超聲波輻射法仿生催化合成取代二苯乙醇酮

萬子露，黃林偉，賀吉，郭景成，李波，陳連清（中南民族大學(xué)，湖北武漢430074）

超聲波輻射法仿生催化合成取代二苯乙醇酮

萬子露，黃林偉，賀吉，郭景成，李波，陳連清
（中南民族大學(xué)，湖北武漢430074）

以苯甲醛為原料，維生素B1/Na2CO3代替氰化物作為催化劑，在超聲波輻射條件下反應(yīng)，控制反應(yīng)體系pH為8～9，安息香產(chǎn)率可達(dá)50%以上，重現(xiàn)性好，其他6種安息香衍生物也可以用此法合成，此法反應(yīng)時間短、無毒且條件溫和，具有仿生催化的特點。

超聲波輻射法；仿生催化；二苯乙醇酮

二苯乙醇酮又名安息香，是一種重要的半合成中間體和光聚催化劑[1]。經(jīng)典制備方法是在氰化鈉（鉀）催化下，由兩分子苯甲醛通過縮合反應(yīng)而得，此法毒性大，嚴(yán)重污染環(huán)境，人們期待一些改進(jìn)的方法[2]。維生素B1是組成丙酮酸去氫酶復(fù)合物的五種輔酶之一——硫胺素焦磷酸（TPP）的必要物質(zhì)[3]，其主要結(jié)構(gòu)是噻唑環(huán)，環(huán)上的S和N之間的氫原子有一定的酸性，在堿的作用下形成碳負(fù)離子（類似于CN-），能進(jìn)攻苯甲醛的醛基，使羰基碳極性反轉(zhuǎn)，從而催化合成安息香，因此維生素B1可以代替氰化物催化安息香縮合反應(yīng)，無毒無污染，條件溫和，具有仿生催化的特點。

Richard和Loomis在上世紀(jì)20年代首先發(fā)現(xiàn)超聲波可以加速化學(xué)反應(yīng)[4]，近年來超聲波在有機合成中因具有反應(yīng)條件溫和、操作簡便、清潔無污染等優(yōu)點而受到了廣泛關(guān)注。本文為了改變NaOH作為強堿性試劑時容易導(dǎo)致維生素B1結(jié)構(gòu)破壞、反應(yīng)時間長、重現(xiàn)性低等問題，也為了進(jìn)一步提高實驗操作安全性，以溫和的弱堿性試劑Na2CO3代替NaOH在超聲波條件下合成了二苯乙醇酮及其衍生物。

1試劑與儀器

苯甲醛、維生素B1、四丁基溴化銨、95%乙醇和Na2CO3均為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；XT4A型顯微熔點測定儀，上海荊和分析儀器有限公司；超聲波清洗儀(KQ3200E)；核磁共振氫譜采用Bru?kerAvanceIII 400測定，CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)。

2實驗步驟

稱取1.75gVB1和0.2g四丁基溴化銨于100mL圓底燒瓶中，加入7 mL蒸餾水振蕩使其溶解，將飽和Na2CO3溶液緩慢滴加到燒瓶中，邊滴加邊振蕩以防止局部堿性過強而破壞VB1的結(jié)構(gòu)，滴加過程中可以看到有氣泡產(chǎn)生，調(diào)節(jié)溶液pH為9～10，之后迅速加入10mL新蒸的苯甲醛和15mL乙醇并振蕩使之混合均勻，裝上球形回流冷凝管，放入水溫65±2℃的超聲波清洗器中超聲，反應(yīng)過程中保持溶液pH 為8～9，若pH偏低可適當(dāng)補加Na2CO3溶液并振蕩均勻。TLC點板監(jiān)測，反應(yīng)結(jié)束后將燒瓶置于冰水浴中充分冷卻，析出淺黃色的結(jié)晶，抽濾，用2×25mL冷水分兩次洗滌結(jié)晶。粗產(chǎn)品用95%的乙醇重結(jié)晶（安息香在沸騰的95%乙醇中的溶解度為12～14g/ 100mL）得2a，產(chǎn)率52%。m.p.134～136℃.1H NMR (400 MHz, CDCl3) 7.94～7.89 (m, 2H), 7.54～7.22 (m, 8H), 5.95 (d, 1H), 4.57 (d, 1H).

化合物2b、2c、2d、4的合成采用以上同樣的方法，其中1c、1d為固體，用乙醇溶解后加入反應(yīng)體系，2b、2c、2d后處理采用硅膠柱層析得到（乙酸乙酯：石油醚=1:15）。

圖1 超聲波輻射法制備二苯乙醇酮及其衍生物的合成路線

3結(jié)果與討論

圖2 維生素B1催化合成安息香的機理

3.1安息香縮合反應(yīng)機理

安息香縮合反應(yīng)機理如圖2所示，維生素VB1在堿的作用下，產(chǎn)生碳負(fù)離子（I）；碳負(fù)離子（I）與芳醛的羰基發(fā)生親核加成，形成烯醇加合物(II)，環(huán)上帶電荷的氮原子起了調(diào)節(jié)電荷的作用；烯醇加合物(II)再與另一分子芳醛的羰基發(fā)生親核加成生成一個新的輔酶加合物(III)；輔酶加合物(III)離解成二苯乙醇酮(IV)，維生素B1復(fù)原。安息香縮合反應(yīng)的實質(zhì)是輔酶維生素B1在堿性條件下形成具有親核性的碳負(fù)離子ylide（I）后，對芳醛進(jìn)行兩次親核加成反應(yīng)形成輔酶加合物(III)，然后VB1基作為離去基團(tuán)離去后重新形成維生素B1，同時生成一分子的二苯乙醇酮(IV)。

3.2 pH對反應(yīng)的影響及堿（Na2CO3、NaOH）的選擇

從安息香縮合反應(yīng)機理可知，由苯甲醛形成安息香的關(guān)鍵在于羰基碳的極性反轉(zhuǎn)，因此噻唑環(huán)上的S和N之間具有酸性氫的碳原子在堿的作用下能否順利形成碳負(fù)離子（類似于CN-）是反應(yīng)成敗的關(guān)鍵。在強堿性條件下，噻唑環(huán)易開環(huán)失效，且苯甲醛在濃堿作用下可在兩分子間發(fā)生Cannizzaro反應(yīng)，一份子醛被還原成醇，一份子醛被氧化成酸[5]，而得不到目標(biāo)產(chǎn)物，因此維生素B1催化安息香縮合反應(yīng)對pH的要求很高，pH調(diào)節(jié)不當(dāng)會導(dǎo)致產(chǎn)率較低甚至得不到產(chǎn)品，因此反應(yīng)重現(xiàn)性低的原因除了實驗誤差以外，堿的實際用量起關(guān)鍵作用[6]，故選擇強堿弱酸鹽Na2CO3代替強堿NaOH作為維生素B1的氫受體，可以減緩對pH的影響，并且在滴加過程中有氣泡冒出，可以作為直觀的判斷依據(jù)，一定程度上避免了堿性過強的情況發(fā)生，從而增加此反應(yīng)的重現(xiàn)性。

另一方面，根據(jù)中華人民共和國《危險貨物品名表》（GB 12268-90），氫氧化鈉屬第八類危險貨物腐蝕品中的堿性腐蝕品，在使用過程中有一定的危險性，腐蝕性較強，故選擇強堿弱酸鹽碳酸鈉代替強堿氫氧化鈉作為維生素B1的氫受體，可以在一定程度上降低本實驗的危險性。

3.3芳醛種類對反應(yīng)的影響

在反應(yīng)溫度為65℃，反應(yīng)時間30min，溶液pH= 9～10的條件下，分別用苯甲醛、糠醛、對氟苯甲醛、對氯苯甲醛、對溴苯甲醛、對甲氧基苯甲醛、對羥基苯甲醛進(jìn)行安息香縮合反應(yīng)，其產(chǎn)率見表1。

芳醛種類對安息香縮合反應(yīng)有影響，除了對甲氧基苯甲醛和對羥基苯甲醛沒有得到預(yù)期的產(chǎn)物外，其他種類的醛在此條件下都能得到對應(yīng)的縮合產(chǎn)物，這可能是由于：當(dāng)苯環(huán)對位有吸電子取代基時，其容易和VB1發(fā)生親核加成反應(yīng)；而當(dāng)苯環(huán)對位有給電子取代基時，其電子云通過苯環(huán)的共軛作用而傳遞到羰基上，降低了羰基碳的正電性，使羰基碳活性不高，不易和VB1進(jìn)行親核加成反應(yīng)。

表1 芳醛種類對反應(yīng)的影響

4 結(jié)論

研究表明：（1）當(dāng)苯甲醛和維生素B1用量分別為100mmol和5mmol，四丁基溴化銨用量為0. 2g時，選擇強堿弱酸鹽Na2CO3代替強堿NaOH作為維生素B1的氫受體，且用恒溫超聲代替水浴加熱，控制反應(yīng)體系的pH為8～9，安息香產(chǎn)率可達(dá)50%以上，反應(yīng)時間短，重現(xiàn)性好；（2）芳醛種類對安息香縮合反應(yīng)有影響，在以上反應(yīng)條件下，當(dāng)苯環(huán)對位上有吸電子取代基時可以得到對應(yīng)的安息香縮合產(chǎn)物，當(dāng)苯環(huán)對位上有給電子取代基時不能到對應(yīng)的安息香縮合產(chǎn)物。

［1］Coppola G. M.;Schuster H. F.α-Hydroxy Acids in Enantioselective Synthesis [M];Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 1997.

［2］Ken-ichi I.; Masako H. Benzoin reaction in water as an aqueous medium catalyzed by benzimidazolium salt. [J].Tetrahedron Letters. 2006, 47, 7175－7177.

［3］葛可佑.中國營養(yǎng)科學(xué)全書[M] .北京:人民衛(wèi)生出版社, 2004: 977.

［4］W. T. Richards, A. L. Loomis.The chemical effects of high frequency sound waves I. A preliminary survey. [J]. J. Am. Chem. Soc., 1927, 49 (12): 3086－3100.

［5］王麗.超聲輻射下芳香醛的Cannizzaro反應(yīng)[D].河北大學(xué),2005.

［6］何強芳,伍光仲,朱潔民.安息香縮合反應(yīng)的影響因素[J].大學(xué)化學(xué),2010,03:58-61.

Method for preparingsubstituted benzoin with biomimeticcatalyst and ultrasonic radiation

WANZi-lu, HUANGLin-wei, HE Ji, GUO Jing-cheng, LI Bo, CHENLian-qing
（South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074）

We synthesized benzoin under ultrasonic radiation conditionusingbenzaldehyde as the starting material and vitamin B1/Na2CO3as the catalyst, benzoin yield can reach more than 50% by controllingthe pH of the reaction system, and other four benzoin derivatives can also be synthesized by this method.Compared with traditional methods, the ultrasonic-assisted method had not only the advantage of short reaction time but also good reproducibility, no toxicity, simple operation and mild reaction conditions, which are the characteristics ofbiomimetic catalysis.

ultrasonicradiation; biomimetic catalysis; benzoin

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.004

TQ244.2

A

1008-1267（2016）02-0010-03

2015-10-23

湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目（JYS11001）；國家自然科學(xué)基金（20702064，21177161和31402137）；湖北省杰出青年基金（2013CFA034）；人事部留學(xué)人員科技活動擇優(yōu)資助項目（BZY13007）；武漢市青年科技晨光計劃（201271031422）；湖北省青年英才開發(fā)計劃（RCJH15001）。

萬子露（1991-）男，在讀碩士，主要從事有機合成方面研究。

陳連清（1979-）男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。