perkin反應(yīng)合成香豆素的研究

perkin反應(yīng)合成香豆素的研究

化學(xué)本質(zhì)上是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)。掌握良好的實(shí)驗(yàn)技能在化學(xué)知識(shí)的理解、掌握和應(yīng)用中起著重要作用。在一些開(kāi)放性有機(jī)合成的化學(xué)實(shí)驗(yàn)(實(shí)訓(xùn))中,需要學(xué)生自己動(dòng)手查閱相關(guān)資料,整理合成路線(xiàn)和合成方法。但即便是文獻(xiàn)資料上報(bào)道的合成路線(xiàn)或方法,要想在實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)卻絕非易事。究其原因,大部分是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件、對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解以及個(gè)人的實(shí)驗(yàn)技能等多方面原因所造成的。因此,選擇那些實(shí)驗(yàn)技能強(qiáng),而項(xiàng)目本身難度不是很大,很值得學(xué)生反復(fù)玩味的實(shí)驗(yàn),對(duì)學(xué)生技能的培養(yǎng)尤為重要。以Perkin法香豆素的合成為例,雖然合成相對(duì)簡(jiǎn)單,但由于反應(yīng)收率較低(40%～70%),實(shí)驗(yàn)需要的技能較強(qiáng),稍有不慎實(shí)驗(yàn)將不能成功。這里,筆者就實(shí)驗(yàn)室利用Perkin反應(yīng)合成香豆素的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步的探析,希望能對(duì)開(kāi)放性的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)及此類(lèi)化合物的合成有所裨益。1化合物的合成Perkin反應(yīng),又稱(chēng)普爾金反應(yīng),一般是指不含有α-H的芳香醛(如苯甲醛)在強(qiáng)堿弱酸鹽(一般為相應(yīng)羧酸的鹽等)的催化下,與含有α-H的酸酐(如乙酸酐、丙酸酐等)所發(fā)生的縮合反應(yīng),并生成α,β-不飽和羧酸鹽,后者經(jīng)酸性水解即可得到α,β-不飽和羧酸。采用水楊醛、乙酸酐和乙酸鈉作原料,通過(guò)Perkin反應(yīng)合成香豆素,反應(yīng)式如圖1所示。由于乙酸鈉堿性較弱,常用乙酸鉀來(lái)代替。其公認(rèn)的反應(yīng)機(jī)理如圖2所示(以乙酸鉀為催化劑)。堿性催化劑羧酸鹽離解產(chǎn)生羧酸負(fù)離子,如CH3COOK離解產(chǎn)生的CH3COO-,羧酸負(fù)離子CH3COO-與酸酐作用,奪去酸酐中α-碳原子上的一個(gè)氫原子,形成一個(gè)羧酸酐碳負(fù)離子,羧酸酐碳負(fù)離子作為親核試劑與醛基發(fā)生親核加成生成中間體(a),經(jīng)中間體(b)進(jìn)行水解后,生成β-芳基-α,β-不飽和酸(c),再經(jīng)內(nèi)酯化制得香豆素。2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1乙酸酐的用量由反應(yīng)歷程看,每生成1分子香豆素,需要脫除2分子水(生成雙鍵和內(nèi)酯化),其中1分子水和原料乙酸酐作用生成乙酸,因此乙酸酐的理論用量應(yīng)為水楊醛的2倍左右。一般情況下,為使水楊醛充分反應(yīng),乙酸酐應(yīng)稍過(guò)量,故實(shí)際用量應(yīng)該略多一些。資料表明,在反應(yīng)初期,若乙酸酐量過(guò)少,過(guò)量的水楊醛會(huì)發(fā)生二聚副反應(yīng),生成二聚水楊醛。而過(guò)多的乙酸酐,會(huì)導(dǎo)致生成水楊醛三乙酸酯的副反應(yīng)加劇,從而使香豆素的收率下降。因此在起始物料配比上,應(yīng)考慮水楊醛與乙酸酐的合適比例。2.2反應(yīng)中乙酸酐含量的影響Perkin反應(yīng)溫度一般需要150～200℃。反應(yīng)溫度過(guò)高,將會(huì)發(fā)生脫羧和消除反應(yīng),生成烯烴。溫度過(guò)低,將造成脫羥基困難,香豆素產(chǎn)率下降。因反應(yīng)原料乙酸酐的沸點(diǎn)為138.6℃(水楊醛為197℃),要想控制反應(yīng)在150～200℃進(jìn)行,則體系中乙酸酐的含量不能太多,否則將導(dǎo)致乙酸酐回流而使反應(yīng)溫度無(wú)法升至150℃以上。另一方面,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,體系中乙酸的含量將越來(lái)越高。如乙酸不能及時(shí)消除(或排出體系),由于乙酸的沸點(diǎn)較低(117.9℃),將使得反應(yīng)的溫度遠(yuǎn)低于150℃。因此,反應(yīng)過(guò)程中必須將這部分乙酸及時(shí)排出反應(yīng)體系。2.3反應(yīng)保護(hù)因水楊醛分子結(jié)構(gòu)中含有較活潑的羥基和醛基,溫度較高時(shí)容易發(fā)生氧化和其他副反應(yīng),故反應(yīng)應(yīng)在保護(hù)氣體(N2)中進(jìn)行。2.4合成反應(yīng)溫度監(jiān)控實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。香豆素合成裝置由四口燒瓶、加樣管、N2進(jìn)氣裝置、攪拌、刺形分餾柱、Y形接頭、溫度計(jì)、分水器、空氣冷凝管、尾氣吸收裝置和油浴等組成。反應(yīng)瓶安裝量程為250℃溫度計(jì),對(duì)合成反應(yīng)溫度進(jìn)行監(jiān)控。采用機(jī)械攪拌(或磁力攪拌),加強(qiáng)傳熱和傳質(zhì)。設(shè)計(jì)要點(diǎn):(1)N2保護(hù)可以由恒壓加樣器入口處直接進(jìn)入系統(tǒng),不必在四口瓶口另外增加Y形管引入裝置;(2)設(shè)計(jì)刺形分餾柱目的在于更好地分離乙酸和乙酸酐,而分餾柱上的Y形接頭安裝的溫度計(jì)是為了在引出乙酸時(shí)實(shí)施監(jiān)控;(3)裝置中增加分水器,既可以在排乙酸時(shí)能夠排出乙酸(冷凝液),又可以在需要回流時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)回流(分水器下部的體積不宜過(guò)大);(4)保護(hù)氣在冷凝管出口引出至尾氣吸收裝置,不能直接排出大氣中。3實(shí)驗(yàn)部分3.1實(shí)驗(yàn)材料和預(yù)處理所有原料均為化學(xué)純?cè)噭?水楊醛、乙酸酐應(yīng)經(jīng)蒸餾處理,催化劑采用無(wú)水試劑,使用前烘干處理。3.2排酸、補(bǔ)料、冷卻、冷卻具體流程如下:加料→N2置換→升溫→135～145℃回流→排酸、補(bǔ)料→升溫→160～180℃回流→冷卻→加熱水混合→調(diào)pH→分液(油層)→結(jié)晶→過(guò)濾→粗產(chǎn)物→重結(jié)晶→香豆素3.3反應(yīng)物料為深紅色選擇無(wú)水乙酸鈉、無(wú)水碳酸鉀為催化劑,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1中,第一次實(shí)驗(yàn)參照文獻(xiàn)的方法,即在無(wú)N2保護(hù)的條件下進(jìn)行反應(yīng),當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)80℃時(shí),反應(yīng)物料顏色逐漸變黃,最后反應(yīng)物料為深紅色,與該文獻(xiàn)報(bào)道一致,但收率只有21.3%,比文獻(xiàn)中報(bào)道的40%要低。分析原因,可能是反應(yīng)溫度升高時(shí),物料的氧化副反應(yīng)明顯加劇而導(dǎo)致這樣的結(jié)果。為驗(yàn)證這一判斷,第二次實(shí)驗(yàn)時(shí),在相同的反應(yīng)條件下采用N2保護(hù),結(jié)果反應(yīng)物料的顏色變化明顯較淺,最后物料為棕紅色,但收率明顯提高,為46.1%。這就說(shuō)明了N2保護(hù)的有效性。為進(jìn)一步驗(yàn)證N2保護(hù)的有效性,第三次實(shí)驗(yàn)時(shí)采用了碳酸鉀作催化劑,同樣采用N2保護(hù),結(jié)果表明,反應(yīng)物料的顏色變化明顯好于前兩次實(shí)驗(yàn),而且產(chǎn)物的收率更高,達(dá)到57.7%。3.4對(duì)原料的加入要求(1)N2保護(hù)操作要點(diǎn)如下:反應(yīng)前,在加樣完畢后,應(yīng)通入N2排除裝置中的空氣,15min左右。特別要注意的是,分水器下方出水口也應(yīng)排氣。通入氣流速度不必太大,可以尾氣監(jiān)控其流速。必須注意的是,反應(yīng)過(guò)程中N2保持微量進(jìn)氣即可,否則會(huì)將原料帶出體系。也可以在反應(yīng)過(guò)程中關(guān)閉N2,利用反應(yīng)中自身的蒸汽保護(hù)。(2)乙酸鉀(或乙酸鈉)可溶于近沸點(diǎn)的乙酸酐溶液中,但當(dāng)乙酸酐反應(yīng)后,將會(huì)有部分催化劑以固體析出。故起始乙酸酐的量可以適當(dāng)多加一些,并適當(dāng)?shù)財(cái)嚢琛Ｒ宜狒殖蓛煞菁尤敕磻?yīng)體系中:一份加入到起始反應(yīng)物料中,這樣可避免反應(yīng)時(shí)乙酸酐量過(guò)多;另一份預(yù)先加入到加樣器中,反應(yīng)中餾出乙酸時(shí)同步加入,這樣可以保持對(duì)催化劑的溶解狀態(tài),這是操作的關(guān)鍵之一。(3)為了便于控制溫度且加熱速率平穩(wěn),最好使用油浴加熱。實(shí)在不具條件可以考慮電熱套空氣浴加熱。(4)反應(yīng)過(guò)程中如果催化劑析出,則攪拌速率不能太快,否則將會(huì)有部分固體物料會(huì)沾到反應(yīng)瓶壁上。(5)反應(yīng)結(jié)束后冷卻溫度要控制在80℃以上,否則反應(yīng)物料容易結(jié)塊,后處理不便。4perkin反應(yīng)是否要在80以上保護(hù)(1)在很多香豆素合成文獻(xiàn)中并沒(méi)有提及采取N2保護(hù)的問(wèn)題,但由本實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知,該P(yáng)erkin反應(yīng)需要在N2保護(hù)下進(jìn)行,對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明,如果沒(méi)有N2保護(hù),當(dāng)反應(yīng)在80℃以上時(shí),反應(yīng)物料顏色顯著變深,180℃以上時(shí)甚至發(fā)生碳化,導(dǎo)致反應(yīng)收率急劇下降。(2)關(guān)于實(shí)驗(yàn)裝置:實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)技能體現(xiàn)的關(guān)鍵所在。本裝置的成功之處在于能夠充分實(shí)施對(duì)Perkin反應(yīng)的控制設(shè)計(jì):其一,能在反應(yīng)過(guò)程中實(shí)施N2保護(hù);其二,能在不改變反應(yīng)裝置的