改进的1-联-2-萘酚的合成与拆分有机合成实验

2013-09-18庄俊鹏

大学化学 2013年5期

庄俊鹏

(北京化工大学理学院有机化学系北京100029)

手性是有机化学的重要概念，但在本科高等化学实验中引入手性的实验并不是很多，其中一个比较合适的实验是1-联-2-萘酚的合成与拆分。

1，1'-联-2-萘酚的合成与拆分已有多种方法［1-3］。其中报道拆分效率最好的是N-苄基氯化辛可宁。

虽然N-苄基氯化辛可宁可以实现接近100%的拆分效果，但需要先进行辛可宁和氯化苄反应制备后，再用于拆分;而原料辛可宁价格昂贵，不易获得。另外，N-苄基氯化辛可宁的相对分子质量大，实验中拆分剂用量较大。考虑到这些因素，N-苄基氯化辛可宁实际上并不太适用于大量学生开展实验。

我们希望选择一种廉价易得的拆分剂，改进1，1'-联-2-萘酚的合成与拆分，以利于在教学中将其作为常规实验开展。我们就此问题进行了检索，参照文献［4］进行了预实验，以L-脯氨酸和N，N-四甲基乙二胺为拆分剂，在甲醇中长时间回流，发现没有晶体生成或晶体生成很慢，拆分效果不理想。而文献中报道的以光学纯的1-苯基-2-丙胺作为拆分剂也因为价格的问题不宜采用［5］。

最终参照文献［6］，仅采用L-脯氨酸作为拆分剂，在CH2Cl2中回流反应1.5小时，再经过后处理，可分别得到S-和R-对映体过量的1，1'-联-2-萘酚，反应现象明显，实验重现性很好。迄今已在北京化工大学应用化学系连续3届开设本实验。经过3届学生的探索，我们规范了每一步的操作，使该实验成为一项较完善的常规本科高级有机化学实验(图1)。

图1 1-联-2-萘酚的合成及拆分示意图

实验共分成4个单元，每个单元可在4～5学时内完成。

1 外消旋1-联-2-萘酚的合成

在装有机械搅拌、温度计和回流冷凝管的500mL三口圆底烧瓶中，加入100mL水，再加入经过研磨并过160目标准筛(原料粒径小于0.16mm)的14.4gβ-萘酚(0.10mol)，升温至70℃。加入150mL溶有29.7g FeCl3·6H2O(0.11mol)的水溶液。随着反应进行，反应液由黄褐色悬浊液变为浅黄绿色悬浊液。

用薄层色谱监测反应进行的程度。吸取约0.5mL反应悬浊液，加入到1.5mL塑料离心管中，滴加10滴乙酸乙酯，充分振荡，悬浊液变清。取上层有机相用薄层色谱监测，用V(石油醚):V(乙酸乙酯)=2:1展开剂展开。在薄层板上Rf值=0.7的位置附近出现两个点，前一个点是原料β-萘酚，后一个点是产物。产物点有微弱的蓝色荧光。约1.5～2小时，原料可以完全转化为产品，停止反应，抽滤，滤饼压紧后充分水洗，晾干后产品质量大于13.5g，粗收率＞95%。

我们对反应过程进行了两点改进。①对β-萘酚过筛处理。由于原料β-萘酚和产物1，1'-联-2-萘酚不溶于水，反应为非均相反应，即原料的颗粒越小，反应速率越快。由于过筛处理后的β-萘酚粒径均一，可使反应终点同时到达。②采用薄层色谱监测反应的进行。文献中为1小时后停止反应，并不进行薄层色谱的监测［3］。我们对此进行过多次实验，发现反应在1小时内无法完全转化。采用薄层色谱是监测该反应的直观有效方式。

2 1，1'-联-2-萘酚的重结晶

利用上述方法合成的1，1'-联-2-萘酚为浅黄色或浅灰色粉末状产品，可以通过重结晶进一步提高纯度，并改善产品的外观，得到无色晶体状产品。

我们设计了一个上下都带磨口的特殊的锥型漏斗，上口为29#或34#的较大磨口，下口为19#或24#的较小磨口。使用时，将折好的合适大小的花形滤纸从上磨口塞到漏斗中，通过非常简便的方法实现了重结晶过程的快速热过滤，装置如图2所示。

将约13.5g粗品1，1'-联-2-萘酚加入到250mL锥形瓶中，加入约140mL甲苯及3粒沸石，安装热过滤漏斗，缓慢加热沸腾(图2(b))。这时，锥形瓶中的甲苯蒸气上升，蒸气将花形滤纸包裹，并将热过滤漏斗加热。待1，1'-联-2-萘酚完全溶解后，降温，用三角漏斗向锥形瓶中加入1g粉末状活性炭和几粒沸石，再次加热回流10min。将热过滤漏斗取下，安装到一个新的锥型瓶上，将已回流脱色的1，1'-联-2-萘酚的甲苯溶液通过三角漏斗加入到花形滤纸中进行热过滤(图2(c))。由于热过滤漏斗已被充分加热，在热过滤过程中，产品不会析出。通过热过滤得到浅褐色溶液。

所得的甲苯溶液在降温过程中很快在瓶底析出无色片状晶体，静置1小时左右，结晶过程基本完成;也可以放在冰箱中冷冻，使结晶更完全。抽滤，压紧滤饼，用少量甲苯洗涤，尽量抽干后晾干或烘干滤饼，得到无色晶体约12g。母液用旋转蒸发仪除去大部分甲苯后，又析出部分晶体，处理后得到约0.8g浅黄褐色晶体。

图2 改进的重结晶装置和重结晶过程

这种重结晶的方法适合于结晶过程中析出非常快的物质。一些很难用普通热过滤完成的操作，用这种方法可以顺利完成。对于在热过滤中特别容易析出的晶体，可以在回流条件下进行热过滤，效果更好。

3 外消旋1，1'-联-2-萘酚的拆分

我们按照Periasamy的方法进行实验［6］，取得了良好的效果，实验步骤如下。

将外消旋1，1'-联-2-萘酚和分析纯L-脯氨酸分别研磨并过160目标准筛备用。在250mL圆底瓶中加入 7.15g 外消旋 1，1'-联-2-萘酚(25mmol)、2.88g L-脯氨酸(25mmol)和 100mL CH2Cl2。两种原料均难溶于CH2Cl2，反应体系是悬浊液，机械搅拌或磁力搅拌加热回流。经15min左右，体系开始变成乳白色悬浊液;继续加热回流1.5h，停止反应。抽滤得到滤液和滤饼，将滤液旋干，得到固体剩余物。

将滤饼用80mL乙酸乙酯和50mL 1mol·L-1的盐酸混合液进行处理，得到澄清透明的分层溶液;用250mL分液漏斗分出水层，再用50mL 1mol·L-1的盐酸溶液洗涤乙酸乙酯层两次。L-脯氨酸由于易溶于酸性水溶液而被除去。用无水硫酸钠干燥分出的乙酸乙酯层，旋干，产品晾干后得到S-对映体过量的1，1'-联-2-萘酚3.0～3.5g。按照和滤饼相同的处理方法，对固体剩余物进行处理，得到3.0～3.5g R对映体过量的 1，1'-联-2-萘酚。

L-脯氨酸是一种常用的光学纯物质。在溶剂中，S-1，1'-联-2-萘酚容易和L-脯氨酸形成共结晶沉淀，而R-1，1'-联-2-萘酚不容易和L-脯氨酸共结晶，而留在母液中。正是通过这种共结晶动力学性质上的差异，实现了对于外消旋联-2-萘酚的拆分。

我们对本实验做了以下的探索和改进。Periasamy的文献中报道了使用甲醇、二氯甲烷、三氯甲烷、乙腈等多种有机溶剂的实验结果［6］。考虑到联-2-萘酚在甲醇中的溶解度很好，不易析出结晶，而且甲醇毒性较大，故本实验不采用甲醇为溶剂;文献中使用的三氯甲烷和乙腈需要长时间回流，才能得到较好的结果，本实验也未采用;最终选用二氯甲烷作为溶剂。由于外消旋的联-2-萘酚和L-脯氨酸在二氯甲烷中的溶解度都比较差，我们同样对原料过160目标准筛，以加快反应速率。文献方法需要回流3h，而我们的实验方法只需进行1.5h回流，即可得到很好的拆分结果。

4 旋光度的测定

通过测定所拆分的1，1'-联-2-萘酚产品的旋光度，可以计算产品的比旋光度，通过与文献值的比较，可以计算出产品的光学纯度。

本科实验中较少使用旋光仪。在本实验中，我们增加了使用旋光仪的实验内容。先用L-脯氨酸(以水为溶剂，和蔗糖(以水为溶剂，)作为光学纯的物质来熟悉旋光度的测定。配制不同浓度的L-脯氨酸和蔗糖的溶液，测定其旋光度，并按式(1)计算其比旋光度在测定过程中，向学生介绍旋光度在一定条件下与溶液的浓度及旋光管的长度近似成正比，并用实验结果进行验证。

光学纯的 R-和 S-1，1'-联-2-萘酚的比旋光度(THF)为+34.5°和-34.5°［6］。分别称取 2.000g 制备的对映体过量的R-和S-1，1'-联-2-萘酚以及外消旋的样品，用容量瓶配成25.00mL溶液，测定其旋光度α，通过式(1)计算比旋光度;然后按式(2)计算样品的光学纯度。