改進(jìn)的1-聯(lián)-2-萘酚的合成與拆分有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)

莊俊鵬

(北京化工大學(xué)理學(xué)院有機(jī)化學(xué)系 北京100029)

手性是有機(jī)化學(xué)的重要概念，但在本科高等化學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入手性的實(shí)驗(yàn)并不是很多，其中一個比較合適的實(shí)驗(yàn)是1-聯(lián)-2-萘酚的合成與拆分。

1，1'-聯(lián)-2-萘酚的合成與拆分已有多種方法［1-3］。其中報(bào)道拆分效率最好的是N-芐基氯化辛可寧。

雖然N-芐基氯化辛可寧可以實(shí)現(xiàn)接近100%的拆分效果，但需要先進(jìn)行辛可寧和氯化芐反應(yīng)制備后，再用于拆分;而原料辛可寧價(jià)格昂貴，不易獲得。另外，N-芐基氯化辛可寧的相對分子質(zhì)量大，實(shí)驗(yàn)中拆分劑用量較大?？紤]到這些因素，N-芐基氯化辛可寧實(shí)際上并不太適用于大量學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)。

我們希望選擇一種廉價(jià)易得的拆分劑，改進(jìn)1，1'-聯(lián)-2-萘酚的合成與拆分，以利于在教學(xué)中將其作為常規(guī)實(shí)驗(yàn)開展。我們就此問題進(jìn)行了檢索，參照文獻(xiàn)［4］進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)，以L-脯氨酸和N，N-四甲基乙二胺為拆分劑，在甲醇中長時(shí)間回流，發(fā)現(xiàn)沒有晶體生成或晶體生成很慢，拆分效果不理想。而文獻(xiàn)中報(bào)道的以光學(xué)純的1-苯基-2-丙胺作為拆分劑也因?yàn)閮r(jià)格的問題不宜采用［5］。

最終參照文獻(xiàn)［6］，僅采用L-脯氨酸作為拆分劑，在CH2Cl2中回流反應(yīng)1.5小時(shí)，再經(jīng)過后處理，可分別得到S-和R-對映體過量的1，1'-聯(lián)-2-萘酚，反應(yīng)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性很好。迄今已在北京化工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系連續(xù)3屆開設(shè)本實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過3屆學(xué)生的探索，我們規(guī)范了每一步的操作，使該實(shí)驗(yàn)成為一項(xiàng)較完善的常規(guī)本科高級有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)(圖1)。

圖1 1-聯(lián)-2-萘酚的合成及拆分示意圖

實(shí)驗(yàn)共分成4個單元，每個單元可在4～5學(xué)時(shí)內(nèi)完成。

1 外消旋1-聯(lián)-2-萘酚的合成

在裝有機(jī)械攪拌、溫度計(jì)和回流冷凝管的500mL三口圓底燒瓶中，加入100mL水，再加入經(jīng)過研磨并過160目標(biāo)準(zhǔn)篩(原料粒徑小于0.16mm)的14.4gβ-萘酚(0.10mol)，升溫至70℃。加入150mL溶有29.7g FeCl3·6H2O(0.11mol)的水溶液。隨著反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)液由黃褐色懸濁液變?yōu)闇\黃綠色懸濁液。

用薄層色譜監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)行的程度。吸取約0.5mL反應(yīng)懸濁液，加入到1.5mL塑料離心管中，滴加10滴乙酸乙酯，充分振蕩，懸濁液變清。取上層有機(jī)相用薄層色譜監(jiān)測，用V(石油醚):V(乙酸乙酯)=2:1展開劑展開。在薄層板上Rf值=0.7的位置附近出現(xiàn)兩個點(diǎn)，前一個點(diǎn)是原料β-萘酚，后一個點(diǎn)是產(chǎn)物。產(chǎn)物點(diǎn)有微弱的藍(lán)色熒光。約1.5～2小時(shí)，原料可以完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，停止反應(yīng)，抽濾，濾餅壓緊后充分水洗，晾干后產(chǎn)品質(zhì)量大于13.5g，粗收率＞95%。

我們對反應(yīng)過程進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn)。①對β-萘酚過篩處理。由于原料β-萘酚和產(chǎn)物1，1'-聯(lián)-2-萘酚不溶于水，反應(yīng)為非均相反應(yīng)，即原料的顆粒越小，反應(yīng)速率越快。由于過篩處理后的β-萘酚粒徑均一，可使反應(yīng)終點(diǎn)同時(shí)到達(dá)。②采用薄層色譜監(jiān)測反應(yīng)的進(jìn)行。文獻(xiàn)中為1小時(shí)后停止反應(yīng)，并不進(jìn)行薄層色譜的監(jiān)測［3］。我們對此進(jìn)行過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)在1小時(shí)內(nèi)無法完全轉(zhuǎn)化。采用薄層色譜是監(jiān)測該反應(yīng)的直觀有效方式。

2 1，1'-聯(lián)-2-萘酚的重結(jié)晶

利用上述方法合成的1，1'-聯(lián)-2-萘酚為淺黃色或淺灰色粉末狀產(chǎn)品，可以通過重結(jié)晶進(jìn)一步提高純度，并改善產(chǎn)品的外觀，得到無色晶體狀產(chǎn)品。

我們設(shè)計(jì)了一個上下都帶磨口的特殊的錐型漏斗，上口為29#或34#的較大磨口，下口為19#或24#的較小磨口。使用時(shí)，將折好的合適大小的花形濾紙從上磨口塞到漏斗中，通過非常簡便的方法實(shí)現(xiàn)了重結(jié)晶過程的快速熱過濾，裝置如圖2所示。

將約13.5g粗品1，1'-聯(lián)-2-萘酚加入到250mL錐形瓶中，加入約140mL甲苯及3粒沸石，安裝熱過濾漏斗，緩慢加熱沸騰(圖2(b))。這時(shí)，錐形瓶中的甲苯蒸氣上升，蒸氣將花形濾紙包裹，并將熱過濾漏斗加熱。待1，1'-聯(lián)-2-萘酚完全溶解后，降溫，用三角漏斗向錐形瓶中加入1g粉末狀活性炭和幾粒沸石，再次加熱回流10min。將熱過濾漏斗取下，安裝到一個新的錐型瓶上，將已回流脫色的1，1'-聯(lián)-2-萘酚的甲苯溶液通過三角漏斗加入到花形濾紙中進(jìn)行熱過濾(圖2(c))。由于熱過濾漏斗已被充分加熱，在熱過濾過程中，產(chǎn)品不會析出。通過熱過濾得到淺褐色溶液。

所得的甲苯溶液在降溫過程中很快在瓶底析出無色片狀晶體，靜置1小時(shí)左右，結(jié)晶過程基本完成;也可以放在冰箱中冷凍，使結(jié)晶更完全。抽濾，壓緊濾餅，用少量甲苯洗滌，盡量抽干后晾干或烘干濾餅，得到無色晶體約12g。母液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去大部分甲苯后，又析出部分晶體，處理后得到約0.8g淺黃褐色晶體。

圖2 改進(jìn)的重結(jié)晶裝置和重結(jié)晶過程

這種重結(jié)晶的方法適合于結(jié)晶過程中析出非?？斓奈镔|(zhì)。一些很難用普通熱過濾完成的操作，用這種方法可以順利完成。對于在熱過濾中特別容易析出的晶體，可以在回流條件下進(jìn)行熱過濾，效果更好。

3 外消旋1，1'-聯(lián)-2-萘酚的拆分

我們按照Periasamy的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［6］，取得了良好的效果，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

將外消旋1，1'-聯(lián)-2-萘酚和分析純L-脯氨酸分別研磨并過160目標(biāo)準(zhǔn)篩備用。在250mL圓底瓶中加入 7.15g 外消旋 1，1'-聯(lián)-2-萘酚(25mmol)、2.88g L-脯氨酸(25mmol)和 100mL CH2Cl2。兩種原料均難溶于CH2Cl2，反應(yīng)體系是懸濁液，機(jī)械攪拌或磁力攪拌加熱回流。經(jīng)15min左右，體系開始變成乳白色懸濁液;繼續(xù)加熱回流1.5h，停止反應(yīng)。抽濾得到濾液和濾餅，將濾液旋干，得到固體剩余物。

將濾餅用80mL乙酸乙酯和50mL 1mol·L-1的鹽酸混合液進(jìn)行處理，得到澄清透明的分層溶液;用250mL分液漏斗分出水層，再用50mL 1mol·L-1的鹽酸溶液洗滌乙酸乙酯層兩次。L-脯氨酸由于易溶于酸性水溶液而被除去。用無水硫酸鈉干燥分出的乙酸乙酯層，旋干，產(chǎn)品晾干后得到S-對映體過量的1，1'-聯(lián)-2-萘酚3.0～3.5g。按照和濾餅相同的處理方法，對固體剩余物進(jìn)行處理，得到3.0～3.5g R對映體過量的 1，1'-聯(lián)-2-萘酚。

L-脯氨酸是一種常用的光學(xué)純物質(zhì)。在溶劑中，S-1，1'-聯(lián)-2-萘酚容易和L-脯氨酸形成共結(jié)晶沉淀，而R-1，1'-聯(lián)-2-萘酚不容易和L-脯氨酸共結(jié)晶，而留在母液中。正是通過這種共結(jié)晶動力學(xué)性質(zhì)上的差異，實(shí)現(xiàn)了對于外消旋聯(lián)-2-萘酚的拆分。

我們對本實(shí)驗(yàn)做了以下的探索和改進(jìn)。Periasamy的文獻(xiàn)中報(bào)道了使用甲醇、二氯甲烷、三氯甲烷、乙腈等多種有機(jī)溶劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［6］。考慮到聯(lián)-2-萘酚在甲醇中的溶解度很好，不易析出結(jié)晶，而且甲醇毒性較大，故本實(shí)驗(yàn)不采用甲醇為溶劑;文獻(xiàn)中使用的三氯甲烷和乙腈需要長時(shí)間回流，才能得到較好的結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)也未采用;最終選用二氯甲烷作為溶劑。由于外消旋的聯(lián)-2-萘酚和L-脯氨酸在二氯甲烷中的溶解度都比較差，我們同樣對原料過160目標(biāo)準(zhǔn)篩，以加快反應(yīng)速率。文獻(xiàn)方法需要回流3h，而我們的實(shí)驗(yàn)方法只需進(jìn)行1.5h回流，即可得到很好的拆分結(jié)果。

4 旋光度的測定

通過測定所拆分的1，1'-聯(lián)-2-萘酚產(chǎn)品的旋光度，可以計(jì)算產(chǎn)品的比旋光度，通過與文獻(xiàn)值的比較，可以計(jì)算出產(chǎn)品的光學(xué)純度。

本科實(shí)驗(yàn)中較少使用旋光儀。在本實(shí)驗(yàn)中，我們增加了使用旋光儀的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。先用L-脯氨酸(以水為溶劑，和蔗糖(以水為溶劑，)作為光學(xué)純的物質(zhì)來熟悉旋光度的測定。配制不同濃度的L-脯氨酸和蔗糖的溶液，測定其旋光度，并按式(1)計(jì)算其比旋光度在測定過程中，向?qū)W生介紹旋光度在一定條件下與溶液的濃度及旋光管的長度近似成正比，并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

光學(xué)純的 R-和 S-1，1'-聯(lián)-2-萘酚的比旋光度(THF)為+34.5°和-34.5°［6］。分別稱取 2.000g 制備的對映體過量的R-和S-1，1'-聯(lián)-2-萘酚以及外消旋的樣品，用容量瓶配成25.00mL溶液，測定其旋光度α，通過式(1)計(jì)算比旋光度;然后按式(2)計(jì)算樣品的光學(xué)純度。

相比于手性高效液相色譜法，用比旋光度的方法測定樣品的光學(xué)純度存在較大偏差。但是這種方法簡單易用，對于證明拆分效果已經(jīng)足夠了。一般情況下，經(jīng)過一次拆分，樣品的光學(xué)純度可以達(dá)到40%～60%。我們也嘗試了進(jìn)行第二次拆分，所得的S-對映體過量樣品的光學(xué)純度可達(dá)到80%甚至90%以上。

5 結(jié)論

本文介紹了一個改進(jìn)的1，1'-聯(lián)-2-萘酚的合成與拆分的實(shí)驗(yàn)，用L-脯氨酸替代N-芐基氯化辛可寧作為拆分劑，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，重現(xiàn)性很好。本實(shí)驗(yàn)?zāi)芫C合訓(xùn)練學(xué)生的薄層色譜監(jiān)測、重結(jié)晶、萃取、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的使用、溶液的配制和旋光儀的使用等多種操作技能，是一個適合在本科高年級開設(shè)的高等有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)。

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