三苯基秘與三對(duì)甲苯基秘的合成*

陳 靜，何仕艷，蒲婭玲，謝 竹，唐 薇，黎鳳嬌

（四川文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，四川 達(dá)州 635000）

元素周期表的第六周期第VA族的元素是秘，原子序數(shù)為83。金屬秘具有優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)，它的密度大、原子半徑大、熔點(diǎn)低、電負(fù)性小、質(zhì)地柔軟，有利于制作保險(xiǎn)絲等易熔合金材料[1]。秘左右兩邊的元素分別是鉛與釙，鉛是重金屬，能夠阻擋放射性射線，具有耐腐蝕性、熔點(diǎn)低、韌性好、導(dǎo)電性能低等優(yōu)良性能，但是鉛及其化合物進(jìn)入人體后對(duì)消化、肝臟、中樞神經(jīng)等多個(gè)系統(tǒng)造成危害。釙是著名科學(xué)家居里夫人與丈夫在1898年發(fā)現(xiàn)的銀白色金屬，它主要通過人工合成得到，毒性非常強(qiáng)。秘有綠色金屬之稱，它有很多特殊的性質(zhì)，在生物醫(yī)藥、能源環(huán)境等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景。我國的秘儲(chǔ)量世界第一，主要分步在湖南、廣東、江西等地，其產(chǎn)量長(zhǎng)期居世界首位。秘及其化合物的毒性小，與同族元素氮、磷、砷、銻相比較，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響較弱，可以取代毒性大的金屬應(yīng)用于有機(jī)合成、醫(yī)藥、催化等領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)，一些秘類化合物具有較為強(qiáng)大的殺菌、消炎等藥物作用，可用于腹瀉、胃潰瘍、消化不良等疾病的治療，例如果膠秘、鋁酸秘等[2]。部分新型秘類化合物可以有效地抑制腫瘤，具有抗癌的功效，利用其成像性、載藥性等特點(diǎn)，可作為放射性藥劑用于診斷和治療[3-4]。

三芳基秘類化合物是比較穩(wěn)定的化合物，其中三苯基秘是重要的有機(jī)合成中間體與催化劑[5-6]。三苯基秘的合成方法主要使用格氏試劑與三氯化秘的金屬互換法，合成路線如圖1所示。使用嗅苯、鎂在無水乙醚溶液中制備格氏試劑，即苯基嗅化鎂，然后加入三氯化秘繼續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)完成后經(jīng)過一系列后續(xù)處理得到相應(yīng)的產(chǎn)物[7]。該反應(yīng)使用嗅苯為原料，用量大且成本較高，因此其他研究者探討使用氯苯來代替嗅苯合成三苯基秘[8]。合成方法如圖2所示，氯苯與鎂在無水乙醚溶液中制備苯基氯化鎂，然后加入三氯化秘發(fā)生金屬與格氏試劑的互換反應(yīng)，反應(yīng)完成后水解、萃取、干燥、過濾并除去溶液可以得到三苯基秘。

圖1 三苯基鉍的合成路線1Fig. 1 Synthetic route 1 of triphenylbismuth

圖2 三苯基鉍的合成路線2Fig. 2 Synthetic route 2 of triphenylbismuth

由于乙醚的沸點(diǎn)低，易揮發(fā)，而且易燃易爆，在格氏試劑的制備階段不容易控制反應(yīng)過程。有研究者使用四氫呋喃作為反應(yīng)溶劑對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，使用芳基嗅代物、鎂與三氯化秘或三氯化銻采取一鍋法合成三價(jià)有機(jī)秘、銻化合物[9]。合成方法如圖3所示。

圖3 三芳基鉍的合成Fig. 3 Synthesis of triarylbismuth compounds

以上的合成方法主要探討了三苯基秘的合成，對(duì)主要的反應(yīng)條件如反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響尚不明確。為了優(yōu)化合成條件，本文主要探討反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)三苯基秘與三對(duì)甲苯基秘產(chǎn)率的影響，探索有效可行的合成路線。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

DF-101S型集熱式加熱磁力攪拌器，河南予華儀器有限公司；101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；SHZ-D(III) 型循環(huán)水式真空泵，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；WFH-204B型手提式紫外分析儀，杭州齊威儀器有限公司；JY501B型電子天平，上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海賢德實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；RY-1G熔點(diǎn)儀，天津光學(xué)儀器廠；Bruker Avance 500 MHz核磁共振儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

嗅苯、對(duì)嗅甲苯、四氫呋喃、三氯化秘，均為分析純，上海麥克林生化科技股份有限公司；乙醚、甲醇、硫酸鎂、碘粒（均為分析純），鎂條（化學(xué)純），成都科隆化學(xué)品有限公司。

1.3 合成路線（圖4）

圖4 三苯基鉍與三對(duì)甲苯基鉍的合成Fig. 4 Synthesis of triphenylbismuth and tri-p-tolylbismuth

1.4 合成步驟

格氏試劑的制備需要在無水的條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)儀器使用前在烘箱內(nèi)烘干1h。將250mL的三頸圓底燒瓶安裝在磁力攪拌器中，分別安裝回流冷凝管和滴液漏斗，在回流冷凝管上口安裝無水氯化鈣干燥管。稱取1.2g（0.05moL）除去氧化膜的鎂條，加入250mL的三頸燒瓶?jī)?nèi)，取20mL的無水四氫呋喃以及5.4mL（0.05moL）的嗅苯加入滴液漏斗中。將滴液漏斗中的四氫呋喃和嗅苯混合溶液部分滴加至三頸燒瓶?jī)?nèi)，幾分鐘后可觀測(cè)到溶液微沸，控制滴加的速度繼續(xù)滴加剩余的混合液，保持反應(yīng)液微沸的狀態(tài)。滴加完成后，在80℃油浴下加熱攪拌30min，使鎂屑盡量反應(yīng)完全生成苯基嗅化鎂。

將三頸圓底燒瓶取出油浴鍋，冷卻至室溫。然后將三頸燒瓶置于冰水浴中冷卻數(shù)分鐘，在攪拌下加入四氫呋喃和4.73g（0.015moL）三氯化秘的混合液，溶液立即由淺黑色變?yōu)樯罹G色，攪拌數(shù)分鐘后在設(shè)定溫度下加熱一定時(shí)間使反應(yīng)完全。加熱完成后將三頸圓底燒瓶置于冰水浴中，在攪拌下加入40mL的飽和氯化銨溶液，分解混合物。靜置后抽濾，用分液漏斗分出有機(jī)層，水層用10mL乙醚萃取兩次，合并有機(jī)層加入適量無水硫酸鈉干燥。將干燥后的濾液倒入圓底燒瓶使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)溶劑，冷卻后燒瓶?jī)?nèi)加入適量甲醇，靜置后抽濾、洗滌，干燥后得到白色晶體三苯基秘。表征數(shù)據(jù)如下：

三苯基秘：mp：76～78 ℃；1H NMR(500MHz, CDCl3)：δ7.71(d,J= 10.0Hz, 6H), 7.31(t,J= 7.5Hz, 6H), 7.22(t,J= 5.0Hz, 3H)；13C NMR(125MHz, CDCl3)：δ155.52，137.86，130.82，128.06。數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[9-10]基本相同。

三對(duì)甲苯基秘的合成步驟與三苯基秘基本相同，得到白色晶體。表征數(shù)據(jù)如下：

三對(duì)甲苯基秘：mp： 116～118 ℃ ；1H NMR（500 MHz, CDCl3）：δ7.69（d,J= 5.0Hz, 6H）, 7.25（d,J= 5.0Hz, 6H）, 2.37（s, 9H）；13C NMR（125MHz,CDCl3）：δ151.16，137.56，137.36，131.30，21.52。數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[9-10]基本相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 三苯基鉍合成條件的優(yōu)化

2.1.1 反應(yīng)溫度的篩選

其他反應(yīng)條件不變，保持苯基嗅化鎂與三氯化秘的反應(yīng)時(shí)間為3h，考察反應(yīng)溫度對(duì)三苯基秘產(chǎn)率的影響。從表1可以看出，三苯基秘的產(chǎn)率隨著反應(yīng)溫度的升高而發(fā)生變化，反應(yīng)溫度為80℃時(shí)，三苯基秘的產(chǎn)率僅為23%，當(dāng)反應(yīng)溫度上升為95℃時(shí)產(chǎn)物的產(chǎn)率可以達(dá)到52%，當(dāng)反應(yīng)溫度為100℃時(shí)產(chǎn)物的產(chǎn)率為45%。因此，反應(yīng)溫度在95℃時(shí)得到的產(chǎn)率最佳。

表1 反應(yīng)溫度對(duì)三苯基鉍產(chǎn)率的影響Table 1 The effect of reaction temperature on the yield of triphenylbismuth

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間的篩選

其他條件不變，保持反應(yīng)溫度為95℃時(shí)，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)三苯基秘產(chǎn)率的影響。從表2可以看出，改變反應(yīng)時(shí)間三苯基秘的產(chǎn)率會(huì)隨之發(fā)生變化。反應(yīng)時(shí)間為2h時(shí)三苯基秘的產(chǎn)率僅為18%，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為3h時(shí)產(chǎn)物產(chǎn)率增加到52%，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間為4h和5h時(shí)，產(chǎn)物的產(chǎn)率下降，副產(chǎn)物增加。因此，反應(yīng)時(shí)間為3h時(shí)得到的產(chǎn)率最佳。

表2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)三苯基鉍產(chǎn)率的影響Table 2 The effect of reaction time on the yield of triphenylbismuth

由于該反應(yīng)需要在無水的條件進(jìn)行，所有儀器都需要充分干燥，極少量的水也會(huì)抑制反應(yīng)的進(jìn)行，并分解已生成的格氏試劑，進(jìn)而影響下一步的反應(yīng)，而且整個(gè)反應(yīng)在無氮?dú)獗Ｗo(hù)情況下進(jìn)行，因此三苯基秘的產(chǎn)率低于文獻(xiàn)值[9-10]。

2.2 三對(duì)甲苯基鉍合成條件的優(yōu)化

將原料中的嗅苯換變?yōu)閷?duì)嗅甲苯，按照1.4合成步驟，其他條件不變，保持對(duì)甲苯基嗅化鎂與三氯化秘的反應(yīng)時(shí)間為3h時(shí)，考察反應(yīng)溫度對(duì)甲苯基秘產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表3。

表3 反應(yīng)溫度對(duì)三對(duì)甲苯基鉍產(chǎn)率的影響Table 3 The effect of reaction temperature on the yield of tri-p-tolylbismuth

從表3可以看出，三對(duì)甲苯基秘的產(chǎn)率隨著反應(yīng)溫度的升高而發(fā)生變化，反應(yīng)溫度為80℃時(shí)，三對(duì)甲苯基秘的產(chǎn)率為44%，當(dāng)反應(yīng)溫度上升為90℃時(shí)產(chǎn)物的產(chǎn)率可以達(dá)到63%，當(dāng)反應(yīng)溫度為100℃時(shí)產(chǎn)物的產(chǎn)率為53%。因此，反應(yīng)溫度在90℃時(shí)得到的產(chǎn)率最佳。對(duì)嗅甲苯中由于甲基的給電子效應(yīng)，與嗅苯相比最終產(chǎn)物的產(chǎn)率上升，反應(yīng)溫度則有所下降。

此外，其他條件不變的情況下，保持反應(yīng)溫度為90℃時(shí)，考察了反應(yīng)時(shí)間（2h、3h和4h）對(duì)三對(duì)甲苯基秘產(chǎn)率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間為3h時(shí)得到的產(chǎn)率最佳，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致副產(chǎn)物增多，產(chǎn)率下降。

3 結(jié)論

通過三苯基秘的反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間的探索，明確了最優(yōu)反應(yīng)條件，當(dāng)反應(yīng)溫度為95 ℃時(shí)，反應(yīng)3h得到的三苯基秘產(chǎn)率為52%。在此基礎(chǔ)上三對(duì)甲苯基秘的反應(yīng)條件也進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，反應(yīng)溫度為90℃時(shí)，反應(yīng)3h得到的三對(duì)甲苯基秘產(chǎn)率可達(dá)到63%。該反應(yīng)路線簡(jiǎn)單，反應(yīng)時(shí)間短，產(chǎn)物的產(chǎn)率較高。由于苯環(huán)上的碳原子與秘原子直接成鍵，因此苯環(huán)上不同取代基的電子效應(yīng)對(duì)三芳基秘化合物的物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。今后會(huì)探討不同三芳基秘的合成方法，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，明確不同配體對(duì)中心秘原子的配位作用，為有機(jī)秘化合物的基礎(chǔ)研究提供理論依據(jù)。