可见光诱导苯甲醇选择性氧化制备苯甲醛

阳华,甘思阳,蔡雨虬,胡锦峰,向皞月,陈凯

(中南大学 化学化工学院,湖南 长沙 410083)

醇和醛是重要的有机化合物,是有机化学教学的核心内容。伯醇可以被氧化生成醛,而后者容易进一步被氧化生成羧酸,因此通过伯醇制备醛往往需要合适的催化剂和反应条件来控制氧化进程。苯甲醛是一种重要的有机化工中间体,广泛应用于医药、燃料、香料和农药等行业[1-4]。传统工业中生产苯甲醛主要通过氯化甲苯,然后水解的方式实现,该方法存在工艺流程长、排放腐蚀性气体、副产物多等缺陷[5]。近年来,由苯甲醇选择性氧化制备苯甲醛逐渐被采用,与传统路线相比具有工艺简单、环境友好等优点,表现出良好的应用前景[6]。

苯甲醇选择性氧化制备苯甲醛的关键是选择合适的催化剂。目前,主要采用过渡金属催化剂,以分子氧(空气或氧气)或过氧化氢为氧化剂[7]。在现有的有机化学实验教材中,以Na2WO42H2O为催化剂,硫酸氢四正丁基铵为相转移催化剂,H2O2为氧化剂,在90 ℃下反应,再经减压蒸馏得到产物苯甲醛(图1)[8]。由于90 ℃条件下使用H2O2可能引发爆炸,存在安全隐患,而且较高温度下苯甲醛容易被氧化,导致反应的产率较低。此外,催化剂Na2WO42H2O污染环境,不符合绿色化学的发展理念。因此,有必要对该实验进行改进。

图1 苯甲醇选择性氧化为苯甲醛

可见光作为一种绿色环保、廉价易得的能量来源,其介导的催化反应具有反应条件温和、催化剂用量少以及易于操作等优点,成为当下备受瞩目的新型合成策略[9-12]。近年来国内外课题组围绕可见光诱导苯甲醇选择性氧化开展研究,取得了一系列突出的研究成果。其代表性的工作包括以Cu(acac)2/BiVO4、Ni-doped NH2-MIL-125(Ti)、TiO2-(PW12TH)8或PANI/FeUiO-66为催化剂,分子氧为氧化剂,实现苯甲醇的选择性氧化[13-16]。前期研究发现[17-18],以苯亚磺酸钠为催化剂,分子氧为氧化剂,在可见光诱导下,可以实现苯甲醇的选择性氧化生成苯甲醛。该方法具有催化剂廉价易得(272元/kg)、操作简单、易于实施等优点。

基于文献调研和前期研究发现[17-18],本实验尝试在原有Na2WO42H2O催化制备苯甲醛实验基础上改用可见光氧化还原催化策略,并增加核磁共振波谱分析内容。此改进方案有助于学生理解可见光氧化还原催化的原理,了解有机化学前沿进展,激发学生学习有机化学的热情。与原实验方案相比,其降低了实验过程的风险,同时实验用量实现半微型化,降低了实验成本,减少了实验污染,有助于提升学生实验操作能力,符合现代有机化学实验教学改革的要求。

1 实验部分

1.1 实验原理

在可见光诱导、苯亚磺酸钠催化下,以氯仿为溶剂,在常温和空气氛围下,苯甲醇被氧气选择性氧化生成苯甲醛(图2)。在反应过程中,苯亚磺酸根离子与氧气形成复合物,该复合物在可见光激发条件下发生电荷转移是反应进行的关键因素。

图2 可见光诱导苯甲醇选择性氧化制备苯甲醛反应式

基于文献调研可知[17-18],该反应可能的机理为(图3):首先苯亚磺酸根离子与氧气形成复合物,然后在可见光照射下转化为激发态,随后发生电子转移生成过氧自由基负离子和磺酰自由基。后者从苯甲醇获得一个电子,重新生成苯亚磺酸根离子,并释放苯甲醇自由基正离子C。过氧自由基负离子被C质子化后,生成过氧化氢自由基和中间体D。最后,经历氢原子转移(Hydrogen Atom Transfer,HAT)过程形成最终产物。

图3 可能的反应机理

1.2 实验试剂与仪器

主要实验试剂与仪器见表1和表2。

表1 主要实验试剂

表2 主要仪器设备

1.3 实验步骤

1.3.1 反应装置搭建

1)用移液枪取0.021 mL (0.2 mmol) 苯甲醇于封管中,然后加入0.013 1 g(物质的量分数40%)苯亚磺酸钠。加入2 mL氯仿和磁子,塞紧橡胶塞。在橡胶塞上插入一次性针管,以保持反应体系与大气连通。

2)将装有反应液的封管放入试管架,置于磁力搅拌器上,设置搅拌速率400 r/min,放置自制的遮光罩和小风扇,在400～405 nm波长LED灯照射下进行反应(反应装置如图4所示)。

图4 反应装置示意图

1.3.2 反应监测

反应过程中,每隔1～2 h用毛细管蘸取少量反应液,采用薄层色谱法(TLC)监测反应进程(展开液:V石油醚∶V乙酸乙酯= 9∶1)。苯甲醇和苯甲醛均具有荧光,因此薄层板可在紫外分析仪下观察(如图5所示)。反应1 h后,可在TLC板上看到明显的产物点。大约12 h后苯甲醇原料基本反应完全。为充分利用时间,建议晚上搭建好反应装置,在常温常压搅拌条件下光照过夜反应,然后于第二天上午进行反应后处理。

左为反应液,右为纯苯甲醛标样

1.3.3 产物分离纯化

1)湿法装柱:取一小团棉花放入层析柱,用玻璃棒将棉花压到底。然后加入约0.5 cm石英砂。将硅胶倒入烧杯中,加入适量石油醚,用玻璃棒搅拌均匀,然后倒入层析柱。取少量石油醚冲洗壁上硅胶,最后再加入约0.5 cm石英砂。

2)加入反应液:用滴管将反应液转移至硅胶柱。取少量二氯甲烷溶解封管壁残留的反应液,转移至硅胶柱,再加约0.8 cm石英砂。

3)梯度洗脱:首先用100 mL的石油醚进行加压洗脱,然后用100 mL体积比为49∶1的石油醚/乙酸乙酯洗脱,并逐步增大洗脱剂极性,直至TLC监测苯甲醛已全部洗脱。

4)旋转蒸发:合并含有苯甲醛的洗脱液,在零度进行旋转蒸发,除去石油醚和乙酸乙酯。最后称重,计算产率。

1.3.4 结构表征

将产物溶于0.5 mL含有0.03%TMS的氘代氯仿(CDCl3)中,摇匀并转移至核磁管中,室温下置于布鲁克AVANCE III HD 400 MHz核磁共振仪上测定,得到核磁共振氢谱(1H NMR)。

2 结果与讨论

2.1 实验条件筛选

基于文献和前期研究基础,对反应条件进行筛选,以明确最佳反应条件。首先对常用溶剂如DMSO、CH2Cl2和CHCl3等进行筛选(表3,序号1～3)。虽然在DMSO中具有最佳核磁产率,但是DMSO的沸点与产物苯甲醛接近,不利于后续的分离纯化。因此,最终确定CHCl3作为反应溶剂。然后,改变催化剂的当量,结果表明物质的量分数40%的催化剂用量最佳(序号4～6)。由于PhSO2Na在CHCl3中的溶解度较差,进一步增加其用量,会降低光的透射率,不利于产率的提升。考虑到苯甲醛本身不稳定容易被氧化,所以必须选择合适的反应时间以获得最佳产率。反应时间12 h为最优条件,缩短或延长反应时间,产率均稍有降低(序号7、8)。控制实验结果表明,光照和催化剂均是反应进行的必要条件(序号9、10)。因此,最终确定反应的最优条件为:苯甲醇 (0.2 mmol)、PhSO2Na(物质的量分数40%),氯仿溶剂2.0 mL,400～405 nm LED灯照射,常温常压空气条件,反应时间12 h。

表3 反应条件优化a

2.2 产物表征

柱层析分离产物后,测定产物的核磁共振氢谱(1H NMR)。1H NMR(400 MHz,CDCl3) δ 10.02(s,1H),7.89(d,J= 8.4 Hz,2H),7.63(t,J= 7.2 Hz,1H),7.52(t,J= 7.2 Hz,2H)。

2.3 注意事项

1)反应封管采用橡胶塞密封后,需要在橡胶塞上放置针头以连通大气,同时尽量减少氯仿的挥发。

2)反应体系应靠近光源,自制遮光罩内壁应光滑易反光,以增加光的利用率。

3)氯仿沸点为61 ℃,可致癌,实验全程应在通风橱内进行。

4)应采用零度进行旋转蒸发,以减少产物苯甲醛的损失。

3 结语

在Na2WO42H2O催化制备苯甲醛实验基础上进行改进,采用可见光氧化还原催化策略,并增加核磁共振波谱分析内容。改进实验采用405 nm可见光诱导,以苯亚磺酸钠为催化剂,在室温常压空气条件下反应12 h,可将苯甲醇选择性氧化制备苯甲醛,产率为48%。本实验可作为应用化学、制药工程、药学等相关专业三年级本科生的有机化学综合性实验,适合于作为本科教学实验进行推广:1)用时合理:实验用时约6 h,虽然反应时间较长,但是可以采取19:00—21:30讲解实验原理,学生搭建反应装置,反应过夜后,在第二天上午进行分离纯化和结构表征;2)绿色环保、成本低廉:催化剂苯亚磺酸钠价格仅为272元/kg,可降低实验成本,同时其对环境友好,避免了有毒贵金属的使用,可在教学中渗透绿色化学理念,增强学生的环保意识;3)综合性:DIY反应装置由LED灯、磁力搅拌器、简易风扇和反应封管组成,操作简单方便,有助于提高学生的动手能力,另外增加核磁共振仪进行结构表征,可锻炼学生的分析能力;4)前沿性:可见光氧化还原催化反应在现有的有机实验教材中较少涉及,有助于学生了解前沿科学技术,激发有机化学的学习兴趣。

4 创新性

1)催化剂廉价易得绿色环保,降低实验成本,增强环保意识。

2)采用可见光氧化还原催化策略,拓展学生的知识面,了解学科前沿知识。

3)实验装置DIY,操作方便,可充分锻炼学生动手能力,激发学生兴趣。