張恒,幸志榮,劉冬,周志彬,馮文芳
華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,武漢 430074
安全是開(kāi)展一切工作的前提。習(xí)總書(shū)記在黨的十九大工作報(bào)告中強(qiáng)調(diào):“樹(shù)立安全發(fā)展理念,弘揚(yáng)生命至上、安全第一的思想,健全公共安全體系,完善安全生產(chǎn)責(zé)任制,堅(jiān)決遏制重特大安全事故,提升防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力?!苯陙?lái),針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)安全問(wèn)題,教育部下發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全檢查工作的通知》(教高廳[2019]1號(hào))和《教育部關(guān)于加強(qiáng)高校實(shí)驗(yàn)室安全工作的意見(jiàn)》(教技函[2019] 36號(hào))等文件[1,2],要求各地各高校牢固樹(shù)立“隱患就是事故”的思想,深刻理解實(shí)驗(yàn)室安全的重要性。
格氏試劑又稱格林尼亞試劑,是一類含有鹵化鎂結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬化合物(結(jié)構(gòu)通式為RMgX;R為烴基,X為鹵素)[3]。格氏試劑具有合成方法簡(jiǎn)便、化學(xué)反應(yīng)活性高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)醇類化合物的合成,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為高附加值的氯代烷、烯、醚、羧酸等化合物[4-7]。金屬鎂電負(fù)性較低(1.31 Pauling標(biāo)度[3]),易與空氣中的氧氣和痕量水分反應(yīng),生成氧化鎂、氫氧化鎂等物質(zhì),形成惰性保護(hù)層。因此,格氏試劑的合成反應(yīng)中,通常需要加入少量引發(fā)劑,加速格氏反應(yīng)的進(jìn)程。其中,分子碘(I2)是使用最為廣泛的一類格氏反應(yīng)引發(fā)劑,這主要是因?yàn)镮2能與金屬鎂反應(yīng),生成易溶于醚類溶劑的碘化鎂(MgI2),從而破壞金屬鎂表層的原始鈍化層,增加鹵代烴與新鮮金屬鎂表面的接觸幾率,提高格氏反應(yīng)速率[8]。在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,也通常采用分子碘作為引發(fā)劑,在低沸點(diǎn)的醚類溶劑(如乙醚)體系中合成苯基溴化鎂、正丁基溴化鎂等典型的格氏試劑[9]。
分子碘引發(fā)格氏反應(yīng)的可控性較差,反應(yīng)過(guò)程中引發(fā)速率不均勻,且易形成局部過(guò)熱,帶來(lái)較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。2014年1月,江蘇南通市某精細(xì)化工公司合成叔丁基氯化鎂的格氏試劑,因分子碘未能有效引發(fā),導(dǎo)致未反應(yīng)的高活性物料累積,發(fā)生燃爆事故,造成一人死亡、兩人燒傷的嚴(yán)重后果[10]。實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中,常采用其他更為安全的方式(如,酸洗、惰性氛圍下攪拌、有機(jī)氫化鋁等)引發(fā)格氏反應(yīng),實(shí)現(xiàn)格氏試劑的規(guī)?;苽鋄11]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,常有分子碘引發(fā)不成功,或引發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)并伴有突然升溫的現(xiàn)象,帶來(lái)不小的安全隱患。因此,必須提高格氏反應(yīng)的安全性,從而保障高校實(shí)驗(yàn)教育安全、有序開(kāi)展。
前期工作中,孫京國(guó)等[12]采用四氫呋喃(THF)和甲基叔丁基醚(MTBE)替代乙醚,提高醚類溶劑的沸點(diǎn),以增加反應(yīng)體系的安全性。Tilstam等[11]報(bào)道了以二氫雙(2-甲氧乙氧基)鋁酸鈉(商品名:Vitride?)、二異丁基氫化鋁(DIBAH)等化合物為引發(fā)劑,可以實(shí)現(xiàn)格氏試劑的規(guī)?;苽洹?/p>
因此,在上述工作的基礎(chǔ)上,本實(shí)驗(yàn)從格氏反應(yīng)引發(fā)劑的角度入手,采用DIBAH替代分子碘,系統(tǒng)考察了DIBAH引發(fā)對(duì)反應(yīng)體系安全性的影響、鹵代烴的分子結(jié)構(gòu)對(duì)格氏反應(yīng)速率的影響,以提高引發(fā)過(guò)程的平穩(wěn)性和可控性,并以較高沸點(diǎn)的四氫呋喃為溶劑,合成苯基溴化鎂和正丁基溴化鎂兩種格氏試劑,進(jìn)一步與苯甲酸乙酯或丙酮反應(yīng),合成三苯甲醇或2-甲基-2-己醇。通過(guò)格氏試劑合成方法的改進(jìn),不僅提升了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全性,能有效保障學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的人身安全,而且由格氏試劑進(jìn)一步合成醇類目標(biāo)物的產(chǎn)率亦得以有效提升。
通過(guò)采用二異丁基氫化鋁引發(fā)劑,調(diào)控格氏反應(yīng)的反應(yīng)速率和可控性,從而提高格氏反應(yīng)的安全性。明確實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全的重要性,掌握水氧敏感試劑的操作和格氏試劑的合成方法。學(xué)習(xí)醇類化合物的合成方法,并了解核磁共振波譜分析產(chǎn)物和副產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)的方法。
由于鎂的電負(fù)性低于碳(Mg (1.31) vs. C (2.55),Pauling標(biāo)度[3]),與鎂原子直接相連的碳原子帶負(fù)電,可作為親核試劑與醛、酮、羧酸酯等含缺電子碳的化合物發(fā)生加成反應(yīng),并通過(guò)進(jìn)一步水解得到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的醇類化合物。
本實(shí)驗(yàn)以二異丁基氫化鋁為引發(fā)劑,合成苯基溴化鎂和正丁基溴化鎂兩種格氏試劑,將兩者分別與苯甲酸乙酯和丙酮反應(yīng),“一鍋法”合成三苯甲醇和2-甲基-2-己醇,合成路線如圖1所示。其中,DIBAH分子結(jié)構(gòu)中鋁原子(路易斯酸中心)易與氧化鎂分子結(jié)構(gòu)中的氧原子(路易斯堿中心)作用,生成可溶于醚類溶劑的絡(luò)合物(MgO―AlH(CH2CH(CH3)2)2),促進(jìn)金屬鎂表面鈍化層的溶解,進(jìn)而引發(fā)格氏反應(yīng)。
圖1 三苯甲醇(a)和2-甲基-2-己醇(b)的合成路線
鎂帶,碘,無(wú)水氯化鈣,正溴丁烷,二苯甲酮,三苯甲醇,溴苯,苯甲酸乙酯,丙酮,四氫呋喃,稀硫酸(以上均為國(guó)藥),二異丁基氫化鋁(1 mol·L-1正己烷溶液,阿拉丁),氘代二甲基亞砜(美國(guó)CIL)。以上試劑均為分析純。
四氟數(shù)顯溫度計(jì)(PT300A,科畝庫(kù)科技),磁力攪拌器(98-2,鞏義予華),集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S,鞏義予華),循環(huán)水泵(SHK-D(III),鞏義予華),分析天平(BSA224S-CW,賽多利斯),旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE-2000A,鞏義予華),核磁共振波譜儀(AV 400 M,瑞士布魯克),電熱鼓風(fēng)干燥箱(101-2 AB,天津泰斯特)。
3.2.1 苯基溴化鎂的合成
二異丁基氫化鋁作為引發(fā)劑:在100 mL三口燒瓶上,分別裝上四氟數(shù)顯溫度計(jì)、球形回流冷凝管、恒壓滴液漏斗(100 mL),并在冷凝管上端裝上無(wú)水氯化鈣干燥塔(反應(yīng)裝置如圖2所示)。向三口燒瓶中,依次加入預(yù)先裁剪的鎂塊(0.6 g,25 mmol;約 5 mm × 5 mm的正方形)、四氫呋喃(5 mL)和二異丁基氫化鋁的正己烷溶液(0.39 g)。在恒壓滴液漏斗中,將溴苯(3.92 g, 25 mmol)和四氫呋喃(3 mL)混合均勻。磁力攪拌下,向反應(yīng)瓶中滴加2 mL (約為總量的1/3)混合液。溫度平穩(wěn)后,繼續(xù)滴加剩余的溴苯和四氫呋喃混合液。滴加完畢后,繼續(xù)攪拌使鎂幾乎反應(yīng)完全。
圖2 格氏反應(yīng)裝置實(shí)物圖
分子碘作為引發(fā)劑:參考上述實(shí)驗(yàn)操作,將二異丁基氫化鋁的正己烷溶液替換為分子碘(0.13 g,0.5 mmol),其他實(shí)驗(yàn)條件和操作步驟不變,進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
3.2.2 三苯甲醇的合成
根據(jù)3.2.1節(jié)所述實(shí)驗(yàn)步驟,合成苯基溴化鎂。磁力攪拌下,向三口燒瓶中緩慢滴加苯甲酸乙酯(1.87 g,12.5 mmol)和四氫呋喃(4 mL)的混合液。滴加完畢后,100 °C加熱回流20 min。待體系溫度冷卻至室溫,滴加適量稀硫酸水溶液(10% (w, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) H2SO4,6.13 g)。靜置分層,取上層有機(jī)相濃縮,通過(guò)核磁共振氫譜分析反應(yīng)的產(chǎn)物及副產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)。
3.2.3 正丁基溴化鎂的合成
正丁基溴化鎂的合成方法與苯基溴化鎂一致,采用正溴丁烷(3.43 g,25 mmol)替代溴苯即可。
3.2.42 -甲基-2-己醇的合成
根據(jù)3.2.3小節(jié)所述實(shí)驗(yàn)步驟,合成正丁基溴化鎂。在磁力攪拌下,向三口燒瓶中緩慢加入丙酮(2 mL,25 mmol)和四氫呋喃(3 mL)的混合液,控制滴加速率在每秒1-2滴。滴加完畢后,室溫?cái)嚢杓s10 min。分批加入稀硫酸水溶液(10% H2SO4,12.26 g)。靜置分層,取上層有機(jī)相濃縮,通過(guò)核磁共振氫譜分析反應(yīng)的產(chǎn)物及副產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)。
以溴苯(C6H5Br)和金屬鎂反應(yīng)合成苯基溴化鎂的實(shí)驗(yàn)為對(duì)象,對(duì)比研究了二異丁基氫化鋁和分子碘的引發(fā)活性。圖3展示了兩種體系反應(yīng)溫度-時(shí)間的變化關(guān)系及反應(yīng)混合物外觀比較。由圖3可知,以2% (物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)) DIBAH為引發(fā)劑,向金屬鎂和四氫呋喃的混合體系中加入溴苯/四氫呋喃混合溶液 (約總量的1/3),反應(yīng)體系的液相逐漸由澄清轉(zhuǎn)變渾濁(圖3b)。并且,反應(yīng)體系的溫度平穩(wěn)上升至約50 °C,有效引發(fā)了sp2雜化的碳鹵鍵(C―X)的格氏反應(yīng)。相較而言,以2% (物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))分子碘為引發(fā)劑,加入同等量的溴苯/四氫呋喃混合溶液,反應(yīng)初期體系溫度幾乎保持恒定(約25 °C,圖3a)。成功引發(fā)后,混合物溫度快速上升并導(dǎo)致四氫呋喃沸騰(Tb= 66 °C,圖3c)。上述結(jié)果表明,DIBAH的引發(fā)活性高于分子碘,能更為有效地清除金屬鎂表面的鈍化層,較快速地引發(fā)溴苯和金屬鎂的反應(yīng),并保持反應(yīng)進(jìn)程平穩(wěn)。
圖3 (a) 采用不同引發(fā)劑合成苯基溴化鎂的反應(yīng)溫度–時(shí)間變化曲線;(b) 以2% DIBAH為引發(fā)劑合成苯基溴化鎂;(c) 以2%分子碘為引發(fā)劑合成苯基溴化鎂
為了考察試劑用量對(duì)DIBAH引發(fā)格氏反應(yīng)的影響,我們進(jìn)一步選取苯基溴化鎂的合成反應(yīng)為研究對(duì)象,將金屬鎂的用量由大學(xué)有機(jī)合成教材推薦試劑量(0.6 g,25 mmol)[9],逐步增加至4.8 g(200 mmol),其他試劑用量按相同條件等比例增加,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1 采用DIBAH引發(fā)合成三苯甲醇的實(shí)驗(yàn)條件和產(chǎn)率
當(dāng)鎂的用量增加至2.4 g (100 mmol)時(shí),引發(fā)成功后,繼續(xù)滴加剩余的溴苯和四氫呋喃混合液,體系溫度逐步上升,反應(yīng)體系保持微沸狀態(tài)。當(dāng)鎂的用量增加至4.8 g (200 mmol)時(shí),滴加8 mL(約為總量的1/6)溴苯和四氫呋喃混合液即可引發(fā)格氏反應(yīng),盡管金屬鎂的用量顯著增加,但在繼續(xù)滴加溴苯和四氫呋喃混合液過(guò)程中升溫平緩,仍在安全可控范圍內(nèi)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,DIBAH作為引發(fā)劑,實(shí)驗(yàn)可控性較好、可靠性較高。
另外,擴(kuò)大試劑的用量,格氏反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率也逐步上升至90% (w)左右,且三苯甲醇的產(chǎn)率也得到了提升(超過(guò)80% (w),表1)。這可能是因?yàn)?,隨著溶劑四氫呋喃用量的增加,格氏反應(yīng)生成的苯基溴化鎂能快速溶解,進(jìn)一步促進(jìn)新鮮金屬鎂與溴苯的反應(yīng)。綜上所述,在一定試劑用量條件(< 200 mmol金屬鎂)下,DIBAH均能有效引發(fā)格氏反應(yīng),且反應(yīng)過(guò)程安全可控,具備實(shí)驗(yàn)室可操作性。
格氏試劑親核性較強(qiáng),反應(yīng)活性高,遇少量水即分解,能被空氣氧化,或者發(fā)生分子間脫鹵等副反應(yīng)[5]。苯基溴化鎂與苯甲酸乙酯反應(yīng)合成三苯甲醇,具有以下特點(diǎn):(1) 反應(yīng)原料(溴苯、苯甲酸乙酯等)、產(chǎn)物(三苯甲醇)及副產(chǎn)物(聯(lián)苯、苯酚)等均具有較高的沸點(diǎn)(>120 °C),易于濃縮進(jìn)行核磁分析;(2) 上述化合物的核磁共振氫譜(1H NMR)具有相對(duì)獨(dú)立的特征峰(表2)[13]。因此,采用核磁共振氫譜,可分析上述反應(yīng)的產(chǎn)物和副產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和含量。
表2 三苯甲醇合成反應(yīng)相關(guān)化合物的物理性質(zhì)和核磁共振氫譜化學(xué)位移
以DIBAH引發(fā)合成苯基溴化鎂為例,分析粗產(chǎn)物的核磁氫譜解析過(guò)程。如圖4a所示,以丙酮(約0.02 g)為內(nèi)標(biāo)的三苯甲醇粗品的核磁氫譜,以氘代二甲基亞砜(DMSO-d6)為溶劑,不僅能夠較好地溶解反應(yīng)粗產(chǎn)物,同時(shí)能有效區(qū)分殘留溶劑峰(δ 2.5)、水峰(δ 3.3)與產(chǎn)物/副產(chǎn)物出峰。內(nèi)標(biāo)丙酮的甲基特征峰為δ 2.0,獨(dú)立于其他化合物,可用作定量分析。反應(yīng)原料溴苯和苯甲酸乙酯的定量分析,主要依靠不同化合物苯環(huán)碳?xì)涞奶卣鞣逦恢么_定。圖4b展示了粗產(chǎn)物和苯甲酸乙酯標(biāo)準(zhǔn)樣的對(duì)比譜圖。如圖4b所示,苯甲酸乙酯結(jié)構(gòu)中,與酯基相連的鄰位氫(=C(―C(=O)O―)―CH=,1號(hào)位,圖4)的特征峰位于δ 7.9,不與其他化合物重疊。以丙酮為基準(zhǔn),未反應(yīng)的苯甲酸乙酯含量為19% (w)。此外,苯基溴化鎂的理論摩爾量與苯甲酸乙酯投料量相同,因此,可以通過(guò)未反應(yīng)的苯甲酸乙酯的含量推算格氏反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。以DIBAH為引發(fā)劑,其轉(zhuǎn)化率為81% (w)。
圖4c展示了粗產(chǎn)物和溴苯標(biāo)準(zhǔn)樣的1HNMR譜圖。如圖4c所示,溴苯分子結(jié)構(gòu)中鄰位氫(=C(―Br)―CH=,6號(hào)位,圖4)與苯甲酸乙酯結(jié)構(gòu)中間位氫特征峰重疊,但可以通過(guò)苯甲酸乙酯的鄰位氫扣除。因此,未反應(yīng)的溴苯含量為17%(w)。進(jìn)一步,在氫譜化學(xué)位移δ 7.32-7.19處,三苯甲醇顯示出相對(duì)獨(dú)立的多重信號(hào)峰,可計(jì)算其產(chǎn)率為54% (w)。另外,粗產(chǎn)物核磁氫譜在化學(xué)位移δ 7.77、7.49、7.41附近,出現(xiàn)的弱信號(hào)峰表明有少量聯(lián)苯(< 3% (w))等副產(chǎn)物生成。
圖4 (a)DIBAH引發(fā)合成三苯甲醇粗產(chǎn)物核磁氫譜;(b) 粗產(chǎn)物氫譜與苯甲酸乙酯標(biāo)準(zhǔn)氫譜;(c) 粗產(chǎn)物氫譜與溴苯標(biāo)準(zhǔn)氫譜;(d) 粗產(chǎn)物氫譜與三苯甲醇標(biāo)準(zhǔn)氫譜
表3對(duì)比了DIBAH和分子碘作為引發(fā)劑,合成三苯甲醇的產(chǎn)物和副產(chǎn)物含量。以DIBAH和分子碘作引發(fā)劑合成三苯甲醇時(shí),其粗產(chǎn)物中都含有部分未反應(yīng)完的原料,且生成了少量聯(lián)苯等副產(chǎn)物。但是,相較而言,DIBAH體系的格氏反應(yīng)轉(zhuǎn)化率(81% (w) (DIBAH) vs. 75% (w) (分子碘),表3)和三苯甲醇產(chǎn)率(54% (w) (DIBAH) vs. 46% (w) (分子碘),表3)更高。這可能是由于,DIBAH引發(fā)格氏反應(yīng)的可控性較好,體系溫度平穩(wěn),可以有效克服分子碘引發(fā),因溫度驟升所帶來(lái)的苯基溴化鎂分子間脫鹵等副反應(yīng),提升產(chǎn)物三苯甲醇的產(chǎn)率。
表3 采用DIBAH/分子碘引發(fā)合成三苯甲醇的粗產(chǎn)物組分分析
以正溴丁烷(n-C4H9Br)和金屬鎂反應(yīng),合成正丁基溴化鎂為對(duì)象,考察了二異丁基氫化鋁(DIBAH)和分子碘分別引發(fā)sp3雜化的碳鹵鍵(C―X)的格氏反應(yīng)的活性。由圖5a可知,DIBAH和分子碘均能較快引發(fā)正溴丁烷的格氏反應(yīng),DIBAH引發(fā)體系溫度上升更為平緩,引發(fā)過(guò)程最高溫度僅為40 °C,反應(yīng)可控性較高、安全性好。
與正溴丁烷體系相比,采用分子碘為引發(fā)劑,溴苯體系引發(fā)所需時(shí)間更長(zhǎng)(20 min (溴苯,圖3a)vs. 5 min (正溴丁烷,圖5a))。溴苯結(jié)構(gòu)中,與鹵素原子相連的碳原子為sp2雜化,具有平面三角形構(gòu)型(圖5b)。溴原子中的p軌道電子可與碳=碳雙鍵中的π電子形成p-π共軛效應(yīng),從而導(dǎo)致sp2雜化的C―Br鍵的鍵長(zhǎng)略短于sp3雜化的C―Br鍵(1.891 ? (1 ? = 0.1 nm) (溴苯,圖5b) vs. 1.947 ? (正溴丁烷,圖5c))、鍵能升高(297 kJ·mol-1(sp3C―Br) vs. 336 kJ·mol-1(sp2C―Br))[16]。因此,相同條件下,溴苯體系的反應(yīng)活化能高于正溴丁烷體系。由于分子碘清除金屬鎂表面鈍化層的效率不高,導(dǎo)致溴苯體系引發(fā)較為困難;另一方面,針對(duì)溴苯和正溴丁烷兩種體系,DIBAH的引發(fā)時(shí)間沒(méi)有顯著差異,且溫度均較為平穩(wěn)(圖3a和圖5a)。上述結(jié)果進(jìn)一步證實(shí),DIBAH對(duì)不同鹵代烴體系具有良好的可適用性。
圖5 (a) 采用不同引發(fā)劑合成正丁基溴化鎂的反應(yīng)溫度–時(shí)間變化曲線;(b) 溴苯和(c) 正溴丁烷的分子結(jié)構(gòu)
以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與傳統(tǒng)引發(fā)劑分子碘相比,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,選用二異丁基氫化鋁(DIBAH)為引發(fā)劑,開(kāi)展格氏試劑的合成反應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),具有以下優(yōu)勢(shì):
(1)以2 mol% DIBAH引發(fā)時(shí),反應(yīng)體系的溫度變化較為平緩,引發(fā)過(guò)程最高溫度也不超過(guò)反應(yīng)溶劑四氫呋喃的沸點(diǎn),且顯著低于分子碘的引發(fā)體系,有利于提高實(shí)驗(yàn)操作的安全性和可靠性;
(2) 以DIBAH為引發(fā)劑,能夠克服分子碘引發(fā)帶來(lái)的溫度驟升等問(wèn)題,減少烷基溴化鎂分子間的脫鹵等副反應(yīng),提高三苯甲醇的產(chǎn)率;
(3) DIBAH的適用范圍更廣,對(duì)于芳香族鹵代烴(如,溴苯)和脂肪族鹵代烴(如,正溴丁烷)均表現(xiàn)出較高的引發(fā)活性;
(4) 三苯甲醇粗產(chǎn)物的核磁氫譜存在部分峰重疊,較為復(fù)雜,但可根據(jù)原料和產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行對(duì)比解析,有利于提升有機(jī)化學(xué)專業(yè)的學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)技能。