苯甲醛Cannizzaro反應(yīng)的探討與改進(jìn)

王輝陸洋寧朱興飛李妙葵高翔

(1復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系 上海200433;2復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)院 上海200433)

苯甲醛Cannizzaro反應(yīng)的探討與改進(jìn)

王輝1陸洋寧2朱興飛1李妙葵1高翔1

(1復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系 上海200433;2復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)院 上海200433)

由苯甲醛Cannizzaro反應(yīng)合成苯甲酸和苯甲醇實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)物苯甲醇在MgSO4和NaHSO3的共同催化作用下發(fā)生分子間脫水并高效生成二芐醚。對于苯甲醛Cannizzaro實(shí)驗(yàn)的操作步驟提出了改進(jìn)方法以提高苯甲醇的分離收率。

無α－氫的醛(如芳香醛、甲醛等)在濃堿(氫氧化鈉或氫氧化鉀)的作用下發(fā)生歧化反應(yīng)，一個分子的醛基氫以氫負(fù)離子的形式轉(zhuǎn)移給另一個分子。反應(yīng)的結(jié)果是一分子醛發(fā)生氧化反應(yīng)生成相應(yīng)的羧酸鹽，另一分子醛發(fā)生還原反應(yīng)生成相應(yīng)的醇。該反應(yīng)又稱為Cannizzaro反應(yīng)。我們在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以苯甲醛為起始原料，在濃氫氧化鈉溶液作用下合成苯甲酸和苯甲醇。

合成苯甲醇的實(shí)驗(yàn)操作過程如下(苯甲酸的后處理過程略):

在150mL錐形瓶內(nèi)稱取10g氫氧化鈉(0.25mol)，加入10mL水，振搖溶解并冷卻至室溫。邊搖動錐形瓶邊加入新蒸餾的苯甲醛(10.6g，0.1mol)。加畢，用橡皮塞塞緊瓶口并充分振搖(注意避免溶液接觸橡皮塞)后室溫放置過夜。次日，以適量的水溶解錐形瓶中的固體，全部溶解后將液體倒入分液漏斗中。用乙醚(25mL×3)萃取有機(jī)相，合并醚層，并依次用10mL飽和亞硫酸氫鈉溶液，20mL飽和碳酸氫鈉溶液和10mL水各洗滌一次。醚層以適量的無水硫酸鎂室溫干燥0.5h以上。過濾除去干燥劑，水浴(無明火)蒸去乙醚并回收。然后用煤氣燈加熱升溫至140℃，停止加熱，將直形冷凝管換成空氣冷凝管，繼續(xù)加熱并收集202～206℃的餾分。

按照上述實(shí)驗(yàn)步驟處理含有苯甲醇－乙醚的有機(jī)相。在此過程中，教師發(fā)現(xiàn)了一個特殊的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:大部分學(xué)生通過常壓蒸餾的方法得到苯甲醇無色液體(沸程為202～206℃);但是個別學(xué)生得到的是微黃色油狀液體。由于油狀液體的沸點(diǎn)很高，無法通過常壓蒸餾的方法將其純化而殘留在蒸餾瓶中。

關(guān)于高沸點(diǎn)微黃色的油狀液體究竟是什么以及為什么沒有得到苯甲醇這兩個問題，我們指導(dǎo)有興趣的學(xué)生對此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了深層次的探討和研究。

首先，需要確定微黃色高沸點(diǎn)油狀液體的化學(xué)成分。對于解析有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)，核磁共振氫譜(1H NMR)是最直接和最有效的方法之一。

對圖1進(jìn)行分析，可以判斷:微黃色高沸點(diǎn)油狀液體是純度高達(dá)90%以上的二芐醚(PhCH2OCH2Ph)，其亞甲基的化學(xué)位移為4.56(4H)，比苯甲醇的亞甲基向高場移動了0.1;而二芐醚苯環(huán)上氫的化學(xué)位移為7.29～7.37(10H)。這些數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)報道的二芐醚核磁共振氫譜數(shù)據(jù)完全一致。

通過質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)油狀液體分子的分子離子峰是198，可以進(jìn)一步確定上述油狀液體分子為二芐醚。

圖1 微黃色高沸點(diǎn)油狀液體的原位核磁1H NMR(CDCl3溶劑)

那么在該實(shí)驗(yàn)條件下，二芐醚是如何形成的?苯甲醇和二芐醚之間是如何轉(zhuǎn)化的?

在合成苯甲醇和苯甲酸的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員不僅觀察到二芐醚的高效生成，而且亦成功地得到了苯甲酸的白色片狀固體。據(jù)此推斷:苯甲醛在濃的氫氧化鈉溶液中發(fā)生的歧化反應(yīng)是順利進(jìn)行的。換言之，通過苯甲醛的Cannizzaro反應(yīng)已經(jīng)得到苯甲醇和苯甲酸的鈉鹽。值得注意的是，在常壓蒸餾苯甲醇－乙醚溶液之前，苯甲醇是穩(wěn)定存在的。我們通過薄層色譜(TLC)分析手段驗(yàn)證了這一事實(shí)。然而，在加熱蒸餾苯甲醇－乙醚溶液過程中，伴隨著二芐醚的生成，苯甲醇逐漸減少直至最后完全消失。由此我們認(rèn)為:苯甲醛首先發(fā)生歧化反應(yīng)生成苯甲醇和苯甲酸的鈉鹽，但在常壓蒸餾苯甲醇－乙醚溶液的過程中，由于某些物質(zhì)的存在，導(dǎo)致苯甲醇快速發(fā)生分子間脫水，轉(zhuǎn)化成二芐醚。

學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)記錄，發(fā)現(xiàn)在蒸餾苯甲醇之前，由于過濾操作不嚴(yán)格，使得濾液中含有少量肉眼觀察得到的硫酸鎂懸浮固體?；谶@一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察，我們探討了不同催化劑/添加劑對苯甲醇發(fā)生分子間脫水成醚反應(yīng)的影響。表1為該系列反應(yīng)的結(jié)果。值得提出的是，設(shè)計實(shí)驗(yàn)中的添加劑均為該合成實(shí)驗(yàn)中涉及到的試劑藥品。

表1 添加劑對苯甲醇分子間脫水成醚反應(yīng)的影響a

從表1結(jié)果可以看到，在1%無水硫酸鎂和弱酸性的NaHSO3(10μL)飽和溶液的催化作用下，苯甲醇發(fā)生快速分子間脫水反應(yīng)，以88%的收率生成二芐醚。該結(jié)果與學(xué)生在上述實(shí)驗(yàn)中所得到二芐醚的收率基本一致(反應(yīng)1)。保持其他反應(yīng)條件一致，以弱堿性的NaHCO3飽和溶液代替飽和NaHSO3溶液，苯甲醇則未發(fā)生脫水成醚反應(yīng)(反應(yīng)5)。無論反應(yīng)體系是否有硫酸鎂，苯甲醛對苯甲醇的脫水成醚反應(yīng)均無促進(jìn)作用(反應(yīng)3和4)。值得注意的是，在加熱回流苯甲醇過程中，飽和NaHSO3溶液或無水MgSO4都可以在一定程度上催化苯甲醇脫水成醚反應(yīng)。但是二者的催化效率都很低，二芐醚的收率不超過15%(反應(yīng)2和5)，該結(jié)果遠(yuǎn)低于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中所得到的二芐醚的收率(＞90%)。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為:在常壓蒸餾苯甲醇過程中，在NaHSO3和無水MgSO4的共同催化作用下，苯甲醇發(fā)生分子間脫水反應(yīng)，生成相應(yīng)的二芐醚。在此過程中，硫酸鎂的作用可能為加速芐基碳正離子的生成。

那么，在苯甲醇－乙醚有機(jī)相干燥操作步驟中，能否用其他干燥劑來代替無水MgSO4，從而避免二芐醚的生成并提高苯甲醇的分離收率呢?

除無水MgSO4外，實(shí)驗(yàn)室中常用于醇的干燥劑為無水Na2SO4，K2CO3和Na2CO3。我們探討了在微量NaHSO3(10μL)飽和溶液的存在條件下，上述干燥劑對苯甲醇分子間脫水成醚反應(yīng)的影響。表2為該系列反應(yīng)的結(jié)果。在弱酸性條件下，無水Na2SO4對苯甲醇的分子間脫水反應(yīng)無催化促進(jìn)作用(反應(yīng)2)。但是，無水Na2CO3和K2CO3卻可以不同程度地促進(jìn)苯甲醇脫水成醚，二芐醚的收率分別為2%和30%(反應(yīng)3和4)。

表2 不同干燥劑對苯甲醇脫水成醚反應(yīng)的影響a

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論，我們對苯甲醛Cannizzaro反應(yīng)中產(chǎn)物苯甲醇的后處理操作步驟，提出以下幾點(diǎn)改進(jìn):

為完全除去NaHSO3，以確保苯甲醇－乙醚溶液為中性或弱堿性，建議用飽和NaHCO3溶液洗滌苯甲醇－乙醚有機(jī)相的次數(shù)為2～3次。實(shí)驗(yàn)人員在操作中，可以用pH試紙檢驗(yàn)洗滌后水相的酸堿性。其次，建議以無水Na2SO4代替無水MgSO4干燥苯甲醇－乙醚有機(jī)相。這樣即使濾液中含有微量干燥劑，苯甲醇在弱酸性條件下也不會發(fā)生分子間脫水反應(yīng)生成二芐醚。此外，由于在較低的溫度下，苯甲醇較難發(fā)生分子間脫水成醚反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)人員可以通過減壓蒸餾提純苯甲醇。

［1］ 李妙葵，賈瑜，高翔，等.大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2006

［2］ Matsubara K，Iura T，Maki T，et al.JOrg Chem，2002，67:4985

［3］ Shintou T，Mukaiyama T.JAm Chem Soc，2004，126:7359

［4］ Kim S，Chung K N，Yang S.JOrg Chem，1987，52:3917

［5］ 邢其毅，徐瑞秋，周政，等.基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)(上冊).第2版.北京:高等教育出版社，1993