綠色合成1-苯基-3-丁烯-1-醇實(shí)驗(yàn)的微型化研究

蔣達(dá)洪,黃嘉明,劉雅倩,向 淇

(廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，廣東 茂名 525000)

1 綠色化、微型化實(shí)驗(yàn)思想概述

在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保意識(shí)的重要性對(duì)于塑造未來(lái)合格的化學(xué)化工類人才是不言而喻的[1]。微型實(shí)驗(yàn)將常量實(shí)驗(yàn)的藥品使用量降低90%以上，能夠有效地減少?gòu)U棄有機(jī)污染物的排放[2]。此外，微型實(shí)驗(yàn)所占空間小、省時(shí)、安全，能夠有效提高課堂教學(xué)效率，避免實(shí)驗(yàn)事故發(fā)生，特別是當(dāng)使用有毒或價(jià)格昂貴的試劑時(shí)，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。微型實(shí)驗(yàn)還由于產(chǎn)品量少，需要在分離、提純、轉(zhuǎn)移等過(guò)程中嚴(yán)格操作，避免產(chǎn)品損失，從而有利于培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍、專注認(rèn)真的科研態(tài)度。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究者對(duì)許多基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了微型化設(shè)計(jì)[3-6]。傳統(tǒng)有機(jī)反應(yīng)對(duì)環(huán)境的污染在很大程度上來(lái)源于有機(jī)溶劑，以水代替有機(jī)溶劑可從源頭上減少對(duì)環(huán)境的污染，因而水相介質(zhì)的反應(yīng)逐漸成為綠色有機(jī)化學(xué)的重要研究方向[7]。

Barbier-Grignard反應(yīng)是最常用的形成C—C鍵的方法之一，不僅在有機(jī)合成中具有廣泛用途，而且對(duì)于學(xué)生理解醛酮的性質(zhì)、親核加成反應(yīng)機(jī)理都具有重要作用[8]。傳統(tǒng)的Barbier-Grignard反應(yīng)一般需要醚類作溶劑，并需要無(wú)水無(wú)氧操作，使其在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用受到限制。水相Barbier-Grignard反應(yīng)具有很多優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到重視，相關(guān)研究報(bào)道很多[9-11]。由于其不需要無(wú)水無(wú)氧操作、使用的溶劑綠色環(huán)保，非常適合設(shè)計(jì)成為基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[12]。1-苯基-3-丁烯-1-醇可由苯甲醛與3-溴丙烯在金屬鋅促進(jìn)下發(fā)生Barbier-Grignard反應(yīng)制備，反應(yīng)時(shí)間較短，產(chǎn)率較高，常被設(shè)計(jì)為學(xué)生實(shí)驗(yàn)[13]。然而由于3-溴丙烯價(jià)格昂貴且具有一定刺激性，常量反應(yīng)不宜在基礎(chǔ)有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展。我們根據(jù)綠色化、微型化實(shí)驗(yàn)思想對(duì)該反應(yīng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，大幅度減少了試劑用量，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)裝置，并采用薄層色譜法進(jìn)行提純，保證了高產(chǎn)率，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中收到了良好的效果。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

在微酸性條件下，金屬鋅很容易與3-溴丙烯發(fā)生氧化加成而生成烯丙基鋅，后者與苯甲醛發(fā)生親核加成得到1-苯基-3-丁烯-1-醇鋅，然后在酸性條件下轉(zhuǎn)變?yōu)?-苯基-3-丁烯-1-醇，反應(yīng)式見圖1。

圖1 Barbier-Grignard反應(yīng)制備1-苯基-3-丁烯-1-醇

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

儀器：燒杯，移液管，砂芯抽濾漏斗，大試管，磁力攪拌子，橡皮塞，分液漏斗，薄層色譜展開槽(20 cm×20 cm)，膠頭滴管，真空干燥器，紫外燈，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

試劑：鋅粉，鹽酸，蒸餾水，四氫呋喃，苯甲醛，3-溴丙烯，氯化銨，乙酸乙酯，石油醚，無(wú)水硫酸鈉，飽和食鹽水，硅膠板(20 cm×20 cm)。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟：

鋅粉的活化：取2 g鋅粉，加入20 mL、1%的鹽酸，攪拌5 min，抽濾，依次用蒸餾水(10 mL/次，3次)、丙酮(10 mL/次，3次)洗滌，在真空干燥中常溫干燥30 min，放入干燥器中備用。

在配有磁力攪拌子的大試管中用移液管依次加入0.20 mL的苯甲醛(2 mmol)、4 mL飽和氯化銨溶液、0.8 mL四氫呋喃、0.26 mL 3-溴丙烯(3 mmol)、0.20 g已活化的鋅粉(3 mmol)，加完后在試管口套上橡皮塞封口；然后于室溫下攪拌反應(yīng)，薄層色譜跟蹤(洗脫劑：石油醚與乙酸乙酯體積比為5∶1，紫外燈下觀察)至反應(yīng)完全(約1 h);反應(yīng)結(jié)束后，加入5 mL、3%的鹽酸淬滅反應(yīng)，用乙酸乙酯(5 mL/次，3次)萃??；合并有機(jī)相并用飽和氯化鈉溶液洗滌1次后用無(wú)水硫酸鈉干燥，濾除干燥劑，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上蒸除溶劑得油狀粗產(chǎn)品；少量乙酸乙酯溶解粗產(chǎn)品，用管口塞有棉花的膠頭滴管吸取該溶液，全部涂點(diǎn)在20 cm×20 cm的硅膠板上，晾干；硅膠板放置于在展開槽中，以石油醚與乙酸乙酯體積比為5∶1的洗脫劑進(jìn)行展開；刮下吸附了產(chǎn)品的硅膠帶，在砂芯抽濾漏斗中用甲醇洗下產(chǎn)品，收集洗脫液，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上完全蒸去洗脫液，得純品；干燥、稱量，計(jì)算產(chǎn)率。用阿貝折光儀測(cè)定產(chǎn)品折射率，測(cè)定產(chǎn)品紅外光譜并與標(biāo)準(zhǔn)圖譜比較。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)品分析

所得產(chǎn)品為無(wú)色液體，稱得質(zhì)量為0.264 g，產(chǎn)率為89%。

將產(chǎn)品涂抹在制好的KBr壓片上，在紅外光譜儀上進(jìn)行檢測(cè)，波數(shù)為3 365、3 069、2 918、1 644、1 495、1 450、1 051、991、912、754、700 cm-1.其中3 365 cm-1為羥基的O—H伸縮振動(dòng)吸收，3 069 cm-1為SP2雜化碳的C—H伸縮振動(dòng)吸收，2 918 cm-1為SP3雜化碳的C—H伸縮振動(dòng)吸收，1 644 cm-1為C=C伸縮振動(dòng)吸收，1 495 cm-1、1 450 cm-1為苯環(huán)骨架振動(dòng)吸收，1 051 cm-1可能為醇的C—O伸縮振動(dòng)吸收，991 cm-1、912 cm-1表明有單取代類型烯烴結(jié)構(gòu)，754 cm-1、700 cm-1為苯環(huán)的SP2雜化碳C—H面外變形振動(dòng)吸收。

引導(dǎo)學(xué)生分析所得產(chǎn)品的折射率、紅外光譜數(shù)據(jù)，并通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)所合成產(chǎn)品為1-苯基-3-丁烯-1-醇。

3.2 金屬促進(jìn)劑的選擇與處理

水相Barbier-Grignard反應(yīng)有很多方法報(bào)道，通過(guò)查閱文獻(xiàn)，我們選擇價(jià)廉易得的Zn粉作為金屬促進(jìn)劑。在最初的實(shí)驗(yàn)中直接使用未經(jīng)處理的鋅粉，結(jié)果未見有1-苯基-3-丁烯-1-醇生成?？赡苁且?yàn)殇\粉表面覆蓋的氧化物阻止了反應(yīng)進(jìn)行。為了清除鋅粉表面的氧化物，對(duì)鋅粉預(yù)先用鹽酸進(jìn)行洗滌活化，再用蒸餾水洗去鹽酸，最后用丙酮洗去蒸餾水以便于干燥。當(dāng)使用新鮮活化的鋅粉時(shí)，反應(yīng)按預(yù)期順利進(jìn)行。在課堂教學(xué)中，對(duì)鋅粉的活化因?yàn)楸容^費(fèi)時(shí)，可在課前由教師統(tǒng)一操作，放于干燥器中供學(xué)生取用。

3.3 反應(yīng)容器的設(shè)計(jì)

常量實(shí)驗(yàn)通常使用燒瓶作為反應(yīng)容器，限于實(shí)驗(yàn)室空間和攪拌器，一般2～3名學(xué)生為一個(gè)小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在微型實(shí)驗(yàn)中，我們希望設(shè)計(jì)為1人一組，達(dá)到鍛煉每一名學(xué)生的目的。基于此，我們將反應(yīng)容器改為大試管，這樣可以將4～6支試管用橡皮筋綁在一起放于一個(gè)攪拌器中進(jìn)行反應(yīng)，管口加以橡皮塞密封可以充分防止苯甲醛的氧化。

3.4 反應(yīng)溶劑的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

水是一種綠色溶劑，水相中的Barbier-Grignard反應(yīng)已經(jīng)有很多報(bào)道。為了培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，我們首先考慮以水為溶劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用氯化銨的飽和水溶液為反應(yīng)體系。然而，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)反應(yīng)底物不溶于飽和氯化銨溶液，攪拌下形成乳濁液，需要5 h才能完全反應(yīng)。為了縮短反應(yīng)時(shí)間，我們分別嘗試了加入相轉(zhuǎn)移催化劑Bu4NBr和助溶劑四氫呋喃。薄層色譜監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，加入四氫呋喃(溶劑和助溶劑體積比為5∶1)效果最好，常溫下攪拌1 h即可反應(yīng)完全。

3.5 提純方法的設(shè)計(jì)

常量實(shí)驗(yàn)采用減壓蒸餾提純1-苯基-3-丁烯-1-醇，在微型實(shí)驗(yàn)中由于試劑用量少，減壓蒸餾的提純方法會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品損失的相對(duì)量很大，甚至得不到產(chǎn)品。因此，必須設(shè)計(jì)低損耗的提純手段。制備薄層色譜提純法效率高、樣品損耗小，已經(jīng)在科研中廣泛使用。本實(shí)驗(yàn)選取制備薄層色譜法進(jìn)行提純，不僅解決了微型反應(yīng)提純難的問(wèn)題，也有利于使學(xué)生實(shí)驗(yàn)更接近真實(shí)的科研實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物質(zhì)量，選擇了商品化的20 cm×20 cm硅膠GF254制備薄層色譜板，能夠達(dá)到提純要求。

3.6 微型實(shí)驗(yàn)與常量實(shí)驗(yàn)效果比較

我們將設(shè)計(jì)的微型化制備1-苯基-3-丁烯-1-醇實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了嘗試，對(duì)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行了比較。具體做法是：在30名學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)班中，一半學(xué)生采用常量實(shí)驗(yàn)制備1-苯基-3-丁烯-1-醇，另一半學(xué)生采用本文設(shè)計(jì)的微型實(shí)驗(yàn)。結(jié)果見表1。

表1 微型實(shí)驗(yàn)與常量實(shí)驗(yàn)的效果比較

采用常量實(shí)驗(yàn)學(xué)生的產(chǎn)率普遍較低，說(shuō)明在產(chǎn)品轉(zhuǎn)移、提純過(guò)程中損失較大，并不能反映實(shí)驗(yàn)的真實(shí)產(chǎn)率。微型實(shí)驗(yàn)由于采用柱色譜提純，在產(chǎn)品純度方面更具優(yōu)勢(shì)。薄層色譜監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，微型實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品只顯示1個(gè)點(diǎn)，而常量實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品除了主點(diǎn)之外，還顯示了2個(gè)次點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文將制備1-苯基-3-丁烯-1-醇的Barbier-Grignard反應(yīng)設(shè)計(jì)為微型化、水相介質(zhì)中進(jìn)行的綠色合成實(shí)驗(yàn)并應(yīng)用于基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。采用大試管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燒瓶，一臺(tái)攪拌器可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)，能有效節(jié)省實(shí)驗(yàn)室空間，使更多學(xué)生得到訓(xùn)練。運(yùn)用制備薄層色譜進(jìn)行產(chǎn)品純化，較常量實(shí)驗(yàn)的減壓蒸餾提純法產(chǎn)率高、純度好，讓學(xué)生更接近科研實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)作為微型實(shí)驗(yàn)和綠色合成，有利于降低實(shí)驗(yàn)室污染、培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保意識(shí)。

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