安息香缩合反应的影响因素

2010-07-02何强芳伍光仲朱洁民

大学化学 2010年3期

关键词：产率甲醛反应时间

何强芳伍光仲朱洁民

(广东教育学院化学系广东广州510303)

安息香缩合反应的影响因素

何强芳伍光仲朱洁民

(广东教育学院化学系广东广州510303)

安息香缩合反应是重要的有机化学实验，影响实验的因素较复杂。本文通过反应温度、反应时间、pH、反应物料的投入方式等对安息香合成的影响进行了探讨。实验结果表明:反应温度、反应时间、pH是影响反应的重要因素，而反应前是否对反应物进行冷却以及苯甲醛与NaOH溶液的投料顺序对反应的影响不大。

安息香(二苯羟乙酮)是有机合成的重要中间体，自Ugai等发现用VB1代替剧毒氰化物作催化剂进行安息香缩合反应以来，很多文献对该实验进行了改进，例如以室温加料法代替冰水浴加料法，增大碱的浓度及提高反应温度［1］，添加锌粉预防苯甲醛被氧化以提高产率［2］，通过超声波的作用以促进安息香缩合［3-5］等。本人指导4个班学生做该实验时，发现该实验的成功率及产物产率高低不一，相差较大(表1)。为了提高该实验的重现率、产物的产率及实验操作的简便性，对该实验的影响因素进行了研究，并对该实验反应物的投料方式进行了改进。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

VB1(盐酸硫胺，生化试剂);苯甲醛(使用前重新蒸馏，分析纯);其他试剂均为分析纯。用Thiele熔点管测定产物熔点。

1.2 安息香的制备(实验改进后)

在50mL三颈烧瓶中加入1.75 g(0.005 mol)VB1，加入3.5 mL蒸馏水充分振荡，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，充分摇匀，得到淡黄色混合溶液。将10%NaOH溶液(约3.5mL)慢慢滴加到上述混合溶液中，使体系的pH为9～10，此时整个体系为橙黄色溶液。将三颈烧瓶置于水浴中，并装上回流冷凝管，开始加热，使水浴锅里的水从常温慢慢升温至60～70℃(约需15min)，然后在此温度下回流反应90min。在反应过程中需用pH试纸跟踪测试体系的pH，通过补加NaOH溶液使体系的pH保持在9～10。反应完毕，自然冷却，待完全析出晶体后，减压抽滤，得安息香粗产品。将此粗产物用95%乙醇重结晶得白色针状晶体。

2 结果与讨论

2.1 实验条件对反应产物的影响

4个教学班的实验情况如表1所示。

表1 安息香缩合反应的实验情况

从表1可以看出，该实验结果受学生的个体情况影响较大。从这些教学班学生本身的实验技能来看，02化学教育班的学生较差，03化学教育班的学生很好，实验成功率达到100%且产物的平均产率与教材［6-7］提供的参考值相当;04化学教育专升本的两个班学生的实验技能参差不齐，实验成功率及产物的产率差别较大。在指导学生过程中发现反应温度、反应时间、pH、芳醛种类对安息香缩合反应有影响，而反应物料的投入方式对产物的影响不大。据此，本文在文献［8］的基础上，以单因素影响的形式对反应的影响因素进行了探讨。

2.1.1 温度对反应的影响

固定溶液pH=9～10，反应时间为90min，改变反应的温度，实验结果如表2所示。

表2 反应温度对产物的影响

由表2可见，产率及粗产物颜色受温度的影响较大。随着温度逐步升高，产率逐步增大，粗产物颜色由白色逐渐变为黄色，水浴加热回流要从室温慢慢地升到预定的温度，注意勿使温度过高，以避免VB1结构中的噻唑环失去催化效果。反应温度应控制在60～70℃。

2.1.2 反应时间对反应的影响

固定反应温度为65℃，pH=9～10，改变反应时间，实验结果如表3所示。

表3 反应时间对产物的影响

由表3结果可见，随着反应时间延长，产率逐渐增大，颜色逐渐从白色加深到米黄色。反应时间太短，反应还不完全，当反应时间从30min增加到60min时，产物的产率增大了一倍，从60min增大到120min时，产率变化不明显。因此，反应的时间应控制在60～120min。

2.1.3 pH对反应的影响

固定反应温度为65℃，反应时间为90min，改变溶液pH，实验结果如表4所示。

表4 pH对产物的影响

由表4结果可见，当溶液的pH在8～10范围内，反应完毕后，反应液都会逐渐析出淡黄色晶体。当pH=9～10时，获得的产率高达68.5%;当pH=7～8时，最后得到的反应液分层，下层为橙黄色油状物，只有很少量的晶体析出;当pH＞10时，得到的是下层为深红色油状物，几乎析不出晶体;这说明pH对产率的高低和实验的成败至关重要。在实验反应过程中，体系的pH会发生变化，因此需要通过补滴加10%NaOH溶液以维持体系的pH=9～10。在指导学生实验过程中发现，有些学生所做实验的产率过低或者得不到产物，是由于没有调节好体系的pH所致。

2.1.4 芳醛种类对安息香缩合反应的影响

在反应温度为65℃，反应时间为90min，溶液pH=9～10的条件下，分别以相等的物质的量即0.1mol的苯甲醛、呋喃甲醛、4-甲氧基苯甲醛和茴香醛进行安息香反应。4-甲氧基苯甲醛和茴香醛没有得到预期的产物;苯甲醛和呋喃甲醛都得到较多的产物，且呋喃甲醛得到的产率要比苯甲醛高。

2.1.5 反应物料的投入方式对产物的影响

固定反应时间为90min，反应温度为65℃，pH=9～10，只改变反应物料的投入方式，实验结果如表5所示。

表5 反应物料的投入方式对产物的影响

由表5的结果可见，反应物料的投入方法对产率没有明显的影响。采用常温加入法所得的晶体针状较粗、长，采用冰水浴冷却加入法所得的晶体针状较细、短，而在熔点和颜色上没有明显的区别。

2.2 改进后的安息香缩合反应实验在学生实验中的效果

在04化学教育A(4年制)的学生实验中，将学生分为4大组，每大组再分为9个小组，分别按物料投入方式A、B、C、D进行实验。实验成功率达到100%。

2.3 安息香缩合反应机理

安息香缩合反应机理［7］如图1所示，辅酶VB1在碱的作用下，产生碳负离子(A);碳负离子(A)与芳醛的羰基发生亲核加成，形成烯醇加合物(C)，环上带电荷的氮原子起了调节电荷的作用;烯醇加合物(C)再与芳醛的羰基发生亲核加成生成一个新的辅酶加合物(D);辅酶加合物(D)离解成安息香(F)，VB1辅酶复原。安息香缩合反应的实质是辅酶VB1在碱性条件下形成具有亲核性的碳负离子ylide(A)后，对芳醛进行两次亲核加成反应形成辅酶加合物(D)，然后VB1基作为离去基团离去后重新形成辅酶VB1，同时生成一分子的芳偶姻(F)。作为催化剂的VB1在反应过程中是不断地循环利用的。在反应过程中，只需要加入催化剂量的VB1即可进行反应。安息香缩合反应的快慢和产率的高低主要取决于形成亲核性的碳负离子ylide (A)的速度快慢和芳醛结构中醛基上羰基碳被亲核试剂进攻的容易程度。