一個綜合化學實驗：肉桂醛一步法合成肉桂腈*

馬小云，饒燕霞，趙 君，周 玫

(1 貴州師范學院化學與材料學院，貴州 貴陽 550018；2 貴州省教育廳功能有機分子特色重點實驗室，貴州 貴陽 550018)

隨著科學技術的迅速發(fā)展，社會對人才的需求程度越來越高，而化學作為一門基礎的自然學科，在培養(yǎng)21世紀人才中起著非常重要的作用。近年來，隨著大學本科生培養(yǎng)目標及就業(yè)趨勢的變化，對學生實驗實際操作能力的要求越來越高[1]。綜合化學實驗是針對化學專業(yè)本科高年級學生開設的一門實驗選修課程[2]，一般是在學生已經掌握了一定的實驗基本原理和基本方法后開設，要求學生運用化學理論、實驗方法和實驗技能來解決實驗中遇到的實際問題，綜合實驗對學生掌握知識的深度要求更高。開設綜合實驗使學生能完成一項完整的科學實驗工作，了解科學研究的基本過程，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，提高學生的動手能力和操作技能[3]。此外，綜合化學實驗也是深化實驗教學改革，提高實驗教學質量的良好途徑[4]。

肉桂腈是一種優(yōu)良的人工合成香料，微黃色的液體，香氣很像天然肉桂，具有強烈的辛香花香[5]。肉桂腈在堿性介質中顯示出強度高、性能穩(wěn)定、持久性好的優(yōu)點，對皮膚無刺激和過敏作用，是肉桂油及肉桂醛的理想替代品，廣泛應用于日用香料中[6-7]。肉桂腈具有芳香基團和反應活性高的α,β-不飽和腈結構，可進行加成、還原、傅克等反應，因此在醫(yī)藥、精細化工領域也得到廣泛的運用。

肉桂腈的合成方法較多，如微波輻射加熱法[8]、乙酸酐脫水法[9]、相轉移催化法[10]、無溶劑條件下氧化鋅催化法[11]、KOH-TBAB堿相轉移催化脫水法[12]等合成方法。目前大學開設的綜合化學實驗課程中，涉及肉桂腈制備的實驗還未見。

本論文結合綜合化學實驗的特點設計一個可行、合理的肉桂腈合成綜合實驗。以肉桂醛作底物、醋酸銅作催化劑，采用一步法、兩步法制備香料肉桂腈，通過兩種實驗方法比較研究，選擇一步法合成肉桂腈作為綜合化學實驗方案。一步法以肉桂醛為原料、醋酸銅為催化劑、乙腈為溶劑制備香料肉桂腈，該方法合成肉桂腈具有一定的新穎性，未見完全相同的文獻報道。

1 設計實驗方法

1.1 肉桂腈的制備

1.1.1 兩步法制備肉桂腈

肉桂醛肟的制備：在250 mL的三口瓶內加入肉桂醛(6.6 g，0.05 mol)，鹽酸羥胺(4.2 g，0.06 mol)，35 mL冰水，35 mL無水乙醇，在冰水浴下逐滴滴加20 mL 16%的氫氧化鈉溶液，滴加過程中控制溫度不超過20 ℃，加完后，體系升溫至常溫反應1 h，燒瓶中出現大量固體。選擇合適的展開劑(乙酸乙酯與石油醚體積比為1:15)，取樣溶解后用TLC判斷反應是否完全。反應完全后，再加入100 mL水，抽濾，濾餅用100 mL水洗滌。干燥，得肉桂醛肟5.1 g，產率69.4%。

肉桂腈制備：在250 mL三口燒瓶內加入制備的肉桂醛肟(5.1 g，0.035 mol)，乙酸銅(0.346 g，0.05 equiv)及50 mL乙腈，反應1 h，選擇合適的展開劑(乙酸乙酯與石油醚體積比為1:15)，通過TLC判斷反應是否完全。反應完全后，待自然冷卻至室溫，先用旋轉蒸發(fā)器將乙腈蒸除，加入50 mL乙酸乙酯和50 mL飽和食鹽水，收集有機層并用50 mL飽和食鹽水洗滌。有機層用無水氯化鈣干燥、過濾，然后進行常壓蒸餾，收集245 ℃以上的餾分，得到黃色油狀的肉桂腈，質量為3.17 g，產率為70.87%。兩步反應的總產率為49.18%，阿貝折射儀測定折光率為1.5986。

1.1.2 一步法制備肉桂腈

在250 mL的三口燒瓶內加入肉桂醛(6.6 g，0.05 mol)，鹽酸羥胺(4.2 g，0.06 mol，1.2 equiv)，乙酸銅(0.5 g，0.0025 mol，0.05 equiv)，無水乙酸鈉(4.92 g，0.06 mol，1.2 equiv)及50 mL乙腈，加畢，固定回流裝置，升溫反應 2 h，選擇合適的展開劑(乙酸乙酯與石油醚體積比為1:15)，用硅膠板進行點板，TLC判斷反應是否完全，待肉桂醛肟全部消失后，自然冷卻至室溫，先用旋轉蒸發(fā)儀將溶劑蒸除，加入50 mL乙酸乙酯和50 mL飽和食鹽水，收集有機層并用50 mL飽和食鹽水洗滌。有機層用無水氯化鈣進行干燥，過濾。然后進行常壓蒸餾，收集245 ℃以上的餾分，得到淡黃色油狀的肉桂腈，質量為3.58 g，產率為55.5%，阿貝折射儀測定折光率為1.6019。

1.1.3 肉桂酸的氣相純度。

氣相色譜儀型號為Agilent 7820A，毛細管柱型號為：HP-5，產品溶解在甲苯中，其它分析條件參照文獻[5]。對兩步法和一步的產品進行純度檢測，通過與標準品(阿拉丁生物試劑有限公司)進行對比，得出肉桂腈出峰時間。兩步法的產品純度為85.3%，一步法產品純度98.2%。導致兩步法產品純度低的原因可能是其第二步反應的溶劑沒有做無水處理，催化劑銅鹽的存在使整個反應體系顯弱酸性，醛肟在弱酸性條件下部分水解為肉桂醛。產品的氣相譜圖如圖1和圖2所示。

圖1 兩步法合成肉桂腈的氣相色譜圖Fig.1 GC of cinnamonitrile synthesised by two steps

圖2 一步法合成肉桂腈的氣相色譜圖Fig.2 GC of cinnamonitrile synthesised by one step

1.2 實驗結果與討論

表1 兩種方法的比較Table 1 Comparison of the two methods

經實驗可知，一步法制備肉桂腈的產率和純度優(yōu)于兩步法。合成肉桂腈時，后處理如萃取、抽濾、蒸餾等都使產物有一定損失，特別是在蒸餾時，蒸餾瓶和冷凝管附有較多的產品，使得上述兩種合成方法的產率相對不高。

在實驗整個過程中，兩步法的所用時間要更長一些，特別是肉桂醛肟的干燥需要較長的時間，干燥不徹底會影響后一步的反應結果。在實驗操作上，兩步法涉及操作相對要略多一些，一步法涉及的操作包括稱量、回流、薄層色譜(TLC)、減壓蒸餾、萃取、干燥、常壓蒸餾、氣相色譜檢測產品純度。兩步法除上述實驗基本操作外，還涉及抽濾、固體干燥等。綜合實驗的產率、時間、實驗操作的比較結果，結合設計學生教學實驗的要求，選擇一步法作為綜合實驗中肉桂腈的合成方法更為合理。

2 設計實驗教學

2.1 實驗目的

(1)學習肉桂醛一步法合成香料肉桂腈的原理及方法。

(2)學會旋轉蒸發(fā)器、阿貝折射儀、三用紫外分析儀、氣相色譜儀的使用。

(3)熟悉回流、蒸餾、萃取的操作。

(4)掌握TLC判斷反應的終點及展開劑的選擇。

2.2 實驗原理

圖3 肉桂腈反應機理Fig.3 Reaction mechanism cinnamonitrile synthesis

羥胺是一種堿性化合物，不穩(wěn)定，一般將羥胺制成鹽酸鹽，是為了防止被空氣氧化，便于保存，在需要羥胺參加反應時，用堿將鹽酸羥胺中的羥胺游離出來，與醛發(fā)生反應[13]。

乙酸鈉是弱堿，鹽酸羥胺與其發(fā)生反應后生成游離的羥胺，羥胺與肉桂醛先發(fā)生親核加成，加成物不穩(wěn)定，脫水生成肉桂醛肟，既發(fā)生肟化反應。在乙腈作為溶劑，乙酸銅作催化劑下，使肉桂醛肟再發(fā)生脫水反應，得到肉桂腈，可能的反應機理如圖3所示。

2.3 實驗儀器和試劑

2.3.1 實驗儀器

電子天平；旋轉蒸發(fā)儀；電子調溫電熱套；三用紫外分析儀；阿貝折射儀；氣相色譜儀。

2.3.2 實驗試劑、耗材

肉桂醛；鹽酸羥胺；乙腈；無水氯化鈣；乙酸銅；乙酸乙酯；石油醚；乙酸鈉；薄層層析硅膠板。

2.4 實驗步驟

在250 mL的三口燒瓶內加入肉桂醛(6.6 g，0.05 mol)，鹽酸羥胺(4.2 g，0.06 mol，1.2 equiv)，乙酸銅(0.5 g，0.0025 mol)，無水乙酸鈉(4.92 g，0.06 mol)及50 mL乙腈，加畢后，固定回流裝置，升溫反應2 h，選擇合適的展開劑，用硅膠板進行點板，TLC判斷反應是否完全，待肉桂醛肟全部消失后，自然冷卻至室溫，先用旋轉蒸發(fā)儀將溶劑蒸除，加入50 mL乙酸乙酯和50 mL飽和食鹽水，收集有機層并用50 mL飽和食鹽水洗滌。有機層用無水氯化鈣進行干燥，過濾。然后選擇大小合適的蒸餾裝置進行常壓蒸餾，收集245 ℃以上的餾分，測定折光率，再通過氣相色譜儀測定產品純度。

2.5 思考題

(1)在使用旋轉蒸發(fā)儀時，應該注意哪些操作事項？

(2)為什么反應一定要在堿性條件下進行？

(3)有機化學中的提純方法有哪些？本實驗中涉及的提純方法有哪些？

3 教學建議

實驗開展前，讓學生課前預習，查閱肉桂腈合成的相關資料。實驗中涉及的內容比較多，建議實驗課上安排2～3人一組，實驗需要6個學時來完成，第一階段老師對學生課前預習的檢查及講解(1學時)；第二階段肉桂腈的合成(3學時)；第三階段肉桂腈的后處理及檢測(2學時)。根據實驗中遇到的問題，給出以下幾點建議：

(1)肉桂醛與空氣接觸易被氧化，一般保存于冰箱內，并密封保存，取用肉桂醛后一定要放回冰箱。

(2)使用氣相色譜儀和旋轉蒸發(fā)儀時，需提醒學生儀器的規(guī)范性，不可隨意操作，以免損壞儀器。

(3)蒸除的溶劑，提醒學生廢液回收。

(4)在常壓蒸餾過程中，蒸餾溫度過高，提醒學生注意安全。

4 結 語

本文設計了一個大學綜合化學實驗。先通過一步法和兩步法合成香料肉桂腈，然后對兩種方法的進行比較研究，最終選擇一步法作為教學實驗方法。一步法合成肉桂腈可操作性強，時間相對較短，產率和純度相對更優(yōu)。以醋酸銅作催化劑用量少，整個實驗過程中對環(huán)境污染小，實驗過程中涉及了基礎化學的知識，涵蓋了基礎化學的一些基本操作和儀器的使用，如回流、蒸餾、萃取、干燥等，還涉及旋轉蒸發(fā)儀、三用紫外分析儀、阿貝折射儀、氣相色譜儀等儀器的使用，可以鍛煉學生的基本操作，提高學生的實驗水平。通過該綜合實驗的訓練，可培養(yǎng)學生實踐能力、操作及運用知識能力，提高學生分析問題、解決問題的能力。該實驗在大學綜合實驗教學中開展具有合理性和可行性，滿足化學、應用化學專業(yè)對實驗的教學需求，為學生進行畢業(yè)論文設計奠定扎實的基礎。