Transcript 扁桃酸的合成和拆分
Northwest University 化学国家级实验教学示范中心 综合化学实验 扁桃酸的合成和拆分 实验目的 1.掌握相转移催化剂TEBA的制备； 2.学习相转移催化法用于卡宾反应制备苦杏仁酸。 背景知识 扁桃酸又名苦杏仁酸(mandelic acid) 或α-羟基苯乙酸， 是一种重要的医药和染料合成中间体，是合成头孢类抗生素、 血管扩张药环扁桃酸酯和尿路消毒剂扁桃酸乌洛托品的重要 原料。 扁桃酸分子中有一个手性碳原子，因此有 (R)型和(S) 型 两个对映体。其单一对映异构体在药效上存在较大差异，如 R-扁桃酸用于头孢菌类系列抗生素羟苄四唑头孢菌素的侧链 修饰剂，S-扁桃酸是合成用于治疗尿急、尿频和尿失禁药物 S2奥昔布宁的前体原料。手性扁桃酸还是一种重要的外消旋 体拆分试剂。 实验原理 扁桃酸合成的三种主要方法： （1）苯甲醛氧化法 NaHSO3 CHO 1)NaOH CHCN NaCN OH CHCOOH + 2)H3O OH （2）苯乙酮衍生法 O C-CH3 X2 X=Cl,Br O C-CHX2 1)NaOH + 2)H3O CHCOOH OH 实验原理 （3）相转移催化法（phase transfer catalysis，PTC法） （本实验所用方法） CHO + CHCl3 NaOH H+ TEBA C6 H5 OH CH CO2 H * 实验采用相转移催化剂TEBA(三乙基卡宾氯化铵)，它是由三乙胺 与氯化苄反应制得季铵盐： ClCH2CH2Cl CH2Cl + (CH3CH2)3N CH2CH3 CH2N+ClCH2CH3 实验原理 反应机理一般认为是，反应中产生的二氯卡宾对苯甲 醛的羰基加成，再经重排及水解： Cl CHO :CCl2 Cl 重排 CH O Cl CH OHCOCl H+ OH CHCOOH * 实验步骤 1. 相转移催化剂TEBA的制备 在100mL圆底烧瓶中，加入11.5mL氯苄，40mL 1,2-二氯乙烷和15.3mL三乙胺，水浴加热回流3～4h。 冷却后，抽滤，用少许溶剂洗涤，白色结晶烘干后 称重，计算产率。 注意：TEBA熔点310℃，易吸潮，保存在干燥器备用。 2. 二氯卡宾反应合成扁桃酸 在100 mL装有搅拌器、回流冷凝管和温度计的三颈瓶中 ，加入6.8 mL苯甲醛、0.9 g TEBA和12 mL氯仿。开动搅 拌，在水浴上加热，待温度上升至50～60℃，自冷凝管上 口慢慢滴加配制的50% 的氢氧化钠溶液(2)（约18mL）。 滴加过程中控制反应温度在60～65℃，约45~60min加完, 加完后，保持此温度继续搅拌1h。 将反应液用140 mL水稀释，每次用15mL乙醚萃取两次， 合并乙醚萃取液，倒入指定容器待回收乙醚。此时水层为 亮黄色透明状，用50% 硫酸酸化至pH为1～2后，再每次 用30mL乙醚萃取两次，合并酸化后的乙醚萃取液，用无 水硫酸钠干燥。在水浴上蒸干乙醚，并用水泵减压抽净残 留的乙醚(产物在醚中溶解度大)，得粗产物6～7g。 将粗产物用甲苯进行重结晶，趁热过滤，母液在室温下 放置使结晶慢慢析出。冷却后抽滤，并用少量石油醚 (30～60℃)洗涤促使其快干。产品为白色结晶，产量4～ 5g，熔点118～119℃。 反应装置 热过滤装置 抽滤装置 注意事项 (1) 可用电磁搅拌代替电动搅拌，效果更好。相转 移催 化剂是非均相反应，搅拌必须是有效和安全的。这是 实验成功的关键。 (2) 溶液呈浓稠状，腐蚀性极强，应小心操作。盛碱的分 液漏斗用后要立即洗干净，以防活塞受腐蚀而粘结。 (3) 此时可取反应液用试纸测其pH值，应接近中性，否则 可适当延长反应时间。 (4) 单独用甲苯重结晶较好(每克约需1.5mL)。 思考题 1.本实验中，酸化前后两次用乙醚萃取的目的何在？ 2.根据相转移原理，写出本反应中离子转移和二氯 卡宾的产生及反应过程。 3.本实验中为什么必须保持充分的搅拌？ 实验延伸 相转移催化剂 （Phase transfer catalyst，PTC）是可以帮助 反应物从一相转移到能够发生反应的另一相当中，从而加 快异相系统反应速率的一类催化剂。一般存在相转移催化 的反应，都存在水溶液和有机溶剂两相，离子型反应物往 往可溶于水相，不溶于有机相，而有机底物则可溶于有机 溶剂之中。不存在相转移催化剂时，两相相互隔离，几个 反应物无法接触，反应进行得很慢。相转移催化剂的存在， 可以与水相中的离子所结合（通常情况），并利用自身对 有机溶剂的亲和性，将水相中的反应物转移到有机相中， 促使反应发生。 相转移催化剂种类 阴离子作反应物时，相转移催化剂常常是季铵盐。阳离 子作反应物时，相应的相转移催化剂往往是冠醚或穴醚。它 们之间的相互结合，是以分子间的电性引力作用或氧/氮原 子对离子的配位作用为基础的。形成的复合物外端露出烃基 单元，是疏水性的；内部则具有一个容纳离子的结构，因此 是亲水性的。 此外，也有用聚乙二醇或聚乙二醇醚与正离子结合的， 它们价格便宜，但催化效果往往不如冠醚。还有一类三相催 化剂，它们不溶于水或有机相中，但可以加速水-有机相的 反应，自身为固体构成另一相，故称三相催化剂。它们大多 是季铵盐、鏻盐、冠醚等与高聚物（如聚苯乙烯）相连得到 的固体不溶物。由于三相催化中催化剂易分离回收，故已在 化工领域中引起了很大的兴趣。 相转移催化机理 以一个亲核脂肪取代反应为例来说明相转移催化的机理。将氰 化钠水溶液和溶于有机溶剂的卤代烃1-溴辛烷混合时，取代反应并 不发生：反应液为水-有机溶剂两相体系，氰化钠只溶于水中，1-溴 辛烷只溶于有机相中。但在加入少量的四级鏻盐（如溴化十六烷基 三丁基鏻）后，这些PTC分子在有机相和水相中都能溶解，在水中 与氰离子交换负离子，并以离子对的形式将其转移到有机相中。由 于这些氰离子的溶剂化程度很小，故活性很高，很容易与有机底物 发生反应。加热回流90分钟时，上述反应中的氰离子可以和1-溴辛 烷定量反应，生成产物1-辛腈。改善反应条件，将反应物在苯/水体 系中反应，加入溴化四丁基铵或甲基三辛基氯化铵作相转移催化剂， 则以上反应在室温便可定量完成。 C8H17Br (org) + NaCN (aq) → C8H17CN (org) + NaBr (aq) （催化剂：PTC R4P+Cl−） 相转移催化机理 也有人认为，相转移催化剂的亲脂性很高，在水相中的 浓度很低，绝大多数都停留在有机相中，只是在两相界面处 交换离子。在极性很低或非极性的溶剂中，相转移催化剂与 离子是通过离子对结合的，只有在介电常数很大的溶剂中， 才有一些离子以自由离子的形式存在。 一般相转移催化剂应用的反应都为亲核取代反应，典型 的无机反应物如氰化钾、氰化钠。但也有一些相转移催化剂 应用在有机氧化反应中，帮助无机氧化剂（如高锰酸钾、重 铬酸钾）溶于有机相中。 相转移催化用途 由于相转移催化反应的速率和产率非常高（多为90%）， 减少了有害有机溶剂的使用，副产物少，催化剂的用量也比 较少，满足原子经济性的要求，故很多反应都是绿色化学的 实例。相比之下，为了使反应在均相发生，以前曾需要使用 一些能溶解两种反应物的有机溶剂，比如二甲基甲酰胺、六 甲基磷酰胺或二甲基亚砜。这些溶剂价格高，不易回收，对 身体有害，而且如果混入一点水，对反应很不利。 相转移催化剂不仅包括催化水相-有机相反应的催化剂， 也包括固-液两相和气-液两相反应中的催化剂。