小心！這個還原反應會爆炸

2020-09-07 X一MOL資訊

本文來自微信公眾號：X-MOLNews

大家看到下圖所示的反應沒？一個普通的負氫試劑還原氰基成胺的反應，炸啦！來自俄羅斯科學院的研究人員Ilya V. Taydakov近期在美國化學會旗下期刊ACS Chemical Health & Safety 發表文章報導了該實驗事故，並且做了簡單的分析。

圖片來源：ACS Chem. Health Saf.


爆炸發生在兩批1 mol 1-甲基-3-（三氟甲基）-5-氰基-1H-吡唑的還原過程中。還原劑氫化鋁（AlH3）的製備以常規方式完成，分別在兩個8 L反應器中裝入2.5 L乙醚，將固體LiAlH4、無水AlCl3在0−5 °C的氬氣保護下加入反應器，同時進行劇烈機械攪拌。將1 mol氰基吡唑溶於700 mL乙醚中，將其從滴液漏鬥緩慢添加到氫化鋁混懸液中。在還原步驟時，溫度保持在5 °C左右。在分解步驟時，將溫度控制在-2 °C至0 °C。整個反應在氬氣保護下進行劇烈機械攪拌。攪拌數小時後，在一個反應器中滴加冷甲醇淬滅反應。當滴入第一滴甲醇後，反應器內出現了明亮的橘紅色閃光，反應器隨即爆炸，通風櫥的防護玻璃罩被毀，一名研究人員受到玻璃碎片傷害和爆炸火焰灼傷。當整個反應混合物在乙二醇-水的冷卻液中完全分解後，火焰才被二氧化碳滅火器撲滅。


讀者中想必有不少人用過氫化鋁還原氰基，能看到這篇文章，想必還都平安無事。估計很多人做這個反應火苗都沒見一個，怎麼他們的反應就炸了呢？作者也很納悶，並且列出了他們實驗室之前用氫化鋁做過很多底物的氰基還原反應，最大規模到1.5 mol，不但沒炸，收率也不錯。

圖片來源：ACS Chem. Health Saf.


經過分析，作者認為不是試劑或溶劑雜質引發的爆炸，問題很可能出現在底物。在這次事故前後，作者實驗室進行過多次相同方法還原不含氟的底物，沒有出現任何問題。對比各類底物結構，他們認為這起爆炸事故或許與底物含有CF3密切相關。下圖是該反應可能的反應機理，大致分為還原步驟和分解步驟。作者從反應機理出發對爆炸原因進行了可能性分析。

圖片來源：ACS Chem. Health Saf.


他們認為，爆炸可能發生在中間體b的分解環節，反應體系局部過熱導致爆炸。至於為什麼無氟化合物沒有發生爆炸，作者坦言他們也不知道確切原因。他們也是查閱了很多資料，發現幾篇關於含氟化合物反應體系在有機鋁試劑存在下發生爆炸的文獻報導。但是，這些報導也都沒有給出確切的結論。更有文獻報導認為鋁氫化物對氟化合物的所有還原反應都具有潛在危險性。Taydakov則認為用AlH3還原含硝基或滷素取代化合物時也可能存在危險。


棘手的問題總是需要面對的，如果需要用AlH3大規模還原含CF3基團或其他含氟底物怎麼辦？Taydakov給出了一些建議，比如用DSC（differential scanning calorimetry）或TGA（thermogravimetric analysis）方法對反應底物進行評估，看其是否具有潛在爆炸風險。乙醚是氫化鋁還原氰基吡唑類化合物的首選溶劑，四氫呋喃和二氧六環會和含鋁中間體形成非常粘的不溶性膠狀沉澱物阻礙攪拌，這種沉澱物在用甲醇淬滅反應時是非常危險的隱患。不建議反向淬滅氫化鋁，因為這會生成大量粘稠物，這些粘稠物具有空氣中自燃的風險。當然作者的建議中也有大家耳熟能詳的實驗安全基本常識，比如實驗中穿著必要的防護服、佩戴眼鏡手套、操作在通風櫥或防護罩內完成；做潛在易燃易爆反應時要把通風櫥清理乾淨，不能有易燃雜物，不能有易燃溶劑等等。


當然，Taydakov還給出了一個更有效的方法，那就是不要用氫化鋁還原含氟底物。經過幾種還原方法的嘗試，Taydakov推薦使用催化氫化方法還原該類底物。作者在文末提到，他撰寫這篇文章的目的就是為了讓更多讀者知道用氫化鋁還原含有CF3基團的氰基吡唑時可能會發生爆炸，並且請大家做類似反應前一定要謹慎對待。


這個看似平常無奇的反應，卻因為不同的底物官能團引發爆炸，這可能是很多有機合成從業人員忽視的問題。希望更多讀者從這個案例中汲取教訓，是本君撰寫這篇文章的初心。無論是剛入行的新手還是自認為「操作嫻熟」的老手，再強調一遍，有機合成是個貨真價實的高危行業，即使咱們加了萬分小心，反應也可能會有「萬一」發生。


願大家敬畏實驗安全，遠離實驗事故。

Serious Explosion during Large-Scale Preparation of an Amine by Alane (AlH3) Reduction of a Nitrile Bearing a CF3 Group

Ilya V. Taydakov*

ACS Chem. Health Saf., 2020, 27, 235–239, DOI: 10.1021/acs.chas.0c00045


（本文由樂只君子供稿）

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