輔酶催化安息香縮合反應的實驗探討

李中華 白亦窮

(華中師范大學化學學院 湖北武漢430079)

芳香醛在乙醇-水溶液中發生雙分子縮合，生成1,2-二苯基羥乙酮即安息香(benzoin)的反應稱為安息香縮合反應。安息香縮合在化學工業和藥物合成等方面有廣泛的應用[1]，如抗癲癇藥物二苯基乙內酰脲以及二苯基乙二酮、二苯基乙二酮肟、乙酸安息香等制備都用到此反應。我院開設的中級有機化學實驗，以苯甲醛為原料，經安息香縮合、氧化和重排多步反應制備二苯羥乙酸，其中安息香縮合是關鍵步驟。以前使用劇毒的氰化物為催化劑極為不便[2]，近年改用輔酶(維生素B1)作催化劑[3-4],價廉易得，操作安全，效果良好，但實驗中產率較低或有時得不到產品，影響后續實驗的進行。我們經過多次試驗探討，在實驗中采用四丁基溴化銨作為相轉移催化劑，通過控制反應體系的pH和反應溫度，安息香產率在70%以上，實驗成功率亦大大提高。安息香縮合反應式為：

1 試劑與儀器

苯甲醛(CP)、維生素B1(CP)、四丁基溴化銨(AR)和NaOH(AR)均為國藥集團化學試劑有限公司產品；95%乙醇(AR)，天津市東麗天大化學試劑廠；XT4A型顯微熔點測定儀，上海荊和分析儀器有限公司，溫度未校正。

2 實驗步驟

在100mL圓底燒瓶中加入1.7g(5mmol)維生素B1、0.2g四丁基溴化銨和4mL水，溶解后加入15mL 95%乙醇。將燒瓶置于冰水浴中冷卻，同時取3mL 10% NaOH溶液于一試管中，也置于冰浴冷卻，在冰浴中將NaOH液在5min內邊搖動邊逐滴加入反應燒瓶，然后加入10.6g(100mmol)新蒸苯甲醛，裝上回流冷疑管于70～80℃水浴上加熱90min，保持反應液pH=8～9，反應液呈橘黃色，經冷卻后析出白色晶體，抽濾，用2×25mL冷水洗滌，干燥得產品7.6g(72%)，熔點：132～134℃，用95%乙醇重結晶得白色針狀結晶，熔點：134～136℃。

3 結果討論

(1) 安息香縮合原指以氰化鈉(鉀)為催化劑的碳負離子對羰基的親核加成反應，其反應機理見圖1。

我們知道酶可以使有些反應更加巧妙、更加有效并且在更溫和的條件下進行。維生素B1是一種輔酶，又稱硫胺素或噻胺(thiamine)，它常作為生物化學反應的催化劑，在生命過程中起重要作用，主要對α-酮酸脫羧和形成偶姻(α-羥基酮)等3種酶促反應發揮輔酶的作用。其結構見圖2。

輔酶分子中噻唑環C2上的質子由于受氮和硫原子影響，具有酸性，在堿的作用下容易脫除質子，產生的碳負離子與芳醛的羰基加成，最終形成苯偶姻產物，反應機理見圖3。

圖1 氰離子催化安息香縮合反應機理

圖2 輔酶的結構式

圖3 輔酶催化安息香縮合反應機理

(2) 輔酶催化安息香縮合反應對pH的要求很高，否則產率較低甚至難得到產品。該反應在堿性條件下進行，pH在8～9為宜。由于維生素B1通常為鹽酸鹽，如果pH較低，不能形成碳負離子，則無法進行反應。隨著反應進行，會導致pH發生變化，所以反應進行一段時間后應檢查和調節pH，若pH過低需要適當補加堿液，但如果pH過高(大于10)，維生素B1中噻唑環容易被破壞，或發生苯甲醛歧化等副反應，將難得到所需產品。

相轉移催化劑通常可以大大加快油水兩相反應的速度。本實驗在水相產生的碳負離子容易水解，難以起到催化作用，加入相轉移催化劑可將碳負離子從水相迅速轉移至有機相苯甲醛中，避免與水的作用，從而促進縮合反應進行。安息香縮合是一個經典的有機化學反應，我們在苯甲醛、維生素B1和NaOH用量不變，反應溫度為70～80℃條件下，考察了相轉移催化劑對反應的影響(表1)。結果表明，四丁基溴化銨用量對反應產率有很大影響，不用時反應產率比較低，加入少量則反應速度和產率均有顯著提高，其用量為0.2g時反應效果比較好。

表1 四丁基溴化銨(TBAB)對反應產率的影響

反應溫度對實驗也有影響，但沒有pH的影響明顯。實驗中采取分段升溫法有利于提高反應效率。首先將維生素B1和NaOH溶液在冰浴中冷卻，加入苯甲醛之后，反應初期控制溫度70～75℃，約1h后再提高至80℃反應30min。

(3) 產品為白色針狀晶體，經測定其熔點為134～136℃，與文獻值[5]吻合。實驗中有時可能會出現白色油狀物，即尚未結晶的安息香產品，放置一段時間后可形成結晶；若pH低于8，加入少量堿有利于晶體析出。

4 結論

在輔酶催化安息香縮合反應中，四丁基溴化銨作為相轉移催化劑，可以有效地提高反應速度和產率。實驗表明，當苯甲醛和維生素B1用量為100mmol和5mmol時，四丁基溴化銨用量為0.2g，控制反應體系的pH為8～9，反應溫度70～80℃，安息香產率可達70%以上。

[1] 王汝龍,原正平.藥物.第4版.北京：化學工業出版社,2005

[2] Walter I,Buck J.OrganicReaction,1948,4:269

[3] 張功成,沈永雯,李小龍.大學化學,2001,16(3):49

[4] 張國升,程俊,孫玉亮,等.安徽中醫學院學報,2003,22(6):46

[5] 曾昭瓊.有機化學實驗.第3版.北京:高等教育出版社,1999