β-二苯基乙二肟的选择性合成*

石兆瑞，李国华，张文博(河北工业大学化工学院，天津　300130)



β-二苯基乙二肟的选择性合成*

石兆瑞，李国华，张文博
(河北工业大学化工学院，天津300130)

摘要:以苯偶酰(2)和盐酸羟胺(3)为原料，经亲核加成制得α-二苯基乙二肟(α-1)和β-二苯基乙二肟(β-1)，其结构经1H NMR和IR确认。在最佳反应条件［2 10 mmol，n(2)∶n(3)=1∶5，甲苯为溶剂，三乙胺为缚酸剂，pH 8，3滴加时间4 h，于55℃反应5.5 h］下，β-1收率为90.4%。

关键词:苯偶酰;盐酸羟胺;β-二苯基乙二肟;选择性合成

二苯基乙二肟(1)作为弱酸性多齿金属配体，是性能优良的过渡金属离子萃取剂，大规模应用于湿法炼制、废水处理、金属离子含量测定等领域［1－3］。因肟基具有顺反异构，1存在α，β和γ三种立体异构体(Chart 1)。其中α-和β-构型可在苯偶酰与盐酸羟胺反应过程中同时生成，而γ-构型易转化为α-和β-构型，在合成过程中难以得到［4］。目前，应用较好的主要是α-1。但近年来研究发现，β-1具有优良的热稳定性，含能高，在火箭推进剂、增塑剂、氧化剂和改性添加剂等领域极具发展潜力［5－6］。

目前，在苯偶酰(2)与盐酸羟胺(3)的反应中，α-1的收率达90%以上［7－8］，但β-1的收率一般在25%～30%［9－11］，仅有一篇文献［12］的收率达75%。β-1的低收率成为其工业应用的瓶颈，但关于影响β-1收率的因素研究尚未见文献报道。

本文以2和3为原料，经亲核加成制得α-1 和β-1(Scheme 1)，其结构经1H NMR和IR确认。对选择性合成条件进行优化;对α-1和β-1的稳定性和生成过程进行了分析。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

RYT-1型熔点仪(温度未校正); Bruker-400 MHz型核磁共振仪(DMSO-d6为溶剂，TMS为内标); Nicolet 20 DXB IR型红外光谱仪(KBr压片)。

Scheme 1

.2(99%)，上海一基实业有限公司; 3，分析纯，天津市化学试剂一厂;其余所用试剂均为分析纯。

1.2 1的合成

在三口烧瓶中加入2 2.1 g(10 mmol)和甲苯30 mL，升温搅拌使其溶解;于55℃滴加3 3.5 g(50 mmol)的三乙胺(24 mL)溶液(4 h)，滴毕，于55℃反应至终点(TLC监测)。反应液冷却至室温，用6 mol·L－1盐酸调至pH 8。减压蒸出溶剂，残余物用蒸馏水(3×20 mL)洗涤，真空干燥得混合物(α-1 +β-1)。加入乙酸乙酯30 mL，搅拌，过滤，滤饼干燥得白色针状固体α-1，收率4.7%(由1H NMR测定，下同)。滤液减压蒸出乙酸乙酯，残余物干燥得白色粉末β-1，收率90.4%。

α-1:m.p.239℃～241℃(238℃～240℃［4］);1H NMR δ:11.54(s，2H)，7.37(m，10H); IR ν:3 277(O－H)，3 073～2 817，1 274～651(C－H)，1 888～1 492(芳环C－C)cm－1。

β-1:m.p.207℃～208℃(205℃～206℃［4］);1H NMR δ:11.49(s，2H)，7.51(m，4H)，7.37(m，6H); IR ν:3 495(O－H)，3 184～2 855，1 322～684(C－H)，1 957～1 494(芳环C－C)cm－1。

2　结果与讨论

2.1表征

(1)1H NMR

从混合物的1H NMR谱图(图1)可知，β-1羟基上氢质子的化学位移比α-1偏向高场。这是因为β-1的两个肟羟基相互临近，受范德华效应［13］的影响，羟基氧原子的电子云相互排斥而偏向氢原子(图2)使其屏蔽作用增强，氢质子化学位移偏向高场。由于范德华效应的存在，β-1分子内存在着扭转应力(图2)，从而导致其构型具有较高的能量，稳定性差。受分子间氢键和构型能量高低的共同影响，α-1的稳定性高于β-1，这也是β-1收率较低的原因。

图1　混合物(α-1 +β-1)的1H NMR谱图*Figure 1　1H NMR spectra of mixture(α-1 +β-1)*以乙二醇为溶剂

图2　β-1的空间结构Figure 2　Space configuration of β-1

图3　α-1和β-1的IR谱图Figure 3　IR spectra of α-1 and β-1

(2)IR

α-1和β-1的IR谱图见图3。从图3可见，β-1的O－H伸缩振动吸收峰出现在3 495 cm－1左右，峰型较窄，而α-1的O－H伸缩振动吸收峰出现在3 277 cm－1左右，峰型也较宽。这是由于α-1形成分子间氢键，使得羟基氧原子和氢原子的成键电子云密度降低，化学键力常数减小，O－H的吸收频率偏向低波数，而且峰型展宽［14］，并与3 184 cm－1左右苯环C－H伸缩振动所引起的吸收峰发生重叠。受分子间氢键的作用，α-1的稳定性低于β-1。

2.2合成β-1的反应条件优化

(1)反应温度

以乙二醇为溶剂，0.2 g·mL－1氢氧化钠溶液(12 mL)为缚酸剂，反应pH 8，其余反应条件同1.2，考察反应温度对β-1收率的影响，结果见图4。由图4可见，β-1的收率随着温度的升高先增加后减少。因此，在1的合成中，产物的稳定性并不是构型选择性的唯一影响因素。在该反应条件下，最佳反应温度是85℃(收率55%)。

图4　反应温度对β-1收率的影响Figure 4　Effect of temperature on yield of β-1

图5　中间过渡态形成分子内氢键后形成的优势构象Figure 5　Preferred conformation of transition statewith intra-molecule hydrogen bond

对α-1和β-1的生成过程进行分析可知，2与3的反应为亲核加成反应。3作为亲核试剂进攻2的羰基碳后形成中间过渡态，它可以发生单键内旋转而存在多种构象。当中间过渡态自身形成分子内氢键时，形成的优势构型(图5)，脱水后形成β-1;当极性溶剂分子存在时，受分子间氢键作用的影响，原优势构象的形成受到抑制，脱水后形成α-1。因此，中间过渡态的存在形式是影响构型选择性的另一因素。

综合产物稳定性和中间过渡态的存在形式两个因素对上述实验现象进行分析。温度较低时，大部分中间过渡态与极性溶剂乙二醇形成分子间氢键，β-1收率较低。随着温度的升高，分子间氢键受到破坏，而分子内氢键受温度的影响较小［15］，β-1收率有所升高。当温度高于85℃时，分子内氢键和分子间氢键均被破坏，产物稳定性起主要作用，导致β-1的收率明显下降。

以甲苯为溶剂，三乙胺(24 mL)为缚酸剂，反应pH 8，其余反应条件同1.2，考察反应温度对β-1收率的影响，结果见图6。从图6可见，β-1的收率随着温度升高而降低;温度为55℃时收率为75.9%。采用非极性非质子溶剂甲苯为反应溶剂，分子间氢键作用被削弱，大部分中间过渡态形成分子内氢键，导致β-1的收率较高。随着温度的升高，分子内氢键被破坏，受稳定性的影响，β-1的收率逐渐降低。该反应条件下，最佳的反应温度为55℃(收率75.9%)。

由此可见，溶剂和缚酸剂对β-1的收率有较大影响。最佳溶剂为甲苯，三乙胺为缚酸剂。

图6　反应温度对β-1收率的影响Figure 6　Effect of temperature on yield of β-1

(2)pH

反应温度55℃，其余反应条件同2.2(1)，考察pH对β-1收率的影响，结果见图7。从图7可见，β-1的产率均在75%左右。这说明pH在8～12的区间段内pH对中间过渡态形成分子内氢键或是分子间氢键的影响不大。

图7　pH对β-1收率的影响Figure 7　Effect of pH on yield of β-1

(3)3的滴加时间

考虑到中间过渡态可能与反应液中游离的羟胺结合形成分子间氢键从而影响β-1的收率，实验将3由一次性加入［12］改为滴加方式，从而控制反应体系中羟胺的浓度［反应条件同2.2(1)］。图8为3的滴加时间对β-1收率的影响。从图8可以看出，随着滴加时间的延长，β-1收率有所增加;当滴加时间大于4 h后趋于持平，收率最高为90.4%。这是因为3采用滴加的方式加入到反应液中，使反应液中游离的羟胺较少，利于中间过渡态形成分子内氢键，β-1的收率上升。当滴加时间大于4 h时，反应体系中羟胺的浓度变化不大，收率趋于稳定。

图8　3的滴加时间对β-1收率的影响Figure 8　Effect of dropping time of 3 on yield of β-1

通过对1的构型选择性影响因素的分析得知，α-1和β-1的生成比例受α，β两种构型的稳定性和中间过渡态存在形式两种因素共同影响(Scheme 2)。较低反应温度时，中间过渡态的存在形式起主要作用，当中间过渡态形成分子内氢键时，脱水形成β-1，但如果中间过渡态与极性溶剂分子形成分子间氢键，抑制优势构象(图5)的形成，脱水后形成α-1。反应温度高于85℃时，由于氢键受到破坏，两种构型的生成比例主要受产物稳定性的影响。α-1存在分子间氢键，稳定性高，同时β-1氧原子间存在范德华效应，能量高不稳定，产物以α-1为主。

Scheme 2

3　结论

基于对二苯基乙二肟构型选择性影响因素的分析，通过对反应温度、反应溶剂、体系pH值及羟胺加入方式的考察，得出提高β-1的最优反应条件:2 10 mmol，n(2)∶n(3)=1∶5，甲苯为溶剂，三乙胺为缚酸剂，pH 8，3滴加时间4 h，于55℃反应5.5 h，β-1收率为90.4%。

参考文献

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通信联系人:李国华，副教授，Tel.022-60203467，E-mail:nkligh@126.com

Selective Synthesis of β-Benzildioxime

SHI Zhao-rui，LI Guo-hua，ZHANG Wen-bo
(School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)

Abstract:α-Benzildioxime(α-1)and β-benzildioxime(β-1)were prepared by nucleophilic addition reaction of benzil(2)and hydroxylamine hydrochloride(3).The structures were confirmed by1H NMR and IR.Under optimum conditions［2 10 mmol，n(2)∶n(3)=1∶5，methylbenzene as solvent，triethylamine as acid binding agent，dropping time of 3 was 4 h and pH=8，at 55℃for 5.5 h］，the yield of β-1 was 90.4%.

Keywords:benzil; hydroxylamine hydrochloride;β-benzildioxime; selective synthesis

作者简介:石兆瑞(1989－)，男，汉族，山东德州人，硕士研究生，主要从事功能性化合物的合成研究。E-mail:shizhaorui1989@126.com

收稿日期:2014-12-30; 2015-09-13

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.12.1162 *

文献标识码:A

中图分类号:O623.54; O621.3