超聲波輻射法制備芳香醛縮醛(酮)*

萬子露，黃林偉，藍嫄嫄，司鴻瑋，陳連清

(中南民族大學 催化材料科學國家民委-教育部共建重點實驗室，湖北 武漢 430074)

在多步有機合成和藥物設計中，羰基的保護起著至關重要的作用，而縮醛(酮)類化合物通常作為保護羰基的有機合成中間體[1-2]，而且許多縮醛(酮)被發(fā)現(xiàn)可以作為香料和添加劑[3]，因此對縮醛(酮)的研究一直備受關注,至今仍是研究的熱點。

縮醛(酮)傳統(tǒng)的合成方法是在酸催化下，加熱回流，醛(酮)與醇直接反應生成縮醛(酮)，但存在反應時間長、副反應多、后處理復雜等缺點；隨后各種新的合成縮醛(酮)的催化體系被不斷發(fā)現(xiàn)，如離子液體[4]、納米TiO2[5]等。這些催化劑體系有效地催化了羰基縮醛(酮)反應的發(fā)生，但仍存在反應時間較長、需加熱回流、工藝復雜等缺點。20世紀20年代，美國科學家Richard和Loomis首先發(fā)現(xiàn)超聲波可以加速化學反應[6]，近年來，國內(nèi)外有關聲化學的研究以及學術交流異常活躍，超聲波在有機合成中因具有反應條件溫和、操作簡便、清潔無污染等優(yōu)點而受到了廣泛關注，已被廣泛應用于氧化反應、還原反應、加成反應、取代反應、縮合反應、水解反應等，然而超聲波技術應用于芳香醛與醇類的縮醛(酮)化反應至今仍少有文獻報道[7]。

作者采用超聲波輻射法，在對甲基苯磺酸(p-TSA)和分子篩作催化劑的條件下，合成了16種芳香醛縮醛(酮)，考察了含有不同取代基的芳香醛和醇對超聲波輻射下的縮醛(酮)化反應的影響；并以對硝基苯甲醛與乙醇的縮醛化反應為基本反應，探討了反應時間、反應物濃度、催化劑種類和用量對超聲輻射縮醛化反應的影響，對反應條件進行了優(yōu)化。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對羥基苯甲醛、鄰甲氧基苯甲醛、間甲氧基苯甲醛、對甲氧基苯甲醛、對甲基苯甲醛、苯甲醛、對氟苯甲醛、對溴苯甲醛、鄰硝基苯甲醛、間硝基苯甲醛、對硝基苯甲醛、糠醛、對硝基苯乙酮、甲醇、乙醇、乙二醇、苯甲醇、對甲苯磺酸：均為市售分析純，使用前均未進一步純化；分子篩：4A型(鈉-A型分子篩)，球狀，3～5 mm，馬弗爐中300 ℃活化3h后使用，國藥集團化學試劑有限公司。

KQ3200E型超聲波清洗儀：功率150 W，昆山超聲儀器有限公司；PE 2400 Ⅱ型元素分析儀：美國Perkin-Elmer公司；ZAB 3F-HF型質(zhì)譜儀：英國VG公司；Avance III 400核磁共振譜儀：CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標，德國Bruker公司；7820型氣相色譜：美國Agilent公司。

1.2 合成路線

超聲波輻射法制備縮醛(酮)的合成路線見圖1。

圖1 超聲波輻射法制備縮醛(酮)的合成路線

1.3 實驗步驟

在10 mL單口瓶中加入0.1 g對硝基苯醛和2.5 mL乙二醇，再加入0.03 gp-TSA和1 g分子篩，并在瓶口裝上球形冷凝管和裝有CaCl2的干燥管，將單口瓶放入KQ3200E型(功率150W)超聲波水槽中反應。反應結束后用氣相色譜檢測其產(chǎn)率。反應液經(jīng)過濾除去分子篩，加乙醚萃取，柱層析得到產(chǎn)物[柱層析所用展開劑為乙酸乙酯和石油醚，V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶10]。其它縮醛(酮)按類似的方法合成。

2 結果與討論

2.1 取代基的種類和位置對超聲波輻射法制備取代芳香醛縮醛(酮)的影響

在1.3反應條件下，用不同種類和位置的取代基取代的芳香醛(酮)與乙二醇反應，結果見表1。

由表1可知，苯甲醛乙二醇縮醛的產(chǎn)率為41%，在相同反應條件下當苯環(huán)對位連有給電子的甲氧基時其縮醛化反應產(chǎn)率降低為38%，當苯環(huán)對位連有給電子效應更強的羥基時其縮醛化反應產(chǎn)率降低為20%，而苯環(huán)對位連有強吸電子的硝基時其縮醛化反應產(chǎn)率可達99%，由此可見吸電子基團更有利于超聲條件下縮醛(酮)化反應的進行，但也有例外，如對甲基苯甲醛乙二醇縮醛的產(chǎn)率(70%)高于苯甲醛乙二醇縮醛的產(chǎn)率(41%)，對溴苯甲醛乙二醇縮醛的產(chǎn)率(72%)高于對氟苯甲醛乙二醇縮醛的產(chǎn)率(49%)，這是由于對甲基苯甲醛、對溴苯甲醛固有的頻率和實驗所用超聲波頻率接近，加速了化學鍵的斷裂，從而促進了反應的進行而得到較高的產(chǎn)率；取代基的位置對產(chǎn)率的影響并沒有規(guī)律，當苯環(huán)上的取代基為給電子的甲氧基時，產(chǎn)率：間位>鄰位>對位，而當苯環(huán)上的取代基為吸電子的硝基時，產(chǎn)率：對位>間位>鄰位。

表1 取代基的種類和位置對超聲輻射縮醛(酮)化反應的影響

續(xù)表

2.2 醇的種類對超聲波輻射法制備取代芳香醛縮醛(酮)的影響

在1.3反應條件下，用不同種類的醇與對硝基苯甲醛反應，結果見表2。

表2 醇種類對超聲縮醛(酮)化反應的影響

由表2可知，除芳香族的苯甲醇外，其它脂肪醇與對硝基苯甲醛的超聲縮醛化反應的產(chǎn)率都較高，這可能和芐基的空間位阻有關。

2.3 超聲波輻射法制備芳香醛縮醛(酮)的反應條件的優(yōu)化

在優(yōu)化超聲波輻射法制備芳香醛縮醛(酮)的反應條件的實驗中，以對硝基苯甲醛和乙醇的縮醛化反應為基本反應，固定對硝基苯甲醛0.1 g，分子篩1 g，室溫超聲，考察催化劑種類、反應時間、對硝基苯甲醛濃度、催化劑用量對超聲波輻射法制備芳香醛縮醛(酮)的影響。

2.3.1 催化劑種類的確定

c(對硝基苯甲醛)=0.25 mol/L，n(催化劑)∶n(對硝基苯甲醛)=25%，改變催化劑的種類，室溫超聲反應10 min，結果見表3。

表3 催化劑種類對超聲縮醛化反應的影響

由表3可知，在超聲條件下，乙酸、乳酸、氯乙酸做催化劑，對硝基苯甲醛和乙醇幾乎都不發(fā)生縮醛化反應，而p-TSA做催化劑且加入分子篩，對硝基苯甲醛和乙醇的縮醛化反應產(chǎn)率可達89%，因此，選擇p-TSA和分子篩作為對硝基苯甲醛和乙醇的縮醛化反應的催化劑。

2.3.2 超聲時間的確定

c(對硝基苯甲醛)=0.25 mol/L，催化劑為p-TSA且n(催化劑)∶n(對硝基苯甲醛)=25%，改變室溫超聲反應時間，結果見表4。

表4 超聲時間對超聲縮醛化反應的影響

由表4可知，隨著超聲反應時間的延長，縮醛化反應產(chǎn)率先升高后降低，在30 min達到最高，因此，選擇30 min作為對硝基苯甲醛和乙醇的縮醛化反應的反應時間。

2.3.3 醛濃度的確定

催化劑為p-TSA且n(p-TSA)∶n(對硝基苯甲醛)=25%，改變對硝基苯甲醛濃度，室溫超聲反應30 min，結果見表5。

表5 醛濃度對超聲縮醛化反應的影響

由表5可知，隨著醛濃度的升高，縮醛化反應的產(chǎn)率明顯升高，但由于乙醇即作為反應物又作為溶劑，醛的濃度過高會導致其溶解不充分，導致醛濃度為0.3 mol/L時，縮醛化產(chǎn)率稍有下降，因此，選擇醛濃度為0.25 mol/L作為對硝基苯甲醛和乙醇的縮醛化反應的最佳濃度。

2.3.4 催化劑量的確定

c(對硝基苯甲醛)=0.25 mol/L，催化劑為p-TSA，改變催化劑用量，室溫超聲反應30 min，結果見表6。

表6 催化劑用量對超聲縮醛化反應的影響

由表6可知，隨著催化劑用量的增加，縮醛化反應產(chǎn)率先增加后降低，當n(p-TSA)∶n(對硝基苯甲醛)=25%時，產(chǎn)率達到最高，因此，選擇n(p-TSA)∶n(對硝基苯甲醛)=25%作為最佳催化劑用量。

由此可得超聲波輻射法制備取代芳香醛縮醛(酮)最佳反應條件為：c[醛(酮)]=0.25 mol/L，n(p-TSA)∶n[醛(酮)]=1∶4，室溫超聲時間為30 min。

3 結 論

(1) 在超聲波輻射條件下，以p-TSA和分子篩為催化劑，醇作溶劑和反應物，在室溫下合成了16種取代芳香醛縮醛(酮)；

(2) 超聲波輻射法制備取代苯甲醛乙二醇縮醛時，苯環(huán)上有硝基取代的苯甲醛在進行縮醛化反應時產(chǎn)率較高，當硝基分別在苯環(huán)的對位、間位、鄰位，其與乙二醇的縮醛化反應產(chǎn)率分別為99%、95%、78%；

(3) 甲醇、乙醇、乙二醇分別與對硝基苯甲醛進行超聲條件下的縮醛化反應，都能得到較高的產(chǎn)率，分別為95%、97%、99%；

(4) 超聲波輻射法制備取代芳香醛縮醛(酮)的最佳條件是：[c醛(酮)]=0.25 mol/L，催化劑n(p-TSA)∶n[醛(酮)]=1∶4，室溫超聲時間為30 min。

參 考 文 獻：

[1] GREENE T W,WUTS P G M.Protective groups in organic synthesis[M].3rd ed.New York:John Wiley and Sons,1999:399-402.

[2] KOCIENSKI P J.Protecting groups [M].1st ed.New York:Thieme,1994:187-190.

[3] MESKENS F J.Methods for the preparation of acetals from alcohols or oxiranes and carbonyl compounds[J].Synthesis,1981,32(7):501-522.

[4] DU Y,TIAN F.Br?nsted acidic ionic liquids as efficient and recyclable catalysts for protection of carbonyls to acetals and ketals under mild conditions[J].Synthetic Communications,2005,35(20):2703-2708.

[5] 葉美英,周剛,李寶興.納米TiO2光催化芳香醛的縮醛反應研究[J].中國科學：化學，2013,43(5):551-557.

[6] RICHARDS W T,LOOMIS A L.The chemical effects of high frequency sound waves I.a preliminary survey[J].J Am Chem Soc,1927,49 (12):3086-3100.

[7] 劉曉磊.二酰胺類化合物的微波超聲波合成及性能基礎研究[D].濟南:濟南大學,2013:13-14.