3-氰基苯甲酸甲酯的綠色合成

阮華屹，張旺喜，徐保明，唐 強

（湖北工業(yè)大學 化學與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430068）

3-氰基苯甲酸甲酯是一種白色粉末固體，熔點為59～61 ℃，微溶于水，易溶于有機溶劑，是一種合成醫(yī)藥、農(nóng)藥的重要中間體，也是合成液晶材料［1-2］的主要原料。隨著當前液晶材料市場需求的增加，3-氰基苯甲酸甲酯的應(yīng)用前景非常廣闊。

3-氰基苯甲酸甲酯的合成方法主要有：1）3-氰基苯甲酸酯化法。該方法以3-氰基苯甲酸或3-氰基苯甲酰氯為原料，與甲醇［3-5］或三甲基硅烷化重氮甲烷［6-7］在適當條件下反應(yīng)。該方法的收率最高可達97%，但反應(yīng)條件苛刻，且3-氰基苯甲酸和3-氰基苯甲酰氯的來源少，價格貴，不適宜工業(yè)化生產(chǎn)。2）鹵代苯甲酸甲酯的氰基化。該方法以3-氯苯甲酸甲酯或3-溴苯甲酸甲酯為原料，與Zn（CN）2［8-9］，KCN［9］，CuCN［10-11］等金屬氰化物在催化劑作用下反應(yīng)。該方法是目前工業(yè)生產(chǎn)含氰基芳香族化合物的主要方法，收率一般在70%左右。但該方法使用劇毒的金屬氰化物，在生產(chǎn)中存在很大隱患，同時反應(yīng)產(chǎn)生的廢水較難治理，已不能適應(yīng)當前的綠色化工的要求。

針對目前3-氰基苯甲酸甲酯合成中所存在的問題，在參考相關(guān)文獻［12-16］后，本課題組提出了先以3-氯甲基苯甲酸甲酯為原料合成3-醛基苯甲酸甲酯，再以3-醛基苯甲酸甲酯為原料制得3-氰基苯甲酸甲酯的工藝。其中，3-醛基苯甲酸甲酯的合成工藝已在文獻［17］中進行了討論。該兩步反應(yīng)合成3-氰基苯甲酸甲酯的工藝路線原料價廉易得，操作簡單，反應(yīng)條件溫和，總收率高，符合綠色化學合成的基本要求。

本工作以3-醛基苯甲酸甲酯為原料，與鹽酸羥胺反應(yīng)生成3-甲氧羰基苯甲醛肟中間體，中間體經(jīng)脫水制得3-氰基苯甲酸甲酯；并對合成條件進行了考察；同時對合成產(chǎn)物進行了FTIR和1H NMR表征。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

3-醛基苯甲酸甲酯：純度98%（w），自制；鹽酸羥胺：工業(yè)級，山東興輝化工有限公司；甲醇、乙醇、NaOH、乙酸酐、三氯化磷、濃硫酸：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

LC-15C型液相色譜儀：島津（中國）有限公司；WRA-2S型熔點儀：上海精密科學儀器有限公司；R-3型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：瑞士步琦有限公司；Nexus-470型傅里葉變換紅外光譜 儀：Thermo Nicolet儀器公司；MERCURY-PLUS400型核磁共振儀：瓦里安公司。

1.2 實驗方法

3-醛基苯甲酸甲酯合成3-氰基苯甲酸甲酯的反應(yīng)方程式如下：

室溫下，向裝有NaOH的四口燒瓶中加入鹽酸羥胺水溶液，攪拌均勻，然后邊攪拌邊滴加3-醛基苯甲酸甲酯的乙醇溶液，有固體析出，繼續(xù)攪拌反應(yīng)。反應(yīng)過程中每隔一段時間用液相色譜儀測定燒瓶中3-醛基苯甲酸甲酯的含量。當前后兩次試樣檢測的3-醛基苯甲酸甲酯的含量不變時，停止反應(yīng)。去除料液中的溶劑得到粗產(chǎn)品，粗產(chǎn)品經(jīng)水洗、抽濾、干燥即得中間體3-甲氧羰基苯甲醛肟。

在裝有分水器和溫度計的三口燒瓶中，加入中間體3-甲氧羰基苯甲醛肟和脫水劑乙酸酐，加熱脫水得到油狀物，經(jīng)水洗、抽濾、干燥得3-氰基苯甲酸甲酯固體。用甲醇重結(jié)晶得到黃色砂狀晶體，熔點為59.4～60.3 ℃。經(jīng)HPLC分析，產(chǎn)品純度大于98%（w）。根據(jù)HPLC測得的3-氰基苯甲酸甲酯含量計算產(chǎn)品收率［18］。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物表征

合成產(chǎn)物的FTIR譜圖和1H NMR譜圖分別見圖1和圖2。

圖1 合成產(chǎn)物的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectrum of the synthesized product.

圖2 合成產(chǎn)物的1H NMR譜圖Fig.2 1H NMR spectrum of the synthesized product.

由圖1可知，2 228 cm-1處的吸收峰歸屬于鍵的伸縮振動；1 719 cm-1處的吸收峰歸屬于酯基中鍵的伸縮振動；1 608，1 580，1 447 cm-1處的吸收峰歸屬于苯環(huán)上鍵的骨架內(nèi)振動；1 287 cm-1處的吸收峰歸屬于酯基中C—O鍵的伸縮振動。由圖2可知，1H NMR （CDCl3）的表征結(jié)果（化學位移，δ）為：8.35 （s，1H，苯環(huán)b位氫）；8.28（d，1H，苯環(huán)e位氫）；7.87（d，1H，苯環(huán)d位氫）；7.61（d，1H，苯環(huán)c位氫）；3.99（s，3H，甲基氫）。由此可見，合成的產(chǎn)物為3-氰基苯甲酸甲酯。

2.2 NaOH用量的影響

肟化反應(yīng)是親核加成-消除反應(yīng)，反應(yīng)體系中要有一定濃度的H+使羰基活化，選用NaOH為堿試劑調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH，在相同反應(yīng)條件下，改變3-醛基苯甲酸甲酯與NaOH的配比，考察NaOH用量對產(chǎn)品收率的影響，實驗結(jié)果見表1。由表1可見，隨NaOH用量的增加，3-氰基苯甲酸甲酯的收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（NaOH）=1.0∶1.8時，收率最大。這是因為在肟化反應(yīng)中，NaOH用量控制著溶液中H+的濃度，當NaOH用量過多時，游離羥胺的濃度減小， 導致反應(yīng)減慢，單位時間內(nèi)的產(chǎn)品收率降低。因此，選擇n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（NaOH）=1.0∶1.8較適宜。

表1 NaOH用量對產(chǎn)品收率的影響Table 1 Effect of NaOH dosage on the product yield

2.3 乙醇用量的影響

乙醇用量對產(chǎn)品收率的影響見表2。由表2可見，隨乙醇用量的增加，3-氰基苯甲酸甲酯的收率逐漸增大；但當n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（乙醇）＜ 1.0∶6.0時，收率的增幅不明顯。綜合考慮產(chǎn)品收率和能耗，選擇n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（乙醇）= 1.0∶6.0較適宜。

表2 乙醇用量對產(chǎn)品收率的影響Table 2 Effect of ethanol dosage on the product yield

2.4 鹽酸羥胺用量的影響

鹽酸羥胺是肟化反應(yīng)中的重要試劑，直接影響產(chǎn)品的收率。鹽酸羥胺用量對產(chǎn)品收率的影響見表3。由表3可見，當鹽酸羥胺用量較少時，隨鹽酸羥胺用量的增加，3-氰基苯甲酸甲酯的收率呈增大趨勢。這是因為鹽酸羥胺容易水解，增加鹽酸羥胺用量會提高溶液中參與反應(yīng)的有效成分，迫使肟化反應(yīng)的平衡向生產(chǎn)肟的方向移動，從而提高3-氰基苯甲酸甲酯的收率。但當n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（鹽酸羥胺）＜1.0∶1.5時，3-氰基苯甲酸甲酯的收率基本不變?？紤]成本因素，選擇n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（鹽酸羥胺）=1.0∶1.5較適宜。

表3 鹽酸羥胺用量對產(chǎn)品收率的影響Table 3 Effect of hydroxylamine hydrochloride dosage on the product yield

2.5 脫水劑的選擇

在制得3-甲氧羰基苯甲醛肟中間體后，分別以乙酸酐、三氯化磷、濃硫酸為脫水劑進行脫水反應(yīng)，在相同反應(yīng)條件下，考察脫水劑種類對產(chǎn)品收率的影響，實驗結(jié)果見圖3。由圖3可見，乙酸酐的脫水效果較好，且與三氯化磷和濃硫酸相比，乙酸酐使用方便，用分餾裝置脫水即可脫除，促使反應(yīng)正向移動。因此，選擇乙酸酐為脫水劑較合適。

圖3 脫水劑種類對產(chǎn)品收率的影響Fig.3 Effect of dehydration reagent types on the product yield.

2.6 乙酸酐用量的影響

以乙酸酐為脫水劑，考察乙酸酐用量對產(chǎn)品收率的影響，實驗結(jié)果見表4。乙酸酐在反應(yīng)過程中既是溶劑又是脫水劑，增加乙酸酐用量可以使得3-醛基苯甲酸甲酯溶解得更充分，受熱均勻，有利于反應(yīng)的進行。由表4可見，隨乙酸酐用量的增加，3-氰基苯甲酸甲酯的收率增大，但當n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（乙酸酐）＜1.0∶1.5時，產(chǎn)品收率基本不變。因此，選擇n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（乙酸酐）=1.0∶1.5較適宜。

表4 乙酸酐用量對產(chǎn)品收率的影響Table 4 Effect of acetic anhydride dosage on the product yield

2.7 脫水溫度的影響

脫水溫度對產(chǎn)品收率的影響見表5。由表5可見，隨脫水溫度的升高，3-氰基苯甲酸甲酯的收率增大。當脫水溫度低于130 ℃時，可將水和乙酸分出，但部分過量的乙酸酐未能完全分出，水洗過程有損失，降低了產(chǎn)品收率；當脫水溫度超過140 ℃后，雖然產(chǎn)品收率略微增加，但實驗過程中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品顏色加深，有焦化的趨勢，同時脫水溫度的升高會增加能耗。因此，選擇脫水溫度為130～140 ℃較適宜。

表5 脫水溫度對產(chǎn)品收率的影響Table 5 Effect of dehydration temperature on the product yield

3 結(jié)論

1）以3-醛基苯甲酸甲酯為原料，經(jīng)肟化反應(yīng)和脫水反應(yīng)制得了3-氰基苯甲酸甲酯。該反應(yīng)的優(yōu)化條件為：n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（鹽酸羥胺）∶n（NaOH）∶n（乙醇）∶n（乙酸酐）=1.0∶1.5∶1.8∶6.0∶1.5，脫水溫度130～140 ℃。粗品重結(jié)晶后產(chǎn)品純度可達98%（w），3-氰基苯甲酸甲酯的收率達95.1%。

2）該工藝以3-氯甲基苯甲酸甲酯為原料，價格便宜，來源廣泛。在3-氰基苯甲酸甲酯的制備過程中，采用醛基肟化脫水工藝，反應(yīng)收率高，工藝簡單，降低了反應(yīng)毒性，減少了環(huán)境危害，對進一步放大應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)具有指導意義。

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