大学化学, 2020, 35(4): 168-172 doi: 10.3866/PKU.DXHX201911037

 

环己酮制备实验的改进

张思雨1, 郝天辉1, 王则月1, 姚赟1, 凌剑1, 赵静峰,2

Improvement of the Cyclohexanone Preparation Experiment

Zhang Siyu1, Hao Tianhui1, Wang Zeyue1, Yao Yun1, Ling Jian1, Zhao Jingfeng,2

通讯作者: 赵静峰,Email: jfzhao@ynu.edu.cn

收稿日期: 2019-11-20   接受日期: 2019-12-11  

基金资助: 云南省教改项目.  JG2018025

Received: 2019-11-20   Accepted: 2019-12-11  

摘要

以环己醇合成环己酮在大学有机化学基础实验教学中占有重要地位,但是目前实验教学主要使用的方法是重铬酸钠-浓硫酸氧化法,使用强腐蚀性的浓硫酸,并产生含铬强酸性有毒废液。本文采用NaClO-TEMPO-TBAB催化氧化反应,缩短实验时间,提高产率并实现了半微型化实验,在达到同样教学目的的同时避免了原有实验带来的铬污染和强酸问题。

关键词: 环己醇 ; 环己酮 ; 催化氧化 ; 相转移催化

Abstract

The cyclohexanone preparation is an important experiment in fundamental organic chemistry laboratory for college students. In this paper, NaClO-TEMPO-TBAB catalytic oxidation reaction was used to replace chromic acid oxidation reaction, avoiding concentrated sulfuric acid and chromium-containing waste. At the same time, the reaction conditions were optimized to achieve small scale and shorten operating time which can train and improve students' operation skills in the experiment.

Keywords: Cyclohexanol ; Cyclohexanone ; Catalytic oxidation ; Phase transfer catalysis

PDF (325KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

张思雨, 郝天辉, 王则月, 姚赟, 凌剑, 赵静峰. 环己酮制备实验的改进. 大学化学[J], 2020, 35(4): 168-172 doi:10.3866/PKU.DXHX201911037

Zhang Siyu. Improvement of the Cyclohexanone Preparation Experiment. University Chemistry[J], 2020, 35(4): 168-172 doi:10.3866/PKU.DXHX201911037

环己酮是重要化工原料和工业溶剂,是制造尼龙等的重要中间体。以环己醇为原料制备环己酮是目前较为便捷的方法,也是仲醇氧化至羰基的典型反应,是本科有机化学基础实验教学中的一个重要反应。

目前的有机化学实验教学[15]中,主要采用重铬酸钠-浓硫酸氧化法制备环己酮。重铬酸钠-浓硫酸氧化体系的氧化效率较高,实验过程中的装置搭建、反应温度的控制、萃取和简易水蒸气蒸馏、常压蒸馏等实验操作锻炼了学生的基本实验技能。但重铬酸盐极具污染性,且毒性较大,与绿色化学的发展理念不相符合,浓硫酸的使用也存在一定的风险;且在反应后处理过程中,氧化铬粘附性强,不易去除,造成反应产物收率不稳定、现象不明显等问题。因此,寻找一种安全环保、高效经济的方法是十分有必要的,也是绿色化学理念的具体体现。

文献已有对环己酮合成实验进行改进的报道,其具代表性的便是用次氯酸钠-乙酸氧化法[6]、过氧化氢-FeCl3氧化法[7]、过氧化氢-WO3-TBAB氧化法[8]、过氧化氢-CuCl2氧化法[9]等。这些改进虽然都取代了重铬酸钠和浓硫酸,但氯酸钠-乙酸氧化法中反应环境为酸性,容易产生游离的氯气。在使用过氧化氢过程中易产生试剂的腐蚀性危害,而且过氧化氢属于易制爆管制品,购买和储存都比较困难。

2, 2, 2, 6, 6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)是一个商品化的稳定自由基试剂[10],经常用于催化氧化次氯酸钠和碘苯二乙酸等用于伯醇转化为醛的氧化反应,但通用的反应条件对于环己醇氧化为环己酮则需要长时间反应,不利于课程安排。通过大量的实验,我们选择以次氯酸钠溶液(有效氯约11%)作氧化剂,TEMPO为催化剂,四丁基溴化铵(TBAB)为相转移催化剂,催化氧化环己醇制备环己酮(图1),主要探究了NaClO、TEMPO和TBAB用量以及反应温度、反应时间、体系溶剂对环己酮收率的影响,获得最佳反应条件。

图1

图1   环己醇氧化制备环己酮的反应方程式


次氯酸钠溶液价廉易得,应用TEMPO催化氧化的反应是现代有机合成方法的趋势,而相转移催化剂的引入可加速反应的进行并提高反应产率。此改进方案既降低了实验过程的风险,又拓宽了学生的知识面,同时实验用量实现了半微型化,降低实验成本,实验废弃物大幅降低。还将实验教材中水蒸气-常压蒸馏操作进一步优化为水循环真空泵减压蒸馏,不仅提高了产物的收率,缩短了反应时间,也进一步提升了学生实验操作能力,符合现代有机化学实验教学改革的要求。

1 实验部分

1.1 实验原理

TEMPO-NaClO催化氧化体系能够较好地将伯醇氧化为醛、仲醇氧化成相应的酮,反应条件温和,该方法已有比较成熟的反应条件,反应机理已有报道[11],经过大量实验后发现将溴化钾更换为四丁基溴化铵(TBAB),既提供了反应所需的溴离子,又起到相转移催化的作用,使反应的速率大大提高,实验原理见图2

图2

图2   TEMPO催化氧化反应机理


1.2 实验仪器与试剂

仪器:磁力搅拌器、微型磁力搅拌电热套、分析天平、旋转蒸发仪、水循环真空泵、玻璃仪器、温度计(未校正)。

试剂:环己醇、2, 2, 6, 6-四甲基哌啶氧化物、四丁基溴化铵、次氯酸钠溶液(有效氯11% – 13%)、二氯甲烷、无水亚硫酸钠、无水氯化钙、氯化钠、碳酸氢钠(每一次实验试剂用量见表1)。

表1   试剂用量

试剂名称用量
环己醇1.5 g
碳酸氢钠1 g
2, 2, 6, 6-四甲基哌啶氧化物0.02 g
四丁基溴化铵0.1 g
次氯酸钠溶液(有效氯11%)12 mL
二氯甲烷10 mL
饱和亚硫酸钠溶液5 mL
无水氯化钙5 g
饱和NaCl溶液5 mL

新窗口打开| 下载CSV


1.3 实验步骤

1)取1.5 mL (1.5 g,15 mmol)环己醇、100 mg TBAB、20 mg TEMPO、1 g NaHCO3于100 mL三口烧瓶中,再向其中加入10 mL CH2Cl2和15 mL水,并在磁力搅拌器上搅拌约10 min至固体溶解。

2)将恒压滴液漏斗、温度计、冷凝管安装于三颈烧瓶上,将烧瓶置于冰水浴中,在恒压滴液漏液中加入12 mL次氯酸钠溶液。当观察到温度计显示温度为10 ℃时,旋开滴液漏斗,缓慢滴加次氯酸钠溶液,可观察到温度缓慢上升,调整滴加速度和冰水浴水位,使反应体系温度始终维持在10–20 ℃,10 min左右滴加完毕,继续搅拌反应40–60 min。

3)将反应混合液转移到分液漏斗中,静置分层。从分液漏斗下口分离出有机相至50 mL锥形瓶中,将上层水相倒入废液缸,有机相依次用5 mL饱和亚硫酸钠溶液、5 mL饱和食盐水洗涤并将上层水相倒入废液缸,有机相溶液用5 g无水氯化钙干燥15 min。

4)干燥后的有机相经过滤转入50 mL的圆底烧瓶中,在旋转蒸发仪上减压蒸干,将回收的二氯甲烷放入二氯甲烷回收瓶中,可以重复使用,使用过的氯化钙放入固体废弃物容器中。

5)产物提纯可根据实验条件选择如下三种方案:可以根据实验室的条件选择产物纯化方式(表2)。

表2   不同蒸馏提纯方式的产率与温度

蒸馏方式馏分温度/℃产率/%
减压蒸馏84–8660–70
常压蒸馏145–14830–40
共沸蒸馏145–14820–30

新窗口打开| 下载CSV


①常压蒸馏。

组装常压蒸馏装置用空气冷凝管蒸馏,收集143–147 ℃馏分(与当地大气压有关)于已知质量的锥形瓶中,称取产物质量并计算产率,将产物倒入产物回收瓶中。

②共沸蒸馏。

将粗产物转移到25 mL的圆底烧瓶中,组装简易水蒸气蒸馏装置,向其中加入4.5 mL水,将环己酮与水一起蒸出,共沸蒸馏温度为91 ℃ (昆明),直至馏出液不再浑浊。向馏出液中加入氯化钠使溶液饱和,分出有机层。用无水氯化钙干燥后转入15 mL圆底烧瓶中,改用空气冷凝管,收集143–147 ℃ (与当地大气压有关)馏分于已知质量的锥形瓶中,称取产物质量并计算产率,将产物倒入产物回收瓶中。

③减压蒸馏。

组装减压蒸馏装置,调节水循环真空泵表压为0.07 MPa,收集84–85 ℃ (昆明)的馏分于已知质量的烧瓶中,称取产物质量并计算产率,将产物倒入产物回收瓶中。

1.4 检测方法

1)反应监测:用薄层色谱(TLC)监测反应,展开剂:石油醚/乙酸乙酯(体积比为6 : 1),磷钼酸显色剂显色。

2)反应产物均由1H和13C NMR鉴定确认。

3)实验条件优化过程中,环己酮产率计算均通过GC检测馏出液中环己酮含量。

1.5 注意事项

1)环己醇为粘稠状液体,难以准确用量筒量取1.5 mL,可以用天平称量。

2)次氯酸钠溶液的取用需要有一定的防护措施,一般在通风橱中进行。

3)反应的监测有一定的难度,用薄层色谱(TLC)监测反应时需要先静置分层,用滴管吸取下层有机相取样检测。

4)由于产物为液体,需要先称量接收瓶质量并记录,以免转移过程中损失。

2 结果与讨论

在本改进实验中,参照NaClO-TEMPO-KBr经典操作,将文献中碳酸氢钠预先调节次氯酸钠溶液pH的操作改为直接滴加次氯酸钠溶液到含碳酸氢钠反应体系中,使反应物尽量短时接触氧化剂,同时将溴化钾替换为四丁基溴化铵,既提供了反应所需的溴离子,又有相转移催化的效果。反应中温度的控制由冰水浴实现,实验过程中反应现象明显,NaClO溶液滴入时,溶液突变为黄色,反应过程中因反应的进行溶液颜色略变浅,利于学生对反应的观察。经过对照,该方法使反应时间由6 h缩短为40 min左右。经过多次的重复实验,以TLC监测反应进程,由GC分析馏出液确定环己酮收率,该反应转化率均在95%以上。探究了NaClO、TEMPO和TBAB的用量以及反应温度、反应时间、体系溶剂对环己酮收率的影响,获得最佳反应条件。

以1.5 mL (1.5 g,15 mmol)环己醇计,反应的最佳条件为:TEMPO 20 mg (1%,摩尔比),TBAB 100 mg (2%,摩尔比),溶剂二氯甲烷10 mL,NaClO溶液(有效氯为11%) 12 mL (1.3 eq.),碳酸氢钠1 g,在10–20 ℃下反应40–60 min。在该条件下进行了10次平行实验,测得环己酮平均产率达67.5%。

由于环己酮和环己醇沸点接近(环己酮沸点:155 ℃,环己醇160 ℃),仅常压蒸馏难以将二者分离,易导致产物不纯。文献改进方案均选用先水蒸气共沸蒸馏,再进行常压蒸馏,即可将环己醇和环己酮有效分离,达到产物纯化的目的。但共沸蒸馏加上常压蒸馏耗时长,能耗高,效率低。蒸馏过程中对热源温度要求高,在获得馏出液时,电热套温度需要超过200 ℃,过高的温度可能对实验者的人身安全造成威胁。

本实验推荐减压蒸馏,用本科实验中常配置的带调压装置的水循环真空泵抽真空,当表压为0.07 MPa时产物馏出液在85 ℃时稳定流出,不仅使反应时间缩短(由原来的4–5 h,缩短至3 h),且产物收率提高,加热温度(电热套)较低,实验安全系数提高。

实验实现半微型化,所需试剂费用在1.0–1.5元/次,产率大于60%,中性液体废弃物20 mL/次,试剂用量少。氧化剂次氯酸钠溶液廉价易得,催化剂TEMPO仅20 mg/次,溶剂二氯甲烷可回收重复使用,实验全部流程约3 h,适合大规模的本科实验教学。

3 结语

本改进实验选用NaClO-TEMPO催化氧化体系,使用相转移催化剂加速反应,具有绿色清洁,反应条件温和,选择性高,操作简单,成本低廉的特点。既避免了实验教学过程中大量重金属废物和强酸废液的产生,同时加深了学生对催化氧化反应和相转移催化反应的理解,同时减压蒸馏节能并减少高温实验意外风险。反应过程中的控温、滴加、萃取、干燥、过滤、旋转蒸发和减压蒸馏等操作也是有机化学实验的基本操作,有助于本科生实验技能的锻炼,可以在基础实验课中推广。

参考文献

李兆陇; 阴金香; 林天舒. 有机化学实验, 北京: 清华大学出版社, 2001.

[本文引用: 1]

北京大学化学与分子工程学院有机化学研究所. 有机化学实验, 第3版 北京: 北京大学出版社, 2015.

赵剑英;胡艳芳;孙桂滨;邢令宝. 有机化学实验, 第3版 北京: 化学工业出版社, 2015.

李霁良. 微型半微型有机化学实验, 第2版 北京: 高等教育出版社, 2013.

王玉良; 陈华. 有机化学实验, 北京: 化学工业出版社, 2011.

[本文引用: 1]

蒋先明; 林海源; 苏小建. 大学化学, 1987, 2 (1), 48.

URL     [本文引用: 1]

刁开盛; 李雁; 覃志刘. 广西民族学院学报(自然科学版), 2005, (1), 98.

DOI:10.3969/j.issn.1673-8462.2005.01.019      [本文引用: 1]

郭晓稚; 陆新华; 姜文清; 卞国庆; 任志刚. 大学化学, 2011, 26 (6), 60.

URL     [本文引用: 1]

杨世军. 山东化工, 2018, 47 (22), 133.

DOI:10.3969/j.issn.1008-021X.2018.22.058      [本文引用: 1]

Vogler T. ; Studer A. Syhthesis 2008, (13), 1979.

DOI:10.1002/chin.200840259      [本文引用: 1]

Anelli P. L. ; Biffi C. ; Montanari F. ; Quici S. J. Org. Chem. 1987, 52, 2559.

DOI:10.1021/jo00388a038      [本文引用: 1]

/