無溶劑條件下研磨促進(jìn)的M ichael加成反應(yīng)
—— 推薦一個(gè)新的半微量有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

廖德仲張建策 毛立新 楊濤 任劭 許怡學(xué)

(湖南理工學(xué)院化學(xué)化工系 湖南岳陽414000)

無溶劑條件下研磨促進(jìn)的M ichael加成反應(yīng)
—— 推薦一個(gè)新的半微量有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

廖德仲*張建策 毛立新 楊濤 任劭 許怡學(xué)

(湖南理工學(xué)院化學(xué)化工系 湖南岳陽414000)

采用研磨促進(jìn)環(huán)己酮與查爾酮Michael加成反應(yīng)的手段新穎，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，產(chǎn)率高，使用的反應(yīng)容器簡單，操作方便易實(shí)現(xiàn)，試劑用量少，是一個(gè)半微量有機(jī)實(shí)驗(yàn)，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的系列化，節(jié)約實(shí)驗(yàn)開支。

現(xiàn)在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)數(shù)比理論課長，其目的是增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。為達(dá)到這些目的，最主要的措施有兩點(diǎn):一是培養(yǎng)興趣，二是熟練掌握基本操作。因此，作者認(rèn)為有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革應(yīng)圍繞“覆蓋典型范圍，強(qiáng)化基本操作訓(xùn)練，縮短單個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，增加實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)，在多次實(shí)驗(yàn)中全面增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力;選擇連續(xù)化、系列化、微量或半微量實(shí)驗(yàn)，減少化學(xué)試劑用量，節(jié)約實(shí)驗(yàn)開支;不斷更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將最新的研究成果充實(shí)到教學(xué)中，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神”的原則來進(jìn)行。

在國內(nèi)現(xiàn)行的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中，有關(guān)Michael加成反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)較為少見。該反應(yīng)是構(gòu)成C—C鍵的重要反應(yīng)，通常是在溶劑中采用攪拌的方式來促進(jìn)的。如王蘇惠等人［1］用DMF作溶劑，在KF/Al2O3催化下，達(dá)米酮與查爾酮于80℃反應(yīng)3～5h，產(chǎn)率71% ～89%; Qian Yunbo等人［2］在溶劑中用氨基酸離子液體催化查爾酮與環(huán)己酮的Michael加成，收率91%。Ceylan M［3］等采用無溶劑相轉(zhuǎn)移催化查爾酮與環(huán)己酮的Michael加成，在KOH存在下，芐基三乙基氯化銨為催化劑，室溫反應(yīng)3～4h，收率83%。但DMF不容易回收，離子液體價(jià)格貴，不符合綠色化學(xué)發(fā)展的要求。研磨反應(yīng)是近幾年發(fā)展起來的新方法，已成功應(yīng)用在多個(gè)有機(jī)合成反應(yīng)中［4－5］，具有能縮短反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在固體堿作用下，采用研磨的方式促進(jìn)Michael加成反應(yīng)，可以大大縮短反應(yīng)時(shí)間［6］。本文應(yīng)用這一成果，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的半微量有機(jī)實(shí)驗(yàn)方案。本實(shí)驗(yàn)促進(jìn)反應(yīng)的手段新穎，操作方便，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，試劑用量少，適合引入到基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

掌握Michael加成反應(yīng)的基本原理，掌握研磨促進(jìn)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的原理和操作方法，掌握產(chǎn)物結(jié)構(gòu)鑒定的步驟和方法。

1.2 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

在開始本實(shí)驗(yàn)前，要求學(xué)生做好以下準(zhǔn)備工作:⑴通過圖書館或網(wǎng)絡(luò)查閱關(guān)于Michael加成反應(yīng)以及研磨法在有機(jī)合成中的應(yīng)用的最新文獻(xiàn);⑵從手冊中查閱原材料及產(chǎn)物的理化常數(shù)以及產(chǎn)物的IR、1H NMR數(shù)據(jù)，做好記錄。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 反應(yīng)式

2.2 試劑及儀器

2.2.1 化學(xué)試劑

苯甲醛、苯乙酮、環(huán)己酮、NaOH等均為分析純試劑。

2.2.2 儀器

普通玻璃研缽，布氏漏斗，抽濾瓶等。Nicolet Avatar 370傅立葉紅外光譜儀(KBr壓片);1H NMR用Varian XL－400型核磁共振光譜儀(內(nèi)標(biāo):TMS，溶劑:CDCl3);Finnigen TRACE質(zhì)譜儀;Vario EL 111 CHNSO元素分析儀;WRS－IB型熔點(diǎn)儀(溫度未經(jīng)校正)。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 查爾酮的制備

查爾酮的制備參照文獻(xiàn)［7］進(jìn)行，產(chǎn)率65%，熔點(diǎn)54～56℃(文獻(xiàn)值［7］55～56℃)，IR(KBr壓片，cm－1):1664、1605、750，與文獻(xiàn)［7］數(shù)據(jù)吻合。

3.2 產(chǎn)物合成

環(huán)己酮(6mmol，0.59g)、查爾酮(5mmol，1.04g)置于研缽中混合，加入NaOH(6mmol，0.24g)，室溫研磨3～5min，得黃色固體，然后用水充分洗至中性，抽濾，干燥，固體粗產(chǎn)物用95%乙醇重結(jié)晶得產(chǎn)物。干燥后備用。

測定產(chǎn)物的熔點(diǎn)、IR和1H NMR，測定元素含量。

4 結(jié)果與討論

4.1 研磨時(shí)間對反應(yīng)的影響

分別在室溫(18℃)下研磨不同的時(shí)間，分離純化得到產(chǎn)物，結(jié)果見表1。

表1 研磨時(shí)間對反應(yīng)的影響

由表1結(jié)果可以看出，研磨2min產(chǎn)率較低，這可能是反應(yīng)還沒有完成所致;研磨3min后產(chǎn)率較高。因此選用反應(yīng)時(shí)間為3min。這種與固體堿直接研磨的反應(yīng)，其局部的高濃度是促進(jìn)反應(yīng)速度加快的主要原因。

4.2 物料物質(zhì)的量比對反應(yīng)的影響

查爾酮取5mmol，改變物料物質(zhì)的量比，研磨3min，具體結(jié)果見表2。

表2 物料物質(zhì)的量比對反應(yīng)的影響

由表2可以看出，隨著環(huán)己酮比例的增加，產(chǎn)率增加，到1.2時(shí)產(chǎn)率較高，再增加比例無明顯變化。

4.3 NaOH用量對反應(yīng)的影響

固定n(環(huán)己酮)/n(查爾酮)為1.2，研磨時(shí)間3min，改變NaOH用量，得到NaOH用量對反應(yīng)的影響(表3)。

表3 NaOH用量對反應(yīng)的影響

由表3結(jié)果可以看出，未加NaOH時(shí)不反應(yīng)，當(dāng)n(NaOH)/n(查爾酮)為0.6時(shí)產(chǎn)率最高，此后再增加NaOH用量則產(chǎn)率下降。

4.4 溫度對反應(yīng)的影響

取兩個(gè)溫度(15～20℃，25～30℃，均為實(shí)驗(yàn)當(dāng)時(shí)的室溫)，n(環(huán)己酮):n(查爾酮): n(NaOH)=1.2:1:0.6，研磨3min，每組進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)。15～20℃3次實(shí)驗(yàn)平均收率為73.2%，25～30℃3次實(shí)驗(yàn)平均收率為75.2%，可見溫度上升產(chǎn)率提高。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，較好的合成條件為:n(環(huán)己酮):n(查爾酮):n(NaOH)= 1.2:1:0.6，研磨時(shí)間3min，溫度25～30℃，該條件下收率為75%。

4.5 與攪拌反應(yīng)的對比

攪拌反應(yīng)是將等物質(zhì)的量的環(huán)己酮和查爾酮混合后，再滴加30%NaOH溶液，滴加完成后再保持一定時(shí)間。不同方式促進(jìn)反應(yīng)的結(jié)果見表4。

表4 反應(yīng)方式對反應(yīng)的影響

研磨所需的反應(yīng)物量比較少，屬于半微量反應(yīng)，而使用攪拌器的反應(yīng)則需要將物料量加至研磨反應(yīng)的3倍以上才能順利進(jìn)行。從結(jié)果看，研磨反應(yīng)在3min內(nèi)能得到75%的產(chǎn)率，而攪拌反應(yīng)120min的時(shí)間也只有70%的產(chǎn)率。采用研磨法實(shí)驗(yàn)的時(shí)間一般在2～3h，而攪拌反應(yīng)實(shí)驗(yàn)需要4～5h，兩者對比優(yōu)劣非常明顯。

5 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)鑒定

產(chǎn)物熔點(diǎn)為146～147℃(95%乙醇)(文獻(xiàn)值［3］為146～148℃(CCl4:正己烷=3:1))。

IR(KBr):3056，3026，2929，2854，1709，1683，1596，1448，746，695，568cm－1。與文獻(xiàn)［3］基本相符。

1H NMR:δ=7.93～7.89(m，2H)，7.55～7.41(m，3H)，7.37～7.13(m，5H)，3.78～3.68 (m，1H)，3.50(AB系統(tǒng)的A部分，dd，1H，J=16.2，4.1Hz)，3.23(AB系統(tǒng)的B部分，dd，1H，J=16.2，9.5Hz)，2.75～2.68(m，1H)，2.53～2.32(m，2H)，2.01～1.94(m，1H)，1.79～1.51 (m，4H)，1.49～1.24(m，1H)。與文獻(xiàn)［3］相符。

MS m/z(相對豐度):306.5(M+，1)，287.5(3)，209.3(7)，187.2(98)，105.0(100)，77.0(79)。與文獻(xiàn)［3］相符。

元素分析數(shù)據(jù)(C21H22O2，306.40):C為82.30(計(jì)算值為81.98);H為7.25(計(jì)算值為7.22)。

6 推薦的實(shí)驗(yàn)方案

將0.3g環(huán)己酮(3mmol)與0.52g查爾酮(2.5mmol)置于研缽中混合，加入0.06g NaOH (1.5mmol)，在室溫下研磨3min，得黃色固體，然后用水充分洗滌，抽濾，干燥。將固體粗產(chǎn)物用95%乙醇重結(jié)晶得產(chǎn)物。干燥后進(jìn)行熔點(diǎn)、IR、1H NMR、元素分析測定。

7 思考題

①本實(shí)驗(yàn)中可能存在哪些副反應(yīng)?寫出其化學(xué)反應(yīng)式。

②簡述研磨促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的基本原理。

［1］ 王蘇惠，王香善，史達(dá)清，等.有機(jī)化學(xué)，2003，23(10):1146

［2］ Qian Y，Xiao S，Liu L，et al.Tetrahedron:Asymmetry，2008，19:1515

［3］ Ceylan M，Gezegen H.Turk JChem，2008，32:55

［4］ 耿麗君，李記太，王書香.有機(jī)化學(xué)，2005，25(5):608

［5］ Ren Z，CaoW，TongW.Synth Commun，2002，32:3475

［6］ 榮良策，李小躍，王海營，等.有機(jī)化學(xué)，2007，27(10):1292

［7］ 郭書好.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).第2版.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2006

* 通訊聯(lián)系人，E－mail:dz.liao@163.com