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2,6-二-(2-吡啶基)-4-苯基吡啶的制备;及4,4'-(1,4-苯撑)双(2,6-二苯基吡喃鎓氟硼酸盐)的制备

本文章内容是我创作的第一篇文章的原理的两个应用:内容包括两条路线和4个实验

1,3,5-三苯基-1,5-戊二酮的制备

(救命,我绷不住了,文章还有谱图和产物还没补完,不小心点了提交而不是存草稿,怎么撤回隐藏文章啊?算了,以后再把部分产物和谱图补上吧,到时候发个新版本公告)

实验一是2,6-二-(2-吡啶基)-4-苯基吡啶的制备,因为上面的文章最末尾部分讲了,普通的邻位的三联吡啶是一种有趣的配体(配位化学性质),但是制备产率偏低,是很难解决的问题。因此我们考虑制备它的廉价替代品,中间那个环对位有苯环的衍生物/类似物,既不干扰配位,又容易高产率制备。

image.jpg

实验二是4,4'-(1,4-苯撑)双(2,6-二苯基吡喃鎓氟硼酸盐)的制备,直接用对苯二甲醛、苯乙酮为原料,三氟化硼乙醚为路易斯酸制备会出现一坨黑色的shit,原理很复杂,副反应能分析出一大堆(包括但不限于原料分子一侧变成二氢查耳酮,另一侧变成吡喃盐等)。因此我们把实验拆分成两步完成:一步是制备类似1,3,5-三苯基-1,5-戊二酮的四酮中间体;第二步是关环生成目标产物双吡喃盐。

image.jpg

实验二的参考文献请看:

attachment icon苯撑二吡喃鎓的合成.pdf1.08MBPDF18次下载预览

本文中的命名可能有错漏之处,欢迎指出。


一、实验一第一步——2-吡啶乙酮和苯甲醛碱催化合成1,5-二-(2-吡啶基)-3-苯基-1,5-戊二酮

反应机理请见:1,3,5-三苯基-1,5-戊二酮的制备

不仅反应机理一模一样,反应底物和产物也是文章中反应底物和产物的广义等电子体。


1、与文章中反应的区别

反应物与产物的吡啶氮有碱性,可以被质子化,可以与质子溶剂形成氢键。进而增加了在质子溶剂和酸中的溶解度。而不像苯乙酮,三苯基戊二酮那样,在一般的酸中或质子溶剂中不溶解。

因此,一方面用于打浆(实际操作时是重结晶)的质子溶剂例如甲醇、乙醇的用量要大幅度减少。

另一方面,打浆时用来酸化,防止强碱破坏产物的冰乙酸,用量也应该大幅度减小,不宜过量加入,而应该估算碱的残留量来加入。


2、实验操作

感谢 @Renato16 提供的实验操作图片:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

将10.81g苯甲醛(0.1mol),32.10g 2-吡啶乙酮(0.265mol),20mL乙醇依次加入反应瓶中;开启搅拌。用10.35g NaOH,15.5mL水激烈搅拌,配制40%碱液,将碱液倒入反应瓶中,并用5mL乙醇冲洗残余。搭建回流装置,启动回流。

回流状态现象如下:

image.jpg

反应结束后,将反应体系倒入大量冰水中,剧烈搅拌

image.jpg

静置,倾析除去上层液体,重新倒入大量冰水,搅拌。这一步最终目的是让产物凝固固化

image.jpg

必要时可以把洁净的冰块扔进反应体系

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image.jpg

image.jpg

其实这些图来自不同批次的反应。这里就是反应体系加冰后的,固化粘稠物质中包含我们想要的产物,下一步我们将通过重结晶或打浆纯化它。

把水和冰倒干净,加入少量溶剂,例如等体积的甲醇或乙醇(约25~35mL),并滴加0.6~1mL冰醋酸酸化,不要多加,中和残余的碱性就够了。由于吡啶乙酮有碱性,所以酸化目标pH不是4~6,而是5~7甚至6~7,略微>6是允许的;同样也由于产物有碱性,所以醋酸过多可能导致产物因为形成氢键或者质子化而溶解,损失产率。理论上最理想的酸化试剂是CO2(干冰)

开启加热,激烈搅拌,打碎产物,随时监测pH值,,盖上表面皿,煮沸直至固体溶解。关闭加热,缓慢冷却。让固体慢慢析出。然后再冷却至10~15℃,由于吡啶乙酮熔点低于苯乙酮,产物溶解度高于1,3,5-三苯基-1,5-戊二酮,因此我们选择了更低的温度,而不是30~35℃或者20~25℃。

打浆时现象如下:

image.jpg

可见冷却后析出的产物是纯白色的。只是溶液颜色深。抽滤:

image.jpg

可见固体足够洁白,只需要用甲醇/乙醇着重洗涤边缘。

image.jpg

最终产物是奶白色。

image.jpg

溶液浓缩、久置仍然会有产物析出。溶液不明原因地颜色比较深。深色物质可能是查耳酮类似物沉淀,也可能是底物被氧化的结果,或者是其它缩合产生的杂质。

image.jpg

image.jpg

可以回收、洗净、提升产率


3、产物表征


二、实验一第二步——1,5-二-(2-吡啶基)-3-苯基-1,5-戊二酮关环生成目标产物2,6-二-(2-吡啶基)-4-苯基吡啶

反应示意图如下:(detailed-mechanism不画了,原理不难,只是纯属繁琐)

产物和2,4,6-三苯基吡喃盐也是互为广义等电子体。因为吡啶和吡喃盐本身就互为狭义等电子体。

image.jpg

最后一步脱水芳构化,是分子内的氧化还原反应(N-O键被还原断裂),导致反应不可逆。

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

实验操作条件是盐酸羟胺,乙醇回流3h。最终生成的是一盐酸盐,其中氢离子被这个三联吡啶配体以分子内氢键束缚。


也可以采用另一种路线:

image.jpg

与氨水或者氨的醇溶液缩合,然后用适当的氧化剂氧化。适当的氧化剂包括空气、硝酸、硫硝混酸等等。还有一种熟悉的氧化剂(脱氢试剂)是查耳酮,在极硬路易斯酸例如三氟甲磺酸钪Sc(OTf)3、三氟甲磺酸镱Yb(OTf)3等(感觉三氟甲磺酸钇Y(OTf)3也可以)的催化下,发生氢负离子转移,然后再质子转移生成目标产物。这种机理与查耳酮作为脱氢试剂合成吡喃盐机理极为一致了。

苯亚甲基苯乙酮(查耳酮)的制备

2,4,6-三苯基吡喃盐——原理部分

attachment icon实验九、实验十.pdf6.28MBPDF23次下载预览

看最后几页最后一个实验。


或者直接一步到位:

image.jpg

attachment iconhanan2005.pdf62.92KBPDF2次下载预览

attachment icon对甲苯基-2,2′_6′,2″-三联吡啶的合成方法改进_王晓霞.pdf182.50KBPDF1次下载预览


3、产物性质表征:

配位化学性质:与Fe2+生成1:2的经式配合物,类似Fe2+和2,2-bipy以1:3比例生成的“分子有手性的”配合物。吡啶和二价铁形成的配合物是非常鲜艳的血红色(因此可以用于有机实验中鉴定这种配体,或者无机实验中鉴定亚铁离子),和三价铁配合物则是蓝色。且联吡啶类配体强烈地升高了二价铁的氧化电位。

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

这类配合物可用于氧化还原指示剂(例如红蓝溴钟反应),也可用于光催化剂(催化分解水或者催化氧化)。这类配体的二价铁配合物非常稳定,存在类似氰化物、异腈、腈的d-p π反馈效应。又因为这是缺电子芳环,或者又因为三价铁更缺电子,所以三价铁配合物不如二价铁稳定,这就从热力学上解释了联吡啶亚铁配合物氧化电位(相比水合铁离子)高。


底物、中间体和产物与二价铁的显色实验现象:

可以使用的亚铁盐包括氯化亚铁、硫酸亚铁、硫酸亚铁铵(摩尔盐)等



三、实验二第一步——对苯二甲醛和过量苯乙酮碱催化合成3,3'-(1,4-苯撑)双(1,5-二苯基-1,5-戊二酮)

反应机理请见:1,3,5-三苯基-1,5-戊二酮的制备

反应实际消耗4eq苯乙酮,但是投料需要6eq苯乙酮,以确保转化完全。原理在超链接中有详细解释。

反应介质是95%以上乙醇+40%碱液;也可以是过量t-BuOK或t-BuONa,溶剂用t-BuOH/THF。碱的用量通常在2.5eq以上。

需要常温下加碱,然后再搭建回流装置,如果反应过于剧烈,可以慢慢加碱。

投料顺序是对苯二甲醛、过量苯乙酮、反应溶剂、碱性催化剂的溶液。如果是40%碱水,一口气迅速倒入是可以的,然后直接搭建回流装置即可。如果是t-BuOK的THF溶液,由于是醇盐+非质子溶剂,碱性较强,可以缓慢倒入,常温搅拌一段时间,再搭建回流装置,启动加热。


1、实验操作流程

实验操作人员:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX,选择的是到沸点后再缓慢滴加碱液

将对苯二甲醛(8.05g,0.06mol,1eq.),与苯乙酮(43.24g,0.36mol,6eq.,过量)的混合物置于160ml EtOH中搅拌,并加热至65°C。待原料完全溶解后,将NaOH(6.00g,0.15mol,2.5eq.)溶于9ml水的溶液,在剧烈搅拌下于5分钟内逐滴加入反应体系,体系快速沸腾,一分钟内形成黄色沉淀。随后将该非均相反应混合物加热回流至转为红棕色,保持4-5小时。

image.jpg

在此期间,对双查尔酮重新溶解并与额外2eq.的苯乙酮反应生成四酮化合物,该化合物随之沉淀。反应混合物立即趁热过滤,温热乙醇洗至洗涤液无色,80°C烘干4h得到浅黄色晶体粉末粗产物32.06g(yield:92%~97%)。

(一种可能的监测反应进度的方法是:双查耳酮在365nm波长激发下,固体有强烈荧光,而产物没有荧光)


回流结束后现象如图:

image.jpg

抽滤后现象如图:

image.jpg

干燥后产物如下:

中间体四酮.mp4 点击下载

中间体四酮2.mp4 点击下载

image.jpg


2、注意事项

(1). 沸腾时,确保体系溶液体积不超过容器2/3

(2). 反应过程中析出的黄色沉淀,颜色由反应中间产物双查尔酮造成

(3). 反应结束后立即过滤,否则容易析出棕红色焦油;产物四酮难溶于乙醇,可放心洗涤

(4). 该晶体粉末轻质,易吹散,应注意避免皮肤接触和吸入造成刺激


3、产物表征:

核磁共振H谱:


核磁共振C谱:


红外光谱:


四、实验二第二步——3,3'-(1,4-苯撑)双(1,5-二苯基-1,5-戊二酮)关环生成目标产物4,4'-(1,4-苯撑)双(2,6-二苯基吡喃鎓氟硼酸盐)

反应原理请见2,4,6-三苯基吡喃盐的制备,介绍的非常详细深入:

https://www.kechuang.org/t/91591

https://www.kechuang.org/t/91619


1、三苯甲醇/三苯甲基正离子与体系中乙醚、THF等负氢供体反应,彻底还原为三苯甲烷,丧失氧化性

三苯甲基正离子还有个致命副反应,攫取乙醚、THF等负氢供体的负氢离子,自身变成三苯甲烷进而失去氧化性,彻底拉低产率。因此三苯甲醇不推荐与三氟化硼·乙醚、三氟化硼·THF等搭配使用(作为脱氢芳构化试剂),不是三氟化硼出了问题。而是使用的醚会被夺取氢负离子

但是你可以用市售三氟化硼·乙酸(1:2络合物)BF3·2AcOH,三氟化硼·乙腈(1:1络合物)BF3·MeCN

image.jpg

与给吡喃盐芳构化原理还挺相似的。

实例请看Orgsyn:https://www.orgsyn.org/demo.aspx?prep=CV1P0548

因此制备目标产物,要么查耳酮+三氟化硼乙醚;要么三苯甲醇+其它酸性脱水剂(包括但不限于三氟化硼乙腈,质子酸+过量丙酸酐等)

文献中也是这么做的。


2、我们这里采用的是以过量丙酸酐为脱水剂,三苯甲醇为氧化剂,质子酸为催化剂的反应

(公式中为了简洁,我们写成了乙酸酐,但是买不到易制毒管制化学品)

丙酸酐的作用是作为脱水剂,通过脱水,提供反应的热力学驱动力;发生的反应是丙酸酐被酸催化水解生成两分子丙酸。

以对甲苯磺酸为例,1eq一水合对甲苯磺酸变成1eq无水对甲苯磺酸需要消耗1eq丙酸酐。

$\ce{TsOH.H2O +Ac2O ->TsOH +2AcOH}$

无水对甲苯磺酸或无水甲磺酸,与三苯甲醇脱水生成三苯甲基正离子的盐,又需要消耗1eq丙酸酐。

$\ce{MsOH +TrOH -> MsO- +Tr+ +H2O}$

1,5-二酮在强酸催化下,脱水关环生成4-H吡喃环,又需要消耗1eq丙酸酐。4-H吡喃环和三苯甲基正离子发生氢负离子转移反应,芳构化变成吡喃盐,同时生成三苯甲烷,不消耗丙酸酐。

然后三苯甲醇,对甲苯磺酸都需要保持微微过量。

然后中间体分子有两个1,5-二酮结构,所以如果用无水甲磺酸,则丙酐用量>4eq,如果是一水对甲苯磺酸,则>6eq,如果是含水强酸例如氟硼酸氟磷酸,则用量远大于这些,例如用15eq~17eq以上

$\ce{H2O +Ac2O ->[H+]2AcOH}$

总反应:

$\ce{底物+2TrOH +2MsOH +4Ac2O ->产物^2+ +2TrH +2MsO- +8AcOH}\\ \ce{底物+2TrOH +2TsOH·H2O +6Ac2O ->产物^2+ +2TrH +2TsO- +12AcOH}\\ \ce{底物+2TrOH +2HBF4 +4Ac2O ->产物^2+ +2TrH +2BF4- +8AcOH}$


3、实验操作流程

image.jpg

将三苯甲醇(10.66g,41mmol,2.05eq.)悬浮于丙酸酐(40ml,310mmol,15.5eq.)中,开启搅拌。向浑浊混合物中小心滴加实际上过量了一倍的氟硼酸(50%水溶液)(5.6ml,88mmol,4.4eq)。反应混合物强烈放热,滴加完后搅拌0.5h。

$\ce{TrOH +H+ +Ac2O ->Tr+ +2AcOH}\\ \ce{TrOH +HBF4 +Ac2O ->TrBF4 +2AcOH}$

image.jpg

(注意三苯甲基正离子及其氟硼酸盐也是有黄色的)

用固体粉末加料漏斗30min内分批加入固体化合物3,3'-(1,4-苯撑)双(1,5-二苯基-1,5-戊二酮)(11.56g,20mmol)。加完后,黄色产物沉淀析出。将非均相反应混合物在室温下搅拌过夜以确保反应完全。

image.jpg

产物性状如图:

image.jpg


氟硼酸双吡喃盐2.jpg氟硼酸双吡喃盐.jpg吡喃盐静电.jpg

产率约为70%


4、注意事项

(1)防止体系一下过于黏稠而搅拌困难,四酮需要分批加料,且反应体系需要加大转速

(2)酸酐刺激性强,味道冲,反应结束后可以用适量乙醇淬灭

$\ce{Ac2O +EtOH ->[H+]EtOAc +AcOH}$


5、产物性质的定性表征:

荧光:(包括一些设法让其吸附在硅胶上的产物)

双吡喃盐强荧光.mp4 点击下载

双吡喃盐强荧光-硅胶.mp4 点击下载

该产物可以与对苯二胺脱水缩合生成黏成一团的导电高分子。


6、产物的谱图

核磁共振和红外光谱数据图(待补充):

核磁共振H谱如图:

感谢氕氘氚实验室提供的谱图:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

image.jpg

红外光谱如图:

感谢氕氘氚实验室提供的谱图:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

image.jpg

这个吡喃盐与2,6-二叔丁基-4-氨基缩合后生成ET系列溶致变色化合物,其谱图如下:由于溶液中存在多种构象,所以谱图不会那么清晰尖锐。(以后我会科普对氨基酚衍生物以及溶致变色的制备的)

NMR-H:

感谢氕氘氚实验室提供的谱图:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

image.jpg

红外:

感谢氕氘氚实验室提供的谱图:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

image.jpg

NMR-C:

感谢氕氘氚实验室提供的谱图:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

image.jpg



五、实验所需要的原料、试剂和溶剂的理化性质,产率计算公式


1、实验所需原料、试剂和溶剂的理化性质

分子量数据来源:KingDraw作图选取

其它理化性质(尤其是溶解度)数据来源:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX


名称

分子式

分子量/(g/mol)

性状

熔点/℃

沸点/℃

苯甲醛

C7H6O

106.12

无色苦杏仁味液体

-26℃

178.1℃

对苯二甲醛

C8H6O2

134.132

白色针状结晶

114~116℃

245~248℃

苯乙酮

C8H8O

120.15

无色晶体或浅黄色油状液体

19.7℃

202.3℃

2-乙酰基吡啶

C7H7NO

121.14

浅黄色油状液体

8~10℃

192.8℃







氢氧化钠固体

NaOH

40.00

白色粒状/片状固体

318.4℃

1388℃

盐酸羟胺

NH2OH·HCl

69.49

白色吸湿性结晶

154℃


一水合对甲苯磺酸

CH3C6H4SO3H·H2O

190.217

无/白色单斜片状或柱状晶体

96~99℃


甲磺酸(无水)

CH3SO3H

96.106

无色液体

19℃

167℃

48%氟硼酸

HBF4

87.81

无色液体

-90℃

130℃

60%氟磷酸

HPF6

145.972

无色液体

10℃

 

72.4%高氯酸

HClO4

100.46

无色爆炸性液体

-17℃

203℃







无水乙醇

C2H6O

46.068

无色易流动液体

-114.1℃

78.5℃

甲醇

CH4O

32.042

无色易挥发液体

-97.8℃

64.7℃

冰乙酸

C2H4O2

60.05

无色刺激性液体

16.6℃

117.9℃

乙酸乙酯

C4H8O2

88.105

无色透明液体

-83.6℃

77.2℃

水

H2O

18.0153

无色液体

0℃

99.97℃







1,5-二-(2-吡啶基)-3-苯基-1,5-戊二酮

C21H18N2O2

330.39

白色至奶白色粉末



2,6-二-(2-吡啶基)-4-苯基吡啶

C21H15N3

309.37




3,3'-(1,4-苯撑)双(1,5-二苯基-1,5-戊二酮)

C40H34O4

578.71

白色至淡黄色粉末



4,4'-(1,4-苯撑)双(2,6-二苯基吡喃鎓氟硼酸盐)

C40H28O22+

540.66

亮黄色粉末



注意最后给出的只有阳离子的化学式量,你需要选取阴离子化学式量×2并加进去才是产物的分子量。


使用的液体的物质的量浓度可以查阅浓度密度温度对照表(表中密度是浓度、温度的函数,即),并用如下公式换算:

cM=ρw,即$\displaystyle c=\frac{\rho w}{M}$,公式中所有的物理量都是强度性质,没有广度性质。


水合强酸的水合数计算公式:其中n为水合数,无量纲;w为强酸质量分数,无量纲;Ma为酸的摩尔质量(化学式量),Mw为水的摩尔质量。

$$\displaystyle n=\frac{M_a}{M_w}\cdot\frac{1-w}{w}$$

例如55%氟硼酸水溶液,相当于HBF4·4H2O

水合强酸的含水量计算公式:$\displaystyle\frac{1-w}{M_w}$,单位是mol/g,如果反应需要用酸酐严格除水,可以用这个公式估算至少需要用多少物质的量的酸酐除水。(这还仅仅是强酸溶液本身含水,还不包括反应生成的水)


2、产率计算公式、产量记录表格


产率计算公式:$\displaystyle\frac{M_r}{M_p}\times \frac{m_p}{m_r} \times纯度 \times100\%$

对于实验一,主反应物是苯甲醛。对于实验二,主反应物是对苯二甲醛。

产量记录表格:

底物用量/g

试剂用量/g

产量/g

产率/%





实验所需要的仪器装置请看我前几篇科创论坛文章:

1,3,5-三苯基-1,5-戊二酮的制备

https://www.kechuang.org/t/91591

https://www.kechuang.org/t/91619

参考文献
  1. [1]
    Wang J,Hanan G S. A Facile Route to Sterically Hindered and Non-Hindered 4′-Aryl.2,2′:6′,2′′-terpyridines.[J]. ChemInform,2005,36(41). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chin.200541148. DOI:10.1002/chin.200541148.
  2. [2]
    王晓霞,刘汉国,万霞,等. 对甲苯基-2,2':6',2"-三联吡啶的合成方法改进[J]. 化学试剂,2007,29(4):247-248. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HXSJ200704018.htm. DOI:10.3969/j.issn.0258-3283.2007.04.019.
[ 修改于1个月29天前 - 2026/09/01 11:51:12 ]
笔记
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