氢化铝锂

化合物

氢化铝锂Lithium Aluminium Hydride)是一个复合氢化物,分子式为LiAlH4。氢化铝锂缩写为LAH,是有机合成中非常重要的还原剂,尤其是对於羧酸酰胺的还原。纯的氢化铝锂是白色晶状固体,在120°C以下和干燥空气中相对稳定,但遇水分解。

氢化铝锂
结构式
晶胞球棍模型
IUPAC名
Lithium aluminium hydride
别名氢化锂铝
四氢铝锂
四氢合铝酸锂
Lithal
Lithium alanate
Lithium aluminohydride
Lithium tetrahydridoaluminate
Lithium tetrahydridoaluminate(III)
识别
缩写LAH
CAS号16853-85-3 ?
14128-54-22H4?
PubChem28112
110622932H4
110945333H4
ChemSpider26150 checkY
SMILES
 
  • [Li+].[AlH4-]
InChI
 
  • 1S/Al.Li.4H/q-1;+1;;;;
InChIKeyOCZDCIYGECBNKL-UHFFFAOYSA-N
Gmelin13167
EINECS240-877-9
ChEBI301​42
RTECSBD0100000
性质
化学式LiAlH4
摩尔质量37.95 g·mol⁻¹
外观白色晶体(纯时)
灰色粉末(工业品)
密度0.917 g/cm3,固体
熔点150 ℃(423 K)分解
溶解性反应
结构
晶体结构单斜
空间群P21c
危险性[1]
欧盟编号001-002-00-4
R/S术语R15, S7/8, S24/25, S43
GHS危险性符号
易燃物
GHS提示词DANGER
H-术语H260
主要危害高度易燃
NFPA 704
2
3
2
W
闪点125 °C
相关物质
相关氢化物氢化铝
硼氢化钠
氢化钠
若非注明,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。

制备编辑

1947年,H. I. Schlesinger、A. C. Bond和A. E. Finholt首次制得氢化铝锂,其方法是令氢化锂与无水三氯化铝乙醚中进行反应[2][3]

4LiH + AlCl3 −Et2O→ LiAlH4 + 3LiCl

这个反應一般稱為 Schlesinger ,反應產率以三氯化铝计算為86%。反應开始时要加入少量氢化铝锂作為引發劑,否则反應要經歷一段誘导期才能發生,并且一旦开始后会以猛烈的速度進行,容易發生事故[4]

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、需要用稀缺的原料金属、反应中3/4的氢化锂转化为价廉的氯化锂[4]。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[4]

LiH + Al + 2H2 → LiAlH4
Na + Al + 2H2 → NaAlH4
NaAlH4 + LiCl −Et2O→ LiAlH4 + NaCl

其中LiCl由氢化铝锂的溶液过滤掉,随後使氢化铝锂析出,获得包含1%(w/w)左右LiCl的产品。[5]

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四氢呋喃中的氢化锂反应。[6]

氢化铝锂是白色固体,但工业品由於含有杂质,通常为灰色粉末。[3]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氏提取器。一般来说,不纯的灰色粉末用於合成,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。[7]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。[8]

结构编辑

LiAlH4粉末掃描電子顯微影像。
LiAlH4样品的X射线粉末衍射模式。星号表明有杂质,可能是LiCl

氢化铝锂具有单斜的晶体结构,空间群为P21c,AlH4离子为四面体结构。氢化铝锂中,Li+ 与五个AlH
4
-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[9],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[10]

下图为氢化铝锂的晶胞模型,紫色球代表锂原子,黄褐色正四面体代表AlH4

溶解度编辑

氢化铝锂可溶於多种溶液中,不过,由於杂质的催化作用,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。[11]

LiAlH4的溶解度(mol/L)[11]
温度(℃)
溶剂0255075100
乙醚5.92
四氢呋喃2.96
乙二醇二甲醚1.291.802.573.093.34
二乙二醇二甲醚0.261.291.542.062.06
三乙二醇二甲醚0.560.771.291.802.06
四乙二醇二甲醚0.771.542.062.061.54
二噁烷0.03
二丁醚0.56

热力学数据编辑

下表总结了氢化铝锂和涉及氢化铝锂的反应的热力学数据[12][13],分别以标准状态下吉布斯能变化的形式表示。

LiAlH4参与反应的热力学数据
反应ΔH°
(kJ/mol)
ΔS°
(J/(mol·K))
ΔG°
(kJ/mol)
备注
Li (s) + Al (s) + 2 H2(g) → LiAlH4 (s)−116.3−240.1−44.7由单质进行的标准合成。
LiH (s) + Al (s) + 3/2 H2 (g) → LiAlH4 (s)−25.6−170.223.6其中ΔH°f(LiH) = −90.5,ΔS°f(LiH) = −69.9,ΔG°f(LiH) = −68.3.
LiAlH4 (s) → LiAlH4 (l)22熔融热,数据可能不可靠。
LiAlH4 (l) → ⅓ Li3AlH6 (s) + ⅔ Al (s) + H2 (g)3.46104.5−27.68ΔS°是由ΔH°和ΔG°的报告值计算。

反应编辑

热分解反应编辑

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。[14]这一过程可以通过等助催化元素来加速。

差示扫描量热法测定LiAlH4样品

当加热氢化铝锂时,其反应机理分为3步:[14][15][16]

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℃[17][18][19],接着立即分解为Li3AlH6,但是R1是在低於LiAlH4熔点的情况下进行的。[20]在大约200℃时,Li3AlH6分解成LiH[14][16][19]和Al(R2) ,接着在400℃以上分解成LiAl(R3)[16]。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。[21]

水解反应编辑

LiAlH4迅速反应并放出氢气:[3]

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,常加入一些二噁烷乙二醇二甲醚四氢呋喃作为稀释剂[4]

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,生成了由氢氧化锂氢氧化铝组成的白色混合物。[22]

氨解反应编辑

LiAlH4 的乙醚或四氢呋喃溶液能同氨猛烈作用放出氢气:[4]

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

当氨的量不足时,发生如下反应:[4]

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:[12]

LiAlH4 + NH3 → Li[Al(NH2)4]

合成其他复合氢化物或简单氢化物编辑

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:[12]

2LiAlH4 + ZnI2 −(−40℃,乙醚)→ ZnH2 + 2AlH3 + 2LiI
LiAlH4 + 4 NaCl → 4 NaH + LiCl + AlCl3

与氢化物的反应编辑

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:[6]

LiAlH4 + KH → KAlH4 + LiH

作为还原剂编辑

氢化铝锂的有机反应

氢化铝锂可将很多有机化合物还原[3],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键弱於B-H键。[23]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[24],但在小规模的工业生产中还是会使用氢化铝锂。

醇环氧化合物醇醇醇醛腈酰胺胺羧酸醇叠氮化合物胺酯酮

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[25][26]。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[27][28]。氢化铝锂只能用於还原醇基在附近的炔烃,不能用於还原简单烯烃芳香烃[29]
  • 硅卤化物等还原为硅烷[4],如:
LiAlH4 + SiCl4 → SiH4 + LiCl + AlCl3
LiAlH4 + ROH → LiAl(OR)H3 + H2
LiAlH4 + 2ROH → LiAl(OR)2H2 + 2H2
LiAlH4 + 3ROH → LiAl(OR)3H + 3H2

LiAl(OR)2H2 是将酰胺还原为的适宜试剂,LiAl(OC(CH3)3)3H 是将酰氯还原为的适宜试剂[4],而利用氢化铝锂不能将酰氯部分还原生成对应的醛,因为氢化铝锂会将後者完全还原为伯醇,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%。[40]

储氢编辑

不同储氢方式的容积和种类储氢密度,金属氢化物用方框表示,复合氢化物用三角形表示(包括LiAlH4)。上述报告值不包含容器质量,而美國能源部FreedomCAR目标包含容器质量。

LiAlH4包含质量分数为10.6%的氢,这使氢化铝锂成为一种有潜力的储氢介质,可用於未来的燃料电池机车。由於氢化铝锂有与掺杂Ti的NaAlH4的氢含量和可逆储氢特性[41],因此在21世纪10年代,新兴研究的重点转移到了LiAlH4。氢化铝锂的实证研究已被投入,致力於通过催化剂掺杂和球磨来加快分解反应速率。[42]为了利用氢化铝锂的全部氢容量,中间反应物LiH必须被脱氢。由於LiH的热稳定性很强,其需要超过400℃的温度才能脱氢,因此无法用於运输工具。若将LiH + Al作为最终产物,储氢容量减少到7.96%的质量分数。另一个有关储氢的问题是反向循环到LiAlH4。由於其稳定性较差,因此需要超过1兆帕的极高氢压才能反向循环到LiAlH4[42]循环只需要R2反应,也就是将Li3AlH6作为原料,单独的一步中能储存质量分数为5.6%的氢,而对於NaAlH4需要两步才能达到同等储氢量。不过迄今为止,这一尝试还未成功。

参见编辑

参考文献编辑

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延伸阅读编辑

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  • Lide (ed.), David R. Handbook of chemistry and physics. CRC Press. 1997. ISBN 0-8493-0478-4. 

外部链接编辑