輔酶催化安息香縮合反應(yīng)的實驗探討

李中華 白亦窮

(華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 湖北武漢430079)

芳香醛在乙醇-水溶液中發(fā)生雙分子縮合，生成1,2-二苯基羥乙酮即安息香(benzoin)的反應(yīng)稱為安息香縮合反應(yīng)。安息香縮合在化學(xué)工業(yè)和藥物合成等方面有廣泛的應(yīng)用[1]，如抗癲癇藥物二苯基乙內(nèi)酰脲以及二苯基乙二酮、二苯基乙二酮肟、乙酸安息香等制備都用到此反應(yīng)。我院開設(shè)的中級有機化學(xué)實驗，以苯甲醛為原料，經(jīng)安息香縮合、氧化和重排多步反應(yīng)制備二苯羥乙酸，其中安息香縮合是關(guān)鍵步驟。以前使用劇毒的氰化物為催化劑極為不便[2]，近年改用輔酶(維生素B1)作催化劑[3-4],價廉易得，操作安全，效果良好，但實驗中產(chǎn)率較低或有時得不到產(chǎn)品，影響后續(xù)實驗的進行。我們經(jīng)過多次試驗探討，在實驗中采用四丁基溴化銨作為相轉(zhuǎn)移催化劑，通過控制反應(yīng)體系的pH和反應(yīng)溫度，安息香產(chǎn)率在70%以上，實驗成功率亦大大提高。安息香縮合反應(yīng)式為：

1 試劑與儀器

苯甲醛(CP)、維生素B1(CP)、四丁基溴化銨(AR)和NaOH(AR)均為國藥集團化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；95%乙醇(AR)，天津市東麗天大化學(xué)試劑廠；XT4A型顯微熔點測定儀，上海荊和分析儀器有限公司，溫度未校正。

2 實驗步驟

在100mL圓底燒瓶中加入1.7g(5mmol)維生素B1、0.2g四丁基溴化銨和4mL水，溶解后加入15mL 95%乙醇。將燒瓶置于冰水浴中冷卻，同時取3mL 10% NaOH溶液于一試管中，也置于冰浴冷卻，在冰浴中將NaOH液在5min內(nèi)邊搖動邊逐滴加入反應(yīng)燒瓶，然后加入10.6g(100mmol)新蒸苯甲醛，裝上回流冷疑管于70～80℃水浴上加熱90min，保持反應(yīng)液pH=8～9，反應(yīng)液呈橘黃色，經(jīng)冷卻后析出白色晶體，抽濾，用2×25mL冷水洗滌，干燥得產(chǎn)品7.6g(72%)，熔點：132～134℃，用95%乙醇重結(jié)晶得白色針狀結(jié)晶，熔點：134～136℃。

3 結(jié)果討論

(1) 安息香縮合原指以氰化鈉(鉀)為催化劑的碳負離子對羰基的親核加成反應(yīng)，其反應(yīng)機理見圖1。

我們知道酶可以使有些反應(yīng)更加巧妙、更加有效并且在更溫和的條件下進行。維生素B1是一種輔酶，又稱硫胺素或噻胺(thiamine)，它常作為生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑，在生命過程中起重要作用，主要對α-酮酸脫羧和形成偶姻(α-羥基酮)等3種酶促反應(yīng)發(fā)揮輔酶的作用。其結(jié)構(gòu)見圖2。

輔酶分子中噻唑環(huán)C2上的質(zhì)子由于受氮和硫原子影響，具有酸性，在堿的作用下容易脫除質(zhì)子，產(chǎn)生的碳負離子與芳醛的羰基加成，最終形成苯偶姻產(chǎn)物，反應(yīng)機理見圖3。

圖1 氰離子催化安息香縮合反應(yīng)機理

圖2 輔酶的結(jié)構(gòu)式

圖3 輔酶催化安息香縮合反應(yīng)機理

(2) 輔酶催化安息香縮合反應(yīng)對pH的要求很高，否則產(chǎn)率較低甚至難得到產(chǎn)品。該反應(yīng)在堿性條件下進行，pH在8～9為宜。由于維生素B1通常為鹽酸鹽，如果pH較低，不能形成碳負離子，則無法進行反應(yīng)。隨著反應(yīng)進行，會導(dǎo)致pH發(fā)生變化，所以反應(yīng)進行一段時間后應(yīng)檢查和調(diào)節(jié)pH，若pH過低需要適當(dāng)補加堿液，但如果pH過高(大于10)，維生素B1中噻唑環(huán)容易被破壞，或發(fā)生苯甲醛歧化等副反應(yīng)，將難得到所需產(chǎn)品。

相轉(zhuǎn)移催化劑通常可以大大加快油水兩相反應(yīng)的速度。本實驗在水相產(chǎn)生的碳負離子容易水解，難以起到催化作用，加入相轉(zhuǎn)移催化劑可將碳負離子從水相迅速轉(zhuǎn)移至有機相苯甲醛中，避免與水的作用，從而促進縮合反應(yīng)進行。安息香縮合是一個經(jīng)典的有機化學(xué)反應(yīng)，我們在苯甲醛、維生素B1和NaOH用量不變，反應(yīng)溫度為70～80℃條件下，考察了相轉(zhuǎn)移催化劑對反應(yīng)的影響(表1)。結(jié)果表明，四丁基溴化銨用量對反應(yīng)產(chǎn)率有很大影響，不用時反應(yīng)產(chǎn)率比較低，加入少量則反應(yīng)速度和產(chǎn)率均有顯著提高，其用量為0.2g時反應(yīng)效果比較好。

表1 四丁基溴化銨(TBAB)對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

反應(yīng)溫度對實驗也有影響，但沒有pH的影響明顯。實驗中采取分段升溫法有利于提高反應(yīng)效率。首先將維生素B1和NaOH溶液在冰浴中冷卻，加入苯甲醛之后，反應(yīng)初期控制溫度70～75℃，約1h后再提高至80℃反應(yīng)30min。

(3) 產(chǎn)品為白色針狀晶體，經(jīng)測定其熔點為134～136℃，與文獻值[5]吻合。實驗中有時可能會出現(xiàn)白色油狀物，即尚未結(jié)晶的安息香產(chǎn)品，放置一段時間后可形成結(jié)晶；若pH低于8，加入少量堿有利于晶體析出。

4 結(jié)論

在輔酶催化安息香縮合反應(yīng)中，四丁基溴化銨作為相轉(zhuǎn)移催化劑，可以有效地提高反應(yīng)速度和產(chǎn)率。實驗表明，當(dāng)苯甲醛和維生素B1用量為100mmol和5mmol時，四丁基溴化銨用量為0.2g，控制反應(yīng)體系的pH為8～9，反應(yīng)溫度70～80℃，安息香產(chǎn)率可達70%以上。

[1] 王汝龍,原正平.藥物.第4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005

[2] Walter I,Buck J.OrganicReaction,1948,4:269

[3] 張功成,沈永雯,李小龍.大學(xué)化學(xué),2001,16(3):49

[4] 張國升,程俊,孫玉亮,等.安徽中醫(yī)學(xué)院學(xué)報,2003,22(6):46

[5] 曾昭瓊.有機化學(xué)實驗.第3版.北京:高等教育出版社,1999