绿色合成1-苯基-3-丁烯-1-醇实验的微型化研究

蒋达洪,黄嘉明,刘雅倩,向 淇

(广东石油化工学院 化学与生命科学学院，广东 茂名 525000)

1 绿色化、微型化实验思想概述

在基础有机化学实验教学中培养学生环保意识的重要性对于塑造未来合格的化学化工类人才是不言而喻的[1]。微型实验将常量实验的药品使用量降低90%以上，能够有效地减少废弃有机污染物的排放[2]。此外，微型实验所占空间小、省时、安全，能够有效提高课堂教学效率，避免实验事故发生，特别是当使用有毒或价格昂贵的试剂时，更能体现其优越性。微型实验还由于产品量少，需要在分离、提纯、转移等过程中严格操作，避免产品损失，从而有利于培养学生一丝不苟、专注认真的科研态度。因此，实验教学研究者对许多基础有机化学实验进行了微型化设计[3-6]。传统有机反应对环境的污染在很大程度上来源于有机溶剂，以水代替有机溶剂可从源头上减少对环境的污染，因而水相介质的反应逐渐成为绿色有机化学的重要研究方向[7]。

Barbier-Grignard反应是最常用的形成C—C键的方法之一，不仅在有机合成中具有广泛用途，而且对于学生理解醛酮的性质、亲核加成反应机理都具有重要作用[8]。传统的Barbier-Grignard反应一般需要醚类作溶剂，并需要无水无氧操作，使其在基础有机化学实验教学中的应用受到限制。水相Barbier-Grignard反应具有很多优势，近年来受到重视，相关研究报道很多[9-11]。由于其不需要无水无氧操作、使用的溶剂绿色环保，非常适合设计成为基础有机化学实验教学内容[12]。1-苯基-3-丁烯-1-醇可由苯甲醛与3-溴丙烯在金属锌促进下发生Barbier-Grignard反应制备，反应时间较短，产率较高，常被设计为学生实验[13]。然而由于3-溴丙烯价格昂贵且具有一定刺激性，常量反应不宜在基础有机实验教学中开展。我们根据绿色化、微型化实验思想对该反应进行了设计，大幅度减少了试剂用量，优化了实验装置，并采用薄层色谱法进行提纯，保证了高产率，在实验教学中收到了良好的效果。

2 实验

2.1 实验原理

在微酸性条件下，金属锌很容易与3-溴丙烯发生氧化加成而生成烯丙基锌，后者与苯甲醛发生亲核加成得到1-苯基-3-丁烯-1-醇锌，然后在酸性条件下转变为1-苯基-3-丁烯-1-醇，反应式见图1。

图1 Barbier-Grignard反应制备1-苯基-3-丁烯-1-醇

2.2 实验仪器与试剂

仪器：烧杯，移液管，砂芯抽滤漏斗，大试管，磁力搅拌子，橡皮塞，分液漏斗，薄层色谱展开槽(20 cm×20 cm)，胶头滴管，真空干燥器，紫外灯，旋转蒸发仪。

试剂：锌粉，盐酸，蒸馏水，四氢呋喃，苯甲醛，3-溴丙烯，氯化铵，乙酸乙酯，石油醚，无水硫酸钠，饱和食盐水，硅胶板(20 cm×20 cm)。

2.3 实验步骤：

锌粉的活化：取2 g锌粉，加入20 mL、1%的盐酸，搅拌5 min，抽滤，依次用蒸馏水(10 mL/次，3次)、丙酮(10 mL/次，3次)洗涤，在真空干燥中常温干燥30 min，放入干燥器中备用。

在配有磁力搅拌子的大试管中用移液管依次加入0.20 mL的苯甲醛(2 mmol)、4 mL饱和氯化铵溶液、0.8 mL四氢呋喃、0.26 mL 3-溴丙烯(3 mmol)、0.20 g已活化的锌粉(3 mmol)，加完后在试管口套上橡皮塞封口；然后于室温下搅拌反应，薄层色谱跟踪(洗脱剂：石油醚与乙酸乙酯体积比为5∶1，紫外灯下观察)至反应完全(约1 h);反应结束后，加入5 mL、3%的盐酸淬灭反应，用乙酸乙酯(5 mL/次，3次)萃取；合并有机相并用饱和氯化钠溶液洗涤1次后用无水硫酸钠干燥，滤除干燥剂，在旋转蒸发仪上蒸除溶剂得油状粗产品；少量乙酸乙酯溶解粗产品，用管口塞有棉花的胶头滴管吸取该溶液，全部涂点在20 cm×20 cm的硅胶板上，晾干；硅胶板放置于在展开槽中，以石油醚与乙酸乙酯体积比为5∶1的洗脱剂进行展开；刮下吸附了产品的硅胶带，在砂芯抽滤漏斗中用甲醇洗下产品，收集洗脱液，旋转蒸发仪上完全蒸去洗脱液，得纯品；干燥、称量，计算产率。用阿贝折光仪测定产品折射率，测定产品红外光谱并与标准图谱比较。

3 实验结果与讨论

3.1 产品分析

所得产品为无色液体，称得质量为0.264 g，产率为89%。

将产品涂抹在制好的KBr压片上，在红外光谱仪上进行检测，波数为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为羟基的O—H伸缩振动吸收，3 069 cm-1为SP2杂化碳的C—H伸缩振动吸收，2 918 cm-1为SP3杂化碳的C—H伸缩振动吸收，1 644 cm-1为C=C伸缩振动吸收，1 495 cm-1、1 450 cm-1为苯环骨架振动吸收，1 051 cm-1可能为醇的C—O伸缩振动吸收，991 cm-1、912 cm-1表明有单取代类型烯烃结构，754 cm-1、700 cm-1为苯环的SP2杂化碳C—H面外变形振动吸收。

引导学生分析所得产品的折射率、红外光谱数据，并通过查阅文献资料进行对比，确认所合成产品为1-苯基-3-丁烯-1-醇。

3.2 金属促进剂的选择与处理

水相Barbier-Grignard反应有很多方法报道，通过查阅文献，我们选择价廉易得的Zn粉作为金属促进剂。在最初的实验中直接使用未经处理的锌粉，结果未见有1-苯基-3-丁烯-1-醇生成。可能是因为锌粉表面覆盖的氧化物阻止了反应进行。为了清除锌粉表面的氧化物，对锌粉预先用盐酸进行洗涤活化，再用蒸馏水洗去盐酸，最后用丙酮洗去蒸馏水以便于干燥。当使用新鲜活化的锌粉时，反应按预期顺利进行。在课堂教学中，对锌粉的活化因为比较费时，可在课前由教师统一操作，放于干燥器中供学生取用。

3.3 反应容器的设计

常量实验通常使用烧瓶作为反应容器，限于实验室空间和搅拌器，一般2～3名学生为一个小组进行实验。在微型实验中，我们希望设计为1人一组，达到锻炼每一名学生的目的。基于此，我们将反应容器改为大试管，这样可以将4～6支试管用橡皮筋绑在一起放于一个搅拌器中进行反应，管口加以橡皮塞密封可以充分防止苯甲醛的氧化。

3.4 反应溶剂的设计与优化

水是一种绿色溶剂，水相中的Barbier-Grignard反应已经有很多报道。为了培养学生的环保意识，我们首先考虑以水为溶剂进行实验设计，采用氯化铵的饱和水溶液为反应体系。然而，实验过程中发现反应底物不溶于饱和氯化铵溶液，搅拌下形成乳浊液，需要5 h才能完全反应。为了缩短反应时间，我们分别尝试了加入相转移催化剂Bu4NBr和助溶剂四氢呋喃。薄层色谱监测发现，加入四氢呋喃(溶剂和助溶剂体积比为5∶1)效果最好，常温下搅拌1 h即可反应完全。

3.5 提纯方法的设计

常量实验采用减压蒸馏提纯1-苯基-3-丁烯-1-醇，在微型实验中由于试剂用量少，减压蒸馏的提纯方法会导致产品损失的相对量很大，甚至得不到产品。因此，必须设计低损耗的提纯手段。制备薄层色谱提纯法效率高、样品损耗小，已经在科研中广泛使用。本实验选取制备薄层色谱法进行提纯，不仅解决了微型反应提纯难的问题，也有利于使学生实验更接近真实的科研实验。

根据本实验产物质量，选择了商品化的20 cm×20 cm硅胶GF254制备薄层色谱板，能够达到提纯要求。

3.6 微型实验与常量实验效果比较

我们将设计的微型化制备1-苯基-3-丁烯-1-醇实验在基础有机化学研究性实验教学中进行了尝试，对实验效果进行了比较。具体做法是：在30名学生的实验教学班中，一半学生采用常量实验制备1-苯基-3-丁烯-1-醇，另一半学生采用本文设计的微型实验。结果见表1。

表1 微型实验与常量实验的效果比较

采用常量实验学生的产率普遍较低，说明在产品转移、提纯过程中损失较大，并不能反映实验的真实产率。微型实验由于采用柱色谱提纯，在产品纯度方面更具优势。薄层色谱监测发现，微型实验的产品只显示1个点，而常量实验的产品除了主点之外，还显示了2个次点。

4 结论

本文将制备1-苯基-3-丁烯-1-醇的Barbier-Grignard反应设计为微型化、水相介质中进行的绿色合成实验并应用于基础有机化学实验教学。采用大试管代替传统的烧瓶，一台搅拌器可同时进行多个实验，能有效节省实验室空间，使更多学生得到训练。运用制备薄层色谱进行产品纯化，较常量实验的减压蒸馏提纯法产率高、纯度好，让学生更接近科研实验。本实验作为微型实验和绿色合成，有利于降低实验室污染、培养学生环保意识。

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