一个综合化学实验：肉桂醛一步法合成肉桂腈*

马小云，饶燕霞，赵 君，周 玫

(1 贵州师范学院化学与材料学院，贵州 贵阳 550018；2 贵州省教育厅功能有机分子特色重点实验室，贵州 贵阳 550018)

随着科学技术的迅速发展，社会对人才的需求程度越来越高，而化学作为一门基础的自然学科，在培养21世纪人才中起着非常重要的作用。近年来，随着大学本科生培养目标及就业趋势的变化，对学生实验实际操作能力的要求越来越高[1]。综合化学实验是针对化学专业本科高年级学生开设的一门实验选修课程[2]，一般是在学生已经掌握了一定的实验基本原理和基本方法后开设，要求学生运用化学理论、实验方法和实验技能来解决实验中遇到的实际问题，综合实验对学生掌握知识的深度要求更高。开设综合实验使学生能完成一项完整的科学实验工作，了解科学研究的基本过程，培养学生分析问题、解决问题的能力，提高学生的动手能力和操作技能[3]。此外，综合化学实验也是深化实验教学改革，提高实验教学质量的良好途径[4]。

肉桂腈是一种优良的人工合成香料，微黄色的液体，香气很像天然肉桂，具有强烈的辛香花香[5]。肉桂腈在碱性介质中显示出强度高、性能稳定、持久性好的优点，对皮肤无刺激和过敏作用，是肉桂油及肉桂醛的理想替代品，广泛应用于日用香料中[6-7]。肉桂腈具有芳香基团和反应活性高的α,β-不饱和腈结构，可进行加成、还原、傅克等反应，因此在医药、精细化工领域也得到广泛的运用。

肉桂腈的合成方法较多，如微波辐射加热法[8]、乙酸酐脱水法[9]、相转移催化法[10]、无溶剂条件下氧化锌催化法[11]、KOH-TBAB碱相转移催化脱水法[12]等合成方法。目前大学开设的综合化学实验课程中，涉及肉桂腈制备的实验还未见。

本论文结合综合化学实验的特点设计一个可行、合理的肉桂腈合成综合实验。以肉桂醛作底物、醋酸铜作催化剂，采用一步法、两步法制备香料肉桂腈，通过两种实验方法比较研究，选择一步法合成肉桂腈作为综合化学实验方案。一步法以肉桂醛为原料、醋酸铜为催化剂、乙腈为溶剂制备香料肉桂腈，该方法合成肉桂腈具有一定的新颖性，未见完全相同的文献报道。

1 设计实验方法

1.1 肉桂腈的制备

1.1.1 两步法制备肉桂腈

肉桂醛肟的制备：在250 mL的三口瓶内加入肉桂醛(6.6 g，0.05 mol)，盐酸羟胺(4.2 g，0.06 mol)，35 mL冰水，35 mL无水乙醇，在冰水浴下逐滴滴加20 mL 16%的氢氧化钠溶液，滴加过程中控制温度不超过20 ℃，加完后，体系升温至常温反应1 h，烧瓶中出现大量固体。选择合适的展开剂(乙酸乙酯与石油醚体积比为1:15)，取样溶解后用TLC判断反应是否完全。反应完全后，再加入100 mL水，抽滤，滤饼用100 mL水洗涤。干燥，得肉桂醛肟5.1 g，产率69.4%。

肉桂腈制备：在250 mL三口烧瓶内加入制备的肉桂醛肟(5.1 g，0.035 mol)，乙酸铜(0.346 g，0.05 equiv)及50 mL乙腈，反应1 h，选择合适的展开剂(乙酸乙酯与石油醚体积比为1:15)，通过TLC判断反应是否完全。反应完全后，待自然冷却至室温，先用旋转蒸发器将乙腈蒸除，加入50 mL乙酸乙酯和50 mL饱和食盐水，收集有机层并用50 mL饱和食盐水洗涤。有机层用无水氯化钙干燥、过滤，然后进行常压蒸馏，收集245 ℃以上的馏分，得到黄色油状的肉桂腈，质量为3.17 g，产率为70.87%。两步反应的总产率为49.18%，阿贝折射仪测定折光率为1.5986。

1.1.2 一步法制备肉桂腈

在250 mL的三口烧瓶内加入肉桂醛(6.6 g，0.05 mol)，盐酸羟胺(4.2 g，0.06 mol，1.2 equiv)，乙酸铜(0.5 g，0.0025 mol，0.05 equiv)，无水乙酸钠(4.92 g，0.06 mol，1.2 equiv)及50 mL乙腈，加毕，固定回流装置，升温反应 2 h，选择合适的展开剂(乙酸乙酯与石油醚体积比为1:15)，用硅胶板进行点板，TLC判断反应是否完全，待肉桂醛肟全部消失后，自然冷却至室温，先用旋转蒸发仪将溶剂蒸除，加入50 mL乙酸乙酯和50 mL饱和食盐水，收集有机层并用50 mL饱和食盐水洗涤。有机层用无水氯化钙进行干燥，过滤。然后进行常压蒸馏，收集245 ℃以上的馏分，得到淡黄色油状的肉桂腈，质量为3.58 g，产率为55.5%，阿贝折射仪测定折光率为1.6019。

1.1.3 肉桂酸的气相纯度。

气相色谱仪型号为Agilent 7820A，毛细管柱型号为：HP-5，产品溶解在甲苯中，其它分析条件参照文献[5]。对两步法和一步的产品进行纯度检测，通过与标准品(阿拉丁生物试剂有限公司)进行对比，得出肉桂腈出峰时间。两步法的产品纯度为85.3%，一步法产品纯度98.2%。导致两步法产品纯度低的原因可能是其第二步反应的溶剂没有做无水处理，催化剂铜盐的存在使整个反应体系显弱酸性，醛肟在弱酸性条件下部分水解为肉桂醛。产品的气相谱图如图1和图2所示。

图1 两步法合成肉桂腈的气相色谱图Fig.1 GC of cinnamonitrile synthesised by two steps

图2 一步法合成肉桂腈的气相色谱图Fig.2 GC of cinnamonitrile synthesised by one step

1.2 实验结果与讨论

表1 两种方法的比较Table 1 Comparison of the two methods

经实验可知，一步法制备肉桂腈的产率和纯度优于两步法。合成肉桂腈时，后处理如萃取、抽滤、蒸馏等都使产物有一定损失，特别是在蒸馏时，蒸馏瓶和冷凝管附有较多的产品，使得上述两种合成方法的产率相对不高。

在实验整个过程中，两步法的所用时间要更长一些，特别是肉桂醛肟的干燥需要较长的时间，干燥不彻底会影响后一步的反应结果。在实验操作上，两步法涉及操作相对要略多一些，一步法涉及的操作包括称量、回流、薄层色谱(TLC)、减压蒸馏、萃取、干燥、常压蒸馏、气相色谱检测产品纯度。两步法除上述实验基本操作外，还涉及抽滤、固体干燥等。综合实验的产率、时间、实验操作的比较结果，结合设计学生教学实验的要求，选择一步法作为综合实验中肉桂腈的合成方法更为合理。

2 设计实验教学

2.1 实验目的

(1)学习肉桂醛一步法合成香料肉桂腈的原理及方法。

(2)学会旋转蒸发器、阿贝折射仪、三用紫外分析仪、气相色谱仪的使用。

(3)熟悉回流、蒸馏、萃取的操作。

(4)掌握TLC判断反应的终点及展开剂的选择。

2.2 实验原理

图3 肉桂腈反应机理Fig.3 Reaction mechanism cinnamonitrile synthesis

羟胺是一种碱性化合物，不稳定，一般将羟胺制成盐酸盐，是为了防止被空气氧化，便于保存，在需要羟胺参加反应时，用碱将盐酸羟胺中的羟胺游离出来，与醛发生反应[13]。

乙酸钠是弱碱，盐酸羟胺与其发生反应后生成游离的羟胺，羟胺与肉桂醛先发生亲核加成，加成物不稳定，脱水生成肉桂醛肟，既发生肟化反应。在乙腈作为溶剂，乙酸铜作催化剂下，使肉桂醛肟再发生脱水反应，得到肉桂腈，可能的反应机理如图3所示。

2.3 实验仪器和试剂

2.3.1 实验仪器

电子天平；旋转蒸发仪；电子调温电热套；三用紫外分析仪；阿贝折射仪；气相色谱仪。

2.3.2 实验试剂、耗材

肉桂醛；盐酸羟胺；乙腈；无水氯化钙；乙酸铜；乙酸乙酯；石油醚；乙酸钠；薄层层析硅胶板。

2.4 实验步骤

在250 mL的三口烧瓶内加入肉桂醛(6.6 g，0.05 mol)，盐酸羟胺(4.2 g，0.06 mol，1.2 equiv)，乙酸铜(0.5 g，0.0025 mol)，无水乙酸钠(4.92 g，0.06 mol)及50 mL乙腈，加毕后，固定回流装置，升温反应2 h，选择合适的展开剂，用硅胶板进行点板，TLC判断反应是否完全，待肉桂醛肟全部消失后，自然冷却至室温，先用旋转蒸发仪将溶剂蒸除，加入50 mL乙酸乙酯和50 mL饱和食盐水，收集有机层并用50 mL饱和食盐水洗涤。有机层用无水氯化钙进行干燥，过滤。然后选择大小合适的蒸馏装置进行常压蒸馏，收集245 ℃以上的馏分，测定折光率，再通过气相色谱仪测定产品纯度。

2.5 思考题

(1)在使用旋转蒸发仪时，应该注意哪些操作事项？

(2)为什么反应一定要在碱性条件下进行？

(3)有机化学中的提纯方法有哪些？本实验中涉及的提纯方法有哪些？

3 教学建议

实验开展前，让学生课前预习，查阅肉桂腈合成的相关资料。实验中涉及的内容比较多，建议实验课上安排2～3人一组，实验需要6个学时来完成，第一阶段老师对学生课前预习的检查及讲解(1学时)；第二阶段肉桂腈的合成(3学时)；第三阶段肉桂腈的后处理及检测(2学时)。根据实验中遇到的问题，给出以下几点建议：

(1)肉桂醛与空气接触易被氧化，一般保存于冰箱内，并密封保存，取用肉桂醛后一定要放回冰箱。

(2)使用气相色谱仪和旋转蒸发仪时，需提醒学生仪器的规范性，不可随意操作，以免损坏仪器。

(3)蒸除的溶剂，提醒学生废液回收。

(4)在常压蒸馏过程中，蒸馏温度过高，提醒学生注意安全。

4 结 语

本文设计了一个大学综合化学实验。先通过一步法和两步法合成香料肉桂腈，然后对两种方法的进行比较研究，最终选择一步法作为教学实验方法。一步法合成肉桂腈可操作性强，时间相对较短，产率和纯度相对更优。以醋酸铜作催化剂用量少，整个实验过程中对环境污染小，实验过程中涉及了基础化学的知识，涵盖了基础化学的一些基本操作和仪器的使用，如回流、蒸馏、萃取、干燥等，还涉及旋转蒸发仪、三用紫外分析仪、阿贝折射仪、气相色谱仪等仪器的使用，可以锻炼学生的基本操作，提高学生的实验水平。通过该综合实验的训练，可培养学生实践能力、操作及运用知识能力，提高学生分析问题、解决问题的能力。该实验在大学综合实验教学中开展具有合理性和可行性，满足化学、应用化学专业对实验的教学需求，为学生进行毕业论文设计奠定扎实的基础。