莊俊鵬

(北京化工大學(xué)理學(xué)院有機(jī)化學(xué)系 北京100029)

手性是有機(jī)化學(xué)的重要概念，但在本科高等化學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入手性的實(shí)驗(yàn)并不是很多，其中一個(gè)比較合適的實(shí)驗(yàn)是1-聯(lián)-2-萘酚的合成與拆分。

1，1'-聯(lián)-2-萘酚的合成與拆分已有多種方法［1-3］。其中報(bào)道拆分效率最好的是N-芐基氯化辛可寧。

雖然N-芐基氯化辛可寧可以實(shí)現(xiàn)接近100%的拆分效果，但需要先進(jìn)行辛可寧和氯化芐反應(yīng)制備后，再用于拆分;而原料辛可寧價(jià)格昂貴，不易獲得。另外，N-芐基氯化辛可寧的相對(duì)分子質(zhì)量大，實(shí)驗(yàn)中拆分劑用量較大?？紤]到這些因素，N-芐基氯化辛可寧實(shí)際上并不太適用于大量學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)。

我們希望選擇一種廉價(jià)易得的拆分劑，改進(jìn)1，1'-聯(lián)-2-萘酚的合成與拆分，以利于在教學(xué)中將其作為常規(guī)實(shí)驗(yàn)開展。我們就此問題進(jìn)行了檢索，參照文獻(xiàn)［4］進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)，以L-脯氨酸和N，N-四甲基乙二胺為拆分劑，在甲醇中長(zhǎng)時(shí)間回流，發(fā)現(xiàn)沒有晶體生成或晶體生成很慢，拆分效果不理想。而文獻(xiàn)中報(bào)道的以光學(xué)純的1-苯基-2-丙胺作為拆分劑也因?yàn)閮r(jià)格的問題不宜采用［5］。

最終參照文獻(xiàn)［6］，僅采用L-脯氨酸作為拆分劑，在CH2Cl2中回流反應(yīng)1.5小時(shí)，再經(jīng)過后處理，可分別得到S-和R-對(duì)映體過量的1，1'-聯(lián)-2-萘酚，反應(yīng)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性很好。迄今已在北京化工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系連續(xù)3屆開設(shè)本實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過3屆學(xué)生的探索，我們規(guī)范了每一步的操作，使該實(shí)驗(yàn)成為一項(xiàng)較完善的常規(guī)本科高級(jí)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)(圖1)。

圖1 1-聯(lián)-2-萘酚的合成及拆分示意圖

實(shí)驗(yàn)共分成4個(gè)單元，每個(gè)單元可在4～5學(xué)時(shí)內(nèi)完成。

1 外消旋1-聯(lián)-2-萘酚的合成

在裝有機(jī)械攪拌、溫度計(jì)和回流冷凝管的500mL三口圓底燒瓶中，加入100mL水，再加入經(jīng)過研磨并過160目標(biāo)準(zhǔn)篩(原料粒徑小于0.16mm)的14.4gβ-萘酚(0.10mol)，升溫至70℃。加入150mL溶有29.7g FeCl3·6H2O(0.11mol)的水溶液。隨著反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)液由黃褐色懸濁液變?yōu)闇\黃綠色懸濁液。

用薄層色譜監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)行的程度。吸取約0.5mL反應(yīng)懸濁液，加入到1.5mL塑料離心管中，滴加10滴乙酸乙酯，充分振蕩，懸濁液變清。取上層有機(jī)相用薄層色譜監(jiān)測(cè)，用V(石油醚):V(乙酸乙酯)=2:1展開劑展開。在薄層板上Rf值=0.7的位置附近出現(xiàn)兩個(gè)點(diǎn)，前一個(gè)點(diǎn)是原料β-萘酚，后一個(gè)點(diǎn)是產(chǎn)物。產(chǎn)物點(diǎn)有微弱的藍(lán)色熒光。約1.5～2小時(shí)，原料可以完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，停止反應(yīng)，抽濾，濾餅壓緊后充分水洗，晾干后產(chǎn)品質(zhì)量大于13.5g，粗收率＞95%。

我們對(duì)反應(yīng)過程進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn)。①對(duì)β-萘酚過篩處理。由于原料β-萘酚和產(chǎn)物1，1'-聯(lián)-2-萘酚不溶于水，反應(yīng)為非均相反應(yīng)，即原料的顆粒越小，反應(yīng)速率越快。由于過篩處理后的β-萘酚粒徑均一，可使反應(yīng)終點(diǎn)同時(shí)到達(dá)。②采用薄層色譜監(jiān)測(cè)反應(yīng)的進(jìn)行。文獻(xiàn)中為1小時(shí)后停止反應(yīng)，并不進(jìn)行薄層色譜的監(jiān)測(cè)［3］。我們對(duì)此進(jìn)行過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)在1小時(shí)內(nèi)無(wú)法完全轉(zhuǎn)化。采用薄層色譜是監(jiān)測(cè)該反應(yīng)的直觀有效方式。

2 1，1'-聯(lián)-2-萘酚的重結(jié)晶

利用上述方法合成的1，1'-聯(lián)-2-萘酚為淺黃色或淺灰色粉末狀產(chǎn)品，可以通過重結(jié)晶進(jìn)一步提高純度，并改善產(chǎn)品的外觀，得到無(wú)色晶體狀產(chǎn)品。

我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)上下都帶磨口的特殊的錐型漏斗，上口為29#或34#的較大磨口，下口為19#或24#的較小磨口。使用時(shí)，將折好的合適大小的花形濾紙從上磨口塞到漏斗中，通過非常簡(jiǎn)便的方法實(shí)現(xiàn)了重結(jié)晶過程的快速熱過濾，裝置如圖2所示。

將約13.5g粗品1，1'-聯(lián)-2-萘酚加入到250mL錐形瓶中，加入約140mL甲苯及3粒沸石，安裝熱過濾漏斗，緩慢加熱沸騰(圖2(b))。這時(shí)，錐形瓶中的甲苯蒸氣上升，蒸氣將花形濾紙包裹，并將熱過濾漏斗加熱。待1，1'-聯(lián)-2-萘酚完全溶解后，降溫，用三角漏斗向錐形瓶中加入1g粉末狀活性炭和幾粒沸石，再次加熱回流10min。將熱過濾漏斗取下，安裝到一個(gè)新的錐型瓶上，將已回流脫色的1，1'-聯(lián)-2-萘酚的甲苯溶液通過三角漏斗加入到花形濾紙中進(jìn)行熱過濾(圖2(c))。由于熱過濾漏斗已被充分加熱，在熱過濾過程中，產(chǎn)品不會(huì)析出。通過熱過濾得到淺褐色溶液。

所得的甲苯溶液在降溫過程中很快在瓶底析出無(wú)色片狀晶體，靜置1小時(shí)左右，結(jié)晶過程基本完成;也可以放在冰箱中冷凍，使結(jié)晶更完全。抽濾，壓緊濾餅，用少量甲苯洗滌，盡量抽干后晾干或烘干濾餅，得到無(wú)色晶體約12g。母液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去大部分甲苯后，又析出部分晶體，處理后得到約0.8g淺黃褐色晶體。

圖2 改進(jìn)的重結(jié)晶裝置和重結(jié)晶過程

這種重結(jié)晶的方法適合于結(jié)晶過程中析出非?？斓奈镔|(zhì)。一些很難用普通熱過濾完成的操作，用這種方法可以順利完成。對(duì)于在熱過濾中特別容易析出的晶體，可以在回流條件下進(jìn)行熱過濾，效果更好。

3 外消旋1，1'-聯(lián)-2-萘酚的拆分

我們按照Periasamy的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［6］，取得了良好的效果，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

將外消旋1，1'-聯(lián)-2-萘酚和分析純L-脯氨酸分別研磨并過160目標(biāo)準(zhǔn)篩備用。在250mL圓底瓶中加入 7.15g 外消旋 1，1'-聯(lián)-2-萘酚(25mmol)、2.88g L-脯氨酸(25mmol)和 100mL CH2Cl2。兩種原料均難溶于CH2Cl2，反應(yīng)體系是懸濁液，機(jī)械攪拌或磁力攪拌加熱回流。經(jīng)15min左右，體系開始變成乳白色懸濁液;繼續(xù)加熱回流1.5h，停止反應(yīng)。抽濾得到濾液和濾餅，將濾液旋干，得到固體剩余物。

將濾餅用80mL乙酸乙酯和50mL 1mol·L-1的鹽酸混合液進(jìn)行處理，得到澄清透明的分層溶液;用250mL分液漏斗分出水層，再用50mL 1mol·L-1的鹽酸溶液洗滌乙酸乙酯層兩次。L-脯氨酸由于易溶于酸性水溶液而被除去。用無(wú)水硫酸鈉干燥分出的乙酸乙酯層，旋干，產(chǎn)品晾干后得到S-對(duì)映體過量的1，1'-聯(lián)-2-萘酚3.0～3.5g。按照和濾餅相同的處理方法，對(duì)固體剩余物進(jìn)行處理，得到3.0～3.5g R對(duì)映體過量的 1，1'-聯(lián)-2-萘酚。

L-脯氨酸是一種常用的光學(xué)純物質(zhì)。在溶劑中，S-1，1'-聯(lián)-2-萘酚容易和L-脯氨酸形成共結(jié)晶沉淀，而R-1，1'-聯(lián)-2-萘酚不容易和L-脯氨酸共結(jié)晶，而留在母液中。正是通過這種共結(jié)晶動(dòng)力學(xué)性質(zhì)上的差異，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于外消旋聯(lián)-2-萘酚的拆分。

我們對(duì)本實(shí)驗(yàn)做了以下的探索和改進(jìn)。Periasamy的文獻(xiàn)中報(bào)道了使用甲醇、二氯甲烷、三氯甲烷、乙腈等多種有機(jī)溶劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［6］。考慮到聯(lián)-2-萘酚在甲醇中的溶解度很好，不易析出結(jié)晶，而且甲醇毒性較大，故本實(shí)驗(yàn)不采用甲醇為溶劑;文獻(xiàn)中使用的三氯甲烷和乙腈需要長(zhǎng)時(shí)間回流，才能得到較好的結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)也未采用;最終選用二氯甲烷作為溶劑。由于外消旋的聯(lián)-2-萘酚和L-脯氨酸在二氯甲烷中的溶解度都比較差，我們同樣對(duì)原料過160目標(biāo)準(zhǔn)篩，以加快反應(yīng)速率。文獻(xiàn)方法需要回流3h，而我們的實(shí)驗(yàn)方法只需進(jìn)行1.5h回流，即可得到很好的拆分結(jié)果。

4 旋光度的測(cè)定

通過測(cè)定所拆分的1，1'-聯(lián)-2-萘酚產(chǎn)品的旋光度，可以計(jì)算產(chǎn)品的比旋光度，通過與文獻(xiàn)值的比較，可以計(jì)算出產(chǎn)品的光學(xué)純度。

本科實(shí)驗(yàn)中較少使用旋光儀。在本實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)黾恿耸褂眯鈨x的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。先用L-脯氨酸(以水為溶劑，和蔗糖(以水為溶劑，)作為光學(xué)純的物質(zhì)來(lái)熟悉旋光度的測(cè)定。配制不同濃度的L-脯氨酸和蔗糖的溶液，測(cè)定其旋光度，并按式(1)計(jì)算其比旋光度在測(cè)定過程中，向?qū)W生介紹旋光度在一定條件下與溶液的濃度及旋光管的長(zhǎng)度近似成正比，并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

光學(xué)純的 R-和 S-1，1'-聯(lián)-2-萘酚的比旋光度(THF)為+34.5°和-34.5°［6］。分別稱取 2.000g 制備的對(duì)映體過量的R-和S-1，1'-聯(lián)-2-萘酚以及外消旋的樣品，用容量瓶配成25.00mL溶液，測(cè)定其旋光度α，通過式(1)計(jì)算比旋光度;然后按式(2)計(jì)算樣品的光學(xué)純度。

相比于手性高效液相色譜法，用比旋光度的方法測(cè)定樣品的光學(xué)純度存在較大偏差。但是這種方法簡(jiǎn)單易用，對(duì)于證明拆分效果已經(jīng)足夠了。一般情況下，經(jīng)過一次拆分，樣品的光學(xué)純度可以達(dá)到40%～60%。我們也嘗試了進(jìn)行第二次拆分，所得的S-對(duì)映體過量樣品的光學(xué)純度可達(dá)到80%甚至90%以上。

5 結(jié)論

本文介紹了一個(gè)改進(jìn)的1，1'-聯(lián)-2-萘酚的合成與拆分的實(shí)驗(yàn)，用L-脯氨酸替代N-芐基氯化辛可寧作為拆分劑，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，重現(xiàn)性很好。本實(shí)驗(yàn)?zāi)芫C合訓(xùn)練學(xué)生的薄層色譜監(jiān)測(cè)、重結(jié)晶、萃取、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的使用、溶液的配制和旋光儀的使用等多種操作技能，是一個(gè)適合在本科高年級(jí)開設(shè)的高等有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)。

［1］戴日強(qiáng)，黃春林.化工技術(shù)與開發(fā)，2007，36(6):24

［2］鐘增培，曹承君，朱良.有機(jī)化學(xué)，1999，19(5):448

［3］王洋.大學(xué)化學(xué)，2002，17(3):42

［4］施秀芳，張明杰，杜偉奇.有機(jī)化學(xué)，2003，23(2):192

［5］許遵樂，石中平，涂敬仁，等.合成化學(xué)，1993，1(1):31

［6］Periasamy M，Venkatraman L，Thomas K R J.J Org Chem，1997，62(13):4302

［7］Ding K L，Wang Y，Zhang L J，et al.Tetrahedron，1996，52(3):1005