一锅法绿色合成苯偶酰
谢康元, 陈强, 王佳耀, 林青青, 郑辉*
杭州师范大学 材料与化学化工学院 杭州 310036
通讯联系人:郑辉,副教授; Tel/Fax:0571-28862867; E-mail:huizheng@hznu.edu.cn; 研究方向:CO2资源化,精细化学品合成等
摘要

以绿色廉价的乙醇-水为溶剂,一锅法合成了金属萨伦(Salen)配体催化剂[M(Salen)](M=Co,Cu,Zn,Fe,Mn),完成了安息香氧化制备苯偶酰。 产物结构通过1H NMR、13C NMR、IR、HRMS及XRD等技术手段进行了表征。 通过正交设计实验考察了催化剂质量浓度、反应时间、溶剂、反应温度、KOH质量浓度等因素对反应的影响,获得了最优条件。 实验结果表明,以[Co(Salen)]作为催化剂(1.7×10-3 g/mL),80%(体积分数)乙醇作为溶剂,70 ℃,反应50 min,苯偶酰产率达到76.5%。催化剂循环使用5次,苯偶酰收率仍可达74.2%。 为绿色制备苯偶酰提供了一种新途径。

关键词: Salen催化剂; 苯偶姻; 苯偶姻; 苯偶酰; 催化氧化
中图分类号:O625 文献标志码:A 文章编号:1000-0518(2016)11-1284-05
One-pot Green Synthesis of Benzil
XIE Kangyuan, CHEN Qiang, WANG Jiayao, LIN Qingqing, ZHENG Hui
College of Material,Chemistry & Chemical Engineering,Hangzhou Normal University,Hangzhou 310036,China
Corresponding author:ZHENG Hui, associate professor; Tel/Fax:0571-28862867; E-mail:huizheng@hznu.edu.cn; Research interests:resourcezation of carbon dioxide and synthesis of fine chemicals
Abstract

One-pot green synthesis of benzil catalyzed by Co(Salen) from benzoin in alcohol-water was developed. The products was confirmed by1H NMR,13C NMR, IR, HRMS and XRD. The orthogonal experimental design gives the optimal reaction conditions about the catalyst loading, reaction time, solvents, reaction temperature, and the amount of potassium hydroxide. The best conditions is Co(Salen) catalyst, 80% alcohol-water, 50 minutes and 70 ℃. The highest yield of 76.5% could be obtained under that conditions. The catalyst can be recycled at least five times up to the 74.2% yield. It is a green method and novel protocol to synthesize benzil.

Keyword: salen catalyst; benzoin; benzil; catalytic oxidation

苯偶酰作为一种重要的有机原料,在药物合成、杀虫剂、光敏剂以及功能性材料的合成中被广泛使用。 其合成途径通常都是通过安息香的氧化反应制备,反应关键是催化剂的选择,如三价铁离子氧化法[1,2]、负载型催化剂氧化法[3,4]、高锰酸钾氧化法[5]、NaH-氧气氧化法[6,7]、双核铜酶模型催化氧化法[8]、金属Salen催化剂氧化法[9,10]、微波-超声波辐射法[11,12]及采用聚乙二醇为溶剂等[13]。 这些方法基本都是通过配体合成、催化剂合成、安息香氧化反应等步骤实现,存在反应时间长、后处理复杂、溶剂毒性较大等问题,因此,寻找绿色高效的合成苯偶酰的合成方法十分必要。

本文从绿色化学的角度出发,探索在乙醇-水体系中,以金属配合物[M(Salen)](M=Co,Cu,Zn,Fe,Mn)为催化剂,一锅法制备苯偶酰的方法。 通过对催化剂质量浓度、溶剂、反应温度、反应时间、KOH质量浓度、催化剂回收套用等进行研究,发现了一种绿色高效的制备苯偶酰的新途径,如Scheme 1所示。

Scheme 1 One-pot synthetic route of preparing benzil

1 实验部分
1.1 试剂和仪器

水杨醛、乙二胺、80%(体积分数)乙醇、Co(OAc)2·4H2O、CuSO4·5H2O、Zn (OAc)2·2H2O、 FeCl3·4H2O、Mn (OAc)2·4H2O、苯偶姻,均购自百灵威科技有限公司,分析纯试剂。 薄层层析硅胶,GF-254,青岛海洋化工有限公司。

AVANCEIII-500MHZ型核磁共振仪(德国Bruker公司),以氘代氯仿CDCl3为溶剂,TMS为内标;Equinox-55型红外光谱仪(德国Bruker公司);1290-6530uplc-Q-TOF型质谱仪(美国Agilent公司);Perkin Elmek Series-II 2400型元素分析仪(美国PE公司);安捷伦1100 Series型液相色谱仪(美国安捷伦科技有限公司),操作条件为:C18柱,柱温 30 ℃,洗脱剂 70%(体积分数)乙腈/水,流速2 mL/min,苯偶酰 tR=1.83 min,面积归一法测定纯度为:100%。

1.2 苯偶酰的分步合成

1.2.1 双水杨醛缩乙二胺的制备 在配有回流冷凝管、恒压滴液漏斗的100 mL三颈烧瓶中加入5.25 mL(0.05 mol)水杨醛和60 mL的乙醇,在Ar气的保护下搅拌,缓慢滴加1.75 mL(0.025 mol)乙二胺,滴加完毕,升温至75 ℃,搅拌1 h,反应过程用TLC跟踪(展开剂为 V(石油醚): V(二氯甲烷)=9:4)。 反应结束后,静置,抽滤得亮黄色片状晶体,将粗产品用甲醇重结晶,干燥后得产品双水杨醛缩乙二胺,产率75.6%。

1.2.2 双水杨醛缩乙二胺金属配合物的制备 以[Co(Salen)]的制备为例:在配有回流冷凝管、恒压滴液漏斗的100 mL三颈烧瓶中加入1.34 g,(5 mmol)双水杨醛缩乙二胺和50 mL乙醇,并加入磁力搅拌子,Ar气保护下65 ℃回流搅拌10 min,然后将1.25 g(5 mmol)醋酸钴的20 mL乙醇溶液缓慢滴加到配体溶液中Ar气保护下搅拌回流30 min,反应过程中用TLC法跟踪(展开剂为 V(石油醚): V(二氯甲烷)=9:4)。 反应结束后将所得反应液冰浴,抽滤得到暗红色固体,用水洗涤3次,再用乙醇洗涤,干燥,得到产品[Co(Salen)]。 其它4种Salen催化的制备过程与此类似。

5种Salen催化剂的结构与表征数据如下(XRD图详见辅件材料Fig.S1~Fig.S5)。

[Co(Salen)]:HRMS计算值C16H14CoN2O2[M+H]+ 326.0460,实测值:326.0412;C16H14CoN2O2元素分析值(计算值)/%:C 59.57(59.09),H 4.630(4.34),N 8.713(8.61)。

[Cu(Salen)]:HRMS计算值C16H14CuN2O2[M+H]+ 330.0430,实测值:330.2373;C16H14CuN2O2元素分析值(计算值)/%:C 59.57(59.09),H 4.630(4.34),N 8.713(8.61)。

[Zn(Salen)]:HRMS计算值C16H14ZnN2O2[M+H]+ 331.0425,实测值:331.2508;C16H14ZnN2O2元素分析值(计算值)/%:C 59.87(57.94),H 4.684(4.25),N 8.718(8.45)。

[Fe (Salen) ]:HRMS计算值C16H14FeN2O2Cl [M+H]+ 358.5934,实测值:358.2475;C16H14FeN2O2Cl元素分析值(计算值)/%:C 48.66(53.74),H 4.678(3.95),N 9.770(7.83)。

[Mn(Salen)]:HRMS计算值C16H14MnN2O2 [M+H]+ 322.0509,实测值:322.0456;C16H14MnN2O2元素分析值(计算值)/%:C 59.57(59.09),H 4.630(4.34),N 8.713(8.61)。

1.2.3 苯偶姻的催化氧化 在装有回流冷凝管和空气导管的三颈烧瓶中加入60 mL 80%的乙醇和苯偶姻1.08 g(5 mmol),搅拌加入[Co(Salen)]催化剂0.1 g(0.3 mmol)、KOH 0.1 g(1.8 mmol),通入空气,在70 ℃下反应50 min,反应过程中用TLC法跟踪(展开剂为 V(石油醚): V(二氯甲烷)=1:1)。 反应结束后,冷却到室温,调节反应液pH值为3~4,将其倾倒150 mL水中,固体析出后抽滤、水洗,粗产品用80%乙醇重结晶,得黄色针状晶体苯偶酰,干燥,称重,产率77.2%。

1.3 苯偶酰的一锅法合成

在装有回流冷凝管,恒压滴液漏斗的250 mL三颈烧瓶中加入0.65 mL(6.2 mmol)水杨醛和20 mL乙醇,并加入磁力搅拌子,在Ar气的保护下搅拌,并缓慢滴加0.22 mL(3.1 mmol)乙二胺,滴加完毕,升温至75 ℃,搅拌1 h。 然后将醋酸钴0.77 g(3.1 mmol)的20 mL乙醇溶液滴加到三颈烧瓶中,65 ℃,搅拌回流30 min,补加36 mL水、104 mL乙醇,并投入10.8 g(50 mmol)苯偶姻,1.0 g(18 mmol)KOH,70 ℃,反应90 min,反应过程中用TLC跟踪(展开剂为 V(石油醚): V(二氯甲烷)=1:1)。 反应结束后,冷却到室温,用稀盐酸调节反应液pH值为3~4。 将反应液倾倒300 mL水中,固体析出后,抽滤、水洗,粗产品用80%(体积分数)乙醇重结晶,得黄色针状晶体苯偶酰,干燥,称重,产率75.8%。 产品经熔点、1H NMR、13C NMR、FTIR及HRMS等进行结构确证。

苯偶酰(Benzil):黄色固体,mp 125~127 ℃。1H NMR(500 MHz,CDCl3), δ:7.98(m,4H),7.70~7.62(m,2H),7.51(t, J=7.8 Hz,4H);13C NMR(126 MHz,CDCl3), δ:194.60,134.92,133.01,129.92,129.05;IR, σ/cm-1:3062,1660,1580;HRMS计算值C14H10O2 [M+H]+ 211.0754,实测值:211.0748。

1.4 催化剂回收

将苯偶姻氧化反应后的滤液用旋转蒸发仪浓缩至10 mL,补加48 mL乙醇、2 mL水配成80%乙醇溶液,用KOH调节pH值至中性,配成80%的乙醇溶液,投入1.08 g(5 mmol)苯偶姻、0.1 g(1.8 mmol)KOH进行下一次苯偶姻的催化氧化反应并计算产物苯偶酰的产率。

2 结果与讨论
2.1 Salen配合物优化

以80%乙醇为溶剂,选择了金属Co、Cu、Zn、Fe、Mn的盐来合成Salen催化剂。 采用了分步法和一锅法研究了5种金属Salen配合物对苯偶姻氧化的催化效率的影响,实验结果见表1

表1 5种Salen金属配合物催化苯偶姻氧化的产率 a Table 1 The yields of the benzoin oxidation reaction using five different salen catalysts a

目前常用的分步法制备Salen催化剂以及催化氧化苯偶酰的实验中,需要单独分离提纯各步反应产物,实验过程操作繁琐,造成化学试剂的浪费。 实验结果发现,分步法和一锅法在获得产物收率上没有明显差异,但一锅法制备Salen催化剂氧化合成苯偶酰,简化了实验操作,减少了化学试剂的使用,优势明显。 5种Salen催化剂中,[Co(Salen)]催化剂具有最好的催化效果,其次[Fe(Salen)]和[Cu(Salen)]催化剂,因此,后续实验中选用Co(Salen)催化剂。

2.2 反应条件优化

采用五因素四水平 “正交设计”方法,考察了催化剂质量浓度、反应时间、溶剂种类、反应温度及KOH质量浓度这5个因素对反应的影响,反应条件列于表2,结果分析见表3

表2 苯偶姻氧化反应的正交试验条件和产率 Table 2 The orthogonal experiment condition and yields of the benzoin oxidation
表3 正交试验数据分析 Table 3 The data analysis of orthogonal experiment condition

通过产率Ⅰ~Ⅳ平均值可见,催化剂质量浓度在1.7×10-3 g/mL时,产率达到最大值57.9%;反应时间在50 min,产率达到最大值61.3%;时间延长后产率会稍有下降。 选用甲醇或80%乙醇当溶剂时产率均较高,在64%左右;随着反应温度的增加产率先增大后减小,可能由于温度过高导致副产物的增加;KOH的质量浓度在Ⅰ水平(1.7×10-3 g/mL)时产率达最大值62.7%,用量增大时体系碱性加强,导致产物部分分解而使产率减小。 从各因素下产率均值的极差R值大小可以看出溶剂种类的影响因素最大,其次是反应温度的影响。 通过以上讨论,该反应的最优条件为:催化剂质量浓度为1.7×10-3 g/mL,反应时间50 min,溶剂80%乙醇,温度70 ℃,KOH质量浓度为1.7×10-3 g/mL。 在此条件下反应的产物的产率最高,可达到76.5%(表2,entry 6)。

2.3 催化剂回收

考察了催化剂重复利用效果,共进行了5次回收利用,每次回收后循环反应的苯偶酰的产率列于表4。 在最佳反应条件下催化剂循环使用时,苯偶酰的产率下降很小。 第5次,苯偶酰的产率为74.2%,与第1次相比,下降了1.3%。 可见,该催化剂至少可以回收利用5次。

表4 最佳反应条件下催化剂循环使用时苯偶酰的产率 a Table 4 The benzil yields by recycling catalyst under the optimum reaction conditions a
3 结 论

以绿色的乙醇-水为溶剂,一锅法合成了Salen配体催化剂及安息香氧化制备苯偶酰的反应。 把通常的三步反应并成一锅进行,减少了中间的后处理操作和废液排放。 正交设计优化出了最佳的反应条件。 以[Co(Salen)]作为催化剂(1.7×10-3 g/mL),80%乙醇作为溶剂,在70 ℃下,反应50 min可获得最高76.5%的产率。 催化剂回收套用5次,收率仍可达74.2%。 该方法是一种绿色的制备苯偶酰的新途径。

辅助材料(Surpoting Information)[5种Salen催化剂XRD数据]可以免费从本刊网站(http://yyhx.ciac.jl.cn/)下载。

参考文献
[1] YU Shanxin, LIU Haiping. The Benzoin Oxidation Using Ferric Compounds[J]. J Shanxi Univ(Nat Sci Ed), 2000, 23(4): 331-332(in Chinese).
俞善信, 刘海平. 三价铁化合物对安息香的氧化[J]. 山西大学学报, 2000, 23(4): 331-332. [本文引用:1]
[2] ZENG Hongyao, XU Ting, LEI Fengying, et al. Ferric Nitrate Catalyzed Oxidation of 2-Hydroxyl-1, 2-diaryl-ethanone to 1, 2-Diaryl-1, 2-ethanedione[J]. Chem Res Appl, 2012, 24(6): 964-968(in Chinese).
曾鸿耀, 徐婷, 雷凤英, . 硝酸铁催化氧化二芳基乙醇酮制备二芳基乙二酮[J]. 化学研究与应用, 2012, 24(6): 964-968. [本文引用:1]
[3] CAI Zhebin, SHI Zhengui. Study on Catalytic Oxidation of Benzoins by Molecular Oxygen in Presence of Ferric Oxide Supported on Activated Aluminum Oxide[J]. Chinese J Org Chem, 2002, 22(6): 446-449(in Chinese).
蔡哲斌, 石振贵. Fe2O3/A12O3催化氧化苯偶姻制备苯偶酰[J]. 有机化学, 20022, 22(6): 446-449. [本文引用:1]
[4] LI Weihong, DING Yuansheng, XU Xiangjuan. Synthesis of Benzil Catalyzed by Phosphotungstic Acid Piperidine Salt Supported on Active Carbon[J]. Spec Petrochem, 2012, 29(4): 1-3(in Chinese).
李伟宏, 丁元生, 许祥娟. 活性炭负载磷钨酸哌啶盐催化合成苯偶酰[J]. 精细石油化工, 2012, 29(4): 1-3. [本文引用:1]
[5] HUANG Ling, TAO Qing, WANG Dongming, et al. Study on the Oxidation Reaction of Benzoin by Potassium Permanganate[J]. Appl Chem Ind, 2013, 42(7): 1281-1283(in Chinese).
黄玲, 陶清, 王冬明, . 高锰酸钾氧化安息香的实验研究[J]. 应用化工, 2013, 42(7): 1281-1283. [本文引用:1]
[6] Kang S, Joo C, Kim S M, et al. Oxidation of Benzoins to Benzoic Acids Using Sodium Hydride Under Oxygen Atmosphere[J]. Tetrahedron Lett, 2011, 52(4): 502-504. [本文引用:1]
[7] Joo C, Kang S, Kim S M, et al. Oxidation of Benzoins to Benzils Using Sodium Hydride[J]. Tetrahedron Lett, 2010, 51(46): 6006-6007. [本文引用:1]
[8] Yuan Y X, Liu Y, Xu M M, et al. The Surface Adsorption of 2, 2'-Bipyridine and Benzoin on Cu Electrode Interface Probed by Surface-enhanced Raman Spectroscopy[J]. J Electroanal Chem, 2014, 726: 44-50. [本文引用:1]
[9] Muthupandi P, Sekar G. Zinc-catalyzed Aerobic Oxidation of Benzoins and Its Extension to Enantioselective Oxidation[J]. Tetrahedron Lett, 2011, 52(6): 692-695. [本文引用:1]
[10] Li J T, Liu X R, Wang W F. An Efficient Oxidation of Benzoins to Benzils by ACC/silica Gel Under Ultrasound Irradtion[J]. Ultrason Sonochem, 2009, 16(3): 331-333. [本文引用:1]
[11] LIU Yaohua. Synthesis of Benzil with Benzoin Under Microwave Radiation[J]. Chinese J Spectrosc Lab, 2010, 27(6): 2370-2372(in Chinese).
刘耀华. 微波辐射下苯偶姻合成苯偶酰的反应[J]. 光谱实验室, 2010, 27(6): 2370-2372. [本文引用:1]
[12] SHEN Weihao, QIAN Junmei, WANG Yajun. Ultrasonic Wave-assisted Synthesis of Benzil[J]. Shandong Chem Ind, 2014, 43(7): 31-32(in Chinese).
沈未豪, 钱俊梅, 王亚军. 超声法辅助合成苯偶酰[J]. 山东化工, 2014, 43(7): 31-32. [本文引用:1]
[13] ZHOU Jun, REN Juan, LI Li, et al. PEG-400 Promoted Oxidation Reaction of Benzoin to 1, 2-Diphenyl-1, 2-ethanedione Oxidized by Ceric Ammonium Nitrate[J]. Guangdong Chem Ind, 2015, 42(9): 53-54(in Chinese).
周军, 任娟, 李丽, . PEG-400促进的硝酸铈铵氧化安息香合成二苯基乙二酮[J]. 广东化工, 2015, 42(9): 53-54. [本文引用:1]