧化铝组成的白色混合物。
氨解反应
LiAlH4 的乙醚或四氢呋喃溶液能同氨猛烈作用放出氢气:LiAlH4 + 4NH3 → LiAl(NH2)4 + 2H2↑
当氨的量不足时,发生如下反应:2LiAlH4 + 5NH3 → [LiAlH(NH2)2]2NH + 6H2↑
NH3/LiAlH4比值更小时,则氨中的三个氢都可被取代:3LiAlH4 + NH3 → (LiAlH3)3N + 3H2↑
配位反应
氢化铝锂几乎可以与所有的
卤化物反应生成相应的配位铝氢化物,当配位铝氢化物不稳定时,则分解为相应的氢化物。通式为:nLiAlH4 + MXn → M(AlH4)n + nLiX,M(AlH4)n → MHn + nAlH3
因此可通过此方法制备很多金属或非金属氢化物,如:LiAlH4 + 4NaCl → 4NaH + LiCl + AlCl3
复分解反应
氢化铝锂可与NaH在四氢呋喃中进行
复分解反应,高效的生产氢化铝钠(NaAlH4):LiAlH4 + NaH → NaAlH4 + LiH
氢化铝钾(KAlH4)可以用
二乙二醇二甲醚作为溶剂,以类似的方式制取:LiAlH4 + KH → KAlH4 + LiH
还原反应
氢化铝锂可将很多有机化合物还原,实际中常用其乙醚或四氢呋喃溶液。氢化铝锂的还原能力比相关的
硼氢化钠更强大,因为Al-H键弱于B-H键。由于存储和使用不方便,工业上常用氢化铝锂的衍生物双(2-甲氧基乙氧基)氢化铝钠(
红铝)作为还原剂,但在小规模的工业生产中还是会使用氢化铝锂。
能被氢化铝锂还原的官能团主要包括:
1、卤代烷被还原成烷烃。碘代烷反应最快,其次是溴代烷和氯代烷。此反应中一级卤代烷(伯卤代烷)性能较好,所得产物发生构型转化,因此认为该反应是SN2机理。二级卤代烷(仲卤代烷)也可用此法还原,三级卤代烃(叔卤代烷)容易发生
消除反应,不适用此法。氢化铝锂只能用于还原醇基在附近的炔烃,不能用于还原简单烯烃和芳香烃。
2、硅卤化物等还原为
硅烷,如:LiAlH4 + SiCl4 → SiH4 + LiCl + AlCl3
3、
羰基化合物(酰胺除外)被还原为醇,如
酯和
羧酸都可以被氢化铝锂还原成伯醇。在氢化铝锂还原酯的方法发现之前,一般用布沃-布朗还原反应还原酯,即将煮沸的金属钠-无水醇作为还原剂,但这一反应较难进行。
醛和
酮也可以被氢化铝锂还原成醇,不过一般使用如NaBH4这类更温和的试剂来还原。α,β-不饱和酮会被还原成
烯丙醇。
4、环氧化合物。当环氧化合物被还原时,氢化铝锂试剂会攻击环氧化合物的位阻小的一端,通常会生成
仲醇或
叔醇。
环氧环己烷会被优先还原成α键(直立键)的醇。
5、
酰胺和
酰亚胺被还原成
胺。这类反应一般产率较高,并且用N,N-取代的原料反应比其他要快很多。
6、
腈被还原成
伯胺。另外,
肟、
硝基化合物以及烷基叠氮都可以被还原成
胺。季铵阳离子可被还原成对应的叔胺。
LiAlH4 + ROH → LiAl(OR)H3 + H2↑
LiAlH4 + 2ROH → LiAl(OR)2H2 + 2H2↑
LiAlH4 + 3ROH → LiAl(OR)3H + 3H2↑
LiAl(OR)2H2 是将酰胺还原为醛的适宜试剂,LiAl(OC(CH3)3)3H是将酰氯还原为醛的适宜试剂,而利用氢化铝锂不能将酰氯部分还原生成对应的醛,因为氢化铝锂会将后者完全还原为
伯醇,因此必须要使用更温和的
三叔丁氧基氢化铝锂(LiAl(OC(CH3)3)3H)来还原酰氯。三叔丁氧基氢化铝锂与酰氯的反应比与醛的反应迅速得多,例如在
异戊酸中加入
氯化亚砜会生成
异戊酰氯,这时可利用三叔丁氧基氢化铝锂将异戊酰氯还原为
异戊醛,产率能达到65%。
制备方法
用氢化锂为原料与
三氯化铝或
三溴化铝在乙醚溶液中作用,可制得氢化铝锂。
预先粉碎氢化锂:在N2气氛围中将块状的氢化锂粉碎成细小颗粒,并过筛。颗粒大小决定反应的难易。
乙醚的干燥:所用的乙醚须绝对干燥并且不含
过氧乙醚。用CaCl2和金属钠来干燥还显不够,应用NaOH或CaH2脱水,然后进行蒸馏以除去水分和过氧乙醚。
氢化铝锂的制备:取三口烧瓶、滴液漏斗、回流冷凝器、搅拌棒等进行干燥后备用。并注意切莫使AlCl3吸潮。
在三口烧瓶中加入23.5g(2.96mol)的LiH和200mL乙醚制成悬浊液,在强烈地搅拌下滴加入71.2g(0.534mol)的三氯化铝乙醚溶液300mL。乙醚呈现沸腾状说明反应开始。调节滴加速度控制反应平稳地进行。AlCl3滴加完毕后,继续搅拌直至反应终止,静置片刻。用N2气将烧瓶中的反应物压出,使经过一个玻璃砂芯漏斗过滤,将澄清的滤液蒸发至黏稠状,残余的乙醚在减压下70℃除去,剩余物即为氢化铝锂。收率约85%。
如果滴加AlCl3时未发生反应,或者反应以后又停下来,表明LiH粉碎的细度不够。遇以上情况可在烧瓶中加3g的LiAlH4的30mL乙醚溶液作为引发剂,以避免反应因延缓可能导致的突发式的爆炸反应。
若以AlBr3代替AlCl3,LiH的颗粒可不必太细,可以似黄豆大小,不致影响反应的进行。操作步骤类似于使用AlCl3。加完AlBr3可加热至乙醚沸腾的温度,冷却后过滤即得LiAlH4的乙醚溶液。
应用领域
主要用作羰基试剂、还原剂。造其他氢化物及
硅烷、
硼烷等。在医药、香料、农药、染料及其他精细有机合成中用作还原剂。可将醛酮、酸、酸酐、酯、醌、酰氯等还原为醇,将腈还原为伯胺,将卤化烃还原为烃,芳香硝基化合物还原成偶氮化合物。用作聚合催化剂、还原剂、喷气发动机燃料,也用于合成药物。
计算化学数据
1.疏水参数计算参考值(XlogP):无
2.氢键供体数量:0
3.氢键受体数量:0
4.可旋转化学键数量:0
5.互变异构体数量:无
6.拓扑分子极性表面积0
7.重原子数量:2
8.表面电荷:0
9.复杂度:0
10.同位素原子数量:0
11.确定原子立构中心数量:0
12.不确定原子立构中心数量:0
13.确定化学键立构中心数量:0
14.不确定化学键立构中心数量:0
15.共价键单元数量:6
安全信息
信息:
包装等级:I
风险类别:4.3
海关代码:2850009090
WGK_Germany:2
德国有关水污染物质的分类清单
危险类别码:R11;R14/15;R34
安全说明:S43-S7/8-S6A-S45-S43B-S36/37/39-S33-S26-S16-S24/25-S27-S29
RTECS号:BD0100000
安全标志:S43:灭火时使用...(某种合适的灭火装置名称)。
危险标志:C:Corrosive
应急方法
泄露应急处理
隔离泄漏污染区,限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器,穿消防防护服。不要直接接触泄漏物。
小量泄漏:避免扬尘,使用无火花工具收集于干燥、洁净、有盖的容器中。转移至安全场所。
大量泄漏:用塑料布、帆布覆盖,减少飞散。与有关技术部门联系,确定清除方法。
防护措施
呼吸系统防护:可能接触毒物时,应该佩戴头罩型电动送风过滤式防尘呼吸器。必要时,建议佩戴自给式呼吸器。
眼睛防护:呼吸系统防护中已作防护。
身体防护:穿化学防护服。
手防护:戴橡胶手套。
其他:工作现场严禁吸烟。工作毕,淋浴更衣。注意个人清洁卫生。
急救措施
皮肤接触:立即脱去被污染的衣着,用大量流动清水冲洗,至少15分钟。就医。
眼睛接触:立即提起眼睑,用大量流动清水或生理盐水彻底冲洗至少15分钟。就医。
吸入:迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难,给输氧。如呼吸停止,立即进行人工呼吸。就医。
食入:误服者用水漱口,给饮牛奶或蛋清。就医。