安息香缩合及安息香的转化.docx
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安息香缩合及安息香的转化
安息香缩合及安息香的转化
摘要:
安息香缩合反应芳香醛在乙醇-水溶液中发生双分子缩合,生成1,2-二苯基羟乙酮即安息香的反应。
其缩合产物主要有苯偶姻、糠偶姻、噻吩偶姻及其衍生物等,这些物质在化学和医药工业等方面具有广泛的应用。
经典的安息香合成以氰化钠或氰化钾为催化剂,虽然产率较高,但合成产物的毒性很大,易造成环境污染,损害人体健康。
近年来,有关安息香缩合反应及应用研究的新技术、新方法、新催化剂有了较大进步。
本文主要涉及其辅酶合成及转化。
关键词:
安息香;缩合反应;二苯乙二酮;二苯乙醇酸
一.文献综述
1.1安息香及其缩合反应简介
安息香(英文:
Benzoin)又称苯偶姻、二苯乙醇酮、2-羟基-2-苯基苯乙酮或2-羟基-1,2-二苯基乙酮,是一种无色或白色晶体。
安息香是一种重要的化工原料,广泛用作感光性树脂的光敏剂、染料中间体和粉末涂料的防缩孔剂,也是一种重要的药物合成中间体,如抗癫痫药物二苯基乙内酰脲的合成以及二苯基乙二酮、二苯基乙二酮肟、乙酸安息香类化合物的合成[1]。
芳香醛在乙醇-水溶液中发生双分子缩合,生成1,2-二苯基羟乙酮即安息香的反应称为安息香缩合反应。
安息香缩合反应已有相当长的历史,其缩合产物主要有苯偶姻、糠偶姻、噻吩偶姻及其衍生物等,这些物质在化学和医药工业等方面具有广泛的应用。
经典的安息香合成以氰化钠或氰化钾为催化剂,虽然产率较高,但合成产物的毒性很大,易造成环境污染,损害人体健康。
近年来,有关安息香缩合反应及应用研究的新技术、新方法、新催化剂等报道较多,这些研究对提高安息香缩合产率、扩大其应用范围具有重要的理论和实际意义。
[2]
1.2安息香缩合催化剂应用的研究
芳醛缩合的一种产物,但催化剂是芳醛缩合成安息香的必要条件。
比较广泛应用的催化剂是氰化钠或者维生素B1。
1.2.1维生素B1和氰化钠两种催化剂对安息香缩合实验的影响比较
(1)催化原理的不同
维生素B1为催化剂的催化原理如下:
氰化钠为催化剂的催化原理如下:
(2)安全性的不同
氰化钠为剧毒药品,微量即可致死,故使用时必须戴好口罩、手套,投入氰化钠前,一定要用20%NaOH调至pH=8,否则可产生剧毒的氰化氢气体。
因此,用氰化钠为催化剂安全性很差,而用维生素B1为催化剂安全性非常好。
(3)价格和得到难易程度的不同
氰化钠为剧毒药品,价格较贵,不经济,而且,购买、运输和保管都非常不方便,作为一般实验使用,很不合适。
维生素B1为普通药品,价格低廉,容易购买、运输和保管。
作为一般实验使用,非常合适。
[3]
实验室一般采用最简单的维生素B1催化法。
1.2.2安息香的辅酶合成
芳香醛在NaCN(或KCN)作用下,分子间发生缩合生成安息香(二苯羟乙酮)的反应称为安息香缩合。
因为NaCN(或KCN)为剧毒药品,使用不方便,改用维生素B1代替氰化物催化安息香缩合反应,反应条件温和、无毒且产率高。
反应式如下:
维生素B1又称硫胺素或噻胺,是一种辅酶,作为生物化学反应的催化剂,在生命过程中起着重要作用。
其结构如下:
绝大多数生化过程都是在特殊条件下进行的化学反应,酶的参与可以使反应更巧妙、更有效及在更温和的条件下进行。
维生素B1在生化过程中可对形成偶姻(如α-羟基酮)反应发挥辅酶作用。
从化学角度看,VB1分子最主要的部分是噻唑环,其C2上的质子由于受氮和硫原子的影响,有明显的酸性,在碱作用下,质子容易解离下去,产生碳负离子反应中心,形成苯偶姻。
反应机理如下:
第一步:
在碱作用下,产生的碳负离子和邻位带正电荷的氮原子形成稳定的两性离子——内鎓盐或称叶立得(ylid)。
第二步:
噻唑环上碳负离子与苯甲醛的羰基发生亲核加成,形成烯醇加合物环上带正电荷的氮原子起了调节电荷的作用。
第三步:
烯醇加合物再与苯甲醛发生亲核加成形成一个新的辅酶加合物。
第四步:
辅酶加合物离解成安息香,辅酶复原
1.3安息香的转化
有安息香制备二苯乙醇酸有两种方法:
先将安息香氧化成二苯乙二酮,再将二苯乙二酮与氢氧化钾溶液回流,重排生成二苯乙醇酸或者直接由安息香与碱性溴酸钠溶液反应制备。
因后者有Br2产生,且有一定的危险性,所以实验室一般采用第一种方法。
[4]
1.3.1二苯乙二酮的制备:
二苯乙二酮可以由安息香经氧化制得。
氧化剂可以为浓硝酸,但反应生成的二氧化氮对环境污染严重。
也可以使用Fe3+作为氧化剂,铁盐被还原成Fe2+。
本实验改进后采用醋酸铜作为氧化剂。
这样反应中产生的亚铜盐不断被硝酸铵重新氧化成铜盐,硝酸铵本身被还原成亚硝酸铵,后者在反应条件下分解为氮气和水。
改进后的方法在不延长反应时间的情况下可明显节约试剂,且不影响产率及产物纯度。
1.3.2二苯乙醇酸的制备:
二苯乙二酮与氢氧化钾溶液回流,重排生成二苯乙醇酸。
反应过程如下:
形成稳定的羧酸盐是反应的推动力。
一旦生成羧酸盐,经酸化后即产生二苯乙醇酸。
这一重排反应可普遍用于将芳香族α-二酮转化为芳香族α-羟基酸,某些脂肪族α-二酮也可发生类似反应。
[5]
实验方法
2.1实验仪器与药品
圆底烧瓶(50mL、100mL),天平(称量纸),量筒(10mL、25mL、50mL),玻璃棒,烧杯(400mL、1000mL),电热套,温度计,冷凝管(乳胶管),抽滤瓶,布氏漏斗,锥形瓶(2个),滴管,玻璃漏斗,PH试纸,刚果红试纸;
VB1,苯甲醛,10%氢氧化钠,活性炭,沸石,硝酸铵、冰醋酸、2%醋酸铜溶液、95%乙醇,氢氧化钾、活性炭、浓盐酸、5%盐酸等。
2.2药品理化常数
有机物
式量
性状
熔点
沸点
密
度
溶解度
水
醇
醚
苯甲醛
106.12
无色液体
-26℃
178℃
1.0415
微溶
溶
溶
安息香
212.25
无色或白色晶体
133℃
344℃
1.310
冷水不溶
热水溶
溶
微溶于乙醚
二苯乙二酮
210.23
黄色针状晶体
94.87℃
347℃
1.084
不溶
溶
溶
二苯乙醇酸
228.24
针状晶体
150℃
180℃
——
微溶冷水溶于热水
溶
溶
2.3实验装置图
加热回流装置
抽滤装置
过滤装置
2.4实验步骤一
2.4.1安息香的辅酶合成:
在100ml圆底烧瓶中,加入3.6g维生素B1、10mL水、30mL乙醇,摇匀溶解后将烧瓶置于冰水浴中冷却。
同时取10Ml10%氢氧化钠溶液于试管中也置于冰浴中冷却。
然后在冰浴冷却下,将氢氧化钠溶液在10min内滴加到反应液中,并不断摇荡,调节溶液pH为9-10,摇匀,使之三分钟色不退,此时溶液为黄色。
去掉冰水浴后,加入20mL新蒸的苯甲醛,装上回流冷凝管,加上几粒沸石,将混合物置于水浴中温热1.5h。
反应过程中保持溶液pH为9-10,水浴温度为60-75℃,切勿将混合物加热至沸腾,此时反应混合物呈桔黄或桔红色均相溶液。
将反应混合物置于冷水浴中冷却至室温,析出浅黄色的结晶。
若产物呈油状物析出,应重新加热使呈均相,再慢慢冷却重新结晶。
必要时可用玻璃棒摩擦瓶壁或投入晶种。
将产物进行真空抽滤,并用50ml冷水分两次洗涤结晶。
粗产品用的95%乙醇重结晶,若产物呈黄色,可加入少量的活性炭脱色。
纯安息香为白色针状晶体,熔点为134-136℃。
2.4.2二苯乙二酮的制备:
在50mL圆底烧瓶中加入4.3g安息香、12.5mL冰醋酸、2g粉状的硝酸铵和2.5mL2%醋酸铜溶液(2%的醋酸铜的制备:
溶解一水合硫酸铜于100mL10%醋酸溶液中充分搅拌后过滤去碱性铜盐的沉淀),加入几粒沸石,装上回流冷凝管,用电热帽加热并时加摇荡。
当反应物溶解后,开始放出氮气,继续回流1.5h使反应完全。
将反应混合物冷至50-60℃,在搅拌下倾入20mL冰水中,析出二苯乙二酮结晶。
抽滤,用冷水充分洗涤,尽量压干,粗产物直接用于下一步合成。
2.4.3二苯乙醇酸的制备:
在100mL圆底烧瓶中将2.5gKOH溶解于5mL水中,加入2.5g二苯乙二酮溶于7.5mL95%乙醇的溶液,混合均匀后,装上回流冷凝管,在水浴上加热回流15min。
然后将反应混合物转移到小烧杯中,在冰水浴上放置约1h,直至析出二苯乙醇酸钾盐的晶体。
抽滤,并用少量冷乙醇洗涤晶体。
将抽滤出的钾盐溶于70mL水中,用滴管加入两滴加入浓盐酸,少量未反应的二苯乙二酮呈胶体悬浮物,加入少量活性炭并搅拌几分钟,然后用折叠滤纸过滤。
滤液用5%盐酸酸化至刚果红试纸变蓝(约25mL),既有二苯乙醇酸晶体析出,在冰水浴中冷却使结晶完全。
抽滤,用冷水洗涤几次除去晶体中的无机盐。
进一步纯化可用水重结晶,并加少量活性炭脱色。
二苯乙醇酸熔点148-149℃。
[6]
2.5实验步骤二
2.5.1安息香的辅酶合成:
1)在50ml圆底烧瓶中加入1.8gVB1(盐酸硫胺素盐噻胺),5ml蒸馏水,15ml95%乙醇,用塞子塞上瓶口,放在冰水浴中冷却。
2)用一支试管取5ml10%NaOH溶液,也放在冰水浴中冷却10min。
3)用小量筒取10ml(0.1mol)新蒸苯甲醛,将冷透的NaOH溶液缓慢滴加入冰浴中的圆底烧瓶中,并立即将苯甲醛加入,充分摇匀(调节pH:
9-10)。
4)加入沸石,温水浴中加热反应,水浴温度控制在60℃-75℃之间(不能使反应物剧烈沸腾),约80-90min。
(反应混合物呈桔黄或桔红色均相溶液)后处理。
5)撤去水浴,待反应物冷至室温,析出浅黄色结晶,再放入冰浴中冷却使之结晶完全。
(若出现油层,重新加热使其变成均相,再慢慢冷却结晶。
6)用布氏漏斗抽滤收集粗产物,用25ml冷水分两次洗涤。
称重,用95%乙醇进行重结晶,如产物呈黄色,可用少量活性炭脱色。
产品(白色晶体)空气中晾干后,称重。
2.5.3二苯乙醇酸的制备:
在一小蒸发皿中放置5.5g氢氧化钠和1.2g溴酸钠于12mL水的溶液。
将蒸发皿置于热水浴上,加热至85-90℃。
然后在搅拌下分批加入4.3g安息香,加完后保持此温度,并不断搅拌,中间需不断地补充少量水,以免反应物变得过于粘稠,直至取少量反应物于试管中,加水后几乎完全溶解为止。
反应约需1.5h。
用50mL水稀释反应混合物,置于冰浴中冷却后滤去不溶物(副产物为二苯甲醇)。
滤液在充分搅拌下,慢慢加入40%硫酸(1:
3体积比),到恰好不释放出溴为止(约需13-14mL)。
抽滤析出的二苯乙醇酸晶体,用少量水洗涤几次,压干,粗产物干燥后约3-3.5g,熔点148-149℃。
进一步提纯可用水重结晶。
二.本实验拟采用方法
安息香的辅酶合成:
1)在50ml圆底烧瓶中加入1.8gVB1(盐酸硫胺素盐噻胺),5ml蒸馏水,15ml95%乙醇,用塞子塞上瓶口,放在冰水浴中冷却。
2)用一支试管取5ml10%NaOH溶液,也放在冰水浴中冷却10min。
3)用小量筒取10ml(0.1mol)新蒸苯甲醛,将冷透的NaOH溶液缓慢滴加入冰浴中的圆底烧瓶中,并立即将苯甲醛加入,充分摇匀(调节pH:
9-10)。
4)加入沸石,温水浴中加热反应,水浴温度控制在60℃-75℃之间(不能使反应物剧烈沸腾),约80-90min。
(反应混合物呈桔黄或桔红色均相溶液)后处理。
5)撤去水浴,待反应物冷至室温,析出浅黄色结晶,再放入冰浴中冷却使之结晶完全。
(若出现油层,重新加热使其变成均相,再慢慢冷却结晶。
6)用布氏漏斗抽滤收集粗产物,用25ml冷水分两次洗涤。
称重,用95%乙醇进行重结晶,如产物呈黄色,可用少量活性炭脱色。
产品(白色晶体)空气中晾干后,称重。
二苯乙醇酸的制备:
在一小蒸发皿中放置5.5g氢氧化钠和1.2g溴酸钠于12mL水的溶液。
将蒸发皿置于热水浴上,加热至85-90℃。
然后在搅拌下分批加入4.3g安息香,加完后保持此温度,并不断搅拌,中间需不断地补充少量水,以免反应物变得过于粘稠,直至取少量反应物于试管中,加水后几乎完全溶解为止。
反应约需1.5h。
用50mL水稀释反应混合物,置于冰浴中冷却后滤去不溶物(副产物为二苯甲醇)。
滤液在充分搅拌下,慢慢加入40%硫酸(1:
3体积比),到恰好不释放出溴为止(约需13-14mL)。
抽滤析出的二苯乙醇酸晶体,用少量水洗涤几次,压干,粗产物干燥后约3-3.5g,熔点148-149℃。
进一步提纯可用水重结晶。
三.实验实际采用方法
安息香的辅酶合成:
1)在50ml圆底烧瓶中加入1.8gVB1(盐酸硫胺素盐噻胺),5ml蒸馏水,15ml95%乙醇,用塞子塞上瓶口,放在冰水浴中冷却。
2)用一支试管取5ml10%NaOH溶液,也放在冰水浴中冷却10min。
3)用小量筒取10ml(0.1mol)新蒸苯甲醛,将冷透的NaOH溶液缓慢滴加入冰浴中的圆底烧瓶中,并立即将苯甲醛加入,充分摇匀(调节pH:
9-10)。
4)加入沸石,温水浴中加热反应,水浴温度控制在60℃-75℃之间(不能使反应物剧烈沸腾),约80-90min。
(反应混合物呈桔黄或桔红色均相溶液)后处理。
5)撤去水浴,待反应物冷至室温,析出浅黄色结晶,再放入冰浴中冷却使之结晶完全。
(若出现油层,重新加热使其变成均相,再慢慢冷却结晶。
6)用布氏漏斗抽滤收集粗产物,用25ml冷水分两次洗涤。
产品(白色晶体)空气中晾干后,称重得1.56g。
二苯乙醇酸的制备:
在一小蒸发皿中放置2.6g氢氧化钠和0.57g溴酸钠于6mL水的溶液。
将蒸发皿置于热水浴上,加热至85-90℃。
然后在搅拌下分批加入2.04g安息香,加完后保持此温度,并不断搅拌,中间需不断地补充少量水,以免反应物变得过于粘稠,直至取少量反应物于试管中,加水后几乎完全溶解为止。
反应约需1.5h。
用25mL水稀释反应混合物,置于冰浴中冷却后滤去不溶物(副产物为二苯甲醇)。
滤液在充分搅拌下,慢慢加入40%硫酸(1:
3体积比),到恰好不释放出溴为止(约需6mL)。
抽滤析出的二苯乙醇酸晶体,用少量水洗涤几次,压干,粗产物2.47g。
四.实验结果
安息香的辅酶合成:
称得干燥产物1.56g
实验的理论产值10.61g,实验所得产品质量1.56g,产率14.71%
二苯乙醇酸的制备:
称得产物湿重2.47g除去30%的水,约得1.73g产物
实验的理论产值2.19g,实验所得产品质量1.73g,产率78.99%
五.实验结论
由数据处理的结果可知,安息香缩合反应的产率比较低,可能原因可能是实验过程中温度与pH值控制的不是很好。
由此总结出:
辅酶催化安息香缩合反应对pH的要求很高,否则产率较低甚至难得到产品。
该反应在碱性条件下进行,pH在8~9为宜。
由于维生素B1通常为盐酸盐,如果pH较低,不能形成碳负离子,则无法进行反应。
随着反应进行,会导致pH发生变化,所以反应进行一段时间后应检查和调节pH,若pH过低需要适当补加碱液,但如果pH过高(大于10),维生素B1中噻唑环容易被破坏,或发生苯甲醛歧化等副反应,将难得到所需产品。
安息香的辅酶合成注意事项:
1.维生素B1对实验的影响很大,所以应该用保持良好的维生素B1。
2.维生素B1必须在水中完全溶解后再加乙醇。
3.维生素B1在酸性条件下稳定,但易吸水。
在水溶液中易被氧化失效,光及金属离子均可加速氧化。
在氢氧化钠溶液中噻唑环易开环失效,因此,反应前维生素B1溶液、氢氧化钠溶液必须用冰水冷透,这是本实验成败的关键。
4.苯甲醛放置过久,常被氧化成苯甲酸,但本实验苯甲醛中不能含苯甲酸,所以实验时候应用新蒸馏的苯甲醛
5.回流反应过程时,水浴温度和溶液的pH值的设定十分重要。
6.氢氧化钠溶液的滴加速度应当尽量缓慢,冷却也应当控制冷却速度。
参考文献:
[1]李中华,白亦穷.辅酶催化安息香缩合反应的实验探讨[J].大学化学,2011,4.26
(2).
[2]张康华,曹小华,陶春元,全民强.安息香缩合与应用研究进展[J].安徽农业科学,2009,37(30):
14549-14551.
[3]高兰萍.安息香缩合实验中的催化剂.内蒙古石油化工,2009.10.
[4]曾昭琼主编.有机化学实验[M].北京:
高等教育出版社,2005.
[5]孙占怀,段丽萍主编.有机化学实验讲义.包头师范学院化学学院,2008.
[6]有机化学实验/兰州大学编.北京:
高等教育出版社,2006.6.