大學有機化學實驗開發：二苯甲酮的還原

周曉玉，陳 霞，田茂軍

(六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004)

黃鳴龍對Wolff-Kishner還原反應的改進做出了重要的貢獻，因此成就了唯一一個以中國人命名的人名反應，即Wolff-Kishner-Huang反應。黃鳴龍還原法的反應條件獲得了改善[1-5]，但仍需在高沸點溶劑和高溫中進行[6]。因此，黃鳴龍還原法很難應用于大學有機化學實驗教學，研究團隊對其反應條件進行了改進，開發了反應條件溫和、可操作性強的酮還原法。此項目降低了實驗過程的風險，同時拓寬了學生的知識面。此外，還將色譜分析、分離等基本操作引入，進一步提升學生實驗操作能力。根據實際情況，可適當增加產物的核磁共振氫譜和碳譜、紅外光譜、質譜表征等，并附譜圖和數據解析結果，提升學生創新和綜合能力，符合現代有機化學實驗教學改革的要求。

1 實驗部分

1.1 設計思路

黃鳴龍還原法的反應條件是以水合肼溶液為還原劑，二縮乙二醇或三縮乙二醇為溶劑，氫氧化鈉或氫氧化鉀為堿，加熱回流(195～200 ℃)，反應需分步完成。為了將其應用于有機化學實驗中，在原反應條件的基礎上進行以下三點改進：將溶劑用價廉易得的低沸點普通醇類取代；降低反應溫度，控制在100 ℃以下；避免氫氧化鈉、氫氧化鉀等強堿的使用。在以上設想的指引下，教學團隊開展相關實驗研究工作，從而獲得適用于有機化學實驗教學的規范化操作步驟。

1.2 實驗儀器和試劑

儀器: 圓底燒瓶(250 mL、100 mL)、球形冷凝管、集熱式磁力攪拌器、量筒、溫度計、電子分析天平、薄層板、層析缸、層析柱、試管試劑:二苯甲酮、水合肼、甲酸鈉、甲酸銨、氫氣、鈀炭、乙酸鈀、氯化鈀、乙醇、異丙醇、叔丁醇、乙腈、1,4-二氧六環、水、石油醚、乙酸乙酯、柱層析硅膠(100～200目)、石英砂(60～80目)、脫脂棉

1.3 實驗研究與步驟

1.3.1 實驗研究

綜合考慮原材料價廉易得與實驗項目可操作性、安全性等因素，以二苯甲酮為原料，水合肼為還原劑，進行實驗項目開發研究。

表1 催化劑優化

研究過程中，使用常見的過渡金屬鈀催化劑進行反應條件優化，見表1。優化過程中發現，以乙醇和水作為混合溶劑時，無催化劑存在條件下反應不能進行；以鈀炭或醋酸鈀為催化劑可催化反應進行，其中10 %鈀炭為最佳催化劑選擇；氯化鈀不能催化反應進行。

在確定最佳催化劑的基礎上，開展溶劑條件優化，見表2。研究發現，無水乙醇為溶劑時，反應無法進行；向反應體系中加入少量水組成混合溶劑，可以取得很好的產率。在改變乙醇與水的體積比時發現，乙醇/水為30∶1時，反應效果最佳，達到95%；以異丙醇、叔丁醇、乙腈或1,4-二氧六環與水組成混合溶劑時，異丙醇/水體系亦取得了93%的產率。

綜上分析，乙醇容易獲得且價廉，以乙醇組成混合溶劑開展進一步研究。

表2 溶劑優化

在其它條件確定的情況下，進行了還原劑的優化研究，見表3。研究發現，降低水合肼的用量至2.0 equiv時，反應產率出現明顯降低；其它還原劑，氫氣(1大氣壓)和甲酸銨(4.0 equiv)中也可以順利完成二苯甲酮的還原；甲酸鈉不適用此反應體系，無產物生成。

表3 還原劑優化

綜上分析，水合肼、氫氣和甲酸銨均可以用作黃鳴龍還原的還原劑。為了延續黃鳴龍還原的傳統還原體系，且考慮氫氣作為還原劑的安全性和可操作性等因素，選擇水合肼作為還原劑。

1.3.2 實驗步驟

圖1 二苯甲酮的還原反應方程式

經反應條件優化和多次實驗驗證，確定了有機化學實驗項目——二苯甲酮的還原的最佳反應條件，如圖1。

1.3.2.1 二苯甲酮的還原過程

(1)在50 mL圓底燒瓶中加入二苯甲酮0.36 g、乙醇15 mL、水0.5 mL，室溫下攪拌至溶解。

(2)室溫攪拌下向圓底燒瓶中分別加入水合肼0.40 g和鈀炭催化劑0.04 g。

(3)組裝回流裝置，在加熱型磁力攪拌器中回流反應4h。

(4)用薄層層析色譜監測反應情況(需確定原料和產物的Rf值，方便確定柱層析條件)，盡量控制反應進行完全。

(5)待反應結束，撤掉加熱裝置，冷卻至室溫。

1.3.2.2 后處理過程

(1)將反應液轉移至100 mL圓底燒瓶中，加入硅膠(100～200目)1.0 g～2.0 g后，用旋轉蒸發儀濃縮至干。

(2)用柱層析法分離產物(濕法裝柱，干法裝樣，柱層析硅膠用量10～15 g，洗脫劑為石油醚)、用薄層層析色譜分析和判斷洗脫過程，并依次接收洗脫液。

(3)將產物溶液合并，用旋轉蒸發儀濃縮后，真空干燥。

(4)干燥完全后，稱重，計算反應產率。

2 實驗注意事項

本實驗項目安全性和成功率均很高，但仍存在一些關鍵因素影響實驗的結果。

2.1 原料的用量和比例

(1)由于水合肼與鈀炭混合會放出氫氣，所以反應原料的投入量不宜過大，以0.1 g至2.0 g 較為適宜，且操作時需要在通風條件下進行。

(2)如果二苯甲酮的投入量達5.0 g以上，可采取其它分離提純方法。

(3)水合肼和鈀炭的用量可按比例放大。

2.2 加料順序

(1)水合肼與鈀炭接觸后，室溫下即可催化水合肼分解，所以需要將鈀炭催化劑最后加入。

(2)可先搭建起回流裝置后，再加入鈀炭催化劑，從而提高反應的產率。

2.3 溶劑的選擇

(1)根據條件優化結果，混合溶劑的體積比可介于乙醇/水在30∶1至2∶1之間，但水的用量大會導致反應液濃縮過程困難，體積比在30∶1至10∶1之間較為合適。

(2)異丙醇可以替代乙醇作為混合溶劑組分。

(3)反應液濃縮時，要確保溶劑含量盡量低，以避免對后續柱層析分離操作造成干擾，導致分離效果差。

3 結語

根據黃鳴龍還原法，開發了適用于大學有機化學實驗教學的有機合成實驗項目，以期提升學生在學習有機化學中的自豪感，從而提高學習興趣。與其它合成類實驗項目相比，此實驗項目中試劑投入量較少，實現了半微量化操作；同時，將色譜分析和分離技術融入合成實驗項目中，有助于學生鞏固和強化色譜技術實驗的原理和應用。