季戊四醇雙縮脂肪族醛(酮)螺環(huán)化合物的合成*

李正義，殷 樂，葛 玲，靳琳琳，陳 亮，孫小強(qiáng)

(常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164)

·研究簡(jiǎn)報(bào)·

季戊四醇雙縮脂肪族醛(酮)螺環(huán)化合物的合成*

李正義，殷 樂，葛 玲，靳琳琳，陳 亮，孫小強(qiáng)

(常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164)

以脂肪族醛(酮)為原料，對(duì)甲苯磺酸為催化劑，在環(huán)己烷中回流分水反應(yīng)合成了一系列季戊四醇雙縮脂肪族醛(酮)螺環(huán)化合物(3a～3l)，其中3,9-二甲基-3,9-二丁基-2,4,8,10-四氧雜螺[5.5]十一烷(3i)和3,7,11,15,18,21-六氧雜三螺[5.2.2.512.29.26]二十一烷(3k)為新化合物，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR和ESI-MS表征。

脂肪族;雙縮醛;雙縮酮;季戊四醇;合成

季戊四醇雙縮醛(酮)螺環(huán)化合物由于其合成方便、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且大多是晶體物質(zhì)，在工業(yè)和有機(jī)合成中應(yīng)用廣泛。季戊四醇雙縮醛(酮)螺環(huán)化合物在工業(yè)上常用作高分子材料的增塑劑、固化劑、抗氧化劑，亦可作為殺蟲劑和陰離子表面清洗液的消泡劑[1-3]；在有機(jī)合成中，季戊四醇雙縮醛(酮)螺環(huán)化合物可在稀酸條件下水解成原來的醛和酮，可用于醛、酮羰基的保護(hù)；此外，由于該類化合物具有軸手性，可用來合成具有生物活性和藥物傳輸功能的物質(zhì)，是一類具有較大應(yīng)用前景和價(jià)廉物美的手性源[4-6]。大多數(shù)脂肪族縮醛(酮)是較好的香精香料，在飲料、酒類、冰淇淋和化妝品等的調(diào)香定香中應(yīng)用廣泛，是有機(jī)合成中的重要中間體[7]。然而，由于脂肪族醛(酮)化合物存在易被氧化、實(shí)驗(yàn)中跟蹤反應(yīng)困難等問題，在已有季戊四醇雙縮醛(酮)螺環(huán)化合物合成的報(bào)道中，絕大多數(shù)是關(guān)于芳香族醛(酮)螺環(huán)化合物的合成，脂肪族醛(酮)與季戊四醇雙縮產(chǎn)物的合成研究較少[8-10]。

本文系統(tǒng)研究了一系列不同類型脂肪族雙縮醛(酮)螺環(huán)化合物的合成。以脂肪族醛(酮)(2a～2l)為原料，對(duì)甲苯磺酸為催化劑，在環(huán)己烷中與季戊四醇(1)經(jīng)回流分水反應(yīng)合成了12個(gè)季戊四醇雙縮脂肪族醛(酮)螺環(huán)化合物(3a～3l,Scheme 1)，其中3,9-二甲基-3,9-二丁基-2,4,8,10-四氧雜螺[5.5]十一烷(3i)和3,7,11,15,18,21-六氧雜三螺[5.2.2.512.29.26]二十一烷(3k)為新化合物，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR和ESI-MS表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

SGW X-4型顯微熔點(diǎn)儀(溫度未校正)；AVANCE 300MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；LCMS-2020型質(zhì)譜儀；快速中壓制備系統(tǒng)。

柱層析用硅膠,青島海洋化工有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1．2 合成

(1)3a～3f的合成(以3a為例)

在三口燒瓶中依次加入特戊醛(2a)2.53g(30.0mmol)，12.0g(15.0mmol)，環(huán)己烷40mL和催化量對(duì)甲苯磺酸(2wt%)，攪拌下回流分水反應(yīng)2h～3h(溶液從渾濁變澄清)。冷卻，靜置(析出白色固體)，抽濾，濾餅用少量無水乙醇洗滌得白色片狀固體3a3.53g。

用類似方法合成白色固體3b～3l[其中3g～3l，反應(yīng)時(shí)間4h～5h，冷卻靜置無固體產(chǎn)生，減壓濃縮后經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：石油醚，檢測(cè)波長(zhǎng)218nm)純化]。

3a：m.p.185.8℃～186.3℃;1H NMRδ：0.90(s,18H,CH3),3.32(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.47～3.59(m,4H,CH2),4.03(s,2H,CH),4.53(d,J=9.8Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 24.6,32.4,34.9,70.2,70.6,108.2；ESI-MSm/z: 273{[M+H]+}。

3b：m.p.94.2℃～94.8℃;1H NMRδ：0.93(d,J=6.8Hz,12H,CH3),1.57～1.86(m,2H,CH),3.33(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.49～3.60(m,4H,CH2),4.20(d,J=4.4Hz,2H,CH),4.55(d,J=9.7Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 16.8,32.5,32.6,70.2,70.5,106.2；ESI-MSm/z: 245{[M+H]+}。

3c：m.p.61.7℃～62.4℃;1H NMRδ：0.91(t,J=7.3Hz,6H,CH3),1.35～1.47(m,4H,CH2),1.56～1.63(m,4H,CH2),3.34(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.51～3.60(m,4H,CH2),4.45(t,J=5.0Hz,2H,CH),4.55(dd,J=11.4Hz,2.2Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 14.0,17.1,32.4,36.8,70.2,70.6,102.7；ESI-MSm/z: 245{[M+H]+}。

3d：m.p.56.2℃～57.2℃;1H NMRδ：0.89(t,J=6.9Hz,6H,CH3),1.28～1.41(m,8H,CH2),1.58～1.62(m,4H,CH2),3.34(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.51～3.59(m,4H,CH2),4.44(t,J=4.9Hz,2H,CH),4.56(d,J=10.6Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 14.0,22.6,25.9,32.4,34.4,70.2,70.6,102.9；ESI-MSm/z: 273{[M+H]+}。

3e：m.p.55.1℃～55.7℃;1H NMRδ：0.88(t,J=6.7Hz,6H,CH3),1.28～1.43(m,12H,CH2),1.59～1.63(m,4H,CH2),3.34(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.51～3.59(m,4H,CH2),4.43(t,J=4.9Hz,2H,CH),4.55(d,J=10.1Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 14.0,22.6,23.4,31.7,32.4,34.7,70.2,70.6,102.9；ESI-MSm/z: 301{[M+H]+}。

3f：m.p.142.0℃～142.8℃;1H NMRδ：1.04～1.27(m,10H,a-H),1.43～1.54(m,2H,CH),1.63～1.78(m,10H,a-H),3.32(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.47～3.58(m,4H,CH2),4.18(d,J=4.7Hz,2H,CH),4.53(dd,J=11.3Hz,9.0Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 25.8,26.5,27.1,27.1,32.6,42.3,70.2,70.5,105.7；ESI-MSm/z: 325{[M+H]+}。

3g：m.p.47.7℃～48.4℃;1H NMRδ：0.92(t,J=7.5Hz,6H,CH3),1.36(s,6H,CH3),1.71(q,J=7.5Hz,4H,CH2),3.66(s,4H,CH2),3.75～3.87(m,4H,CH2);13C NMRδ: 7.7,19.7,30.5,32.4,63.8,100.2；ESI-MSm/z: 245{[M+H]+}。

3h：m.p.41.7℃～42.9℃;1H NMRδ：0.92(t,J=7.3Hz,6H,CH3),1.35(s,6H,CH3),1.39～1.44(m,4H,CH2),1.62～1.67(m,4H,CH2),3.65(s,4H,CH2),3.75～3.87(m,4H,CH2);13C NMRδ: 14.8,15.5,25.3,32.4,40.3,63.8,100.0；ESI-MSm/z: 273{[M+H]+}。

3i：m.p.18.9℃～19.4℃;1H NMRδ：0.90(t,J=7.0Hz,6H,CH3),1.30～1.39(m,14H,CH2，CH3),1.64～1.69(m,4H,CH2),3.65(s,4H,CH2),3.76～3.89(m,4H,CH2);13C NMRδ: 14.1,20.1,23.0,25.4,32.4,37.8,63.8,100.0；ESI-MSm/z: 301{[M+H]+}。

3j：m.p.136.9℃～138.8℃;1H NMRδ：3.77(s,8H,CH2),3.84(s,8H,CH2);13C NMRδ: 32.7,41.7,64.2,98.3；ESI-MSm/z: 355{[M+H]+}。

3k：m.p.184.7℃～185.9℃;1H NMRδ：1.88(t,J=5.4Hz,8H,CH2),3.70(t,J=5.4Hz,8H,CH2),3.76(s,8H,CH2);13C NMRδ: 33.0,33.4,63.2,64.6,96.3；ESI-MSm/z: 301{[M+H]+}。

3l：m.p.135.2℃～136.3℃;1H NMRδ：1.63～1.68(m,8H,CH2),1.86(t,J=7.3Hz,8H,CH2),3.72(s,8H,CH2);13C NMRδ: 23.5,32.4,34.8,65.4,110.7；ESI-MSm/z: 269{[M+H]+}。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件優(yōu)化

季戊四醇雙縮醛(酮)化合物的合成通常采用酸作催化劑，溶劑回流帶水反應(yīng)。以2a與1的縮合為模型反應(yīng)，分別考察催化劑和帶水劑對(duì)3a收率的影響。

(1)催化劑

115mmol，反應(yīng)時(shí)間2h,其余反應(yīng)條件同1.2(1)，考察催化劑對(duì)3a收率的影響，結(jié)果見表1。從表1可見，質(zhì)子酸具有較好的催化效果，而路易斯酸不能催化該反應(yīng)。當(dāng)采用濃硫酸作催化劑時(shí)，收率偏低(64.2%)，可能是由于濃硫酸具有氧化作用，易將醛基氧化；對(duì)甲苯磺酸催化的收率(88.1%)略高于硅鎢酸(82.3%)，且硅鎢酸價(jià)格相對(duì)昂貴，因此選擇對(duì)甲苯磺酸作為催化劑。

表1 催化劑對(duì)3a收率的影響Table1 Effect of the catalyst on the yield of 3a

*115mmol，反應(yīng)時(shí)間2h,其余反應(yīng)條件同1.2(1)

(2)帶水劑

115mmol，對(duì)甲苯磺酸為催化劑,其余反應(yīng)條件同2.1(1)，考察帶水劑對(duì)3a收率的影響，結(jié)果見表2。從表2可見，以甲苯為帶水劑時(shí)，由于溫度過高，致使2a部分逸出或高溫氧化導(dǎo)致收率較低(12.0%)，不宜選用。環(huán)己烷和苯的沸點(diǎn)相近，但前者的收率(88.1%)比后者(90.3%)略低，可能是由于環(huán)己烷的極性比苯低?？紤]到苯的毒性較大，選擇環(huán)己烷為帶水劑。

表2 帶水劑對(duì)3a收率的影響Table2 Effect of the solvent on the yield of 3a

*對(duì)甲苯磺酸為催化劑,其余同表1

2.2 底物拓展

以對(duì)甲苯磺酸為催化劑，環(huán)己烷為溶劑回流帶水反應(yīng)，進(jìn)行底物拓展，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見Scheme 1。從Scheme 1可見，該合成方法適用于不同類型的脂肪族醛和酮底物。但由于季戊四醇雙縮脂肪醛螺環(huán)化合物(3a～3f)的極性相對(duì)較大，當(dāng)反應(yīng)液冷卻后，產(chǎn)物能夠從環(huán)己烷中自然析出，后處理簡(jiǎn)單；而極性較小的季戊四醇雙縮脂肪酮螺環(huán)化合物(3g～3l)在環(huán)己烷中溶解度較好，需采用柱層析純化目標(biāo)產(chǎn)物?？傮w而言，季戊四醇雙縮脂肪醛螺環(huán)化合物收率高于脂肪酮螺環(huán)化合物；直鏈季戊四醇雙縮脂肪醛螺環(huán)化合物收率低于支鏈和環(huán)狀脂肪醛螺環(huán)化合物；季戊四醇雙縮不對(duì)稱脂肪酮螺環(huán)化合物收率低于對(duì)稱脂肪酮螺環(huán)化合物。

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SynthesisofAliphaticDiacetals(Diketals)Spiro-compounds

LI Zheng-yi，YIN Yue，GE Ling，JIN Lin-lin，CHEN Liang，SUN Xiao-qiang

(School of Petrochemical Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)

A series of aliphatic diacetals or diketals(3a～3l)were synthesized by reflux of pentaerythritol with aliphatic aldehydes or ketones usingp-toluenesulfonic acid as the catalyst.3,9-Dimethyl-3,9-dibutyl-2,4,8,10-tetraoxaspiro[5.5]undecane(3i)and 3,7,11,15,18,21-hexaoxatrispiro[5.2.2.512.29.26]henicosane(3k)were new compounds.The structures were characterized by1H NMR,13C NMR and ESI-MS.

aliphatic;diacetals;diketals;pentaerythritol;synthesis

2013-06-24;

2014-06-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21002009)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(12KJA150002)；常州市科技項(xiàng)目(CJ20115019)；江蘇省“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目

李正義(1979-)，男，江蘇揚(yáng)州人，副教授，主要從事有機(jī)合成和超分子化學(xué)的研究。E-mail: zyli@cczu.edu.cn

孫小強(qiáng)，教授，E-mail: sunxiaoqiang@yahoo.com

O623.5

A

1005-1511(2014)05-0672-04