氢化铝锂

溶于乙醚的白色或灰白色结晶体

氢化铝锂是一个 复合氢化物 , 分子式 为LiAlH4,白色或灰白色结晶体。缩写为LAH,是 有机合成 中非常重要的 还原剂 ,尤其是对于 、 羧酸 和 胺的还原。

物化性质

溶解性:不溶于烃类,溶于 乙醚 、 四氢呋喃 、 乙二醇二甲醚 ,微溶于正 丁醚 ,不溶或极微溶于烃类和 1,4-二恶烷 。

密 度:相对密度(水=1)0.92 稳定性 稳定 常温下在干空气中能稳定存在。易受潮气作用。遇水和醇发生剧烈反应。

危险标记:10(遇湿易燃物品) 主要用途 用作 聚合催化剂 、还原剂、 喷气发动机 燃料,也用于合成药物

性状描述

白色或灰白色结晶粉末,在干燥空气中稳定,在潮湿空气中 水解 并引起燃烧,可溶解于乙醚、四氢 喃等有机 溶剂 中;可将醛 、酸、 酸酐 、酯、 、 酰氯 等还原为醇,将 还原为 伯胺 ,将 卤化 烃还原为烃;但通常不能使碳—碳 双键 氢化 。

结构

氢化铝锂具有 单斜晶系 的 晶体结构 , 空间群 ( 英语 :space 基团 )为P21c,AlH4离子为四面体结构。氢化铝锂中,Li 与五个AlH4 正四面体 相邻,并与每个正四面体中的一个氢原子分别成键,与其中四个的距离为 1.88-2.00Å,与第五个氢的距离稍长,为 2.16Å,成双角锥排列。其晶胞参数为:a = 4.82,b = 7.81,c = 7.92 Å,α = γ = 90° 和 β = 112°。在高压(>2.2 GPa)下,氢化铝锂会发生 相变 ,成为β-LiAlH4。右图为氢化铝锂的晶胞模型,紫色球代表 锂 ,黄褐色正四面体代表AlH4。

危险说明

危险代码:F

危险等级:15-35

安全等级:7/8-26-36/37/39-43-45

联合国 编号:UN1410

对环境的影响

健康危害

侵入途径:吸入、食入。

健康危害:本品对粘膜、 上呼吸道 、眼和皮肤有强烈的刺激性。吸入后,可因喉及 支气管 的 肌肉痉挛 、炎症、水肿、 化学 性肺炎或 肺水肿 而致死。接触后引起 烧灼感 、咳嗽、 喘证 、 喉炎 、 气短 、头痛、恶心和呕吐等。

毒理学资料及环境行为

危险特性:加热至125℃即分解出 氢化锂 与金属铝,并放出 氢气 。在空气中磨碎时可发火。受热或与湿气、水、醇、酸类接触,即发生 放热反应 并放出氢气而燃烧或爆炸。与 强氧化剂 接触猛烈反应而爆炸。

燃烧(分解)产物: 氧化铝 、水。

应急处理处置方法

泄漏应急处理

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。

其它: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。

灭火方法:不可用水、泡沫、 二氧化碳 、 卤代烃 (如 1211灭火剂 )等灭火。只能用金属盖或干燥 石墨 、干燥 白云石 粉末将火焖熄。

制备

1947年, Schlesinger、Bond和Finholt首次制得氢化铝锂,其方法是令 氢化锂 与 碘化钠 氯化铝 在 乙醚 中进行反应:4LiH + AlCl3 −Et2O→ LiAlH4 + 3LiCl

这个反应一般称为 Schlesinger 反应,反应产率以 三氯化铝 计算为86%。反应开始时要加入少量氢化铝锂作为 引发剂 ,否则反应要经历一段诱导期才能发生,并且一旦开始后会以猛烈的速度进行,容易发生事故。Schlesinger 法有很多缺点,如需要用引发剂、氢化锂要求过量和高度粉细、需要用稀缺的原料 锂 、反应中3/4的氢化锂转化为价廉的 氯化锂 等。虽然如此,相对于其他方法,Schlesinger 法较简便,至今仍是制取氢化铝锂的主要方法。

其他制取氢化铝锂的方法包括:

高压合成法:用 碱金属 或 氢化物 ,铝,高压氢在烃或醚 溶剂 中反应。

LiH + Al + 2H2 → LiAlH4

由氢化铝钠制取。工业合成上一般采用高温高压合成氢化铝钠,然后与氯化锂进行 复分解反应 。这一制备方法可以实现氢化铝锂的高产率:

Na + Al + 2H2 → NaAlH4

NaAlH4 + LiCl −Et2O→ LiAlH4 + NaCl

其中LiCl由氢化铝锂的醚溶液过滤掉,随后使氢化铝锂析出,获得包含1%(w/w)左右LiCl的产品。

上述的 氢化铝 钠若换成氢化铝钾也可反应,可与 氯化锂 或是 乙醚 或 四氢呋喃 中的 氢化锂 反应。

化学性质

溶解度

氢化铝锂可溶于多种醚溶液中,不过,由于杂质的 催化 作用,氢化铝锂可能会自动分解,但是在四氢呋喃中表现得更稳定,因此虽然在四氢呋喃的 溶解度 较低,相比乙醚,四氢呋喃应该是更好的 溶剂 。

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:

3 LiAlH4 → Li3AlH6 + 2 Al + 3 H2 (R1)

2 Li3AlH6 → 6 LiH + 2 Al + 3 H2 (R2)

2 LiH + 2 Al → 2 LiAl +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 → 氢氧化锂 + 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 1,4-二恶烷 、 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 :

2LiAlH4 + 5NH3 → [LiAlH( NH2 )2]2NH+ 6H2

当氨的量不足时,发生如下反应:

LiAlH4 + 4NH3 → LiAl(NH2)4 + 2H2

NH3/LiAlH4比值更小时,则氨中的三个氢都可被取代:

LiAlH4 + NH3 → Li[Al(NH2)4]

合成氢化物

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:

2LiAlH4 + ZnI2 −(−40℃, 乙醚 )→ ZnH2 +2AlH3 + 2LiI

LiAlH4 + 4 NaCl → 4 氢化钠 + LiCl + 氯化铝

与氢化物的反应

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

作为还原剂

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:

卤代烷 被还原成 烷烃 。碘代 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 。

硅 卤化物 等还原为 硅烷 ,如:

LiAlH4 + SiC l4 → SiH4 + LiCl + 氯化铝

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 钠 碘化钠 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 。

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a键(直立键)的醇。

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。

腈被还原成 伯胺 。另外, 、 硝基化合物 以及 烷基 叠氮都可以被还原成胺。季 阳离子 可被还原成对应的 叔胺 。

与醇反应生成烷氧基氢化铝锂:

LiAlH4 + ROH → LiAl(OR) H3 + H2

LiAlH4 + 2R OH → 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%。

提纯与存放

氢化铝锂是白色固体,但工业品由于含有杂质,通常为灰色粉末。氢化铝锂可以通过从 乙醚 中重新结晶来提纯,若进行大规模的提纯可以使用索式提取器。一般来说,不纯的灰色粉末用于合成,因为杂质是无害的,可以很容易地与有机产物分离。

纯氢化铝锂粉末是在空气中自燃,但大块 晶体 不易自燃。一些氢化铝锂工业品中会包含 矿物油 ,以防止材料与空气中的水反应,但更通常的作法是放入防水 塑料袋 中密封。应储存于阴凉、干燥、通风良好的专用库房内,远离火种、热源。库温不超过32℃, 相对湿度 不超过75%。应与 氧化剂 、酸类、醇类等分开存放,切忌混储。储区应备有合适的材料收容泄漏物。

用途

氢化铝锂可作 羰基试剂 、 还原剂 ,可以制造其他 氢化物 及 硅烷 、 硼烷 等。如氢化铝锂与 三氯化硼 反应制取 乙硼烷 :

3 LiAlH4+4 BCl3===( 乙醚 中)===2 B2H6 +3 LiCl+3 氯化铝

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 。但通常不能使碳—碳 双键 氢化 。除此之外,还用作 聚合催化剂 、 喷气发动机 燃料、合成药物等。

特性与危害

本品加热至125℃即分解出 氢化锂 与金属铝,并放出 氢气 ;在空气中磨碎时可发火;受热或与湿气、水、醇、酸类接触,即发生 放热反应 并放出氢气而燃烧或爆炸;与 强氧化剂 接触猛烈反应而爆炸。

本品对黏膜、 上呼吸道 、眼睛及皮肤有强烈刺激性。吸入后,可因喉和 支气管 的炎症、水肿、 肌肉痉挛 、 化学 性肺炎、 肺水肿 而致死。接触后引起 烧灼感 、咳嗽、 喘证 、 喉炎 、 气短 、头痛、恶心和呕吐等。