微波辐射下安息香的催化合成

孙耀冉，庞 雪，蒋映虎

（1.石家庄学院 化工学院，河北 石家庄 050035；2.天津欣普赛尔生物医药科技有限公司，天津 300000）

0 引言

安息香又称二苯乙醇酮，是一种重要的有机合成中间体，应用十分广泛，常用于莹光反应检验锌，还应用到树脂光敏剂、多微空有机聚合材料、乙酸安息香类化合物和二苯基乙二酮的制备工艺以及药物二苯基乙内酰脲的合成工艺等[1]，使得安息香在化工工业和药物合成中需求量加大.传统的合成安息香反应是以氰化钠或者氰化钾为催化剂[2]，两分子苯甲醛进行缩合反应，虽然产率较高，但由于所使用的催化剂是氰化钠或氰化钾，而这类催化剂是剧毒的化学品，不符合当前绿色化学合成的环境理念.近些年，随着安息香缩合反应研讨的深入与加快，合成安息香的方法层出不穷，目前主要有5种合成安息香的方法：维生素B1和碳酸钠的催化法[3]、相转移催化VB1法[4]、超声波VB1法[5]、金属催化法[6]和生物催化法[7].

其中以维生素B1作催化剂，在微波辐射技术下来进行安息香缩合反应符合绿色化学理念，经过对该工艺初步实验探索得知，催化剂（维生素B1）用量、反应体系pH、微波功率和反应时间这4个因素对合成产率影响最大，因此采用单一变量实验分别进行研究，得到合成安息香的最佳合成工艺，并通过红外光谱和质谱对产品进行了表征.本实验为今后积极寻找绿色环保、环境友好的安息香合成的方法提供了重要参考.

1 实验部分

1.1 试剂与设备

主要试剂：苯甲醛、氢氧化钠、无水乙醇、维生素B1和碳酸氢钠，均为市售分析纯.

主要设备：MCR-3微波化学反应器，SHZ-D（III）型循环水式真空泵，WRR型熔点仪，PHS-25型酸度计，DL-101-IS型电热鼓风干燥箱，Spectrum100型傅里叶变换红外光谱仪，3200Q-Trap液质联用质谱仪.

1.2 安息香的合成原理

以维生素B1作催化剂，在微波辐射技术下的安息香缩合反应的路线如图1所示.图2是安息香缩合反应机理.维生素B1是一种辅酶，在弱碱性条件下，催化剂维生素B1容易脱去质子，产生碳负离子，而环上的氮原子带正电荷，主要起平衡电荷的作用.碳负离子进攻芳醛的羰基，亲核性的碳负离子与芳醛化合物连续进行两次亲核加成反应，最终形成新的加合物.随后这种加合物离解，重新形成维生素B1，因此催化剂维生素B1可以在反应过程中循环使用，与此同时生成了二苯乙醇酮，即安息香[8].

图1 安息香缩合反应路线图

图2 安息香缩合反应机理

1.3 安息香的合成方法

取8.00 mL无水乙醇和4.00 mL蒸馏水一同加入到100 mL三口烧瓶中，再加入沸石，并将其浸入到冷水中，向三口烧瓶中加入一定量的维生素B1，振荡使其溶解，再加入新蒸馏的苯甲醛10.00 mL，振荡摇匀，得淡黄色溶液.用氢氧化钠溶液调节反应溶液的pH到一定值，用pH计测试体系反应溶液的pH.待调整完全后，将三口烧瓶放入微波反应器中，将微波反应加热器中的温度传感器插入其左口径至液面以下，微波反应加热器上方装上球形冷凝管，将其组装好以后，打开微波反应加热器的电源，设置好微波功率的挡位和微波反应的时间，冷凝回流一段时间，待反应完毕以后，关闭微波反应加热器的电源，反应溶液冷却至室温，逐渐析出固体，经碳酸氢钠溶液和蒸馏水多次洗涤，重结晶，抽滤，烘干得到白色粉末状产物，即安息香，然后称重，并计算其产率.测定产物熔点，用红外光谱和质谱对产物进行表征和分析.

1.4 产物表征方法

1.4.1 熔点测定

使用熔点测量仪对产物进行熔点测定：样品充分研磨后，取少量于载玻片上，开始阶段控制升温速率在3~4℃/min，当透明度发生变化时，用微调控温旋钮控制升温速率减低到1℃/min，直至产物样品完全熔化，读取温度，记录为熔点.

采用压片法，将样品与溴化钾混合，在研钵中充分研磨均匀后压片.每个样品随机测试3次，测试条件为：温度293~393 K，变温步长10 K，控温精度0.1 K，测量扫描范围4 000~500 cm-1，扫描次数16次.

1.4.3 质谱测定

应用质谱仪对样品进行ESI-MSn分析.测试条件：ESI源；5 500 V源电压；正离子检测；18 psi帘气（CUR）；75 V解簇电压（DP）；50 eV碰撞能量（EP）；在50~400 Da范围扫描.

2 安息香合成工艺优化

初步实验结果显示：催化剂用量、反应体系pH、微波功率、反应时间对合成反应影响较大，需要采用单一变量实验的研究方法，分别对这4个反应影响因素进行系统的分析研究，根据每个合成条件下所获得的产率的结果，找到每个合成条件的最佳值，从而最大程度地优化安息香的合成工艺.

2.1 催化剂用量对合成反应的影响

按照1.3节的方法，调节溶液体系的pH为9.00，设置微波功率为320 W，控制反应时间为10 min，加入催化剂的用量依次为1.20，1.40，1.60，1.80，2.00 g，进行单一变量实验.图3是不同的催化剂用量和合成产率之间的关系图.

由图3可知，催化剂用量在1.20～1.60 g的范围内时，合成产率呈现不断上升的趋势，而当用量在1.60～2.00 g的范围内则呈现下降的趋势.由此得出结论，催化剂用量在1.20～1.60 g时，合成产率随用量的增加而增加，当用量超过1.60 g时，合成产率随用量的增加反而下降.由安息香缩合反应机理可知，维生素B1酶在缩合过程中起促进碳负离子生成的作用，反应结束后维生素B1酶会再生成，维生素B1用量超过1.6 g时，过多的维生素B1酶反而会阻碍反应的发生，导致合成产率下降，因此最佳催化剂用量是1.60 g.

图3 不同催化剂用量下的产率

2.2 反应体系p H对合成反应的影响

按照1.3节的方法，加入催化剂的用量为1.60 g，设置微波功率为320 W，控制反应时间为10 min，用氢氧化钠溶液来调节反应溶液体系的pH，用pH计进行检测，依次调节体系pH为8.00，8.50，9.00，9.50，10.00进行单一变量实验.图4是不同反应pH与合成产率之间的关系图.

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由图4可知，当反应pH在8.00～9.50时，合成产率呈现不断上升的趋势，但当pH超过9.50时，合成产率随pH的增加而呈现下降的趋势.由安息香的反应机理可知，弱碱性条件有利于碳负离子的生成，合成产率增加，当pH高于10.00时，会导致维生素B1酶中噻唑环活性基团分解，随之失活，同时也会导致苯甲醛发生歧化反应[9]，故合成产率降低，因此反应体系pH控制在9.50时，合成产率最佳.

图4 不同反应pH下的产率

2.3 微波功率对合成反应的影响

按照1.3节的方法，加入催化剂的用量为1.60 g，调节体系的pH为9.50，控制反应时间为10 min，设置微波功率依次为160，240，320，400，480 W进行单一变量实验.图5是微波功率和合成产率之间的关系图.

由图5可知，当微波功率在160～320 W时，合成产率呈现不断上升的趋势，但当微波功率超过320 W时，合成产率随微波功率的增加而呈现下降的趋势.由于该反应是吸热反应，反应温度适宜时，有利于反应向正向进行，但微波功率过高时，会使维生素B1酶中的噻唑环开环失活[10]，起不到催化的功效，导致合成产率降低，所以微波功率设置为320 W是最佳的选择.

图5 不同微波功率下的产率

2.4 反应时间对合成反应的影响

在研究确定以上3个因素后，再进一步研究反应时间，按照1.3节的方法，加入催化剂的用量为1.60 g，调节体系的pH为9.50，设置微波功率320 W.控制微波反应时间分别是5，10，15，20，25 min进行单一变量实验.图6是反应时间和合成产率之间的关系图.

由图6可知，当反应时间在5～20 min时，合成产率呈现上升趋势，但当反应时间达到10 min之后，合成产率的提高缓慢，当反应时间达到20 min时，合成产率最佳，之后随着反应时间的加长，合成产率逐渐降低.这可能是因为在微波辐射长时间的加热条件下，产物会分解，从而导致合成产率降低，因此最宜反应时间应为20 min.

图6 不同反应时间下的产率

2.5 最优合成工艺验证

通过以上安息香合成工艺的优化和分析，得到了合成安息香的最佳工艺条件，即催化剂用量是1.60 g，反应体系pH为9.50，微波功率为320 W，反应时间是20 min.按照1.3节的方法，在最佳合成条件下进行实验，所得产物为6.21 g，即产率提高到59.43%.相比传统安息香的合成工艺来看，本工艺大大改良了催化剂在其他工艺中毒性大、操作复杂、反应时间长和产率较低等问题.

3 产物的表征

3.1 熔点

按照1.4.1节的方法对安息香进行熔点测定，熔点表见表1.对表1中数据进行分析，实验产物安息香的熔点与理论值接近，故可初步确定实验产物为目的产物安息香.

3.2 红外光谱及分析

按照1.4.2节的方法，将实验所得的合成产物与溴化钾混合，在研钵中研磨20 min至均匀后压片.将所得压片用红外光谱仪进行红外分析检测，图7是产物的红外图谱.

分析图7中出现的特征峰，可以看出在3 250～3 500 cm-1出现两个强吸收峰，为—OH伸缩振动的吸收峰，在v=3 059 cm-1，v=3 100 cm-1，v=3 125 cm-1位置分别出现了3个强吸收峰，即苯环上的Ar—H吸收峰；此外在v=1 680 cm-1位置出现强吸收峰，该峰为C=O吸收峰；在1 600～1 450 cm-1出现4个吸收峰，说明存在苯环的振动吸收峰；在v=1 100 cm-1处出现的吸收峰是仲醇C—O所形成的吸收峰；在750～700 cm-1出现的两个吸收峰，即苯的特征峰.将此图谱与标准安息香图谱对照分析，发现基本一致，说明产物是安息香[11].

表1 物质熔点表

3.3 质谱图及分析

按照1.4.3节的方法采用直接进样法，溶解实验所得的合成产物，用进样针将其注入进样泵中，设置进样泵的流速，然后进行质谱检测.图8是产物的质谱图.

由于图8是M-条件下得到的分子离子峰质谱图，所以相对分子质量加1，分析图8：可以看到质谱图中m/z=211.25为分子离子峰.分子相对分子质量加1得212.25，该值与合成产物安息香的相对分子质量（212.25）一致，即验证实验所得合成产物为安息香.

图7 产物的红外光谱图

4 结论

安息香在医药合成和日常化工用品生产中均有重要的作用.然而传统的安息香合成工艺是以氰化钠或氰化钾为催化剂，这类催化剂毒性大，对设备和实验操作要求都极为严格，具有极大的潜在危险，因此本研究对传统的安息香合成工艺进行了改良，将普通加热改用微波辐射技术加热，微波反应能在极短的时间内快速加热，大大缩短了反应时间.催化剂改用维生素B1，避免了安息香原有合成工艺中催化剂毒性大、反应时间长、操作复杂、产率低等问题，反应原料仍为苯甲醛，采用单一变量的研究方法，根据每个合成条件下所获得的产率的结果，找到每个反应条件的最佳值，即催化剂用量是1.60 g，反应体系pH为9.50，微波功率为320 W，反应时间是20 min.

图8 产物的质谱图