β-二苯基乙二肟的選擇性合成*

石兆瑞，李國華，張文博(河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津　300130)

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β-二苯基乙二肟的選擇性合成*

石兆瑞，李國華，張文博
(河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130)

摘要:以苯偶酰(2)和鹽酸羥胺(3)為原料，經(jīng)親核加成制得α-二苯基乙二肟(α-1)和β-二苯基乙二肟(β-1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和IR確認(rèn)。在最佳反應(yīng)條件［2 10 mmol，n(2)∶n(3)=1∶5，甲苯為溶劑，三乙胺為縛酸劑，pH 8，3滴加時間4 h，于55℃反應(yīng)5.5 h］下，β-1收率為90.4%。

關(guān)鍵詞:苯偶酰;鹽酸羥胺;β-二苯基乙二肟;選擇性合成

二苯基乙二肟(1)作為弱酸性多齒金屬配體，是性能優(yōu)良的過渡金屬離子萃取劑，大規(guī)模應(yīng)用于濕法煉制、廢水處理、金屬離子含量測定等領(lǐng)域［1－3］。因肟基具有順反異構(gòu)，1存在α，β和γ三種立體異構(gòu)體(Chart 1)。其中α-和β-構(gòu)型可在苯偶酰與鹽酸羥胺反應(yīng)過程中同時生成，而γ-構(gòu)型易轉(zhuǎn)化為α-和β-構(gòu)型，在合成過程中難以得到［4］。目前，應(yīng)用較好的主要是α-1。但近年來研究發(fā)現(xiàn)，β-1具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，含能高，在火箭推進(jìn)劑、增塑劑、氧化劑和改性添加劑等領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Γ?－6］。

目前，在苯偶酰(2)與鹽酸羥胺(3)的反應(yīng)中，α-1的收率達(dá)90%以上［7－8］，但β-1的收率一般在25%～30%［9－11］，僅有一篇文獻(xiàn)［12］的收率達(dá)75%。β-1的低收率成為其工業(yè)應(yīng)用的瓶頸，但關(guān)于影響β-1收率的因素研究尚未見文獻(xiàn)報道。

本文以2和3為原料，經(jīng)親核加成制得α-1 和β-1(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和IR確認(rèn)。對選擇性合成條件進(jìn)行優(yōu)化;對α-1和β-1的穩(wěn)定性和生成過程進(jìn)行了分析。

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

RYT-1型熔點儀(溫度未校正); Bruker-400 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)); Nicolet 20 DXB IR型紅外光譜儀(KBr壓片)。

Scheme 1

.2(99%)，上海一基實業(yè)有限公司; 3，分析純，天津市化學(xué)試劑一廠;其余所用試劑均為分析純。

1.2 1的合成

在三口燒瓶中加入2 2.1 g(10 mmol)和甲苯30 mL，升溫攪拌使其溶解;于55℃滴加3 3.5 g(50 mmol)的三乙胺(24 mL)溶液(4 h)，滴畢，于55℃反應(yīng)至終點(TLC監(jiān)測)。反應(yīng)液冷卻至室溫，用6 mol·L－1鹽酸調(diào)至pH 8。減壓蒸出溶劑，殘余物用蒸餾水(3×20 mL)洗滌，真空干燥得混合物(α-1 +β-1)。加入乙酸乙酯30 mL，攪拌，過濾，濾餅干燥得白色針狀固體α-1，收率4.7%(由1H NMR測定，下同)。濾液減壓蒸出乙酸乙酯，殘余物干燥得白色粉末β-1，收率90.4%。

α-1:m.p.239℃～241℃(238℃～240℃［4］);1H NMR δ:11.54(s，2H)，7.37(m，10H); IR ν:3 277(O－H)，3 073～2 817，1 274～651(C－H)，1 888～1 492(芳環(huán)C－C)cm－1。

β-1:m.p.207℃～208℃(205℃～206℃［4］);1H NMR δ:11.49(s，2H)，7.51(m，4H)，7.37(m，6H); IR ν:3 495(O－H)，3 184～2 855，1 322～684(C－H)，1 957～1 494(芳環(huán)C－C)cm－1。

2　結(jié)果與討論

2.1表征

(1)1H NMR

從混合物的1H NMR譜圖(圖1)可知，β-1羥基上氫質(zhì)子的化學(xué)位移比α-1偏向高場。這是因為β-1的兩個肟羥基相互臨近，受范德華效應(yīng)［13］的影響，羥基氧原子的電子云相互排斥而偏向氫原子(圖2)使其屏蔽作用增強，氫質(zhì)子化學(xué)位移偏向高場。由于范德華效應(yīng)的存在，β-1分子內(nèi)存在著扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(圖2)，從而導(dǎo)致其構(gòu)型具有較高的能量，穩(wěn)定性差。受分子間氫鍵和構(gòu)型能量高低的共同影響，α-1的穩(wěn)定性高于β-1，這也是β-1收率較低的原因。

圖1　混合物(α-1 +β-1)的1H NMR譜圖*Figure 1　1H NMR spectra of mixture(α-1 +β-1)*以乙二醇為溶劑

圖2　β-1的空間結(jié)構(gòu)Figure 2　Space configuration of β-1

圖3　α-1和β-1的IR譜圖Figure 3　IR spectra of α-1 and β-1

(2)IR

α-1和β-1的IR譜圖見圖3。從圖3可見，β-1的O－H伸縮振動吸收峰出現(xiàn)在3 495 cm－1左右，峰型較窄，而α-1的O－H伸縮振動吸收峰出現(xiàn)在3 277 cm－1左右，峰型也較寬。這是由于α-1形成分子間氫鍵，使得羥基氧原子和氫原子的成鍵電子云密度降低，化學(xué)鍵力常數(shù)減小，O－H的吸收頻率偏向低波數(shù)，而且峰型展寬［14］，并與3 184 cm－1左右苯環(huán)C－H伸縮振動所引起的吸收峰發(fā)生重疊。受分子間氫鍵的作用，α-1的穩(wěn)定性低于β-1。

2.2合成β-1的反應(yīng)條件優(yōu)化

(1)反應(yīng)溫度

以乙二醇為溶劑，0.2 g·mL－1氫氧化鈉溶液(12 mL)為縛酸劑，反應(yīng)pH 8，其余反應(yīng)條件同1.2，考察反應(yīng)溫度對β-1收率的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可見，β-1的收率隨著溫度的升高先增加后減少。因此，在1的合成中，產(chǎn)物的穩(wěn)定性并不是構(gòu)型選擇性的唯一影響因素。在該反應(yīng)條件下，最佳反應(yīng)溫度是85℃(收率55%)。

圖4　反應(yīng)溫度對β-1收率的影響Figure 4　Effect of temperature on yield of β-1

圖5　中間過渡態(tài)形成分子內(nèi)氫鍵后形成的優(yōu)勢構(gòu)象Figure 5　Preferred conformation of transition statewith intra-molecule hydrogen bond

對α-1和β-1的生成過程進(jìn)行分析可知，2與3的反應(yīng)為親核加成反應(yīng)。3作為親核試劑進(jìn)攻2的羰基碳后形成中間過渡態(tài)，它可以發(fā)生單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而存在多種構(gòu)象。當(dāng)中間過渡態(tài)自身形成分子內(nèi)氫鍵時，形成的優(yōu)勢構(gòu)型(圖5)，脫水后形成β-1;當(dāng)極性溶劑分子存在時，受分子間氫鍵作用的影響，原優(yōu)勢構(gòu)象的形成受到抑制，脫水后形成α-1。因此，中間過渡態(tài)的存在形式是影響構(gòu)型選擇性的另一因素。

綜合產(chǎn)物穩(wěn)定性和中間過渡態(tài)的存在形式兩個因素對上述實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析。溫度較低時，大部分中間過渡態(tài)與極性溶劑乙二醇形成分子間氫鍵，β-1收率較低。隨著溫度的升高，分子間氫鍵受到破壞，而分子內(nèi)氫鍵受溫度的影響較小［15］，β-1收率有所升高。當(dāng)溫度高于85℃時，分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵均被破壞，產(chǎn)物穩(wěn)定性起主要作用，導(dǎo)致β-1的收率明顯下降。

以甲苯為溶劑，三乙胺(24 mL)為縛酸劑，反應(yīng)pH 8，其余反應(yīng)條件同1.2，考察反應(yīng)溫度對β-1收率的影響，結(jié)果見圖6。從圖6可見，β-1的收率隨著溫度升高而降低;溫度為55℃時收率為75.9%。采用非極性非質(zhì)子溶劑甲苯為反應(yīng)溶劑，分子間氫鍵作用被削弱，大部分中間過渡態(tài)形成分子內(nèi)氫鍵，導(dǎo)致β-1的收率較高。隨著溫度的升高，分子內(nèi)氫鍵被破壞，受穩(wěn)定性的影響，β-1的收率逐漸降低。該反應(yīng)條件下，最佳的反應(yīng)溫度為55℃(收率75.9%)。

由此可見，溶劑和縛酸劑對β-1的收率有較大影響。最佳溶劑為甲苯，三乙胺為縛酸劑。

圖6　反應(yīng)溫度對β-1收率的影響Figure 6　Effect of temperature on yield of β-1

(2)pH

反應(yīng)溫度55℃，其余反應(yīng)條件同2.2(1)，考察pH對β-1收率的影響，結(jié)果見圖7。從圖7可見，β-1的產(chǎn)率均在75%左右。這說明pH在8～12的區(qū)間段內(nèi)pH對中間過渡態(tài)形成分子內(nèi)氫鍵或是分子間氫鍵的影響不大。

圖7　pH對β-1收率的影響Figure 7　Effect of pH on yield of β-1

(3)3的滴加時間

考慮到中間過渡態(tài)可能與反應(yīng)液中游離的羥胺結(jié)合形成分子間氫鍵從而影響β-1的收率，實驗將3由一次性加入［12］改為滴加方式，從而控制反應(yīng)體系中羥胺的濃度［反應(yīng)條件同2.2(1)］。圖8為3的滴加時間對β-1收率的影響。從圖8可以看出，隨著滴加時間的延長，β-1收率有所增加;當(dāng)?shù)渭訒r間大于4 h后趨于持平，收率最高為90.4%。這是因為3采用滴加的方式加入到反應(yīng)液中，使反應(yīng)液中游離的羥胺較少，利于中間過渡態(tài)形成分子內(nèi)氫鍵，β-1的收率上升。當(dāng)?shù)渭訒r間大于4 h時，反應(yīng)體系中羥胺的濃度變化不大，收率趨于穩(wěn)定。

圖8　3的滴加時間對β-1收率的影響Figure 8　Effect of dropping time of 3 on yield of β-1

通過對1的構(gòu)型選擇性影響因素的分析得知，α-1和β-1的生成比例受α，β兩種構(gòu)型的穩(wěn)定性和中間過渡態(tài)存在形式兩種因素共同影響(Scheme 2)。較低反應(yīng)溫度時，中間過渡態(tài)的存在形式起主要作用，當(dāng)中間過渡態(tài)形成分子內(nèi)氫鍵時，脫水形成β-1，但如果中間過渡態(tài)與極性溶劑分子形成分子間氫鍵，抑制優(yōu)勢構(gòu)象(圖5)的形成，脫水后形成α-1。反應(yīng)溫度高于85℃時，由于氫鍵受到破壞，兩種構(gòu)型的生成比例主要受產(chǎn)物穩(wěn)定性的影響。α-1存在分子間氫鍵，穩(wěn)定性高，同時β-1氧原子間存在范德華效應(yīng)，能量高不穩(wěn)定，產(chǎn)物以α-1為主。

Scheme 2

3　結(jié)論

基于對二苯基乙二肟構(gòu)型選擇性影響因素的分析，通過對反應(yīng)溫度、反應(yīng)溶劑、體系pH值及羥胺加入方式的考察，得出提高β-1的最優(yōu)反應(yīng)條件:2 10 mmol，n(2)∶n(3)=1∶5，甲苯為溶劑，三乙胺為縛酸劑，pH 8，3滴加時間4 h，于55℃反應(yīng)5.5 h，β-1收率為90.4%。

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通信聯(lián)系人:李國華，副教授，Tel.022-60203467，E-mail:nkligh@126.com

Selective Synthesis of β-Benzildioxime

SHI Zhao-rui，LI Guo-hua，ZHANG Wen-bo
(School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)

Abstract:α-Benzildioxime(α-1)and β-benzildioxime(β-1)were prepared by nucleophilic addition reaction of benzil(2)and hydroxylamine hydrochloride(3).The structures were confirmed by1H NMR and IR.Under optimum conditions［2 10 mmol，n(2)∶n(3)=1∶5，methylbenzene as solvent，triethylamine as acid binding agent，dropping time of 3 was 4 h and pH=8，at 55℃for 5.5 h］，the yield of β-1 was 90.4%.

Keywords:benzil; hydroxylamine hydrochloride;β-benzildioxime; selective synthesis

作者簡介:石兆瑞(1989－)，男，漢族，山東德州人，碩士研究生，主要從事功能性化合物的合成研究。E-mail:shizhaorui1989@126.com

收稿日期:2014-12-30; 2015-09-13

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.12.1162 *

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

中圖分類號:O623.54; O621.3