綠色合成1-苯基-3-丁烯-1-醇實驗的微型化研究

蔣達洪,黃嘉明,劉雅倩,向 淇

(廣東石油化工學院 化學與生命科學學院，廣東 茂名 525000)

1 綠色化、微型化實驗思想概述

在基礎有機化學實驗教學中培養(yǎng)學生環(huán)保意識的重要性對于塑造未來合格的化學化工類人才是不言而喻的[1]。微型實驗將常量實驗的藥品使用量降低90%以上，能夠有效地減少廢棄有機污染物的排放[2]。此外，微型實驗所占空間小、省時、安全，能夠有效提高課堂教學效率，避免實驗事故發(fā)生，特別是當使用有毒或價格昂貴的試劑時，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。微型實驗還由于產(chǎn)品量少，需要在分離、提純、轉移等過程中嚴格操作，避免產(chǎn)品損失，從而有利于培養(yǎng)學生一絲不茍、專注認真的科研態(tài)度。因此，實驗教學研究者對許多基礎有機化學實驗進行了微型化設計[3-6]。傳統(tǒng)有機反應對環(huán)境的污染在很大程度上來源于有機溶劑，以水代替有機溶劑可從源頭上減少對環(huán)境的污染，因而水相介質(zhì)的反應逐漸成為綠色有機化學的重要研究方向[7]。

Barbier-Grignard反應是最常用的形成C—C鍵的方法之一，不僅在有機合成中具有廣泛用途，而且對于學生理解醛酮的性質(zhì)、親核加成反應機理都具有重要作用[8]。傳統(tǒng)的Barbier-Grignard反應一般需要醚類作溶劑，并需要無水無氧操作，使其在基礎有機化學實驗教學中的應用受到限制。水相Barbier-Grignard反應具有很多優(yōu)勢，近年來受到重視，相關研究報道很多[9-11]。由于其不需要無水無氧操作、使用的溶劑綠色環(huán)保，非常適合設計成為基礎有機化學實驗教學內(nèi)容[12]。1-苯基-3-丁烯-1-醇可由苯甲醛與3-溴丙烯在金屬鋅促進下發(fā)生Barbier-Grignard反應制備，反應時間較短，產(chǎn)率較高，常被設計為學生實驗[13]。然而由于3-溴丙烯價格昂貴且具有一定刺激性，常量反應不宜在基礎有機實驗教學中開展。我們根據(jù)綠色化、微型化實驗思想對該反應進行了設計，大幅度減少了試劑用量，優(yōu)化了實驗裝置，并采用薄層色譜法進行提純，保證了高產(chǎn)率，在實驗教學中收到了良好的效果。

2 實驗

2.1 實驗原理

在微酸性條件下，金屬鋅很容易與3-溴丙烯發(fā)生氧化加成而生成烯丙基鋅，后者與苯甲醛發(fā)生親核加成得到1-苯基-3-丁烯-1-醇鋅，然后在酸性條件下轉變?yōu)?-苯基-3-丁烯-1-醇，反應式見圖1。

圖1 Barbier-Grignard反應制備1-苯基-3-丁烯-1-醇

2.2 實驗儀器與試劑

儀器：燒杯，移液管，砂芯抽濾漏斗，大試管，磁力攪拌子，橡皮塞，分液漏斗，薄層色譜展開槽(20 cm×20 cm)，膠頭滴管，真空干燥器，紫外燈，旋轉蒸發(fā)儀。

試劑：鋅粉，鹽酸，蒸餾水，四氫呋喃，苯甲醛，3-溴丙烯，氯化銨，乙酸乙酯，石油醚，無水硫酸鈉，飽和食鹽水，硅膠板(20 cm×20 cm)。

2.3 實驗步驟：

鋅粉的活化：取2 g鋅粉，加入20 mL、1%的鹽酸，攪拌5 min，抽濾，依次用蒸餾水(10 mL/次，3次)、丙酮(10 mL/次，3次)洗滌，在真空干燥中常溫干燥30 min，放入干燥器中備用。

在配有磁力攪拌子的大試管中用移液管依次加入0.20 mL的苯甲醛(2 mmol)、4 mL飽和氯化銨溶液、0.8 mL四氫呋喃、0.26 mL 3-溴丙烯(3 mmol)、0.20 g已活化的鋅粉(3 mmol)，加完后在試管口套上橡皮塞封口；然后于室溫下攪拌反應，薄層色譜跟蹤(洗脫劑：石油醚與乙酸乙酯體積比為5∶1，紫外燈下觀察)至反應完全(約1 h);反應結束后，加入5 mL、3%的鹽酸淬滅反應，用乙酸乙酯(5 mL/次，3次)萃?。缓喜⒂袡C相并用飽和氯化鈉溶液洗滌1次后用無水硫酸鈉干燥，濾除干燥劑，在旋轉蒸發(fā)儀上蒸除溶劑得油狀粗產(chǎn)品；少量乙酸乙酯溶解粗產(chǎn)品，用管口塞有棉花的膠頭滴管吸取該溶液，全部涂點在20 cm×20 cm的硅膠板上，晾干；硅膠板放置于在展開槽中，以石油醚與乙酸乙酯體積比為5∶1的洗脫劑進行展開；刮下吸附了產(chǎn)品的硅膠帶，在砂芯抽濾漏斗中用甲醇洗下產(chǎn)品，收集洗脫液，旋轉蒸發(fā)儀上完全蒸去洗脫液，得純品；干燥、稱量，計算產(chǎn)率。用阿貝折光儀測定產(chǎn)品折射率，測定產(chǎn)品紅外光譜并與標準圖譜比較。

3 實驗結果與討論

3.1 產(chǎn)品分析

所得產(chǎn)品為無色液體，稱得質(zhì)量為0.264 g，產(chǎn)率為89%。

將產(chǎn)品涂抹在制好的KBr壓片上，在紅外光譜儀上進行檢測，波數(shù)為3 365、3 069、2 918、1 644、1 495、1 450、1 051、991、912、754、700 cm-1.其中3 365 cm-1為羥基的O—H伸縮振動吸收，3 069 cm-1為SP2雜化碳的C—H伸縮振動吸收，2 918 cm-1為SP3雜化碳的C—H伸縮振動吸收，1 644 cm-1為C=C伸縮振動吸收，1 495 cm-1、1 450 cm-1為苯環(huán)骨架振動吸收，1 051 cm-1可能為醇的C—O伸縮振動吸收，991 cm-1、912 cm-1表明有單取代類型烯烴結構，754 cm-1、700 cm-1為苯環(huán)的SP2雜化碳C—H面外變形振動吸收。

引導學生分析所得產(chǎn)品的折射率、紅外光譜數(shù)據(jù)，并通過查閱文獻資料進行對比，確認所合成產(chǎn)品為1-苯基-3-丁烯-1-醇。

3.2 金屬促進劑的選擇與處理

水相Barbier-Grignard反應有很多方法報道，通過查閱文獻，我們選擇價廉易得的Zn粉作為金屬促進劑。在最初的實驗中直接使用未經(jīng)處理的鋅粉，結果未見有1-苯基-3-丁烯-1-醇生成?？赡苁且驗殇\粉表面覆蓋的氧化物阻止了反應進行。為了清除鋅粉表面的氧化物，對鋅粉預先用鹽酸進行洗滌活化，再用蒸餾水洗去鹽酸，最后用丙酮洗去蒸餾水以便于干燥。當使用新鮮活化的鋅粉時，反應按預期順利進行。在課堂教學中，對鋅粉的活化因為比較費時，可在課前由教師統(tǒng)一操作，放于干燥器中供學生取用。

3.3 反應容器的設計

常量實驗通常使用燒瓶作為反應容器，限于實驗室空間和攪拌器，一般2～3名學生為一個小組進行實驗。在微型實驗中，我們希望設計為1人一組，達到鍛煉每一名學生的目的。基于此，我們將反應容器改為大試管，這樣可以將4～6支試管用橡皮筋綁在一起放于一個攪拌器中進行反應，管口加以橡皮塞密封可以充分防止苯甲醛的氧化。

3.4 反應溶劑的設計與優(yōu)化

水是一種綠色溶劑，水相中的Barbier-Grignard反應已經(jīng)有很多報道。為了培養(yǎng)學生的環(huán)保意識，我們首先考慮以水為溶劑進行實驗設計，采用氯化銨的飽和水溶液為反應體系。然而，實驗過程中發(fā)現(xiàn)反應底物不溶于飽和氯化銨溶液，攪拌下形成乳濁液，需要5 h才能完全反應。為了縮短反應時間，我們分別嘗試了加入相轉移催化劑Bu4NBr和助溶劑四氫呋喃。薄層色譜監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，加入四氫呋喃(溶劑和助溶劑體積比為5∶1)效果最好，常溫下攪拌1 h即可反應完全。

3.5 提純方法的設計

常量實驗采用減壓蒸餾提純1-苯基-3-丁烯-1-醇，在微型實驗中由于試劑用量少，減壓蒸餾的提純方法會導致產(chǎn)品損失的相對量很大，甚至得不到產(chǎn)品。因此，必須設計低損耗的提純手段。制備薄層色譜提純法效率高、樣品損耗小，已經(jīng)在科研中廣泛使用。本實驗選取制備薄層色譜法進行提純，不僅解決了微型反應提純難的問題，也有利于使學生實驗更接近真實的科研實驗。

根據(jù)本實驗產(chǎn)物質(zhì)量，選擇了商品化的20 cm×20 cm硅膠GF254制備薄層色譜板，能夠達到提純要求。

3.6 微型實驗與常量實驗效果比較

我們將設計的微型化制備1-苯基-3-丁烯-1-醇實驗在基礎有機化學研究性實驗教學中進行了嘗試，對實驗效果進行了比較。具體做法是：在30名學生的實驗教學班中，一半學生采用常量實驗制備1-苯基-3-丁烯-1-醇，另一半學生采用本文設計的微型實驗。結果見表1。

表1 微型實驗與常量實驗的效果比較

采用常量實驗學生的產(chǎn)率普遍較低，說明在產(chǎn)品轉移、提純過程中損失較大，并不能反映實驗的真實產(chǎn)率。微型實驗由于采用柱色譜提純，在產(chǎn)品純度方面更具優(yōu)勢。薄層色譜監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，微型實驗的產(chǎn)品只顯示1個點，而常量實驗的產(chǎn)品除了主點之外，還顯示了2個次點。

4 結論

本文將制備1-苯基-3-丁烯-1-醇的Barbier-Grignard反應設計為微型化、水相介質(zhì)中進行的綠色合成實驗并應用于基礎有機化學實驗教學。采用大試管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燒瓶，一臺攪拌器可同時進行多個實驗，能有效節(jié)省實驗室空間，使更多學生得到訓練。運用制備薄層色譜進行產(chǎn)品純化，較常量實驗的減壓蒸餾提純法產(chǎn)率高、純度好，讓學生更接近科研實驗。本實驗作為微型實驗和綠色合成，有利于降低實驗室污染、培養(yǎng)學生環(huán)保意識。

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