綠色合成1-苯基-3-丁烯-1-醇實驗的微型化研究

蔣達洪,黃嘉明,劉雅倩,向 淇

(廣東石油化工學院 化學與生命科學學院，廣東 茂名 525000)

1 綠色化、微型化實驗思想概述

在基礎有機化學實驗教學中培養學生環保意識的重要性對于塑造未來合格的化學化工類人才是不言而喻的[1]。微型實驗將常量實驗的藥品使用量降低90%以上，能夠有效地減少廢棄有機污染物的排放[2]。此外，微型實驗所占空間小、省時、安全，能夠有效提高課堂教學效率，避免實驗事故發生，特別是當使用有毒或價格昂貴的試劑時，更能體現其優越性。微型實驗還由于產品量少，需要在分離、提純、轉移等過程中嚴格操作，避免產品損失，從而有利于培養學生一絲不茍、專注認真的科研態度。因此，實驗教學研究者對許多基礎有機化學實驗進行了微型化設計[3-6]。傳統有機反應對環境的污染在很大程度上來源于有機溶劑，以水代替有機溶劑可從源頭上減少對環境的污染，因而水相介質的反應逐漸成為綠色有機化學的重要研究方向[7]。

Barbier-Grignard反應是最常用的形成C—C鍵的方法之一，不僅在有機合成中具有廣泛用途，而且對于學生理解醛酮的性質、親核加成反應機理都具有重要作用[8]。傳統的Barbier-Grignard反應一般需要醚類作溶劑，并需要無水無氧操作，使其在基礎有機化學實驗教學中的應用受到限制。水相Barbier-Grignard反應具有很多優勢，近年來受到重視，相關研究報道很多[9-11]。由于其不需要無水無氧操作、使用的溶劑綠色環保，非常適合設計成為基礎有機化學實驗教學內容[12]。1-苯基-3-丁烯-1-醇可由苯甲醛與3-溴丙烯在金屬鋅促進下發生Barbier-Grignard反應制備，反應時間較短，產率較高，常被設計為學生實驗[13]。然而由于3-溴丙烯價格昂貴且具有一定刺激性，常量反應不宜在基礎有機實驗教學中開展。我們根據綠色化、微型化實驗思想對該反應進行了設計，大幅度減少了試劑用量，優化了實驗裝置，并采用薄層色譜法進行提純，保證了高產率，在實驗教學中收到了良好的效果。

2 實驗

2.1 實驗原理

在微酸性條件下，金屬鋅很容易與3-溴丙烯發生氧化加成而生成烯丙基鋅，后者與苯甲醛發生親核加成得到1-苯基-3-丁烯-1-醇鋅，然后在酸性條件下轉變為1-苯基-3-丁烯-1-醇，反應式見圖1。

圖1 Barbier-Grignard反應制備1-苯基-3-丁烯-1-醇

2.2 實驗儀器與試劑

儀器：燒杯，移液管，砂芯抽濾漏斗，大試管，磁力攪拌子，橡皮塞，分液漏斗，薄層色譜展開槽(20 cm×20 cm)，膠頭滴管，真空干燥器，紫外燈，旋轉蒸發儀。

試劑：鋅粉，鹽酸，蒸餾水，四氫呋喃，苯甲醛，3-溴丙烯，氯化銨，乙酸乙酯，石油醚，無水硫酸鈉，飽和食鹽水，硅膠板(20 cm×20 cm)。

2.3 實驗步驟：

鋅粉的活化：取2 g鋅粉，加入20 mL、1%的鹽酸，攪拌5 min，抽濾，依次用蒸餾水(10 mL/次，3次)、丙酮(10 mL/次，3次)洗滌，在真空干燥中常溫干燥30 min，放入干燥器中備用。

在配有磁力攪拌子的大試管中用移液管依次加入0.20 mL的苯甲醛(2 mmol)、4 mL飽和氯化銨溶液、0.8 mL四氫呋喃、0.26 mL 3-溴丙烯(3 mmol)、0.20 g已活化的鋅粉(3 mmol)，加完后在試管口套上橡皮塞封口；然后于室溫下攪拌反應，薄層色譜跟蹤(洗脫劑：石油醚與乙酸乙酯體積比為5∶1，紫外燈下觀察)至反應完全(約1 h);反應結束后，加入5 mL、3%的鹽酸淬滅反應，用乙酸乙酯(5 mL/次，3次)萃取；合并有機相并用飽和氯化鈉溶液洗滌1次后用無水硫酸鈉干燥，濾除干燥劑，在旋轉蒸發儀上蒸除溶劑得油狀粗產品；少量乙酸乙酯溶解粗產品，用管口塞有棉花的膠頭滴管吸取該溶液，全部涂點在20 cm×20 cm的硅膠板上，晾干；硅膠板放置于在展開槽中，以石油醚與乙酸乙酯體積比為5∶1的洗脫劑進行展開；刮下吸附了產品的硅膠帶，在砂芯抽濾漏斗中用甲醇洗下產品，收集洗脫液，旋轉蒸發儀上完全蒸去洗脫液，得純品；干燥、稱量，計算產率。用阿貝折光儀測定產品折射率，測定產品紅外光譜并與標準圖譜比較。

3 實驗結果與討論

3.1 產品分析

所得產品為無色液體，稱得質量為0.264 g，產率為89%。

將產品涂抹在制好的KBr壓片上，在紅外光譜儀上進行檢測，波數為3 365、3 069、2 918、1 644、1 495、1 450、1 051、991、912、754、700 cm-1.其中3 365 cm-1為羥基的O—H伸縮振動吸收，3 069 cm-1為SP2雜化碳的C—H伸縮振動吸收，2 918 cm-1為SP3雜化碳的C—H伸縮振動吸收，1 644 cm-1為C=C伸縮振動吸收，1 495 cm-1、1 450 cm-1為苯環骨架振動吸收，1 051 cm-1可能為醇的C—O伸縮振動吸收，991 cm-1、912 cm-1表明有單取代類型烯烴結構，754 cm-1、700 cm-1為苯環的SP2雜化碳C—H面外變形振動吸收。

引導學生分析所得產品的折射率、紅外光譜數據，并通過查閱文獻資料進行對比，確認所合成產品為1-苯基-3-丁烯-1-醇。

3.2 金屬促進劑的選擇與處理

水相Barbier-Grignard反應有很多方法報道，通過查閱文獻，我們選擇價廉易得的Zn粉作為金屬促進劑。在最初的實驗中直接使用未經處理的鋅粉，結果未見有1-苯基-3-丁烯-1-醇生成。可能是因為鋅粉表面覆蓋的氧化物阻止了反應進行。為了清除鋅粉表面的氧化物，對鋅粉預先用鹽酸進行洗滌活化，再用蒸餾水洗去鹽酸，最后用丙酮洗去蒸餾水以便于干燥。當使用新鮮活化的鋅粉時，反應按預期順利進行。在課堂教學中，對鋅粉的活化因為比較費時，可在課前由教師統一操作，放于干燥器中供學生取用。

3.3 反應容器的設計

常量實驗通常使用燒瓶作為反應容器，限于實驗室空間和攪拌器，一般2～3名學生為一個小組進行實驗。在微型實驗中，我們希望設計為1人一組，達到鍛煉每一名學生的目的。基于此，我們將反應容器改為大試管，這樣可以將4～6支試管用橡皮筋綁在一起放于一個攪拌器中進行反應，管口加以橡皮塞密封可以充分防止苯甲醛的氧化。

3.4 反應溶劑的設計與優化

水是一種綠色溶劑，水相中的Barbier-Grignard反應已經有很多報道。為了培養學生的環保意識，我們首先考慮以水為溶劑進行實驗設計，采用氯化銨的飽和水溶液為反應體系。然而，實驗過程中發現反應底物不溶于飽和氯化銨溶液，攪拌下形成乳濁液，需要5 h才能完全反應。為了縮短反應時間，我們分別嘗試了加入相轉移催化劑Bu4NBr和助溶劑四氫呋喃。薄層色譜監測發現，加入四氫呋喃(溶劑和助溶劑體積比為5∶1)效果最好，常溫下攪拌1 h即可反應完全。

3.5 提純方法的設計

常量實驗采用減壓蒸餾提純1-苯基-3-丁烯-1-醇，在微型實驗中由于試劑用量少，減壓蒸餾的提純方法會導致產品損失的相對量很大，甚至得不到產品。因此，必須設計低損耗的提純手段。制備薄層色譜提純法效率高、樣品損耗小，已經在科研中廣泛使用。本實驗選取制備薄層色譜法進行提純，不僅解決了微型反應提純難的問題，也有利于使學生實驗更接近真實的科研實驗。

根據本實驗產物質量，選擇了商品化的20 cm×20 cm硅膠GF254制備薄層色譜板，能夠達到提純要求。

3.6 微型實驗與常量實驗效果比較

我們將設計的微型化制備1-苯基-3-丁烯-1-醇實驗在基礎有機化學研究性實驗教學中進行了嘗試，對實驗效果進行了比較。具體做法是：在30名學生的實驗教學班中，一半學生采用常量實驗制備1-苯基-3-丁烯-1-醇，另一半學生采用本文設計的微型實驗。結果見表1。

表1 微型實驗與常量實驗的效果比較

采用常量實驗學生的產率普遍較低，說明在產品轉移、提純過程中損失較大，并不能反映實驗的真實產率。微型實驗由于采用柱色譜提純，在產品純度方面更具優勢。薄層色譜監測發現，微型實驗的產品只顯示1個點，而常量實驗的產品除了主點之外，還顯示了2個次點。

4 結論

本文將制備1-苯基-3-丁烯-1-醇的Barbier-Grignard反應設計為微型化、水相介質中進行的綠色合成實驗并應用于基礎有機化學實驗教學。采用大試管代替傳統的燒瓶，一臺攪拌器可同時進行多個實驗，能有效節省實驗室空間，使更多學生得到訓練。運用制備薄層色譜進行產品純化，較常量實驗的減壓蒸餾提純法產率高、純度好，讓學生更接近科研實驗。本實驗作為微型實驗和綠色合成，有利于降低實驗室污染、培養學生環保意識。

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