Гидрид алюминия (также известный как алан и алюман ) — неорганическое соединение с формулой Al H 3 . Алан и его производные являются частью семейства общих восстанавливающих реагентов в органическом синтезе, основанных на гидридах группы 13 . [1] В растворе — обычно в эфирных растворителях, таких как тетрагидрофуран или диэтиловый эфир — гидрид алюминия образует комплексы с основаниями Льюиса и селективно реагирует с определенными органическими функциональными группами (например, с карбоновыми кислотами и эфирами по сравнению с органическими галогенидами и нитрогруппами ), и хотя он не является реагентом выбора, он может реагировать с углерод-углеродными кратными связями (то есть через гидроалюминирование ). Учитывая его плотность и содержание водорода порядка 10% по весу, [2] некоторые формы алана по состоянию на 2016 год [3] являются активными кандидатами для хранения водорода и, следовательно, для выработки электроэнергии в топливных элементах, включая электромобили. [ не проверено в тексте ] В 2006 году было отмечено, что необходимы дальнейшие исследования для выявления эффективного и экономичного способа обращения процесса вспять, регенерируя алюминий из отработанного алюминиевого продукта.
Твердый гидрид алюминия, или алан, бесцветен и нелетуч, и в своей наиболее распространенной форме реагента он является высокополимеризованным видом (т. е. имеет несколько единиц AlH 3 , которые самоассоциируются); он плавится с разложением при 110 °C. [4] Хотя твердые вещества и растворы алан не являются спонтанно воспламеняющимися, они требуют мер предосторожности при использовании, как и другие легковоспламеняющиеся гидриды металлов , и должны обрабатываться и храниться с активным исключением влаги. Алан разлагается под воздействием воздуха (главным образом из-за случайной влаги), хотя пассивация — в данном случае, позволяющая развивать инертное поверхностное покрытие — значительно снижает скорость разложения препаратов алан. [ не проверено в организме ]
Алан — бесцветное и нелетучее твердое вещество, которое плавится с разложением при 110 °C; [4] достаточно большие образцы могут быть дополнительно нагреты до полного разложения при 150 °C. [5] Твердая форма, однако, часто представляет собой белое твердое вещество, которое может иметь серый оттенок (при уменьшении размера частиц реагента или увеличении уровня примесей). [ необходима цитата ] Эта окраска возникает из-за тонкого слоя пассивации поверхности оксида или гидроксида алюминия. [ необходима цитата ]
В обычных лабораторных условиях алан является «высокополимерным» по своей структуре. [4] Иногда это обозначается формулой (AlH 3 ) n , где n не указывается. [6] [ необходим непервичный источник ] Препараты алан растворяются в тетрагидрофуране (ТГФ) или диэтиловом эфире (эфире), [4] из которых осаждаются чистые аллотропы. [7] [ необходим непервичный источник ]
Структурно алан может принимать многочисленные полиморфные формы . К 2006 году было известно «по крайней мере 7 несольватированных фаз AlH 3 »: α-, α'-, β-, γ-, ε- и ζ-аланы; [2] впоследствии были открыты δ- и θ-аланы. [ необходима цитата ] Каждый из них имеет различную структуру, причем α-алан является наиболее термически стабильным полиморфом. [ необходима цитата ] Например, кристаллографически α-алан принимает кубическую или ромбоэдрическую морфологию, в то время как α'-алан образует игольчатые кристаллы, а γ-алан образует пучки сросшихся игл. [ необходима цитата ] Была определена кристаллическая структура α-алана, в которой атомы алюминия окружены шестью октаэдрически ориентированными атомами водорода, которые связаны с шестью другими атомами алюминия (см. таблицу), где расстояния Al-H все эквивалентны (172 пм), а угол Al-H-Al составляет 141°. [8]
Когда β- и γ-аланы производятся вместе, они преобразуются в α-алан при нагревании, в то время как δ-, ε- и θ-аланы производятся в других условиях кристаллизации; хотя они менее термически стабильны, полиморфы δ-, ε- и θ-аланов не преобразуются в α-алан при нагревании. [7] [ требуется лучший источник ]
При особых условиях можно получить и изучить неполимерные аланы (т. е. их молекулярные формы). Мономерный AlH 3 был выделен при низкой температуре в матрице твердого благородного газа , где было показано, что он плоский. [10] Димерная форма, Al 2 H 6 , была выделена в твердом водороде, и она изоструктурна диборану ( B 2 H 6 ) и дигаллану ( Ga 2 H 6 ). [11] [12] [ 13]
Алан не является самовозгораемым. [14] Тем не менее, «подобное обращение и меры предосторожности, как... применяемые для Li[AlH 4 ] » (химический реагент, литийалюминийгидрид ), рекомендуются, поскольку его «реакционная способность [сравнима]» с этим родственным восстанавливающим реагентом. [4] Для этих реагентов как препараты в растворах, так и изолированные твердые вещества «легко воспламеняемы и должны храниться в отсутствие влаги». [15] Лабораторные руководства рекомендуют использовать алан в вытяжном шкафу . [4] [ почему? ] Твердые вещества этого типа реагентов имеют рекомендации по обращению «в перчаточном мешке или сухом боксе ». [15] После использования контейнеры с растворами обычно плотно запечатываются с сопутствующей промывкой инертным газом, чтобы исключить кислород и влагу окружающего воздуха. [15]
Пассивация [ необходимо разъяснение ] значительно снижает скорость разложения, связанную с препаратами алан. [ необходима ссылка ] Пассивированный алан, тем не менее, сохраняет класс опасности 4.3 (химические вещества, которые при контакте с водой выделяют легковоспламеняющиеся газы). [16]
Считается, что восстановление алан происходит через промежуточный координационный комплекс , в котором алюминий присоединен к частично восстановленной функциональной группе и высвобождается, когда реакция подвергается протонному тушению . Если субстрат также фторирован , промежуточное соединение может вместо этого взорваться, если подвергнется воздействию горячей точки выше 60°C. [17]
Гидриды алюминия и их различные комплексы известны давно. [18] Первый синтез был опубликован в 1947 году, а патент на синтез был выдан в 1999 году. [19] [20] Гидрид алюминия получают путем обработки алюмогидрида лития трихлоридом алюминия . [21] Процедура сложная: необходимо уделять внимание удалению хлорида лития .
Эфирный раствор алана требует немедленного использования, поскольку полимерный материал быстро выпадает в осадок в виде твердого вещества. Известно, что растворы гидрида алюминия разлагаются через 3 дня. Гидрид алюминия более реактивен, чем Li[AlH 4 ] . [7]
Существует несколько других методов получения гидрида алюминия:
Несколько групп показали, что алан может быть получен электрохимическим путем . [22] [23] [24] [25] [26] Были запатентованы различные электрохимические методы получения алан. [27] [28] Электрохимическое получение алан позволяет избежать примесей хлорида. Обсуждаются два возможных механизма образования алан в электрохимической ячейке Клазена, содержащей ТГФ в качестве растворителя, алюмогидрид натрия в качестве электролита, алюминиевый анод и железную (Fe) проволоку, погруженную в ртуть (Hg) в качестве катода. Натрий образует амальгаму с катодом Hg, предотвращая побочные реакции, а водород, полученный в первой реакции, может быть захвачен и снова прореагировать с амальгамой натрия и ртути для получения гидрида натрия. Система Клазена приводит к отсутствию потерь исходного материала. Для нерастворимых анодов происходит реакция 1, тогда как для растворимых анодов ожидается анодное растворение в соответствии с реакцией 2:
В реакции 2 алюминиевый анод расходуется, что ограничивает производство гидрида алюминия для данной электрохимической ячейки.
Была продемонстрирована кристаллизация и восстановление гидрида алюминия из электрохимически полученного алана. [25] [26]
α- AlH 3 может быть получен путем гидрирования алюминия при 10 ГПа и 600 °C (1,112 °F). Реакция между сжиженным водородом производит α- AlH 3 , который может быть восстановлен в условиях окружающей среды. [29]
AlH 3 легко образует аддукты с сильными основаниями Льюиса . Например, как 1:1, так и 1:2 комплексы образуются с триметиламином . Комплекс 1:1 является тетраэдрическим в газовой фазе, [30] но в твердой фазе он является димерным с мостиковыми водородными центрами, (N(CH 3 ) 3 Al(μ-H)) 2 . [31] Комплекс 1:2 принимает тригональную бипирамидальную структуру . [30] Некоторые аддукты (например, диметилэтиламин алан, (CH 3 CH 2 )(CH 3 ) 2 N·AlH 3 ) термически разлагаются с образованием алюминия и могут использоваться в приложениях MOCVD . [32]
Его комплекс с диэтиловым эфиром образуется в соответствии со следующей стехиометрией:
Реакция с гидридом лития в эфире приводит к образованию алюмогидрида лития (алюминат лития, тетрагидридоалюминат лития):
Аналогичные аланатные соединения (например, Na
3Аль-Х
6, Ca(AlH
4))
2, SrAlH
5) существуют с другими щелочными, щелочноземельными и некоторыми другими металлами. [33] Li
3Аль-Х
6исследуется в качестве материала для анода литий-ионного элемента.
В органической химии гидрид алюминия в основном используется для восстановления функциональных групп. [34] Во многих отношениях реакционная способность гидрида алюминия аналогична реакционной способности алюмогидрида лития . Гидрид алюминия восстанавливает альдегиды , кетоны , карбоновые кислоты , ангидриды , хлорангидриды кислот , сложные эфиры и лактоны до соответствующих спиртов . Амиды , нитрилы и оксимы восстанавливаются до соответствующих аминов .
С точки зрения селективности функциональной группы алан отличается от других гидридных реагентов. Например, в следующем восстановлении циклогексанона литийалюминийгидрид дает соотношение транс:цис 1,9 : 1, тогда как алюминийгидрид дает соотношение транс:цис 7,3 : 1. [35]
Алан обеспечивает гидроксиметилирование некоторых кетонов (то есть замену C−H на C−CH 2 OH в альфа-положении ). [36] Сам кетон не восстанавливается, поскольку он «защищен» в виде своего енолята.
Органогалогениды восстанавливаются медленно или вообще не восстанавливаются гидридом алюминия. Поэтому реактивные функциональные группы, такие как карбоновые кислоты, могут восстанавливаться в присутствии галогенидов. [37]
Нитрогруппы не восстанавливаются гидридом алюминия. Аналогично, гидрид алюминия может восстановить сложный эфир в присутствии нитрогрупп. [38]
Гидрид алюминия может быть использован для восстановления ацеталей до полузащищенных диолов. [39]
Гидрид алюминия также может быть использован в реакции раскрытия эпоксидного кольца, как показано ниже. [40]
Реакция аллильной перегруппировки, проводимая с использованием гидрида алюминия, представляет собой реакцию S N 2 и не требует стерических условий. [41]
Гидрид алюминия восстанавливает углекислый газ до метана при нагревании: [ необходима ссылка ]
Подобно гидроборированию , гидрид алюминия может в присутствии тетрахлорида титана присоединяться по кратным связям . [42] [43] Когда рассматриваемая кратная связь представляет собой пропаргиловые спирты , результатом являются алкенилалюминиевые соединения . [44]
В пассивированной форме алан является активным кандидатом для хранения водорода и может использоваться для эффективной выработки электроэнергии с помощью топливных элементов, включая топливные элементы и электромобили, а также другие легкие энергетические приложения. [45] AlH 3 содержит до 10,1% водорода по весу (при плотности 1,48 грамма на миллилитр), [2] или в два раза больше плотности водорода жидкого H 2 . [ необходима цитата ] В 2006 году AlH 3 был описан как кандидат, для которого «потребуются дальнейшие исследования для разработки эффективного и экономичного процесса его регенерации из отработанного порошка Al». [2] [ требуется обновление ]
Алан также является потенциальной добавкой к твердому ракетному топливу , а также к взрывчатым и пиротехническим составам [ требуется ссылка ] из-за высокого содержания водорода и низкой температуры дегидрирования. [45] В своей непассивированной форме алан также является перспективной добавкой к ракетному топливу , способной обеспечить прирост импульсной эффективности до 10%. [46] Однако AlH3 может разлагаться при хранении при комнатной температуре, и некоторые из его кристаллических форм имеют «плохую совместимость» с некоторыми компонентами топлива. [45]
Нагретый алюминий выделяет газообразный водород и образует очень тонкую пленку металлического алюминия. [5]
{{cite journal}}
: CS1 maint: безымянное периодическое издание ( ссылка )