Duff反應(yīng)法合成5-壬基水楊醛

趙瑩茜，王李和，李效軍

(河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130)

芳香醛類化合物是一類重要的有機(jī)中間體，因?yàn)榫哂幸欢ǖ纳砘钚远粡V泛應(yīng)用在醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、香料等領(lǐng)域。尤其是水楊醛及其衍生物，該類化合物由于酚羥基的鄰位配體作用使得它具有其它芳香醛化合物不具備的特性，其作為精細(xì)化工的重要中間體不僅在醫(yī)藥、染料、農(nóng)用殺蟲劑的等方面有著廣泛的應(yīng)用，其中的5-壬基水楊醛更是合成5-壬基水楊醛肟的重要中間體［1］，5-壬基水楊醛肟作為銅萃取劑，以其萃取容量大、萃取性能好等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)上得到越來越多的應(yīng)用［2-3］，因此合成5-壬基水楊醛具有重要意義。

芳環(huán)上引入甲酰基的方法主要有以下幾種:Gattermann-Koch 反應(yīng)法［4］、Reimer-Tiemann 反應(yīng)法［5-6］、醇鎂法［1，7］以及Duff反應(yīng)法［8-12］等。其中Gattermann-Koch反應(yīng)法需要在高壓下進(jìn)行，且一般只能得到對位的單取代產(chǎn)物;Reimer-Tiemann反應(yīng)法存在選擇性差且產(chǎn)率過低的不足，而且需要使用價(jià)格較高的鹵仿使得生產(chǎn)成本較高;醇鎂法不適于苯環(huán)上含大的取代基團(tuán)的酚類進(jìn)行反應(yīng)，而且合成過程中伴有大量含鎂離子的廢水的排放，不符合當(dāng)今的環(huán)保潮流;Duff反應(yīng)法條件簡單，原料易得，十分適合大位阻酚類的鄰位甲?；也皇芪娮逾g化基團(tuán)的影響。

Duff反應(yīng)是酚類化合物與六亞甲基四胺在酸性催化劑存在下反應(yīng)，是在酚羥基的鄰位引入1個(gè)甲醛基團(tuán)的甲?；椒?。Duff反應(yīng)具有反應(yīng)周期短、操作簡便、污染少、勞動強(qiáng)度低和產(chǎn)物較純凈等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于 5-氟水楊醛［11］、5-硝基水楊醛［12］等的制備。但Duff反應(yīng)法制備5-壬基水楊醛尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

因此本研究采用 Duff反應(yīng)合成了5-壬基水楊醛，并且考察了原料的物質(zhì)的量之比及其反應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵因素的影響，找出了較適宜的反應(yīng)條件，得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

BRUKER AC-P400型核磁共振波譜儀(CDCl3為溶劑，TMS作內(nèi)標(biāo))，CoMetro 6000高效液相色譜儀。

4-壬基酚、醋酸和硫酸為分析純;六次甲基四胺為化學(xué)純。

1.2 色譜條件

采用液相色譜法分析目標(biāo)產(chǎn)物，固定相為十八烷基硅烷鍵合硅膠(C18，5μm)，流動相為V(甲醇)∶V(水)=9∶1，檢測器:UV254 nm，流速:1 m L/min，進(jìn)樣量:20μL。

1.3 合成方法與機(jī)理

以4-壬基酚為原料，經(jīng)Duff反應(yīng)引入甲?；铣?-壬基水楊醛，其反應(yīng)機(jī)理為

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

在裝有機(jī)械攪拌、溫度計(jì)和球形冷凝管的干燥四口瓶中加入11 g(0.05 mol)4-壬基酚及30 m L冰醋酸，混合均勻后加熱至90℃，開始滴加用30 m L醋酸溶解的14 g(0.1 mol)六次甲基四胺，滴加1 h。滴加完畢保持在90℃下繼續(xù)攪拌5 h，隨著反應(yīng)進(jìn)行，混合液從一開始的無色變?yōu)榈S色。反應(yīng)完畢，降至室溫，之后向四口瓶中加入定量的1 mol/L的鹽酸，攪拌1 h。將四口瓶中的混合液倒入分液漏斗中，靜置分層后，棄去水相，保留有機(jī)相，并用水再清洗3次有機(jī)相。將最后的有機(jī)相進(jìn)行減壓蒸餾除去溶劑，得到棕黃色澄清油狀液體，即得5-壬基水楊醛產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸性介質(zhì)改變對5-壬基水楊醛收率的影響

應(yīng)用Duff反應(yīng)制備5-壬基水楊醛的反應(yīng)過程中，六次甲基四胺需要進(jìn)行兩次質(zhì)子化，為了提高正反應(yīng)方向的速率，選擇加入能夠提供較強(qiáng)質(zhì)子的硫酸參與反應(yīng)。因此，在反應(yīng)溫度為90℃，醋酸作為溶劑，反應(yīng)時(shí)間為6 h，4-壬基酚與六次甲基四胺的物質(zhì)的量之比為1∶2時(shí)，考察了硫酸加入量對收率的影響，結(jié)果見表1。

表1 強(qiáng)酸催化劑中硫酸對收率的影響Table 1 Effect of strong acid catalyst sulfuric acid on yield

由表1可知，加入0.05 g的硫酸對目標(biāo)產(chǎn)物的收率的影響是可以忽略不計(jì)的，但隨著H2SO4量的增加，目標(biāo)產(chǎn)物的收率反而下降。通過數(shù)據(jù)可以說明溶劑醋酸所含H+已足夠滿足六次甲基四胺進(jìn)行質(zhì)子化參與到下游的反應(yīng)中，因此再加入少量能夠提供較強(qiáng)質(zhì)子的硫酸時(shí)并不能對收率起到多大作用。而加入硫酸的量增多時(shí)，過量的H+仍會參與到反應(yīng)中，使得副反應(yīng)發(fā)生，副產(chǎn)物隨之增多，產(chǎn)物相對減少，收率因而降低。因此考慮收率及實(shí)驗(yàn)操作，選用單純醋酸作為溶劑。

2.2 反應(yīng)溫度對5-壬基水楊醛收率的影響

反應(yīng)的發(fā)生程度很大程度上決定于反應(yīng)的溫度，所以反應(yīng)溫度也是影響收率的一個(gè)重要因素。因此，在醋酸作為溶劑，反應(yīng)時(shí)間為6 h，4-壬基酚與六次甲基四胺物質(zhì)的量之比為1∶2時(shí)，本研究考察了反應(yīng)溫度對收率的影響，結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)溫度對收率的影響Table 2 In fluence of reaction tem perature on the yield

由表2可知，隨著溫度的升高，其收率也逐漸增高，當(dāng)溫度升至90℃時(shí)，收率可達(dá)到94.7%。但繼續(xù)升高溫度，收率反而下降，其原因主要是生成的產(chǎn)物5-壬基水楊醛在高溫條件下會發(fā)生自身縮聚反應(yīng)［13］，因而收率下降。所以最適反應(yīng)溫度為90℃。

2.3 4-壬基酚與六次甲基四胺的物質(zhì)的量之比對5-壬基水楊醛收率的影響

六次甲基四胺是一種相對廉價(jià)又易處理的原料，因此實(shí)驗(yàn)選擇六次甲基四胺過量，從而使4-壬基酚能盡量反應(yīng)完全。本研究在反應(yīng)溫度90℃、醋酸為溶劑、反應(yīng)時(shí)間為6 h的條件下，考察了4-壬基酚與六次甲基四胺的物質(zhì)的量之比對收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 4-壬基酚與六次甲基四胺物質(zhì)的量之比對收率的影響Table 3 In fluence of n(4-nony lphenol):n(hexam ethylenetetram ine)on the yield

由表3可知，在4-壬基酚的量不變的情況下，隨著六次甲基四胺量的逐漸增多，其收率逐漸增高，這是因?yàn)檫^量的六次甲基四胺使得4-壬基酚的轉(zhuǎn)化率提高，同時(shí)也促使反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行。當(dāng)4-壬基酚與六次甲基四胺的物質(zhì)的量之比為1∶2時(shí)，其收率達(dá)到最大;之后繼續(xù)增加六次甲基四胺的量，收率反而減小，這是因?yàn)榱渭谆陌返牧刻?，使反?yīng)發(fā)生多取代酰基化反應(yīng)的機(jī)會也增多，副反應(yīng)增多，產(chǎn)物收率下降。因而反應(yīng)以4-壬基酚與六次甲基四胺物質(zhì)的量之比為1∶2為最好。

2.4 4-壬基酚與六次甲基四胺加入方式對5-壬基水楊醛收率的影響

在反應(yīng)溫度90℃、醋酸為溶劑、4-壬基酚與六次甲基四胺物質(zhì)的量之比為1∶2，反應(yīng)時(shí)間為6 h的條件下，考察了4-壬基酚與六次甲基四胺的加入方式對目標(biāo)產(chǎn)物的收率影響，結(jié)果見表4。

表4 4-壬基酚與六次甲基四胺的加入方式對收率的影響Table 4 Influence of adding m ethod of 4-nonylphenol and hexam ethylenetetram ine on the yield

由表4可知，采用滴加用醋酸溶解的六次甲基四胺的加入方式，目標(biāo)產(chǎn)物收率可達(dá)到98.7%。Duff反應(yīng)機(jī)理為六次甲基四胺先與醋酸作用，使其質(zhì)子化，之后斷裂產(chǎn)生亞胺離子亞胺離子對芳環(huán)發(fā)生親電芳香取代，經(jīng)互變異構(gòu)，生成一個(gè)芐胺衍生物。之后，六次甲基四胺部分發(fā)生第2次質(zhì)子化、斷裂產(chǎn)生亞胺離子，然后進(jìn)行分子內(nèi)氧還作用，芐胺部分被氧化為亞芐胺亞胺離子，其經(jīng)水解即得醛［14］。因此，向醋酸溶解的六次甲基四胺中滴加4-壬基酚時(shí)，六次甲基四胺在酸性溶液中全被質(zhì)子化，當(dāng)隨著4-壬基酚滴入，最開始滴入的4-壬基酚有足夠質(zhì)子化的六次甲基四胺與其發(fā)生反應(yīng)，有可能導(dǎo)致在羥基的2個(gè)鄰位上都會發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致副反應(yīng)發(fā)生，收率不高。一次加料的方式也存在上述問題，因而其收率也不是最好。而向4-壬基酚中滴加六次甲基四胺時(shí)，在反應(yīng)瓶中4-壬基酚處于過量，當(dāng)?shù)稳肓渭谆陌泛?，六次甲基四胺會立即發(fā)生質(zhì)子化與相當(dāng)量的4-壬基酚反應(yīng)，這就使得反應(yīng)全程中4-壬基酚都能夠與充足的六次甲基四胺發(fā)生反應(yīng)，因而4-壬基酚會反應(yīng)的更完全且有更高的轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)物收率更高。所以滴加方式以向4-壬基酚中滴加六次甲基四胺為最好。

2.5 產(chǎn)品的1 H-NMR表征

產(chǎn)物的核磁共振氫譜主要化學(xué)位移d H:0.65～1.60(19 H，m，C9H19)，6.92(1H，d，3-H)，7.37 ～7.56(2 H，m，4-H和 6-H)，9.89(1 H，s，CHO)，10.88(1 H，s，OH)，與5-壬基水楊醛的結(jié)構(gòu)相一致。

3 結(jié)論

以4-壬基酚、六次甲基四胺為原料，醋酸為溶劑，經(jīng)甲?；磻?yīng)合成了5-壬基水楊醛，并得到了適宜的工藝條件:n(4-壬基酚)∶n(六次甲基四胺)=1∶2，向4-壬基酚中滴加六次甲基四胺，滴加時(shí)間為1 h，于90℃再反應(yīng)5 h。5-壬基水楊醛的收率為98.7%，液相色譜純度為92.0%。

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