格氏试剂的合成实验改进_张恒.pdf

Univ.Chem.2023,38(2),177184 177 收稿：2022-05-06；录用：2022-06-16；网络发表：2022-06-29*通讯作者，Email: 基金资助：中央高校基本科研业务费 HUST(2020kfyXJJS095)化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202205011 格氏试剂的合成实验改进格氏试剂的合成实验改进 张恒，幸志荣，刘冬，周志彬，冯文芳*华中科技大学化学与化工学院，武汉 430074 摘要：摘要：采用二异丁基氢化铝(DIBAH)替代分子碘，对格氏试剂的合成实验进行了改进，系统研究了DIBAH引发对反应体系安全性的影响，以及不同结构卤代烃底物在DIBAH引发下对格氏反应速率的影响。结果表明，添加2%(摩尔分数，以卤代烃的摩尔量为基础)的DIBAH，可以在温和(20 C)条件下，高效合成苯基溴化镁、正丁基溴化镁等两种典型的格氏试剂，并能获得比分子碘引发体系更高产率的格氏反应产物。本工作通过提高格氏试剂合成反应的安全性，加强学生对实验安全的重视，引导学生关注化工产业实践中的实际问题。通过对反应体系的优化和结构解析，引导学生将基础知识活学活用、融会贯通。关键词：关键词：实验安全；格氏试剂；三苯甲醇；2-甲基-2-己醇 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Improvement on Synthesis of Grignard Reagent Heng Zhang,Zhirong Xing,Dong Liu,Zhibin Zhou,Wenfang Feng*School of Chemistry and Chemical Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China.Abstract:In this work,the synthesis of Grignard reagent is improved by replacing molecular iodine with diisobutylaluminum hydride(DIBAH).Systematic investigations on the influence of DIBAH initiation on the safety of the reaction system and the chemical structure of haloalkanes are performed.It has been demonstrated that the addition of 2 mol%DIBAH(vs.the molar content of haloalkanes)allows the reaction to take place under mild condition(20 C),yielding phenyl magnesium bromide and n-butyl magnesium bromide with high efficiency.With the improved safety on modified Grignard reactions,the students could get a deeper understanding on the importance of safety in chemical reactions.In particular,the present work could also help students to pay attention to safety of organic experiments and the dilemmas encountered by practical applications,and better cope with the gap between fundamental research and industrial applications.Key Words:Experimental safety;Grignard reagent;Triphenylmethanol;2-Methyl-2-hexanol 安全是开展一切工作的前提。习总书记在党的十九大工作报告中强调：“树立安全发展理念，弘扬生命至上、安全第一的思想，健全公共安全体系，完善安全生产责任制，坚决遏制重特大安全事故，提升防灾减灾救灾能力。”近年来，针对高校实验安全问题，教育部下发关于进一步加强高校教学实验室安全检查工作的通知(教高厅2019 1号)和教育部关于加强高校实验室安全工作的意见(教技函2019 36号)等文件1,2，要求各地各高校牢固树立“隐患就是事故”的思想，深刻理解实验室安全的重要性。178 大 学 化 学 Vol.38格氏试剂又称格林尼亚试剂，是一类含有卤化镁结构的有机金属化合物(结构通式为RMgX；R为烃基，X为卤素)3。格氏试剂具有合成方法简便、化学反应活性高等优点，被广泛应用于复杂结构醇类化合物的合成，进而转化为高附加值的氯代烷、烯、醚、羧酸等化合物47。金属镁电负性较低(1.31 Pauling标度3)，易与空气中的氧气和痕量水分反应，生成氧化镁、氢氧化镁等物质，形成惰性保护层。因此，格氏试剂的合成反应中，通常需要加入少量引发剂，加速格氏反应的进程。其中，分子碘(I2)是使用最为广泛的一类格氏反应引发剂，这主要是因为I2能与金属镁反应，生成易溶于醚类溶剂的碘化镁(MgI2)，从而破坏金属镁表层的原始钝化层，增加卤代烃与新鲜金属镁表面的接触几率，提高格氏反应速率8。在基础有机化学实验教学中，也通常采用分子碘作为引发剂，在低沸点的醚类溶剂(如乙醚)体系中合成苯基溴化镁、正丁基溴化镁等典型的格氏试剂9。分子碘引发格氏反应的可控性较差，反应过程中引发速率不均匀，且易形成局部过热，带来较大的安全风险。2014年1月，江苏南通市某精细化工公司合成叔丁基氯化镁的格氏试剂，因分子碘未能有效引发，导致未反应的高活性物料累积，发生燃爆事故，造成一人死亡、两人烧伤的严重后果10。实际生产实践中，常采用其他更为安全的方式(如，酸洗、惰性氛围下搅拌、有机氢化铝等)引发格氏反应，实现格氏试剂的规模化制备11。在实验教学过程中，常有分子碘引发不成功，或引发时间较长并伴有突然升温的现象，带来不小的安全隐患。因此，必须提高格氏反应的安全性，从而保障高校实验教育安全、有序开展。前期工作中，孙京国等12采用四氢呋喃(THF)和甲基叔丁基醚(MTBE)替代乙醚，提高醚类溶剂的沸点，以增加反应体系的安全性。Tilstam等11报道了以二氢双(2-甲氧乙氧基)铝酸钠(商品名：Vitride)、二异丁基氢化铝(DIBAH)等化合物为引发剂，可以实现格氏试剂的规模化制备。因此，在上述工作的基础上，本实验从格氏反应引发剂的角度入手，采用DIBAH替代分子碘，系统考察了DIBAH引发对反应体系安全性的影响、卤代烃的分子结构对格氏反应速率的影响，以提高引发过程的平稳性和可控性，并以较高沸点的四氢呋喃为溶剂，合成苯基溴化镁和正丁基溴化镁两种格氏试剂，进一步与苯甲酸乙酯或丙酮反应，合成三苯甲醇或2-甲基-2-己醇。通过格氏试剂合成方法的改进，不仅提升了实验过程的安全性，能有效保障学生在实验操作过程中的人身安全，而且由格氏试剂进一步合成醇类目标物的产率亦得以有效提升。1 实验目的 实验目的 通过采用二异丁基氢化铝引发剂，调控格氏反应的反应速率和可控性，从而提高格氏反应的安全性。明确实验过程安全的重要性，掌握水氧敏感试剂的操作和格氏试剂的合成方法。学习醇类化合物的合成方法，并了解核磁共振波谱分析产物和副产物分子结构的方法。2 实验原理 实验原理 由于镁的电负性低于碳(Mg(1.31)vs.C(2.55)，Pauling标度3)，与镁原子直接相连的碳原子带负电，可作为亲核试剂与醛、酮、羧酸酯等含缺电子碳的化合物发生加成反应，并通过进一步水解得到结构复杂的醇类化合物。本实验以二异丁基氢化铝为引发剂，合成苯基溴化镁和正丁基溴化镁两种格氏试剂，将两者分别与苯甲酸乙酯和丙酮反应，“一锅法”合成三苯甲醇和2-甲基-2-己醇，合成路线如图1所示。其中，DIBAH分子结构中铝原子(路易斯酸中心)易与氧化镁分子结构中的氧原子(路易斯碱中心)作用，生成可溶于醚类溶剂的络合物(MgOAlH(CH2CH(CH3)2)2)，促进金属镁表面钝化层的溶解，进而引发格氏反应。No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202205011 179 图图1 三苯甲醇 三苯甲醇(a)和和2-甲基甲基-2-己醇己醇(b)的合成路线的合成路线 3 实验部分 实验部分 3.1 试剂与仪器 试剂与仪器 镁带，碘，无水氯化钙，正溴丁烷，二苯甲酮，三苯甲醇，溴苯，苯甲酸乙酯，丙酮，四氢呋喃，稀硫酸(以上均为国药)，二异丁基氢化铝(1 molL1正己烷溶液，阿拉丁)，氘代二甲基亚砜(美国CIL)。以上试剂均为分析纯。四氟数显温度计(PT300A，科亩库科技)，磁力搅拌器(98-2，巩义予华)，集热式恒温加热磁力搅拌器(DF-101S，巩义予华)，循环水泵(SHK-D(III)，巩义予华)，分析天平(BSA224S-CW，赛多利斯)，旋转蒸发仪(RE-2000A，巩义予华)，核磁共振波谱仪(AV 400 M，瑞士布鲁克)，电热鼓风干燥箱(101-2 AB，天津泰斯特)。3.2 实验步骤 实验步骤 3.2.1 苯基溴化镁的合成 苯基溴化镁的合成 二异丁基氢化铝作为引发剂：在100 mL三口烧瓶上，分别装上四氟数显温度计、球形回流冷凝管、恒压滴液漏斗(100 mL)，并在冷凝管上端装上无水氯化钙干燥塔(反应装置如图2所示)。向三口烧瓶中，依次加入预先裁剪的镁块(0.6 g，25 mmol；约 5 mm 5 mm的正方形)、四氢呋喃(5 mL)和二异丁基氢化铝的正己烷溶液(0.39 g)。在恒压滴液漏斗中，将溴苯(3.92 g,25 mmol)和四氢呋喃(3 mL)混合均匀。磁力搅拌下，向反应瓶中滴加2 mL(约为总量的1/3)混合液。温度平稳后，继续滴加剩余的溴苯和四氢呋喃混合液。滴加完毕后，继续搅拌使镁几乎反应完全。图图2 格氏反应装置实物图 格氏反应装置实物图 180 大 学 化 学 Vol.38分子碘作为引发剂：参考上述实验操作，将二异丁基氢化铝的正己烷溶液替换为分子碘(0.13 g，0.5 mmol)，其他实验条件和操作步骤不变，进行对比实验。3.2.2 三苯甲醇的合成 三苯甲醇的合成 根据3.2.1节所述实验步骤，合成苯基溴化镁。磁力搅拌下，向三口烧瓶中缓慢滴加苯甲酸乙酯(1.87 g，12.5 mmol)和四氢呋喃(4 mL)的混合液。滴加完毕后，100 C加热回流20 min。待体系温度冷却至室温，滴加适量稀硫酸水溶液(10%(w,质量分数)H2SO4，6.13 g)。静置分层，取上层有机相浓缩，通过核磁共振氢谱分析反应的产物及副产物的分子结构。3.2.3 正丁基溴化镁的合成正丁基溴化镁的合成 正丁基溴化镁的合成方法与苯基溴化镁一致，采用正溴丁烷(3.43 g，25 mmol)替代溴苯即可。3.2.4 2-甲基甲基-2-己醇的合成己醇的合成 根据3.2.3小节所述实验步骤，合成正丁基溴化镁。在磁力搅拌下，向三口烧瓶中缓慢加入丙酮(2 mL，25 mmol)和四氢呋喃(3 mL)的混合液，控制滴加速率在每秒12滴。滴加完毕后，室温搅拌约10 min。分批加入稀硫酸水溶液(10%H2SO4，12.26 g)。静置分层，取上层有机相浓缩，通过核磁共振氢谱分析反应的产物及副产物的分子结构。4 实验结果与讨论 实验结果与讨论 4.1 二异丁基氢化铝 二异丁基氢化铝(DIBAH)和分子碘引发活性对比和分子碘引发活性对比 以溴苯(C6H5Br)和金属镁反应合成苯基溴化镁的实验为对象，对比研究了二异丁基氢化铝和分子碘的引发活