2-甲基-2-己醇制備實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

劉廣路 李婷婷 辛凱濤 趙騰雪 王春杰

(周口師范學(xué)院，河南周口，466000)

1 引言

利用Grignard試劑制備2-甲基-2-己醇是本科教學(xué)中重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在日后藥物設(shè)計(jì)、藥物合成常會(huì)用到這個(gè)反應(yīng),是一個(gè)化學(xué)、藥學(xué)類學(xué)生必做的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)[1]。其目的是訓(xùn)練學(xué)生牢固掌握有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本技能和基礎(chǔ)知識(shí)：(1)培養(yǎng)學(xué)生正確選擇有機(jī)化合物的合成、分離、提純與分析、鑒定的方法，并讓學(xué)生及時(shí)掌握現(xiàn)代有機(jī)合成、分離和鑒定的手段，訓(xùn)練回流、萃取、過濾和蒸餾等技能操作；(2)通過有機(jī)實(shí)驗(yàn)，還要培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題和獨(dú)立思考、獨(dú)立工作的能力[2]。

格氏試劑RMgX中，C-Mg鍵是共價(jià)鍵，極性強(qiáng)，這說明格氏試劑是一種很強(qiáng)的堿，親核性強(qiáng)。因而，任何含有活潑H的化合物，如醇、酸、胺類等都可以與格氏試劑反應(yīng)，所以在格氏試劑的制備過程中要嚴(yán)格干燥并保持無水狀態(tài)。經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中存在的一系列問題是不能忽視的，例如：操作過程復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)條件苛刻、實(shí)驗(yàn)的失敗率高，這給學(xué)生增加了負(fù)擔(dān)；碘作為引發(fā)劑易生成副產(chǎn)物，產(chǎn)率低；淬滅劑為硫酸，具有一定的危險(xiǎn)性，而且極易使產(chǎn)物發(fā)生消除反應(yīng)，產(chǎn)生副產(chǎn)物并降低產(chǎn)率。

有關(guān)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了報(bào)道，主要涉及利用氮?dú)獗Ｗo(hù)來改善實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性，工作裝置復(fù)雜；采用超聲輻射法合成，實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法普及；利用碘甲烷做引發(fā)劑，價(jià)格昂貴不易保存[3-4]。以上改進(jìn)各有缺點(diǎn)，不適用于本科基礎(chǔ)教學(xué)。嘗試在原有普通反應(yīng)裝置基礎(chǔ)上，通過改變初始加熱順序，營(yíng)造隔絕空氣和水分的條件；更換合適的引發(fā)劑，縮短引發(fā)時(shí)間并且提高產(chǎn)率；采用合適的淬滅劑，避免因硫酸溶液而產(chǎn)生消除反應(yīng)，提高了產(chǎn)率和實(shí)驗(yàn)的安全性。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

2-甲基-2-己醇制備的原理如圖1。

圖1 2-甲基-2-己醇的制備原理

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

2-甲基-2-己醇制備反應(yīng)裝置見圖2。

圖2 2-甲基-2-己醇制備反應(yīng)裝置圖

2.3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.3.1 加熱順序

經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為先加入乙醚，再依次加入引發(fā)劑和混合液，此時(shí)裝置中尚有空氣和水分殘留。本文采用先將乙醚加入，加熱至微沸回流狀態(tài)，排出裝置的水分和空氣，再依次加入混合液和引發(fā)劑，比經(jīng)典實(shí)驗(yàn)更好地隔絕了水分和空氣。

2.3.2 引發(fā)劑

經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為碘做引發(fā)劑，易生成副產(chǎn)物，產(chǎn)率低。本文選用碘甲烷、碘丁烷、1,2-二溴乙烷作為引發(fā)劑。原因是碘甲烷和碘丁烷的C-I鍵容易斷裂，反應(yīng)引發(fā)快；1,2-二溴乙烷中由于兩個(gè)Br均為吸電子基團(tuán)，C-Br鍵很容易斷裂，副產(chǎn)物生成乙烯，將揮發(fā)出反應(yīng)裝置。

2.3.3 淬滅劑

經(jīng)典實(shí)驗(yàn)選用10%硫酸溶液作為淬滅劑，具有一定的危險(xiǎn)性，產(chǎn)物發(fā)生消除反應(yīng)，產(chǎn)生副產(chǎn)物，降低產(chǎn)率。本研究選用飽和氯化銨溶液做淬滅劑，因?yàn)樵谒须婋x出的銨根離子水解使溶液顯酸性，常溫下飽和氯化銨溶液pH值一般在5.6左右，水解中間產(chǎn)物時(shí)放熱溫和。不僅能滿足實(shí)驗(yàn)所需要的酸性條件，而且不易使產(chǎn)物發(fā)生消除反應(yīng)。

2.4 試劑與儀器

表1 冷低分油化驗(yàn)分析

表2 儀器設(shè)備

2.5 步驟與方法

2.5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

將實(shí)驗(yàn)所需儀器提前干燥，配制飽和氯化銨溶液，鎂條充分打磨后剪成鎂屑。

2.5.2 格氏試劑的制備

將剪好的1.5 g鎂屑加入三頸燒瓶中，量取6.4 mL正溴丁烷和15 mL無水乙醚加入恒壓滴液漏斗中，混勻。向三頸燒瓶中加入10 mL無水乙醚，溫水浴保持三頸燒瓶中無水乙醚處于微沸狀態(tài)，此時(shí)向三頸燒瓶中加入約3 mL混合液，立即自冷凝管上端滴加引發(fā)劑。

待反應(yīng)平緩后自冷凝管上端加入10 mL無水乙醚，逐滴滴加混合液，開動(dòng)磁力攪拌器，使溶液保持微沸狀態(tài)，混合液滴加完畢后，再用溫水浴加熱回流20 min使鎂屑反應(yīng)完全。

2.5.3 2-甲基-2-己醇的制備

量取5 mL丙酮和10 mL無水乙醚加入恒壓滴液漏斗，混勻，在冰水浴及攪拌下緩慢滴加混合液，控制滴加速率，使反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，待混合液滴加完畢后，室溫?cái)嚢?5 min。

反應(yīng)結(jié)束后，在冰水浴及攪拌下將淬滅劑分批加入三頸燒瓶中，剛開始滴加速率較慢，滴加速率可逐漸加快，使中間產(chǎn)物分解完全。

2.5.4 分離和提純

將所得溶液過濾，濾液轉(zhuǎn)入分液漏斗中，靜置后分出醚層。水層用12 mL無水乙醚萃取兩次，合并有機(jī)相，有機(jī)相用無水碳酸鉀干燥。

2.5.5 蒸餾

將干燥后的有機(jī)相濾入100 mL干燥的圓底燒瓶中，水浴蒸出乙醚，待無乙醚餾分后，再用電熱套加熱收集139—142 ℃餾分，稱重并計(jì)算產(chǎn)率。

3 結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)物表征

由圖3和圖4的測(cè)試結(jié)果得知，產(chǎn)物的相關(guān)測(cè)試與表征結(jié)果與文獻(xiàn)吻合良好，證明本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法正確，所得產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物。

圖3 2-甲基-2-己醇的紅外光譜圖(IR)圖

由圖3得知：3370cm-1為羥基伸縮振動(dòng)吸收峰，2964cm-1為甲基中C-H伸縮振動(dòng)吸收峰，2933cm-1為亞甲基伸縮振動(dòng)吸收峰，1378cm-1、1469cm-1甲基中C-H彎曲振動(dòng)吸收峰。

圖4 2-甲基-2-己醇的核磁共振氫譜(1HNMR)圖

由圖4得知：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 1.67 (br, 1H), 1.53-1.44 (m, 2H), 1.40-1.31 (m, 4H), 1.23 (s, 6H), 0.94 (t, J = 7.1 Hz, 3H)。

3.2 初始加熱順序的改變對(duì)反應(yīng)引發(fā)時(shí)間的影響

在保證引發(fā)劑的劑量和淬滅劑種類一致的前提下(碘粒用量為1粒，其他液體試劑均為200 μL)，探索了初始加熱順序的改變是否會(huì)對(duì)反應(yīng)引發(fā)時(shí)間產(chǎn)生影響。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示：在依照經(jīng)典方法進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，碘做引發(fā)劑時(shí)反應(yīng)引發(fā)最快，為55 s；碘甲烷和1,2-二溴乙烷引發(fā)速度相當(dāng)，分別為95 s和100 s；碘丁烷的引發(fā)速率最慢，為630 s。改變加熱順序后，碘甲烷、1,2-二溴乙烷和碘丁烷的引發(fā)速率均有顯著的提高，例如碘甲烷的引發(fā)時(shí)間縮短至15 s左右。這表明，更改加熱順序?qū)Φ饧淄椤?,2-二溴乙烷和碘丁烷做引發(fā)劑是有利的；但是碘做引發(fā)劑時(shí)的引發(fā)速率卻明顯降低，這可能是加熱狀態(tài)下碘易升華，降低了反應(yīng)體系中碘的濃度。

表3 初始加熱順序的改變對(duì)引發(fā)時(shí)間的影響

3.3 初始加熱順序的改變對(duì)產(chǎn)率的影響

在保證引發(fā)劑的劑量和淬滅劑種類一致的前提下(碘粒用量為1粒，其他液體試劑均為200 μL)，探索了初始加熱順序的改變是否會(huì)對(duì)產(chǎn)率產(chǎn)生影響。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示：在依照經(jīng)典實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，碘丁烷做引發(fā)劑時(shí)產(chǎn)率最高，為72.17%；碘甲烷和1,2-二溴乙烷次之，分別為65.21%和62.02%；碘做引發(fā)劑時(shí)產(chǎn)率最低，為55.07%。改變初始加熱順序后，產(chǎn)率均顯著提高，由此證明，改變初始加熱順序?qū)Ξa(chǎn)率起到促進(jìn)作用。綜合考慮各引發(fā)劑的優(yōu)缺點(diǎn)后，選用1,2-二溴乙烷為引發(fā)劑做進(jìn)一步研究。

表4 改變初始加熱順序?qū)Ξa(chǎn)率的影響

3.4 改變淬滅劑對(duì)產(chǎn)率的影響

在引發(fā)劑為1,2-二溴乙烷，用量為200 μL的前提下，繼續(xù)探索淬滅劑的改變是否對(duì)產(chǎn)率產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示：無論是否改變初始加熱順序，使用飽和氯化銨溶液作為淬滅劑均可使產(chǎn)率提高10%左右。而在改變初始加熱順序，使用飽和氯化銨溶液作為淬滅劑時(shí)，則可比經(jīng)典實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率提高了20%左右。

表5 改變淬滅劑對(duì)產(chǎn)率的影響

3.5 1,2-二溴乙烷用量對(duì)引發(fā)時(shí)間的影響

根據(jù)表6數(shù)據(jù)分析，采用不同量的1,2-二溴乙烷做引發(fā)劑對(duì)引發(fā)時(shí)間有顯著影響，但考慮到基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的原則和成本問題，推薦基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)采用3～5滴1,2-二溴乙烷作為引發(fā)劑。

綜上，引發(fā)反應(yīng)時(shí)間短，產(chǎn)率較經(jīng)典實(shí)驗(yàn)高，產(chǎn)率數(shù)值可重復(fù)性強(qiáng)，推薦應(yīng)用于基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

表6 1,2-二溴乙烷的不同用量對(duì)引發(fā)時(shí)間的影響

4 結(jié)語

本研究立足于基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的條件和基礎(chǔ)知識(shí)，以問題為導(dǎo)向，對(duì)現(xiàn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)：

(1)通過改變初始加熱順序，營(yíng)造隔絕空氣和水分的條件。

(2)改變反應(yīng)的引發(fā)劑，篩選出了效果較好的1,2-二溴乙烷做引發(fā)劑，減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高產(chǎn)率。

(3)淬滅劑為飽和氯化銨溶液，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性和產(chǎn)率。

通過多次實(shí)驗(yàn)和一個(gè)學(xué)期基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，本改進(jìn)方案使得基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)成功率提高到100%，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)縮短了約30 min，產(chǎn)率提高了約20 %。

通過改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使得現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)一步進(jìn)行拓展升級(jí)，一方面，可以在教學(xué)中使學(xué)生獲得成功感和自豪感，提高基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作技能，另一方面，在實(shí)驗(yàn)過程中也培養(yǎng)和發(fā)散了學(xué)生的科研思維，提高了學(xué)生的分析、思考和解決實(shí)際問題的能力。