硫酸氫鈉催化合成季戊四醇雙縮醛(酮)

檀子娟,胡應喜

(北京石油化工學院化學工程學院，北京 102617)

縮醛(酮)類化合物具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、香氣類型多等特點，深受廣大調(diào)香人員的青睞，在酒類、軟飲料、冰激凌、化妝品等的調(diào)香、定香中應用廣泛。在工業(yè)上常用作增塑劑、固化劑、抗氧化劑、消泡劑等[1]，在農(nóng)業(yè)上可用作殺蟲劑，還用作樹脂、油漆的原料及陰離子表面活性劑、清洗液的消泡劑等。該類化合物可在稀酸條件下水解成原來的醛(酮)，因此在有機合成中也可以用作醛、酮羰基的保護劑。

通常，季戊四醇雙縮醛(酮)的合成是在催化劑的存在下進行。常用的催化劑有鹽酸、硫酸、氯化鋅、蒙脫土[2]、可膨脹石墨[3]和無水硫酸亞鐵[4]等，但這些催化劑都存在反應時間長、產(chǎn)率低等缺點。因此，人們希望找到能夠替代的新型催化劑，能具有活性高、可以回收再生使用、不腐蝕設備及環(huán)境污染小等優(yōu)點。為此，作者嘗試以硫酸氫鈉為催化劑合成季戊四醇雙縮醛(酮)，反應式如下：

1 實驗

1.1 試劑與儀器

苯甲醛(使用前蒸餾)、無水乙醇、環(huán)己烷、環(huán)己酮、丁酮、甲苯、苯、磷鎢酸、磷鉬酸等均為市售分析純，異丁醛為化學純(使用前蒸餾)。

恒溫磁力攪拌器，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；電子天平，上海精天電子儀器有限公司；超聲波清洗器，昆山儀器有限公司；熔點測定儀(溫度計未校正)，北京泰克儀器有限公司；FlashEA 112 series型元素分析儀，美國Thermo Electron 公司；VECTOR 22型紅外光譜儀，德國Bruker公司；AL300FT型核磁共振譜儀，日本JEOL公司。

1.2 方法

將計量的季戊四醇、催化劑及醛(酮)依次加入100 mL三口燒瓶中，裝上回流冷凝管和分水器，用苯、甲苯或環(huán)己烷作帶水劑，攪拌回流反應至無水分出。稍冷卻，濾除催化劑及未反應的季戊四醇，濾液減壓下將帶水劑蒸出，得粗產(chǎn)物。將粗產(chǎn)物用無水乙醇重結晶提純，再抽濾，即得白色片狀晶體。將產(chǎn)品進行紅外光譜(IR)分析、元素分析和核磁共振氫譜(1HNMR)分析。

2 結果與討論

2.1 產(chǎn)物表征

季戊四醇雙縮苯甲醛：IR(KBr)，ν,cm-1：3052、3023(H-Ar)；2968、2932、2875、1457、1384(-CH2-)；1209、1184(季碳)；1209、1184、1120、1066、1028(縮醛中C-O-C)。元素分析，C19H20O4，實測值(理論值):C 72.80(73.06)；H 6.81(6.46)。1HNMR，δ：3.78～3.82(m，8H，4×CH2)，5.86(s，2H，2×CH)，7.19～7.34(m，10H，2×ArH)。

季戊四醇雙縮環(huán)己酮：IR(KBr)，ν,cm-1：2968、2932、2875、1458、1382(-CH2-)；1210、1184(季碳)；1210、1184、1118、1066、1030(縮醛中C-O-C)。元素分析，C17H28O4，實測值(理論值)：C 68.64(68.98)；H 10.13(9.53)。1HNMR，δ：1.44～1.69(m,20H，10×CH2)，3.75～3.84(m,8H，4×CH2)。

季戊四醇雙縮異丁醛：IR(KBr)，ν,cm-1：2965、2932、2873、1447、1383(-CH2-)；1207、1182(季碳)；1207、1182、1118、1073、1025(縮醛中C-O-C)。元素分析，C13H24O4，實測值(理論值)：C 63.94(63.90)；H 10.06(9.90)。1HNMR，δ：0.96(t,12H，4×CH3)，2.39(m,2H,2×CH)，4.41(d,2H,2×CH)，3.74～3.80(m,8H，4×CH2)。

季戊四醇雙縮丁酮：IR(KBr)，ν,cm-1：2978、2946、2875、1468、1379(-CH2-)；1212、1180(季碳)；1212、1180、1112、1071、1029(縮醛中C-O-C)。元素分析，C13H24O4，實測值(理論值)：C 63.73(63.90)；H 10.20(9.90)。1HNMR，δ：0.94(t,6H，2×CH3)，1.34～1.42(m,10H,2×CH3和2×CH2)，3.73～3.84(m,8H，4×CH2)。

2.2 反應條件對產(chǎn)率的影響

以季戊四醇雙縮環(huán)己酮為例，考察反應條件對產(chǎn)率的影響。

2.2.1 物料配比[n(醇)∶n(酮)，下同]

以 0.8 g硫酸氫鈉為催化劑、40 mL苯為帶水劑，加入 0.06 mol季戊四醇，改變環(huán)己酮的用量，考察物料配比對產(chǎn)率的影響，結果見表1。

表1 物料配比對產(chǎn)率的影響

從表1可看出，隨著物料配比的減小(即環(huán)己酮用量的增大)，產(chǎn)率相應提高；當環(huán)己酮用量增加到一定量(1∶2.2)后，產(chǎn)率變化不大。綜合考慮原料成本和后續(xù)處理情況，選擇物料配比為1∶2.2。

2.2.2 催化劑種類

以40 mL苯為帶水劑，物料配比為1∶2.2(季戊四醇為0.06 mol，下同)，催化劑用量為0.8 g，考察催化劑種類對產(chǎn)率的影響，結果見表 2。

表2 催化劑種類對產(chǎn)率的影響

從表2可看出，硫酸氫鈉為催化劑時，產(chǎn)率最高。因此，選擇硫酸氫鈉為催化劑。

2.2.3 催化劑用量

以硫酸氫鈉為催化劑、40 mL苯為帶水劑，物料配比為1∶2.2，考察催化劑用量對產(chǎn)率的影響，結果見表3。

表3 催化劑用量對產(chǎn)率的影響

從表3可看出，隨著催化劑用量的增加，產(chǎn)率提高，當催化劑用量超過0.8 g后，產(chǎn)率提高不明顯。因此，選擇催化劑用量為 0.8 g。

2.2.4 帶水劑種類

以0.8 g硫酸氫鈉為催化劑，帶水劑用量為 40 mL，物料配比為1∶2.2，考察帶水劑種類對產(chǎn)率的影響，結果見表4。

表4 帶水劑種類對產(chǎn)率的影響

從表4可看出，4種帶水劑都有一定的效果，其中甲苯效果最好。因此，選擇甲苯為帶水劑。

2.2.5 帶水劑用量

以0.8 g硫酸氫鈉為催化劑，物料配比為1∶2.2，以甲苯為帶水劑，考察帶水劑用量對產(chǎn)率的影響，結果見表5。

表5 帶水劑用量對產(chǎn)率的影響

在反應系統(tǒng)中加入適量帶水劑可將反應生成的水不斷帶出反應系統(tǒng)，有利于縮醛(酮)反應的進行。從表5可看出，隨著帶水劑用量的增加，帶水趨于完全，產(chǎn)率提高；但帶水劑用量過多，會使回流反應溫度降低，同時也會使催化劑及反應物濃度降低，反而導致產(chǎn)率下降。因此，選擇帶水劑用量為30 mL。

綜上，確定季戊四醇雙縮環(huán)己酮的合成條件如下：醇與酮的物質(zhì)的量比為1∶2.2，催化劑硫酸氫鈉用量為0.8 g，帶水劑甲苯用量為30 mL。在此條件下進行3次平行實驗，產(chǎn)率分別為89.3%、89.5%和89.3%，平均產(chǎn)率為89.4%，實驗重復性好，表明所確定的合成條件是適宜的。

2.3 其它季戊四醇雙縮醛(酮) 化合物的合成條件及結果

按照1.2實驗步驟合成了4 種季戊四醇雙縮醛(酮)，其反應條件及結果見表6。

表6 季戊四醇雙縮醛(酮)的合成條件及結果

由表6可看出，在不同反應條件下合成得到的季戊四醇雙縮醛(酮)產(chǎn)率均在83%以上。

3 結論

(1)硫酸氫鈉對季戊四醇雙縮環(huán)己酮的合成具有良好的催化作用，其適宜反應條件為：醇與酮的物質(zhì)的量比為1∶2.2，催化劑用量0.8 g，帶水劑甲苯用量30 mL，此條件下的平均產(chǎn)率為89.4%。

(2)以硫酸氫鈉為縮醛(酮)反應的催化劑，具有活性與選擇性較高、后處理簡單、產(chǎn)率高等優(yōu)點，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ墓腆w酸催化劑。

參考文獻：

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