大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)：二苯甲酮的還原

周曉玉，陳 霞，田茂軍

(六盤(pán)水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤(pán)水 553004)

黃鳴龍對(duì)Wolff-Kishner還原反應(yīng)的改進(jìn)做出了重要的貢獻(xiàn)，因此成就了唯一一個(gè)以中國(guó)人命名的人名反應(yīng)，即Wolff-Kishner-Huang反應(yīng)。黃鳴龍還原法的反應(yīng)條件獲得了改善[1-5]，但仍需在高沸點(diǎn)溶劑和高溫中進(jìn)行[6]。因此，黃鳴龍還原法很難應(yīng)用于大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其反應(yīng)條件進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)發(fā)了反應(yīng)條件溫和、可操作性強(qiáng)的酮還原法。此項(xiàng)目降低了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)拓寬了學(xué)生的知識(shí)面。此外，還將色譜分析、分離等基本操作引入，進(jìn)一步提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力。根據(jù)實(shí)際情況，可適當(dāng)增加產(chǎn)物的核磁共振氫譜和碳譜、紅外光譜、質(zhì)譜表征等，并附譜圖和數(shù)據(jù)解析結(jié)果，提升學(xué)生創(chuàng)新和綜合能力，符合現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 設(shè)計(jì)思路

黃鳴龍還原法的反應(yīng)條件是以水合肼溶液為還原劑，二縮乙二醇或三縮乙二醇為溶劑，氫氧化鈉或氫氧化鉀為堿，加熱回流(195～200 ℃)，反應(yīng)需分步完成。為了將其應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，在原反應(yīng)條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行以下三點(diǎn)改進(jìn)：將溶劑用價(jià)廉易得的低沸點(diǎn)普通醇類取代；降低反應(yīng)溫度，控制在100 ℃以下；避免氫氧化鈉、氫氧化鉀等強(qiáng)堿的使用。在以上設(shè)想的指引下，教學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作，從而獲得適用于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)范化操作步驟。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

儀器: 圓底燒瓶(250 mL、100 mL)、球形冷凝管、集熱式磁力攪拌器、量筒、溫度計(jì)、電子分析天平、薄層板、層析缸、層析柱、試管試劑:二苯甲酮、水合肼、甲酸鈉、甲酸銨、氫氣、鈀炭、乙酸鈀、氯化鈀、乙醇、異丙醇、叔丁醇、乙腈、1,4-二氧六環(huán)、水、石油醚、乙酸乙酯、柱層析硅膠(100～200目)、石英砂(60～80目)、脫脂棉

1.3 實(shí)驗(yàn)研究與步驟

1.3.1 實(shí)驗(yàn)研究

綜合考慮原材料價(jià)廉易得與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可操作性、安全性等因素，以二苯甲酮為原料，水合肼為還原劑，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)研究。

表1 催化劑優(yōu)化

研究過(guò)程中，使用常見(jiàn)的過(guò)渡金屬鈀催化劑進(jìn)行反應(yīng)條件優(yōu)化，見(jiàn)表1。優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，以乙醇和水作為混合溶劑時(shí)，無(wú)催化劑存在條件下反應(yīng)不能進(jìn)行；以鈀炭或醋酸鈀為催化劑可催化反應(yīng)進(jìn)行，其中10 %鈀炭為最佳催化劑選擇；氯化鈀不能催化反應(yīng)進(jìn)行。

在確定最佳催化劑的基礎(chǔ)上，開(kāi)展溶劑條件優(yōu)化，見(jiàn)表2。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)水乙醇為溶劑時(shí)，反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行；向反應(yīng)體系中加入少量水組成混合溶劑，可以取得很好的產(chǎn)率。在改變乙醇與水的體積比時(shí)發(fā)現(xiàn)，乙醇/水為30∶1時(shí)，反應(yīng)效果最佳，達(dá)到95%；以異丙醇、叔丁醇、乙腈或1,4-二氧六環(huán)與水組成混合溶劑時(shí)，異丙醇/水體系亦取得了93%的產(chǎn)率。

綜上分析，乙醇容易獲得且價(jià)廉，以乙醇組成混合溶劑開(kāi)展進(jìn)一步研究。

表2 溶劑優(yōu)化

在其它條件確定的情況下，進(jìn)行了還原劑的優(yōu)化研究，見(jiàn)表3。研究發(fā)現(xiàn)，降低水合肼的用量至2.0 equiv時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率出現(xiàn)明顯降低；其它還原劑，氫氣(1大氣壓)和甲酸銨(4.0 equiv)中也可以順利完成二苯甲酮的還原；甲酸鈉不適用此反應(yīng)體系，無(wú)產(chǎn)物生成。

表3 還原劑優(yōu)化

綜上分析，水合肼、氫氣和甲酸銨均可以用作黃鳴龍還原的還原劑。為了延續(xù)黃鳴龍還原的傳統(tǒng)還原體系，且考慮氫氣作為還原劑的安全性和可操作性等因素，選擇水合肼作為還原劑。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

圖1 二苯甲酮的還原反應(yīng)方程式

經(jīng)反應(yīng)條件優(yōu)化和多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——二苯甲酮的還原的最佳反應(yīng)條件，如圖1。

1.3.2.1 二苯甲酮的還原過(guò)程

(1)在50 mL圓底燒瓶中加入二苯甲酮0.36 g、乙醇15 mL、水0.5 mL，室溫下攪拌至溶解。

(2)室溫?cái)嚢柘孪驁A底燒瓶中分別加入水合肼0.40 g和鈀炭催化劑0.04 g。

(3)組裝回流裝置，在加熱型磁力攪拌器中回流反應(yīng)4h。

(4)用薄層層析色譜監(jiān)測(cè)反應(yīng)情況(需確定原料和產(chǎn)物的Rf值，方便確定柱層析條件)，盡量控制反應(yīng)進(jìn)行完全。

(5)待反應(yīng)結(jié)束，撤掉加熱裝置，冷卻至室溫。

1.3.2.2 后處理過(guò)程

(1)將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至100 mL圓底燒瓶中，加入硅膠(100～200目)1.0 g～2.0 g后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至干。

(2)用柱層析法分離產(chǎn)物(濕法裝柱，干法裝樣，柱層析硅膠用量10～15 g，洗脫劑為石油醚)、用薄層層析色譜分析和判斷洗脫過(guò)程，并依次接收洗脫液。

(3)將產(chǎn)物溶液合并，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮后，真空干燥。

(4)干燥完全后，稱重，計(jì)算反應(yīng)產(chǎn)率。

2 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安全性和成功率均很高，但仍存在一些關(guān)鍵因素影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

2.1 原料的用量和比例

(1)由于水合肼與鈀炭混合會(huì)放出氫氣，所以反應(yīng)原料的投入量不宜過(guò)大，以0.1 g至2.0 g 較為適宜，且操作時(shí)需要在通風(fēng)條件下進(jìn)行。

(2)如果二苯甲酮的投入量達(dá)5.0 g以上，可采取其它分離提純方法。

(3)水合肼和鈀炭的用量可按比例放大。

2.2 加料順序

(1)水合肼與鈀炭接觸后，室溫下即可催化水合肼分解，所以需要將鈀炭催化劑最后加入。

(2)可先搭建起回流裝置后，再加入鈀炭催化劑，從而提高反應(yīng)的產(chǎn)率。

2.3 溶劑的選擇

(1)根據(jù)條件優(yōu)化結(jié)果，混合溶劑的體積比可介于乙醇/水在30∶1至2∶1之間，但水的用量大會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)液濃縮過(guò)程困難，體積比在30∶1至10∶1之間較為合適。

(2)異丙醇可以替代乙醇作為混合溶劑組分。

(3)反應(yīng)液濃縮時(shí)，要確保溶劑含量盡量低，以避免對(duì)后續(xù)柱層析分離操作造成干擾，導(dǎo)致分離效果差。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)黃鳴龍還原法，開(kāi)發(fā)了適用于大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以期提升學(xué)生在學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)中的自豪感，從而提高學(xué)習(xí)興趣。與其它合成類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相比，此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中試劑投入量較少，實(shí)現(xiàn)了半微量化操作；同時(shí)，將色譜分析和分離技術(shù)融入合成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，有助于學(xué)生鞏固和強(qiáng)化色譜技術(shù)實(shí)驗(yàn)的原理和應(yīng)用。