孫耀冉，龐 雪，蔣映虎

（1.石家莊學(xué)院 化工學(xué)院，河北 石家莊 050035；2.天津欣普賽爾生物醫(yī)藥科技有限公司，天津 300000）

0 引言

安息香又稱(chēng)二苯乙醇酮，是一種重要的有機(jī)合成中間體，應(yīng)用十分廣泛，常用于瑩光反應(yīng)檢驗(yàn)鋅，還應(yīng)用到樹(shù)脂光敏劑、多微空有機(jī)聚合材料、乙酸安息香類(lèi)化合物和二苯基乙二酮的制備工藝以及藥物二苯基乙內(nèi)酰脲的合成工藝等[1]，使得安息香在化工工業(yè)和藥物合成中需求量加大.傳統(tǒng)的合成安息香反應(yīng)是以氰化鈉或者氰化鉀為催化劑[2]，兩分子苯甲醛進(jìn)行縮合反應(yīng)，雖然產(chǎn)率較高，但由于所使用的催化劑是氰化鈉或氰化鉀，而這類(lèi)催化劑是劇毒的化學(xué)品，不符合當(dāng)前綠色化學(xué)合成的環(huán)境理念.近些年，隨著安息香縮合反應(yīng)研討的深入與加快，合成安息香的方法層出不窮，目前主要有5種合成安息香的方法：維生素B1和碳酸鈉的催化法[3]、相轉(zhuǎn)移催化VB1法[4]、超聲波VB1法[5]、金屬催化法[6]和生物催化法[7].

其中以維生素B1作催化劑，在微波輻射技術(shù)下來(lái)進(jìn)行安息香縮合反應(yīng)符合綠色化學(xué)理念，經(jīng)過(guò)對(duì)該工藝初步實(shí)驗(yàn)探索得知，催化劑（維生素B1）用量、反應(yīng)體系pH、微波功率和反應(yīng)時(shí)間這4個(gè)因素對(duì)合成產(chǎn)率影響最大，因此采用單一變量實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行研究，得到合成安息香的最佳合成工藝，并通過(guò)紅外光譜和質(zhì)譜對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了表征.本實(shí)驗(yàn)為今后積極尋找綠色環(huán)保、環(huán)境友好的安息香合成的方法提供了重要參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與設(shè)備

主要試劑：苯甲醛、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇、維生素B1和碳酸氫鈉，均為市售分析純.

主要設(shè)備：MCR-3微波化學(xué)反應(yīng)器，SHZ-D（III）型循環(huán)水式真空泵，WRR型熔點(diǎn)儀，PHS-25型酸度計(jì)，DL-101-IS型電熱鼓風(fēng)干燥箱，Spectrum100型傅里葉變換紅外光譜儀，3200Q-Trap液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜儀.

1.2 安息香的合成原理

以維生素B1作催化劑，在微波輻射技術(shù)下的安息香縮合反應(yīng)的路線如圖1所示.圖2是安息香縮合反應(yīng)機(jī)理.維生素B1是一種輔酶，在弱堿性條件下，催化劑維生素B1容易脫去質(zhì)子，產(chǎn)生碳負(fù)離子，而環(huán)上的氮原子帶正電荷，主要起平衡電荷的作用.碳負(fù)離子進(jìn)攻芳醛的羰基，親核性的碳負(fù)離子與芳醛化合物連續(xù)進(jìn)行兩次親核加成反應(yīng)，最終形成新的加合物.隨后這種加合物離解，重新形成維生素B1，因此催化劑維生素B1可以在反應(yīng)過(guò)程中循環(huán)使用，與此同時(shí)生成了二苯乙醇酮，即安息香[8].

圖1 安息香縮合反應(yīng)路線圖

圖2 安息香縮合反應(yīng)機(jī)理

1.3 安息香的合成方法

取8.00 mL無(wú)水乙醇和4.00 mL蒸餾水一同加入到100 mL三口燒瓶中，再加入沸石，并將其浸入到冷水中，向三口燒瓶中加入一定量的維生素B1，振蕩使其溶解，再加入新蒸餾的苯甲醛10.00 mL，振蕩搖勻，得淡黃色溶液.用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液的pH到一定值，用pH計(jì)測(cè)試體系反應(yīng)溶液的pH.待調(diào)整完全后，將三口燒瓶放入微波反應(yīng)器中，將微波反應(yīng)加熱器中的溫度傳感器插入其左口徑至液面以下，微波反應(yīng)加熱器上方裝上球形冷凝管，將其組裝好以后，打開(kāi)微波反應(yīng)加熱器的電源，設(shè)置好微波功率的擋位和微波反應(yīng)的時(shí)間，冷凝回流一段時(shí)間，待反應(yīng)完畢以后，關(guān)閉微波反應(yīng)加熱器的電源，反應(yīng)溶液冷卻至室溫，逐漸析出固體，經(jīng)碳酸氫鈉溶液和蒸餾水多次洗滌，重結(jié)晶，抽濾，烘干得到白色粉末狀產(chǎn)物，即安息香，然后稱(chēng)重，并計(jì)算其產(chǎn)率.測(cè)定產(chǎn)物熔點(diǎn)，用紅外光譜和質(zhì)譜對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征和分析.

1.4 產(chǎn)物表征方法

1.4.1 熔點(diǎn)測(cè)定

使用熔點(diǎn)測(cè)量?jī)x對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)定：樣品充分研磨后，取少量于載玻片上，開(kāi)始階段控制升溫速率在3~4℃/min，當(dāng)透明度發(fā)生變化時(shí)，用微調(diào)控溫旋鈕控制升溫速率減低到1℃/min，直至產(chǎn)物樣品完全熔化，讀取溫度，記錄為熔點(diǎn).

采用壓片法，將樣品與溴化鉀混合，在研缽中充分研磨均勻后壓片.每個(gè)樣品隨機(jī)測(cè)試3次，測(cè)試條件為：溫度293~393 K，變溫步長(zhǎng)10 K，控溫精度0.1 K，測(cè)量掃描范圍4 000~500 cm-1，掃描次數(shù)16次.

1.4.3 質(zhì)譜測(cè)定

應(yīng)用質(zhì)譜儀對(duì)樣品進(jìn)行ESI-MSn分析.測(cè)試條件：ESI源；5 500 V源電壓；正離子檢測(cè)；18 psi簾氣（CUR）；75 V解簇電壓（DP）；50 eV碰撞能量（EP）；在50~400 Da范圍掃描.

2 安息香合成工藝優(yōu)化

初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：催化劑用量、反應(yīng)體系pH、微波功率、反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成反應(yīng)影響較大，需要采用單一變量實(shí)驗(yàn)的研究方法，分別對(duì)這4個(gè)反應(yīng)影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，根據(jù)每個(gè)合成條件下所獲得的產(chǎn)率的結(jié)果，找到每個(gè)合成條件的最佳值，從而最大程度地優(yōu)化安息香的合成工藝.

2.1 催化劑用量對(duì)合成反應(yīng)的影響

按照1.3節(jié)的方法，調(diào)節(jié)溶液體系的pH為9.00，設(shè)置微波功率為320 W，控制反應(yīng)時(shí)間為10 min，加入催化劑的用量依次為1.20，1.40，1.60，1.80，2.00 g，進(jìn)行單一變量實(shí)驗(yàn).圖3是不同的催化劑用量和合成產(chǎn)率之間的關(guān)系圖.

由圖3可知，催化劑用量在1.20～1.60 g的范圍內(nèi)時(shí)，合成產(chǎn)率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，而當(dāng)用量在1.60～2.00 g的范圍內(nèi)則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).由此得出結(jié)論，催化劑用量在1.20～1.60 g時(shí)，合成產(chǎn)率隨用量的增加而增加，當(dāng)用量超過(guò)1.60 g時(shí)，合成產(chǎn)率隨用量的增加反而下降.由安息香縮合反應(yīng)機(jī)理可知，維生素B1酶在縮合過(guò)程中起促進(jìn)碳負(fù)離子生成的作用，反應(yīng)結(jié)束后維生素B1酶會(huì)再生成，維生素B1用量超過(guò)1.6 g時(shí)，過(guò)多的維生素B1酶反而會(huì)阻礙反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致合成產(chǎn)率下降，因此最佳催化劑用量是1.60 g.

圖3 不同催化劑用量下的產(chǎn)率

2.2 反應(yīng)體系p H對(duì)合成反應(yīng)的影響

按照1.3節(jié)的方法，加入催化劑的用量為1.60 g，設(shè)置微波功率為320 W，控制反應(yīng)時(shí)間為10 min，用氫氧化鈉溶液來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液體系的pH，用pH計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，依次調(diào)節(jié)體系pH為8.00，8.50，9.00，9.50，10.00進(jìn)行單一變量實(shí)驗(yàn).圖4是不同反應(yīng)pH與合成產(chǎn)率之間的關(guān)系圖.

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，使得越來(lái)越多的人能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的傳播方式關(guān)注到不同的生活方式，在一定的程度上擴(kuò)大了人們的認(rèn)知范圍，能夠刺激人對(duì)于外部世界進(jìn)行更加深入的探索。例如，在微博以及微信公眾平臺(tái)，淘寶交易平等處，人們都能夠通過(guò)對(duì)于不同生活方式的了解，喚醒內(nèi)在旅行需求。在大數(shù)據(jù)時(shí)代中，人們的旅游行為以及意愿表現(xiàn)得更加明顯，客戶的范圍在不斷增加中[1]。

由圖4可知，當(dāng)反應(yīng)pH在8.00～9.50時(shí)，合成產(chǎn)率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，但當(dāng)pH超過(guò)9.50時(shí)，合成產(chǎn)率隨pH的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).由安息香的反應(yīng)機(jī)理可知，弱堿性條件有利于碳負(fù)離子的生成，合成產(chǎn)率增加，當(dāng)pH高于10.00時(shí)，會(huì)導(dǎo)致維生素B1酶中噻唑環(huán)活性基團(tuán)分解，隨之失活，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致苯甲醛發(fā)生歧化反應(yīng)[9]，故合成產(chǎn)率降低，因此反應(yīng)體系pH控制在9.50時(shí)，合成產(chǎn)率最佳.

圖4 不同反應(yīng)pH下的產(chǎn)率

2.3 微波功率對(duì)合成反應(yīng)的影響

按照1.3節(jié)的方法，加入催化劑的用量為1.60 g，調(diào)節(jié)體系的pH為9.50，控制反應(yīng)時(shí)間為10 min，設(shè)置微波功率依次為160，240，320，400，480 W進(jìn)行單一變量實(shí)驗(yàn).圖5是微波功率和合成產(chǎn)率之間的關(guān)系圖.

由圖5可知，當(dāng)微波功率在160～320 W時(shí)，合成產(chǎn)率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，但當(dāng)微波功率超過(guò)320 W時(shí)，合成產(chǎn)率隨微波功率的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).由于該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度適宜時(shí)，有利于反應(yīng)向正向進(jìn)行，但微波功率過(guò)高時(shí)，會(huì)使維生素B1酶中的噻唑環(huán)開(kāi)環(huán)失活[10]，起不到催化的功效，導(dǎo)致合成產(chǎn)率降低，所以微波功率設(shè)置為320 W是最佳的選擇.

圖5 不同微波功率下的產(chǎn)率

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成反應(yīng)的影響

在研究確定以上3個(gè)因素后，再進(jìn)一步研究反應(yīng)時(shí)間，按照1.3節(jié)的方法，加入催化劑的用量為1.60 g，調(diào)節(jié)體系的pH為9.50，設(shè)置微波功率320 W.控制微波反應(yīng)時(shí)間分別是5，10，15，20，25 min進(jìn)行單一變量實(shí)驗(yàn).圖6是反應(yīng)時(shí)間和合成產(chǎn)率之間的關(guān)系圖.

由圖6可知，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在5～20 min時(shí)，合成產(chǎn)率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到10 min之后，合成產(chǎn)率的提高緩慢，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到20 min時(shí)，合成產(chǎn)率最佳，之后隨著反應(yīng)時(shí)間的加長(zhǎng)，合成產(chǎn)率逐漸降低.這可能是因?yàn)樵谖⒉ㄝ椛溟L(zhǎng)時(shí)間的加熱條件下，產(chǎn)物會(huì)分解，從而導(dǎo)致合成產(chǎn)率降低，因此最宜反應(yīng)時(shí)間應(yīng)為20 min.

圖6 不同反應(yīng)時(shí)間下的產(chǎn)率

2.5 最優(yōu)合成工藝驗(yàn)證

通過(guò)以上安息香合成工藝的優(yōu)化和分析，得到了合成安息香的最佳工藝條件，即催化劑用量是1.60 g，反應(yīng)體系pH為9.50，微波功率為320 W，反應(yīng)時(shí)間是20 min.按照1.3節(jié)的方法，在最佳合成條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得產(chǎn)物為6.21 g，即產(chǎn)率提高到59.43%.相比傳統(tǒng)安息香的合成工藝來(lái)看，本工藝大大改良了催化劑在其他工藝中毒性大、操作復(fù)雜、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)和產(chǎn)率較低等問(wèn)題.

3 產(chǎn)物的表征

3.1 熔點(diǎn)

按照1.4.1節(jié)的方法對(duì)安息香進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)定，熔點(diǎn)表見(jiàn)表1.對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物安息香的熔點(diǎn)與理論值接近，故可初步確定實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物為目的產(chǎn)物安息香.

3.2 紅外光譜及分析

按照1.4.2節(jié)的方法，將實(shí)驗(yàn)所得的合成產(chǎn)物與溴化鉀混合，在研缽中研磨20 min至均勻后壓片.將所得壓片用紅外光譜儀進(jìn)行紅外分析檢測(cè)，圖7是產(chǎn)物的紅外圖譜.

分析圖7中出現(xiàn)的特征峰，可以看出在3 250～3 500 cm-1出現(xiàn)兩個(gè)強(qiáng)吸收峰，為—OH伸縮振動(dòng)的吸收峰，在v=3 059 cm-1，v=3 100 cm-1，v=3 125 cm-1位置分別出現(xiàn)了3個(gè)強(qiáng)吸收峰，即苯環(huán)上的Ar—H吸收峰；此外在v=1 680 cm-1位置出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，該峰為C=O吸收峰；在1 600～1 450 cm-1出現(xiàn)4個(gè)吸收峰，說(shuō)明存在苯環(huán)的振動(dòng)吸收峰；在v=1 100 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰是仲醇C—O所形成的吸收峰；在750～700 cm-1出現(xiàn)的兩個(gè)吸收峰，即苯的特征峰.將此圖譜與標(biāo)準(zhǔn)安息香圖譜對(duì)照分析，發(fā)現(xiàn)基本一致，說(shuō)明產(chǎn)物是安息香[11].

表1 物質(zhì)熔點(diǎn)表

3.3 質(zhì)譜圖及分析

按照1.4.3節(jié)的方法采用直接進(jìn)樣法，溶解實(shí)驗(yàn)所得的合成產(chǎn)物，用進(jìn)樣針將其注入進(jìn)樣泵中，設(shè)置進(jìn)樣泵的流速，然后進(jìn)行質(zhì)譜檢測(cè).圖8是產(chǎn)物的質(zhì)譜圖.

由于圖8是M-條件下得到的分子離子峰質(zhì)譜圖，所以相對(duì)分子質(zhì)量加1，分析圖8：可以看到質(zhì)譜圖中m/z=211.25為分子離子峰.分子相對(duì)分子質(zhì)量加1得212.25，該值與合成產(chǎn)物安息香的相對(duì)分子質(zhì)量（212.25）一致，即驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得合成產(chǎn)物為安息香.

圖7 產(chǎn)物的紅外光譜圖

4 結(jié)論

安息香在醫(yī)藥合成和日?；び闷飞a(chǎn)中均有重要的作用.然而傳統(tǒng)的安息香合成工藝是以氰化鈉或氰化鉀為催化劑，這類(lèi)催化劑毒性大，對(duì)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)操作要求都極為嚴(yán)格，具有極大的潛在危險(xiǎn)，因此本研究對(duì)傳統(tǒng)的安息香合成工藝進(jìn)行了改良，將普通加熱改用微波輻射技術(shù)加熱，微波反應(yīng)能在極短的時(shí)間內(nèi)快速加熱，大大縮短了反應(yīng)時(shí)間.催化劑改用維生素B1，避免了安息香原有合成工藝中催化劑毒性大、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、操作復(fù)雜、產(chǎn)率低等問(wèn)題，反應(yīng)原料仍為苯甲醛，采用單一變量的研究方法，根據(jù)每個(gè)合成條件下所獲得的產(chǎn)率的結(jié)果，找到每個(gè)反應(yīng)條件的最佳值，即催化劑用量是1.60 g，反應(yīng)體系pH為9.50，微波功率為320 W，反應(yīng)時(shí)間是20 min.

圖8 產(chǎn)物的質(zhì)譜圖