1、 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
2、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
3、 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 h
4、ydride(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 un
5、der 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 a
6、lso 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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、 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
14、，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(
15、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
16、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