醇鈉催化苯甲醛合成苯甲酸芐酯——介紹一個(gè)探索性有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

張洪剛　陳建華　李勝想　任相偉　趙溫濤　張萬(wàn)東

（天津大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，天津300072）

·化學(xué)實(shí)驗(yàn)·

醇鈉催化苯甲醛合成苯甲酸芐酯——介紹一個(gè)探索性有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

張洪剛陳建華李勝想任相偉趙溫濤張萬(wàn)東*

（天津大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，天津300072）

本實(shí)驗(yàn)以大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為背景，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目的，結(jié)合有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了苯甲酸芐酯的合成路線。以苯甲醛為原料、苯甲醇鈉為催化劑，經(jīng)Tishchenko反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物。其最佳合成條件為：苯甲醛與醇鈉物質(zhì)的量比為33∶1，反應(yīng)溫度介于50－60°C，反應(yīng)時(shí)間為1 h。產(chǎn)率69%，產(chǎn)品純度99%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此工藝流程符合有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。

Tishchenko反應(yīng)；苯甲醛；苯甲醇鈉；苯甲酸芐酯；有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

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基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是理工類高等院校中化學(xué)、化工、材料、環(huán)境等專業(yè)必修的一門實(shí)驗(yàn)課程，是學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)技能、提高動(dòng)手能力的必修課。同時(shí)也是理論聯(lián)系實(shí)際、培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度及良好實(shí)驗(yàn)習(xí)慣的重要課程。天津大學(xué)國(guó)家級(jí)化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)中心從培養(yǎng)創(chuàng)新人才的要求出發(fā)，改變教師獨(dú)占課堂、學(xué)生被動(dòng)接受的單一教學(xué)模式，鼓勵(lì)學(xué)生“個(gè)性”發(fā)展，促成課堂教學(xué)多維互動(dòng)（師生、生生）的局面，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立分析和解決問題的能力。此舉有助于大學(xué)生創(chuàng)新能力的提高及創(chuàng)新思維的開拓。

在進(jìn)行Cannizzaro歧化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中［1］，學(xué)生注意到無(wú)α-氫原子的醛在強(qiáng)堿溶液中，一分子醛被氧化成羧酸鹽，同時(shí)另一分子醛被還原成醇，如果用醇鈉代替NaOH進(jìn)行Cannizzaro反應(yīng)，會(huì)得到什么產(chǎn)物呢？在教師的指導(dǎo)下學(xué)生查閱了大量的文獻(xiàn)，并利用課余時(shí)間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)苯甲醛在醇鈉的催化下進(jìn)行的是Tishchenko反應(yīng)。基于此，在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上學(xué)生摸索出了此反應(yīng)適用于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)過程中還學(xué)習(xí)到了化學(xué)試劑的提純方法、醇鈉的制備方法并鞏固了減壓蒸餾等有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作技能，為培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)并有很強(qiáng)實(shí)踐能力的人才作了一些有益的探索。

1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

（1）了解并掌握用Tishchenko反應(yīng)制備苯甲酸芐酯的機(jī)理；（2）掌握減壓蒸餾儀器的安裝和操作方法；（3）學(xué)習(xí)并掌握液體有機(jī)化合物的提純方法；（4）學(xué)習(xí)苯甲醇鈉的制備方法；（5）掌握分液漏斗的使用方法。

2　實(shí)驗(yàn)原理

苯甲酸芐酯（Benzyl Benzoate）又稱安息香酸芐酯、芐基苯甲酸酯，為無(wú)色粘稠液體，呈微弱的杏仁氣味，不溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑。在香料方面被廣泛用于香精的定型劑和矯正劑；在涂料方面用作增塑劑；在醫(yī)藥方面有擴(kuò)張血管及解除痙攣的作用，也可用于配制百日咳藥、氣喘藥等。天然的苯甲酸芐酯存在于秘魯香脂、吐魯香脂、晚香玉和香石竹中。人工合成的苯甲酸芐酯一般由苯甲酸甲酯與過量的芐醇經(jīng)酯交換后分餾而得［2］，苯甲酸與芐醇的酯化作用制得［3］或苯甲酸鈉與氯化芐在季銨鹽類相轉(zhuǎn)催化劑存在下共熱酯化而得［4］。以上方法存在著反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)溫度高、收率偏低以及使用相轉(zhuǎn)移催化劑等缺點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)依據(jù)Tishchenko反應(yīng)合成苯甲酸芐酯［5］。在醇鹽（如醇鈉或醇鋁）的催化下，無(wú)α-活潑氫的苯甲醛發(fā)生歧化反應(yīng)生成酯。由于反應(yīng)過程中未使用有機(jī)溶劑且無(wú)副產(chǎn)物產(chǎn)生，所以Tishchenko反應(yīng)是理想的酯合成反應(yīng)之一［6］。目標(biāo)產(chǎn)物合成路線如圖1所示。

圖1　苯甲酸芐酯的合成路線

3　實(shí)驗(yàn)部分

3.1儀器與試劑

Brucker 300M，400M型核磁共振儀（CDCl3為氘代試劑，TMS為內(nèi)標(biāo)）；7890A型氣相色譜儀；BruckerALPHA-E型紅外吸收光譜儀（KBr壓片法）；WAY-2S型數(shù)字阿貝折射儀。

實(shí)驗(yàn)試劑為金屬鈉，苯甲醇，苯甲醛。

3.2化合物的合成

3.2.1苯甲醇鈉的制備

本實(shí)驗(yàn)所用的藥品必須是無(wú)水的，所用儀器必須是干燥的。在100 mL干燥的圓底燒瓶中依次加入磁子、苯甲醇（7.0 g，0.065 mol）、切成薄片的金屬鈉（0.3 g，0.013 mol）。裝好球形冷凝管、氯化鈣干燥管。開啟攪拌，控制電加熱套電壓，使反應(yīng)在微熱狀態(tài)下進(jìn)行，待金屬鈉消失，撤去熱源，冷卻至室溫。

3.2.2苯甲酸芐酯的制備

在干燥的250 mL四口燒瓶上裝好機(jī)械攪拌、球形冷凝管、氯化鈣干燥管、恒壓滴液漏斗和溫度計(jì)。在四口燒瓶中加入苯甲醛（45.4 g，0.43 mol），將新制備的苯甲醇鈉加到恒壓滴液漏斗中。依次通冷凝水、開啟機(jī)械攪拌、開啟水浴加熱使整個(gè)反應(yīng)體系恒溫在50°C。緩慢滴加苯甲醇鈉（30 min內(nèi)滴加完畢）后保溫1 h。撤去水浴，待體系冷卻至室溫，加入20 mL水，攪拌10 min。將混合液倒入分液漏斗中，靜置分層，收集有機(jī)相，再用20 mL水洗滌有機(jī)相，分出下層酯層，經(jīng)無(wú)水硫酸鈉干燥后，置入100 mL圓底燒瓶中。減壓蒸餾，開始應(yīng)緩慢加熱，先蒸出少量的水及未反應(yīng)的苯甲醛、芐醇，再調(diào)高電加熱套的電壓，收集205－207°C/5 kPa下的餾分，得31.5 g無(wú)色粘稠液體，產(chǎn)率69%。= 1.5672；IR（KBr）ν：1719，1271，1110，1602，1452 cm－1；1H NMR（600 MHz，CDCl3）δ：7.96（d，J=7.9 Hz，2H），7.41（t，J=7.4 Hz，1H），7.35－7.19（m，7H），5.24（s，2H）；13C NMR（151 MHz，CDCl3）δ：166.48，136.14，133.11，130.21，129.78，128.68，128.45，128.32，128.24，66.75。

4　結(jié)果與討論

在的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了苯甲酸芐酯的合成路線。實(shí)驗(yàn)以苯甲醛（45.4 g，0.43 mol）為反應(yīng)原料，苯甲醇鈉（1.7 g，0.013 mol）為催化劑，二者的物質(zhì)的量比為33:1，反應(yīng)溫度控制于50－60°C，反應(yīng)時(shí)間1 h。

4.1催化劑苯甲醇鈉的制備

金屬鈉遇水即燃燒、爆炸，使用時(shí)應(yīng)避免與水接觸。在醇鈉的制備中，鈉的大小會(huì)影響反應(yīng)的快慢，所以在切去表面氧化層后，應(yīng)把鈉切成薄片，并迅速移入盛有苯甲醇的燒瓶中，縮短其與空氣的接觸時(shí)間。

4.2原料的純度對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響

苯甲醇也稱芐醇，是具有微弱芳香氣味的無(wú)色透明黏稠液體，久置后會(huì)被氧化為苯甲醛（取1 mL苯甲醇溶于50 mL水中，再滴加幾滴鹽酸苯肼，如果有沉淀產(chǎn)生則說(shuō)明苯甲醇溶液中有苯甲醛雜質(zhì)），因此使用前必須對(duì)苯甲醇進(jìn)行精制。苯甲醛是具有苦杏仁氣味的無(wú)色液體，空氣中極易被氧化生成白色苯甲酸。如果原料中存有苯甲酸，在進(jìn)行酯化時(shí)將消耗大量的醇鈉，因此使用前必須對(duì)苯甲醛進(jìn)行精制。

當(dāng)學(xué)生剛開始接觸本實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)的成功率很低，產(chǎn)率僅為10%左右，學(xué)生嘗試改變反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間或滴加速度，但收效甚微，后來(lái)又使用了不同廠家的原料，但效果還是不明顯。最后，問題集中在原料的純度上，學(xué)生嘗試將苯甲醇和苯甲醛進(jìn)行精制后達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。因此一個(gè)新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)過程，就是一個(gè)不斷失敗又不斷探索的過程。

4.3產(chǎn)品的表征

用7890A型氣相色譜儀（色譜柱：SE-54：30 m×0.32 mm×0.25μm；檢測(cè)器溫度（FID）：280°C；載氣：氮?dú)猓┓治霰郊姿崞S酯的純度達(dá)99%以上。用WAY-2S型數(shù)字阿貝折射儀測(cè)定苯甲酸芐酯的折光率，測(cè)定結(jié)果：。使用BrukerALPHA-E型紅外光譜儀測(cè)定苯甲酸芐酯的譜圖，用一次性毛細(xì)管吸取少量樣品，直接滴在KBr晶片上，然后裝入儀器中，進(jìn)行測(cè)試。產(chǎn)品苯甲酸芐酯的紅外譜圖見圖2，在1719 cm－1處有C=O伸縮振動(dòng)特征吸收峰，1271 cm－1和1110 cm－1兩處有C―O伸縮振動(dòng)特征吸收峰，1602、1452 cm－1處是苯環(huán)的骨架振動(dòng)峰。

圖2　產(chǎn)品苯甲酸芐酯的紅外譜圖

4.4反應(yīng)機(jī)理

醇鈉催化下的Tishchenko反應(yīng)機(jī)理見圖3，烷氧負(fù)離子首先進(jìn)攻第一個(gè)苯甲醛上的羰基碳原子，發(fā)生親核加成反應(yīng)，使羰基雙鍵斷開生成新的烷氧負(fù)離子，新生成的烷氧負(fù)離子再進(jìn)攻下一個(gè)苯甲醛上的羰基碳原子生成新的負(fù)離子中間體。負(fù)電荷回落、氫負(fù)離子遷移生成酯和烷氧負(fù)離子［7］。

圖3　醇鈉參與的苯甲醛自縮合反應(yīng)機(jī)理

5　結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)結(jié)合基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的特點(diǎn)，采用Tishchenko反應(yīng)機(jī)理設(shè)計(jì)了苯甲酸芐酯的合成路線，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)過程中不僅涉及到了化學(xué)試劑的提純方法、醇鈉的制備方法，還鞏固了回流、溫控、干燥和減壓蒸餾等有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作技能，更重要的是接觸到了折光率、產(chǎn)品純度的測(cè)定，紅外光譜、核磁共振圖譜解析等表征手段。其實(shí)驗(yàn)流程不僅適用于本科生的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，亦可根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)情況擴(kuò)展為高年級(jí)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。

該實(shí)驗(yàn)原料（苯甲醛）經(jīng)濟(jì)易得，反應(yīng)溫度低，反應(yīng)時(shí)間較短，粗產(chǎn)物后處理簡(jiǎn)便，產(chǎn)率較高，產(chǎn)品純度高。實(shí)驗(yàn)過程中未使用任何溶劑，因此該工藝遵循“原子經(jīng)濟(jì)性”規(guī)則，符合“綠色化學(xué)”的要求，是一個(gè)集試劑提純、產(chǎn)品制備、表征為一體的探索型有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)（本實(shí)驗(yàn)在第二屆卓越聯(lián)盟高校“卓越杯”大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)賽中榮獲有機(jī)組一等獎(jiǎng)）。

［1］唐向陽(yáng).基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程.第4版.北京:科學(xué)出版社，2015.

［2］李淑芬，唐韶坤，陳寶良.化學(xué)工程，1998，26（5），47.

［3］高宏宙，孫麗慧.許昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，No.9，117.

［4］鄧書平，牟淑杰，王強(qiáng)，時(shí)維振.化學(xué)與生物工程，2008，25（3），29.

［5］Tishchenko，W.Russ.J.Phys.Chem.1906，38，355.

［6］Tsunetake，S.；Tetsuo，N.；Makoto，O.Chem.Lett.2006，35，824.

［7］Luder，W.F.；Zuffanti，S.Chem.Rev.1944，34，345.

Self-Condensation of Benzaldehyde to Benzyl Benzoate over Sodium Benzyloxide

ZHANG Hong-GangCHEN Jian-HuaLI Sheng-XiangREN Xiang-Wei ZHAO Wen-TaoZHANG Wan-Dong*
（Department of Chemistry，School of Science，Tianjin University，Tianjin 300072，P.R.China）

To cultivate students'innovation ability，we designed the synthetic method of benzyl benzoate as an organic chemistry laboratory experiment.Benzyl benzoate was directly synthesized from benzaldehyde in the presence of a sodium benzyloxide via the Tishchenko reaction.The experimental conditions are optimized with a benzaldehyde to sodium benzyloxide mole ratio of 33∶1 and a 50－60°C reaction temperature for 1 h.A yield up to 69%was achieved with the purity higher than 99%.The experimental results show that the process is in accordance with the requirements of organic chemistry laboratory teaching.

Tishchenko reaction；Benzaldehyde；Sodium benzyloxide；Benzyl benzoate；Organic chemistry experiments

G64；O621.3

10.3866/PKU.DXHX201601038

，Email:zhangwandong@tju.edu.cn

2014年天津大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與研究項(xiàng)目