王辉陆洋宁朱兴飞李妙葵高翔

(1复旦大学化学系 上海200433;2复旦大学生命科学院 上海200433)

苯甲醛Cannizzaro反应的探讨与改进

王辉1陆洋宁2朱兴飞1李妙葵1高翔1

(1复旦大学化学系 上海200433;2复旦大学生命科学院 上海200433)

由苯甲醛Cannizzaro反应合成苯甲酸和苯甲醇实验中，产物苯甲醇在MgSO4和NaHSO3的共同催化作用下发生分子间脱水并高效生成二苄醚。对于苯甲醛Cannizzaro实验的操作步骤提出了改进方法以提高苯甲醇的分离收率。

无α－氢的醛(如芳香醛、甲醛等)在浓碱(氢氧化钠或氢氧化钾)的作用下发生歧化反应，一个分子的醛基氢以氢负离子的形式转移给另一个分子。反应的结果是一分子醛发生氧化反应生成相应的羧酸盐，另一分子醛发生还原反应生成相应的醇。该反应又称为Cannizzaro反应。我们在实验教学中以苯甲醛为起始原料，在浓氢氧化钠溶液作用下合成苯甲酸和苯甲醇。

合成苯甲醇的实验操作过程如下(苯甲酸的后处理过程略):

在150mL锥形瓶内称取10g氢氧化钠(0.25mol)，加入10mL水，振摇溶解并冷却至室温。边摇动锥形瓶边加入新蒸馏的苯甲醛(10.6g，0.1mol)。加毕，用橡皮塞塞紧瓶口并充分振摇(注意避免溶液接触橡皮塞)后室温放置过夜。次日，以适量的水溶解锥形瓶中的固体，全部溶解后将液体倒入分液漏斗中。用乙醚(25mL×3)萃取有机相，合并醚层，并依次用10mL饱和亚硫酸氢钠溶液，20mL饱和碳酸氢钠溶液和10mL水各洗涤一次。醚层以适量的无水硫酸镁室温干燥0.5h以上。过滤除去干燥剂，水浴(无明火)蒸去乙醚并回收。然后用煤气灯加热升温至140℃，停止加热，将直形冷凝管换成空气冷凝管，继续加热并收集202～206℃的馏分。

按照上述实验步骤处理含有苯甲醇－乙醚的有机相。在此过程中，教师发现了一个特殊的实验现象:大部分学生通过常压蒸馏的方法得到苯甲醇无色液体(沸程为202～206℃);但是个别学生得到的是微黄色油状液体。由于油状液体的沸点很高，无法通过常压蒸馏的方法将其纯化而残留在蒸馏瓶中。

关于高沸点微黄色的油状液体究竟是什么以及为什么没有得到苯甲醇这两个问题，我们指导有兴趣的学生对此实验现象进行了深层次的探讨和研究。

首先，需要确定微黄色高沸点油状液体的化学成分。对于解析有机化合物的结构，核磁共振氢谱(1H NMR)是最直接和最有效的方法之一。

对图1进行分析，可以判断:微黄色高沸点油状液体是纯度高达90%以上的二苄醚(PhCH2OCH2Ph)，其亚甲基的化学位移为4.56(4H)，比苯甲醇的亚甲基向高场移动了0.1;而二苄醚苯环上氢的化学位移为7.29～7.37(10H)。这些数据与文献报道的二苄醚核磁共振氢谱数据完全一致。

通过质谱分析，发现油状液体分子的分子离子峰是198，可以进一步确定上述油状液体分子为二苄醚。

图1 微黄色高沸点油状液体的原位核磁1H NMR(CDCl3溶剂)

那么在该实验条件下，二苄醚是如何形成的?苯甲醇和二苄醚之间是如何转化的?

在合成苯甲醇和苯甲酸的实验中，实验人员不仅观察到二苄醚的高效生成，而且亦成功地得到了苯甲酸的白色片状固体。据此推断:苯甲醛在浓的氢氧化钠溶液中发生的歧化反应是顺利进行的。换言之，通过苯甲醛的Cannizzaro反应已经得到苯甲醇和苯甲酸的钠盐。值得注意的是，在常压蒸馏苯甲醇－乙醚溶液之前，苯甲醇是稳定存在的。我们通过薄层色谱(TLC)分析手段验证了这一事实。然而，在加热蒸馏苯甲醇－乙醚溶液过程中，伴随着二苄醚的生成，苯甲醇逐渐减少直至最后完全消失。由此我们认为:苯甲醛首先发生歧化反应生成苯甲醇和苯甲酸的钠盐，但在常压蒸馏苯甲醇－乙醚溶液的过程中，由于某些物质的存在，导致苯甲醇快速发生分子间脱水，转化成二苄醚。

学生分析实验记录，发现在蒸馏苯甲醇之前，由于过滤操作不严格，使得滤液中含有少量肉眼观察得到的硫酸镁悬浮固体。基于这一实验现象观察，我们探讨了不同催化剂/添加剂对苯甲醇发生分子间脱水成醚反应的影响。表1为该系列反应的结果。值得提出的是，设计实验中的添加剂均为该合成实验中涉及到的试剂药品。

表1 添加剂对苯甲醇分子间脱水成醚反应的影响a

从表1结果可以看到，在1%无水硫酸镁和弱酸性的NaHSO3(10μL)饱和溶液的催化作用下，苯甲醇发生快速分子间脱水反应，以88%的收率生成二苄醚。该结果与学生在上述实验中所得到二苄醚的收率基本一致(反应1)。保持其他反应条件一致，以弱碱性的NaHCO3饱和溶液代替饱和NaHSO3溶液，苯甲醇则未发生脱水成醚反应(反应5)。无论反应体系是否有硫酸镁，苯甲醛对苯甲醇的脱水成醚反应均无促进作用(反应3和4)。值得注意的是，在加热回流苯甲醇过程中，饱和NaHSO3溶液或无水MgSO4都可以在一定程度上催化苯甲醇脱水成醚反应。但是二者的催化效率都很低，二苄醚的收率不超过15%(反应2和5)，该结果远低于学生在实验中所得到的二苄醚的收率(＞90%)。

根据以上实验结果，我们认为:在常压蒸馏苯甲醇过程中，在NaHSO3和无水MgSO4的共同催化作用下，苯甲醇发生分子间脱水反应，生成相应的二苄醚。在此过程中，硫酸镁的作用可能为加速苄基碳正离子的生成。

那么，在苯甲醇－乙醚有机相干燥操作步骤中，能否用其他干燥剂来代替无水MgSO4，从而避免二苄醚的生成并提高苯甲醇的分离收率呢?

除无水MgSO4外，实验室中常用于醇的干燥剂为无水Na2SO4，K2CO3和Na2CO3。我们探讨了在微量NaHSO3(10μL)饱和溶液的存在条件下，上述干燥剂对苯甲醇分子间脱水成醚反应的影响。表2为该系列反应的结果。在弱酸性条件下，无水Na2SO4对苯甲醇的分子间脱水反应无催化促进作用(反应2)。但是，无水Na2CO3和K2CO3却可以不同程度地促进苯甲醇脱水成醚，二苄醚的收率分别为2%和30%(反应3和4)。

表2 不同干燥剂对苯甲醇脱水成醚反应的影响a

根据上述实验结果的分析和讨论，我们对苯甲醛Cannizzaro反应中产物苯甲醇的后处理操作步骤，提出以下几点改进:

为完全除去NaHSO3，以确保苯甲醇－乙醚溶液为中性或弱碱性，建议用饱和NaHCO3溶液洗涤苯甲醇－乙醚有机相的次数为2～3次。实验人员在操作中，可以用pH试纸检验洗涤后水相的酸碱性。其次，建议以无水Na2SO4代替无水MgSO4干燥苯甲醇－乙醚有机相。这样即使滤液中含有微量干燥剂，苯甲醇在弱酸性条件下也不会发生分子间脱水反应生成二苄醚。此外，由于在较低的温度下，苯甲醇较难发生分子间脱水成醚反应，实验人员可以通过减压蒸馏提纯苯甲醇。

［1］ 李妙葵，贾瑜，高翔，等.大学有机化学实验.上海:复旦大学出版社，2006

［2］ Matsubara K，Iura T，Maki T，et al.JOrg Chem，2002，67:4985

［3］ Shintou T，Mukaiyama T.JAm Chem Soc，2004，126:7359

［4］ Kim S，Chung K N，Yang S.JOrg Chem，1987，52:3917

［5］ 邢其毅，徐瑞秋，周政，等.基础有机化学(上册).第2版.北京:高等教育出版社，1993