李中華 白亦窮
(華中師范大學化學學院 湖北武漢430079)
芳香醛在乙醇-水溶液中發(fā)生雙分子縮合,生成1,2-二苯基羥乙酮即安息香(benzoin)的反應稱為安息香縮合反應。安息香縮合在化學工業(yè)和藥物合成等方面有廣泛的應用[1],如抗癲癇藥物二苯基乙內(nèi)酰脲以及二苯基乙二酮、二苯基乙二酮肟、乙酸安息香等制備都用到此反應。我院開設(shè)的中級有機化學實驗,以苯甲醛為原料,經(jīng)安息香縮合、氧化和重排多步反應制備二苯羥乙酸,其中安息香縮合是關(guān)鍵步驟。以前使用劇毒的氰化物為催化劑極為不便[2],近年改用輔酶(維生素B1)作催化劑[3-4],價廉易得,操作安全,效果良好,但實驗中產(chǎn)率較低或有時得不到產(chǎn)品,影響后續(xù)實驗的進行。我們經(jīng)過多次試驗探討,在實驗中采用四丁基溴化銨作為相轉(zhuǎn)移催化劑,通過控制反應體系的pH和反應溫度,安息香產(chǎn)率在70%以上,實驗成功率亦大大提高。安息香縮合反應式為:
苯甲醛(CP)、維生素B1(CP)、四丁基溴化銨(AR)和NaOH(AR)均為國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn)品;95%乙醇(AR),天津市東麗天大化學試劑廠;XT4A型顯微熔點測定儀,上海荊和分析儀器有限公司,溫度未校正。
在100mL圓底燒瓶中加入1.7g(5mmol)維生素B1、0.2g四丁基溴化銨和4mL水,溶解后加入15mL 95%乙醇。將燒瓶置于冰水浴中冷卻,同時取3mL 10% NaOH溶液于一試管中,也置于冰浴冷卻,在冰浴中將NaOH液在5min內(nèi)邊搖動邊逐滴加入反應燒瓶,然后加入10.6g(100mmol)新蒸苯甲醛,裝上回流冷疑管于70~80℃水浴上加熱90min,保持反應液pH=8~9,反應液呈橘黃色,經(jīng)冷卻后析出白色晶體,抽濾,用2×25mL冷水洗滌,干燥得產(chǎn)品7.6g(72%),熔點:132~134℃,用95%乙醇重結(jié)晶得白色針狀結(jié)晶,熔點:134~136℃。
(1) 安息香縮合原指以氰化鈉(鉀)為催化劑的碳負離子對羰基的親核加成反應,其反應機理見圖1。
我們知道酶可以使有些反應更加巧妙、更加有效并且在更溫和的條件下進行。維生素B1是一種輔酶,又稱硫胺素或噻胺(thiamine),它常作為生物化學反應的催化劑,在生命過程中起重要作用,主要對α-酮酸脫羧和形成偶姻(α-羥基酮)等3種酶促反應發(fā)揮輔酶的作用。其結(jié)構(gòu)見圖2。
輔酶分子中噻唑環(huán)C2上的質(zhì)子由于受氮和硫原子影響,具有酸性,在堿的作用下容易脫除質(zhì)子,產(chǎn)生的碳負離子與芳醛的羰基加成,最終形成苯偶姻產(chǎn)物,反應機理見圖3。
圖1 氰離子催化安息香縮合反應機理
圖2 輔酶的結(jié)構(gòu)式
圖3 輔酶催化安息香縮合反應機理
(2) 輔酶催化安息香縮合反應對pH的要求很高,否則產(chǎn)率較低甚至難得到產(chǎn)品。該反應在堿性條件下進行,pH在8~9為宜。由于維生素B1通常為鹽酸鹽,如果pH較低,不能形成碳負離子,則無法進行反應。隨著反應進行,會導致pH發(fā)生變化,所以反應進行一段時間后應檢查和調(diào)節(jié)pH,若pH過低需要適當補加堿液,但如果pH過高(大于10),維生素B1中噻唑環(huán)容易被破壞,或發(fā)生苯甲醛歧化等副反應,將難得到所需產(chǎn)品。
相轉(zhuǎn)移催化劑通??梢源蟠蠹涌煊退畠上喾磻乃俣?。本實驗在水相產(chǎn)生的碳負離子容易水解,難以起到催化作用,加入相轉(zhuǎn)移催化劑可將碳負離子從水相迅速轉(zhuǎn)移至有機相苯甲醛中,避免與水的作用,從而促進縮合反應進行。安息香縮合是一個經(jīng)典的有機化學反應,我們在苯甲醛、維生素B1和NaOH用量不變,反應溫度為70~80℃條件下,考察了相轉(zhuǎn)移催化劑對反應的影響(表1)。結(jié)果表明,四丁基溴化銨用量對反應產(chǎn)率有很大影響,不用時反應產(chǎn)率比較低,加入少量則反應速度和產(chǎn)率均有顯著提高,其用量為0.2g時反應效果比較好。
表1 四丁基溴化銨(TBAB)對反應產(chǎn)率的影響
反應溫度對實驗也有影響,但沒有pH的影響明顯。實驗中采取分段升溫法有利于提高反應效率。首先將維生素B1和NaOH溶液在冰浴中冷卻,加入苯甲醛之后,反應初期控制溫度70~75℃,約1h后再提高至80℃反應30min。
(3) 產(chǎn)品為白色針狀晶體,經(jīng)測定其熔點為134~136℃,與文獻值[5]吻合。實驗中有時可能會出現(xiàn)白色油狀物,即尚未結(jié)晶的安息香產(chǎn)品,放置一段時間后可形成結(jié)晶;若pH低于8,加入少量堿有利于晶體析出。
在輔酶催化安息香縮合反應中,四丁基溴化銨作為相轉(zhuǎn)移催化劑,可以有效地提高反應速度和產(chǎn)率。實驗表明,當苯甲醛和維生素B1用量為100mmol和5mmol時,四丁基溴化銨用量為0.2g,控制反應體系的pH為8~9,反應溫度70~80℃,安息香產(chǎn)率可達70%以上。
[1] 王汝龍,原正平.藥物.第4版.北京:化學工業(yè)出版社,2005
[2] Walter I,Buck J.OrganicReaction,1948,4:269
[3] 張功成,沈永雯,李小龍.大學化學,2001,16(3):49
[4] 張國升,程俊,孫玉亮,等.安徽中醫(yī)學院學報,2003,22(6):46
[5] 曾昭瓊.有機化學實驗.第3版.北京:高等教育出版社,1999