微波輻射下安息香的催化合成

孫耀冉，龐 雪，蔣映虎

（1.石家莊學(xué)院 化工學(xué)院，河北 石家莊 050035；2.天津欣普賽爾生物醫(yī)藥科技有限公司，天津 300000）

0 引言

安息香又稱二苯乙醇酮，是一種重要的有機合成中間體，應(yīng)用十分廣泛，常用于瑩光反應(yīng)檢驗鋅，還應(yīng)用到樹脂光敏劑、多微空有機聚合材料、乙酸安息香類化合物和二苯基乙二酮的制備工藝以及藥物二苯基乙內(nèi)酰脲的合成工藝等[1]，使得安息香在化工工業(yè)和藥物合成中需求量加大.傳統(tǒng)的合成安息香反應(yīng)是以氰化鈉或者氰化鉀為催化劑[2]，兩分子苯甲醛進行縮合反應(yīng)，雖然產(chǎn)率較高，但由于所使用的催化劑是氰化鈉或氰化鉀，而這類催化劑是劇毒的化學(xué)品，不符合當(dāng)前綠色化學(xué)合成的環(huán)境理念.近些年，隨著安息香縮合反應(yīng)研討的深入與加快，合成安息香的方法層出不窮，目前主要有5種合成安息香的方法：維生素B1和碳酸鈉的催化法[3]、相轉(zhuǎn)移催化VB1法[4]、超聲波VB1法[5]、金屬催化法[6]和生物催化法[7].

其中以維生素B1作催化劑，在微波輻射技術(shù)下來進行安息香縮合反應(yīng)符合綠色化學(xué)理念，經(jīng)過對該工藝初步實驗探索得知，催化劑（維生素B1）用量、反應(yīng)體系pH、微波功率和反應(yīng)時間這4個因素對合成產(chǎn)率影響最大，因此采用單一變量實驗分別進行研究，得到合成安息香的最佳合成工藝，并通過紅外光譜和質(zhì)譜對產(chǎn)品進行了表征.本實驗為今后積極尋找綠色環(huán)保、環(huán)境友好的安息香合成的方法提供了重要參考.

1 實驗部分

1.1 試劑與設(shè)備

主要試劑：苯甲醛、氫氧化鈉、無水乙醇、維生素B1和碳酸氫鈉，均為市售分析純.

主要設(shè)備：MCR-3微波化學(xué)反應(yīng)器，SHZ-D（III）型循環(huán)水式真空泵，WRR型熔點儀，PHS-25型酸度計，DL-101-IS型電熱鼓風(fēng)干燥箱，Spectrum100型傅里葉變換紅外光譜儀，3200Q-Trap液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜儀.

1.2 安息香的合成原理

以維生素B1作催化劑，在微波輻射技術(shù)下的安息香縮合反應(yīng)的路線如圖1所示.圖2是安息香縮合反應(yīng)機理.維生素B1是一種輔酶，在弱堿性條件下，催化劑維生素B1容易脫去質(zhì)子，產(chǎn)生碳負離子，而環(huán)上的氮原子帶正電荷，主要起平衡電荷的作用.碳負離子進攻芳醛的羰基，親核性的碳負離子與芳醛化合物連續(xù)進行兩次親核加成反應(yīng)，最終形成新的加合物.隨后這種加合物離解，重新形成維生素B1，因此催化劑維生素B1可以在反應(yīng)過程中循環(huán)使用，與此同時生成了二苯乙醇酮，即安息香[8].

圖1 安息香縮合反應(yīng)路線圖

圖2 安息香縮合反應(yīng)機理

1.3 安息香的合成方法

取8.00 mL無水乙醇和4.00 mL蒸餾水一同加入到100 mL三口燒瓶中，再加入沸石，并將其浸入到冷水中，向三口燒瓶中加入一定量的維生素B1，振蕩使其溶解，再加入新蒸餾的苯甲醛10.00 mL，振蕩搖勻，得淡黃色溶液.用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液的pH到一定值，用pH計測試體系反應(yīng)溶液的pH.待調(diào)整完全后，將三口燒瓶放入微波反應(yīng)器中，將微波反應(yīng)加熱器中的溫度傳感器插入其左口徑至液面以下，微波反應(yīng)加熱器上方裝上球形冷凝管，將其組裝好以后，打開微波反應(yīng)加熱器的電源，設(shè)置好微波功率的擋位和微波反應(yīng)的時間，冷凝回流一段時間，待反應(yīng)完畢以后，關(guān)閉微波反應(yīng)加熱器的電源，反應(yīng)溶液冷卻至室溫，逐漸析出固體，經(jīng)碳酸氫鈉溶液和蒸餾水多次洗滌，重結(jié)晶，抽濾，烘干得到白色粉末狀產(chǎn)物，即安息香，然后稱重，并計算其產(chǎn)率.測定產(chǎn)物熔點，用紅外光譜和質(zhì)譜對產(chǎn)物進行表征和分析.

1.4 產(chǎn)物表征方法

1.4.1 熔點測定

使用熔點測量儀對產(chǎn)物進行熔點測定：樣品充分研磨后，取少量于載玻片上，開始階段控制升溫速率在3~4℃/min，當(dāng)透明度發(fā)生變化時，用微調(diào)控溫旋鈕控制升溫速率減低到1℃/min，直至產(chǎn)物樣品完全熔化，讀取溫度，記錄為熔點.

采用壓片法，將樣品與溴化鉀混合，在研缽中充分研磨均勻后壓片.每個樣品隨機測試3次，測試條件為：溫度293~393 K，變溫步長10 K，控溫精度0.1 K，測量掃描范圍4 000~500 cm-1，掃描次數(shù)16次.

1.4.3 質(zhì)譜測定

應(yīng)用質(zhì)譜儀對樣品進行ESI-MSn分析.測試條件：ESI源；5 500 V源電壓；正離子檢測；18 psi簾氣（CUR）；75 V解簇電壓（DP）；50 eV碰撞能量（EP）；在50~400 Da范圍掃描.

2 安息香合成工藝優(yōu)化

初步實驗結(jié)果顯示：催化劑用量、反應(yīng)體系pH、微波功率、反應(yīng)時間對合成反應(yīng)影響較大，需要采用單一變量實驗的研究方法，分別對這4個反應(yīng)影響因素進行系統(tǒng)的分析研究，根據(jù)每個合成條件下所獲得的產(chǎn)率的結(jié)果，找到每個合成條件的最佳值，從而最大程度地優(yōu)化安息香的合成工藝.

2.1 催化劑用量對合成反應(yīng)的影響

按照1.3節(jié)的方法，調(diào)節(jié)溶液體系的pH為9.00，設(shè)置微波功率為320 W，控制反應(yīng)時間為10 min，加入催化劑的用量依次為1.20，1.40，1.60，1.80，2.00 g，進行單一變量實驗.圖3是不同的催化劑用量和合成產(chǎn)率之間的關(guān)系圖.

由圖3可知，催化劑用量在1.20～1.60 g的范圍內(nèi)時，合成產(chǎn)率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，而當(dāng)用量在1.60～2.00 g的范圍內(nèi)則呈現(xiàn)下降的趨勢.由此得出結(jié)論，催化劑用量在1.20～1.60 g時，合成產(chǎn)率隨用量的增加而增加，當(dāng)用量超過1.60 g時，合成產(chǎn)率隨用量的增加反而下降.由安息香縮合反應(yīng)機理可知，維生素B1酶在縮合過程中起促進碳負離子生成的作用，反應(yīng)結(jié)束后維生素B1酶會再生成，維生素B1用量超過1.6 g時，過多的維生素B1酶反而會阻礙反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致合成產(chǎn)率下降，因此最佳催化劑用量是1.60 g.

圖3 不同催化劑用量下的產(chǎn)率

2.2 反應(yīng)體系p H對合成反應(yīng)的影響

按照1.3節(jié)的方法，加入催化劑的用量為1.60 g，設(shè)置微波功率為320 W，控制反應(yīng)時間為10 min，用氫氧化鈉溶液來調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液體系的pH，用pH計進行檢測，依次調(diào)節(jié)體系pH為8.00，8.50，9.00，9.50，10.00進行單一變量實驗.圖4是不同反應(yīng)pH與合成產(chǎn)率之間的關(guān)系圖.

大數(shù)據(jù)時代的到來，使得越來越多的人能夠通過網(wǎng)絡(luò)的傳播方式關(guān)注到不同的生活方式，在一定的程度上擴大了人們的認(rèn)知范圍，能夠刺激人對于外部世界進行更加深入的探索。例如，在微博以及微信公眾平臺，淘寶交易平等處，人們都能夠通過對于不同生活方式的了解，喚醒內(nèi)在旅行需求。在大數(shù)據(jù)時代中，人們的旅游行為以及意愿表現(xiàn)得更加明顯，客戶的范圍在不斷增加中[1]。

由圖4可知，當(dāng)反應(yīng)pH在8.00～9.50時，合成產(chǎn)率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，但當(dāng)pH超過9.50時，合成產(chǎn)率隨pH的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢.由安息香的反應(yīng)機理可知，弱堿性條件有利于碳負離子的生成，合成產(chǎn)率增加，當(dāng)pH高于10.00時，會導(dǎo)致維生素B1酶中噻唑環(huán)活性基團分解，隨之失活，同時也會導(dǎo)致苯甲醛發(fā)生歧化反應(yīng)[9]，故合成產(chǎn)率降低，因此反應(yīng)體系pH控制在9.50時，合成產(chǎn)率最佳.

圖4 不同反應(yīng)pH下的產(chǎn)率

2.3 微波功率對合成反應(yīng)的影響

按照1.3節(jié)的方法，加入催化劑的用量為1.60 g，調(diào)節(jié)體系的pH為9.50，控制反應(yīng)時間為10 min，設(shè)置微波功率依次為160，240，320，400，480 W進行單一變量實驗.圖5是微波功率和合成產(chǎn)率之間的關(guān)系圖.

由圖5可知，當(dāng)微波功率在160～320 W時，合成產(chǎn)率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，但當(dāng)微波功率超過320 W時，合成產(chǎn)率隨微波功率的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢.由于該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度適宜時，有利于反應(yīng)向正向進行，但微波功率過高時，會使維生素B1酶中的噻唑環(huán)開環(huán)失活[10]，起不到催化的功效，導(dǎo)致合成產(chǎn)率降低，所以微波功率設(shè)置為320 W是最佳的選擇.

圖5 不同微波功率下的產(chǎn)率

2.4 反應(yīng)時間對合成反應(yīng)的影響

在研究確定以上3個因素后，再進一步研究反應(yīng)時間，按照1.3節(jié)的方法，加入催化劑的用量為1.60 g，調(diào)節(jié)體系的pH為9.50，設(shè)置微波功率320 W.控制微波反應(yīng)時間分別是5，10，15，20，25 min進行單一變量實驗.圖6是反應(yīng)時間和合成產(chǎn)率之間的關(guān)系圖.

由圖6可知，當(dāng)反應(yīng)時間在5～20 min時，合成產(chǎn)率呈現(xiàn)上升趨勢，但當(dāng)反應(yīng)時間達到10 min之后，合成產(chǎn)率的提高緩慢，當(dāng)反應(yīng)時間達到20 min時，合成產(chǎn)率最佳，之后隨著反應(yīng)時間的加長，合成產(chǎn)率逐漸降低.這可能是因為在微波輻射長時間的加熱條件下，產(chǎn)物會分解，從而導(dǎo)致合成產(chǎn)率降低，因此最宜反應(yīng)時間應(yīng)為20 min.

圖6 不同反應(yīng)時間下的產(chǎn)率

2.5 最優(yōu)合成工藝驗證

通過以上安息香合成工藝的優(yōu)化和分析，得到了合成安息香的最佳工藝條件，即催化劑用量是1.60 g，反應(yīng)體系pH為9.50，微波功率為320 W，反應(yīng)時間是20 min.按照1.3節(jié)的方法，在最佳合成條件下進行實驗，所得產(chǎn)物為6.21 g，即產(chǎn)率提高到59.43%.相比傳統(tǒng)安息香的合成工藝來看，本工藝大大改良了催化劑在其他工藝中毒性大、操作復(fù)雜、反應(yīng)時間長和產(chǎn)率較低等問題.

3 產(chǎn)物的表征

3.1 熔點

按照1.4.1節(jié)的方法對安息香進行熔點測定，熔點表見表1.對表1中數(shù)據(jù)進行分析，實驗產(chǎn)物安息香的熔點與理論值接近，故可初步確定實驗產(chǎn)物為目的產(chǎn)物安息香.

3.2 紅外光譜及分析

按照1.4.2節(jié)的方法，將實驗所得的合成產(chǎn)物與溴化鉀混合，在研缽中研磨20 min至均勻后壓片.將所得壓片用紅外光譜儀進行紅外分析檢測，圖7是產(chǎn)物的紅外圖譜.

分析圖7中出現(xiàn)的特征峰，可以看出在3 250～3 500 cm-1出現(xiàn)兩個強吸收峰，為—OH伸縮振動的吸收峰，在v=3 059 cm-1，v=3 100 cm-1，v=3 125 cm-1位置分別出現(xiàn)了3個強吸收峰，即苯環(huán)上的Ar—H吸收峰；此外在v=1 680 cm-1位置出現(xiàn)強吸收峰，該峰為C=O吸收峰；在1 600～1 450 cm-1出現(xiàn)4個吸收峰，說明存在苯環(huán)的振動吸收峰；在v=1 100 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰是仲醇C—O所形成的吸收峰；在750～700 cm-1出現(xiàn)的兩個吸收峰，即苯的特征峰.將此圖譜與標(biāo)準(zhǔn)安息香圖譜對照分析，發(fā)現(xiàn)基本一致，說明產(chǎn)物是安息香[11].

表1 物質(zhì)熔點表

3.3 質(zhì)譜圖及分析

按照1.4.3節(jié)的方法采用直接進樣法，溶解實驗所得的合成產(chǎn)物，用進樣針將其注入進樣泵中，設(shè)置進樣泵的流速，然后進行質(zhì)譜檢測.圖8是產(chǎn)物的質(zhì)譜圖.

由于圖8是M-條件下得到的分子離子峰質(zhì)譜圖，所以相對分子質(zhì)量加1，分析圖8：可以看到質(zhì)譜圖中m/z=211.25為分子離子峰.分子相對分子質(zhì)量加1得212.25，該值與合成產(chǎn)物安息香的相對分子質(zhì)量（212.25）一致，即驗證實驗所得合成產(chǎn)物為安息香.

圖7 產(chǎn)物的紅外光譜圖

4 結(jié)論

安息香在醫(yī)藥合成和日?；び闷飞a(chǎn)中均有重要的作用.然而傳統(tǒng)的安息香合成工藝是以氰化鈉或氰化鉀為催化劑，這類催化劑毒性大，對設(shè)備和實驗操作要求都極為嚴(yán)格，具有極大的潛在危險，因此本研究對傳統(tǒng)的安息香合成工藝進行了改良，將普通加熱改用微波輻射技術(shù)加熱，微波反應(yīng)能在極短的時間內(nèi)快速加熱，大大縮短了反應(yīng)時間.催化劑改用維生素B1，避免了安息香原有合成工藝中催化劑毒性大、反應(yīng)時間長、操作復(fù)雜、產(chǎn)率低等問題，反應(yīng)原料仍為苯甲醛，采用單一變量的研究方法，根據(jù)每個合成條件下所獲得的產(chǎn)率的結(jié)果，找到每個反應(yīng)條件的最佳值，即催化劑用量是1.60 g，反應(yīng)體系pH為9.50，微波功率為320 W，反應(yīng)時間是20 min.

圖8 產(chǎn)物的質(zhì)譜圖