安息香縮合反應(yīng)的影響因素

何強(qiáng)芳 伍光仲 朱潔民

(廣東教育學(xué)院化學(xué)系 廣東廣州510303)

安息香縮合反應(yīng)的影響因素

何強(qiáng)芳 伍光仲 朱潔民

(廣東教育學(xué)院化學(xué)系 廣東廣州510303)

安息香縮合反應(yīng)是重要的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，影響實(shí)驗(yàn)的因素較復(fù)雜。本文通過(guò)反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、pH、反應(yīng)物料的投入方式等對(duì)安息香合成的影響進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、pH是影響反應(yīng)的重要因素，而反應(yīng)前是否對(duì)反應(yīng)物進(jìn)行冷卻以及苯甲醛與NaOH溶液的投料順序?qū)Ψ磻?yīng)的影響不大。

安息香(二苯羥乙酮)是有機(jī)合成的重要中間體，自Ugai等發(fā)現(xiàn)用VB1代替劇毒氰化物作催化劑進(jìn)行安息香縮合反應(yīng)以來(lái)，很多文獻(xiàn)對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，例如以室溫加料法代替冰水浴加料法，增大堿的濃度及提高反應(yīng)溫度［1］，添加鋅粉預(yù)防苯甲醛被氧化以提高產(chǎn)率［2］，通過(guò)超聲波的作用以促進(jìn)安息香縮合［3-5］等。本人指導(dǎo)4個(gè)班學(xué)生做該實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的成功率及產(chǎn)物產(chǎn)率高低不一，相差較大(表1)。為了提高該實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)率、產(chǎn)物的產(chǎn)率及實(shí)驗(yàn)操作的簡(jiǎn)便性，對(duì)該實(shí)驗(yàn)的影響因素進(jìn)行了研究，并對(duì)該實(shí)驗(yàn)反應(yīng)物的投料方式進(jìn)行了改進(jìn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

VB1(鹽酸硫胺，生化試劑);苯甲醛(使用前重新蒸餾，分析純);其他試劑均為分析純。用Thiele熔點(diǎn)管測(cè)定產(chǎn)物熔點(diǎn)。

1.2 安息香的制備(實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后)

在50mL三頸燒瓶中加入1.75 g(0.005 mol)VB1，加入3.5 mL蒸餾水充分振蕩，使VB1粉末完全溶解后再加入15mL 95%乙醇和10mL(10.5g，0.1mol)新蒸的苯甲醛，充分搖勻，得到淡黃色混合溶液。將10%NaOH溶液(約3.5mL)慢慢滴加到上述混合溶液中，使體系的pH為9～10，此時(shí)整個(gè)體系為橙黃色溶液。將三頸燒瓶置于水浴中，并裝上回流冷凝管，開(kāi)始加熱，使水浴鍋里的水從常溫慢慢升溫至60～70℃(約需15min)，然后在此溫度下回流反應(yīng)90min。在反應(yīng)過(guò)程中需用pH試紙跟蹤測(cè)試體系的pH，通過(guò)補(bǔ)加NaOH溶液使體系的pH保持在9～10。反應(yīng)完畢，自然冷卻，待完全析出晶體后，減壓抽濾，得安息香粗產(chǎn)品。將此粗產(chǎn)物用95%乙醇重結(jié)晶得白色針狀晶體。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)條件對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響

4個(gè)教學(xué)班的實(shí)驗(yàn)情況如表1所示。

表1 安息香縮合反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)情況

從表1可以看出，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果受學(xué)生的個(gè)體情況影響較大。從這些教學(xué)班學(xué)生本身的實(shí)驗(yàn)技能來(lái)看，02化學(xué)教育班的學(xué)生較差，03化學(xué)教育班的學(xué)生很好，實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)到100%且產(chǎn)物的平均產(chǎn)率與教材［6-7］提供的參考值相當(dāng);04化學(xué)教育專(zhuān)升本的兩個(gè)班學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能參差不齊，實(shí)驗(yàn)成功率及產(chǎn)物的產(chǎn)率差別較大。在指導(dǎo)學(xué)生過(guò)程中發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、pH、芳醛種類(lèi)對(duì)安息香縮合反應(yīng)有影響，而反應(yīng)物料的投入方式對(duì)產(chǎn)物的影響不大。據(jù)此，本文在文獻(xiàn)［8］的基礎(chǔ)上，以單因素影響的形式對(duì)反應(yīng)的影響因素進(jìn)行了探討。

2.1.1 溫度對(duì)反應(yīng)的影響

固定溶液pH=9～10，反應(yīng)時(shí)間為90min，改變反應(yīng)的溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物的影響

由表2可見(jiàn)，產(chǎn)率及粗產(chǎn)物顏色受溫度的影響較大。隨著溫度逐步升高，產(chǎn)率逐步增大，粗產(chǎn)物顏色由白色逐漸變?yōu)辄S色，水浴加熱回流要從室溫慢慢地升到預(yù)定的溫度，注意勿使溫度過(guò)高，以避免VB1結(jié)構(gòu)中的噻唑環(huán)失去催化效果。反應(yīng)溫度應(yīng)控制在60～70℃。

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

固定反應(yīng)溫度為65℃，pH=9～10，改變反應(yīng)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物的影響

由表3結(jié)果可見(jiàn)，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)率逐漸增大，顏色逐漸從白色加深到米黃色。反應(yīng)時(shí)間太短，反應(yīng)還不完全，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間從30min增加到60min時(shí)，產(chǎn)物的產(chǎn)率增大了一倍，從60min增大到120min時(shí)，產(chǎn)率變化不明顯。因此，反應(yīng)的時(shí)間應(yīng)控制在60～120min。

2.1.3 pH對(duì)反應(yīng)的影響

固定反應(yīng)溫度為65℃，反應(yīng)時(shí)間為90min，改變?nèi)芤簆H，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 pH對(duì)產(chǎn)物的影響

由表4結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)溶液的pH在8～10范圍內(nèi)，反應(yīng)完畢后，反應(yīng)液都會(huì)逐漸析出淡黃色晶體。當(dāng)pH=9～10時(shí)，獲得的產(chǎn)率高達(dá)68.5%;當(dāng)pH=7～8時(shí)，最后得到的反應(yīng)液分層，下層為橙黃色油狀物，只有很少量的晶體析出;當(dāng)pH＞10時(shí)，得到的是下層為深紅色油狀物，幾乎析不出晶體;這說(shuō)明pH對(duì)產(chǎn)率的高低和實(shí)驗(yàn)的成敗至關(guān)重要。在實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過(guò)程中，體系的pH會(huì)發(fā)生變化，因此需要通過(guò)補(bǔ)滴加10%NaOH溶液以維持體系的pH=9～10。在指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有些學(xué)生所做實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)率過(guò)低或者得不到產(chǎn)物，是由于沒(méi)有調(diào)節(jié)好體系的pH所致。

2.1.4 芳醛種類(lèi)對(duì)安息香縮合反應(yīng)的影響

在反應(yīng)溫度為65℃，反應(yīng)時(shí)間為90min，溶液pH=9～10的條件下，分別以相等的物質(zhì)的量即0.1mol的苯甲醛、呋喃甲醛、4-甲氧基苯甲醛和茴香醛進(jìn)行安息香反應(yīng)。4-甲氧基苯甲醛和茴香醛沒(méi)有得到預(yù)期的產(chǎn)物;苯甲醛和呋喃甲醛都得到較多的產(chǎn)物，且呋喃甲醛得到的產(chǎn)率要比苯甲醛高。

2.1.5 反應(yīng)物料的投入方式對(duì)產(chǎn)物的影響

固定反應(yīng)時(shí)間為90min，反應(yīng)溫度為65℃，pH=9～10，只改變反應(yīng)物料的投入方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 反應(yīng)物料的投入方式對(duì)產(chǎn)物的影響

由表5的結(jié)果可見(jiàn)，反應(yīng)物料的投入方法對(duì)產(chǎn)率沒(méi)有明顯的影響。采用常溫加入法所得的晶體針狀較粗、長(zhǎng)，采用冰水浴冷卻加入法所得的晶體針狀較細(xì)、短，而在熔點(diǎn)和顏色上沒(méi)有明顯的區(qū)別。

2.2 改進(jìn)后的安息香縮合反應(yīng)實(shí)驗(yàn)在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的效果

在04化學(xué)教育A(4年制)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，將學(xué)生分為4大組，每大組再分為9個(gè)小組，分別按物料投入方式A、B、C、D進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)到100%。

2.3 安息香縮合反應(yīng)機(jī)理

安息香縮合反應(yīng)機(jī)理［7］如圖1所示，輔酶VB1在堿的作用下，產(chǎn)生碳負(fù)離子(A);碳負(fù)離子(A)與芳醛的羰基發(fā)生親核加成，形成烯醇加合物(C)，環(huán)上帶電荷的氮原子起了調(diào)節(jié)電荷的作用;烯醇加合物(C)再與芳醛的羰基發(fā)生親核加成生成一個(gè)新的輔酶加合物(D);輔酶加合物(D)離解成安息香(F)，VB1輔酶復(fù)原。安息香縮合反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是輔酶VB1在堿性條件下形成具有親核性的碳負(fù)離子ylide(A)后，對(duì)芳醛進(jìn)行兩次親核加成反應(yīng)形成輔酶加合物(D)，然后VB1基作為離去基團(tuán)離去后重新形成輔酶VB1，同時(shí)生成一分子的芳偶姻(F)。作為催化劑的VB1在反應(yīng)過(guò)程中是不斷地循環(huán)利用的。在反應(yīng)過(guò)程中，只需要加入催化劑量的VB1即可進(jìn)行反應(yīng)。安息香縮合反應(yīng)的快慢和產(chǎn)率的高低主要取決于形成親核性的碳負(fù)離子ylide (A)的速度快慢和芳醛結(jié)構(gòu)中醛基上羰基碳被親核試劑進(jìn)攻的容易程度。

圖1 安息香縮合反應(yīng)機(jī)理

［1］ 呂洪舫，劉宗林，趙愛(ài)武.化學(xué)試劑，1995，17(6):378

［2］ 潘英明，黃礫，梁敏，等.內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，19(3):285

［3］ 劉華，曹娟.鎮(zhèn)江醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，8(2):245

［4］ 陳曉東，李剛.丹東師專(zhuān)學(xué)報(bào)，1998，20(4):28

［5］ 李慧章，劉卉閔，溫笑菁，等.信息記錄材料，2003，4(2):13

［6］ 曾昭瓊，曾和平.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).第3版.北京:高等教育出版社，2000

［7］ 蘭州大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系有機(jī)化學(xué)教研室.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).第2版.北京:高等教育出版社，1994

［8］ 何強(qiáng)芳.化學(xué)試劑，2008，30(4):297