4-苯基-3-丁烯-2-酮的合成

李亞楠，劉志波，于 芳

（1.遼寧石油化工大學(xué) 石油化工學(xué)院，遼寧 撫順113001；2.撫順石化北天順達(dá)公司，遼寧 撫順113006）

羥醛縮合反應(yīng)在有機(jī)合成上具有重要的用途，它不僅可以增長碳鏈，而且能產(chǎn)生支鏈。α,β-不飽和酮是一種相對(duì)基礎(chǔ)的合成原料，在有機(jī)合成中有著廣泛的應(yīng)用，是香料、藥物以及精細(xì)化工產(chǎn)品的重要原料或中間體，它經(jīng)選擇性氫化制得香料添加劑。例如，對(duì)檸檬醛中雙鍵加氫還原得到四氫香茅醛，從而增強(qiáng)古龍水的柑橘香[1]；對(duì)肉桂醛中雙鍵加氫還原得到氫化肉桂醛，它具有強(qiáng)烈的香氣和風(fēng)信子花香，可用于調(diào)配玫瑰、風(fēng)信子和丁香等香型的香料，使香料香氣更加清香[2]。在手性配體的催化下，α,β-不飽和酮在不對(duì)稱催化方面也有廣闊的發(fā)展空間，是制備α-手性酮化合物的前體，在手性化合物的構(gòu)建中有重要的作用[3-4]。同時(shí)，α,β-不飽和酮也是許多藥物中間體的重要組成部分，4-苯基-3-丁烯-2-酮本身也有殺蟲的功效，可以直接加入產(chǎn)品中作為殺蟲劑。α,β-不飽和酮中碳碳雙鍵與羰基共軛，這與一般的碳碳雙鍵共軛或碳碳雙鍵和碳氧雙鍵共軛不同，它同時(shí)具備了酮、烯烴和共軛二烯烴的性質(zhì)，具有良好的反應(yīng)活性，因此非常具有研究價(jià)值。由于其自身的特殊結(jié)構(gòu)而在有機(jī)合成中占有舉足輕重的地位[5]。

近幾十年，對(duì)增長碳鏈的反應(yīng)研究比較多[6-8]，尤其是羥醛縮合反應(yīng)[9-14]，研究表明在NaOH 催化下，利用苯甲醛和丙酮發(fā)生羥醛縮合構(gòu)建碳碳鍵合成4-苯基-3-丁烯-2-酮時(shí)，NaOH 溶液濃度對(duì)反應(yīng)影響較大，若NaOH 溶液濃度過高，則導(dǎo)致產(chǎn)物酮會(huì)進(jìn)一步與苯甲醛發(fā)生二次縮合，苯甲醛在強(qiáng)堿性條件下容易發(fā)生歧化反應(yīng)。為減少副產(chǎn)物的生成，需要使用過量的丙酮和合適濃度的NaOH 溶液作為催化劑。

本文利用NaOH 催化苯甲醛和丙酮進(jìn)行羥醛縮合的方式構(gòu)建了新的碳碳鍵。該方法操作簡單、條件溫和，是環(huán)境友好型反應(yīng)，為4-苯基-3-丁烯-2-酮的合成提供了新的方法，符合綠色化學(xué)的發(fā)展要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

苯甲醛（純度98.5%）、氫氧化鈉（分析純），薩恩化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司；丙酮（分析純），天津市富宇化工有限公司；柱層層析硅膠（化學(xué)純），200～300 目，煙臺(tái)江友硅膠開發(fā)有限公司。

實(shí)驗(yàn)用苯甲醛經(jīng)減壓蒸餾，收集84～86 ℃（0.09 MPa）餾分，待用。

N-1100 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海愛朗儀器有限公司；Bruker 400 型核磁共振儀，德國布魯克公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

4-苯基-3-丁烯-2-酮的合成方法見圖1。在氬氣保護(hù)的條件下，向裝有磁子的250 mL 圓底燒瓶中依次加入水、丙酮(32.0 g、551.0 mmol)和苯甲醛(4.0 g、47.1 mmol)，使用常壓滴液漏斗，將16 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% NaOH 溶液逐滴加入圓底燒瓶中，30 min左右滴完，在室溫條件下反應(yīng)24 h。TLC 監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程，待反應(yīng)完全，將丙酮溶劑旋出，加入50 mL 水，用50 mL 乙酸乙酯萃取3 次，合并有機(jī)相，干燥、抽濾、濃縮，柱層析得黃色針狀固體。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)反應(yīng)進(jìn)程的影響

催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)是羥醛縮合反應(yīng)中至關(guān)重要的一個(gè)影響因素，通過催化劑可以改變反應(yīng)歷程，提高反應(yīng)速率，大大縮短反應(yīng)時(shí)間，提升反應(yīng)效率。在氫氧化鈉溶液作為催化劑、反應(yīng)時(shí)間為24 h、反應(yīng)溫度為40 ℃的條件下，考察催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)4-苯基-3-丁烯-2-酮合成的影響，結(jié)果見表1。

由表1 可知，當(dāng)無催化劑時(shí)，反應(yīng)無法進(jìn)行，由此可見催化劑在有機(jī)反應(yīng)中是必不可少的。催化劑可以改變反應(yīng)歷程，使其經(jīng)過一個(gè)更易達(dá)到的過渡態(tài)，在此過渡態(tài)的基礎(chǔ)上完成反應(yīng)。因此，當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至3%時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率從0 增加至50%，充分證明了催化劑對(duì)反應(yīng)的重要性。為了進(jìn)一步提高反應(yīng)的產(chǎn)率，繼續(xù)增加催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，產(chǎn)率達(dá)到87%；進(jìn)一步增加催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，產(chǎn)率不僅沒有增加，反而開始下降，這是因?yàn)楫?dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，體系中出現(xiàn)少量副產(chǎn)物，即在丙酮兩側(cè)均發(fā)生羥醛縮合反應(yīng)的產(chǎn)物，該副產(chǎn)物的出現(xiàn)，導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)率有所下降。因此，最佳催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%。

表1 催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)羥醛縮合反應(yīng)的影響 %

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)進(jìn)程的影響

反應(yīng)溫度上升，反應(yīng)物分子與活化分子的平均能量上升，使活化分子比例增加，反應(yīng)速率上升，因此反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)速率影響很大。在催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、反應(yīng)時(shí)間為24 h 的條件下，考察反應(yīng)溫度對(duì)4-苯基-3-丁烯-2-酮合成的影響，結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)溫度對(duì)羥醛縮合反應(yīng)的影響

由表2 可知，反應(yīng)溫度從0 ℃升高到20 ℃，反應(yīng)產(chǎn)率變化不大，證明此時(shí)溫度尚未達(dá)到反應(yīng)所需的溫度，欲使反應(yīng)順利進(jìn)行仍需升高反應(yīng)溫度。當(dāng)反應(yīng)溫度從20 ℃升高到40 ℃，反應(yīng)產(chǎn)率迅速提高，這說明升高溫度，反應(yīng)物分子活性提高，加速了苯甲醛和丙酮分子的運(yùn)動(dòng)，使其碰撞、反應(yīng)的概率增加，從而提高反應(yīng)產(chǎn)率并加快反應(yīng)速率。然而，當(dāng)反應(yīng)溫度從40 ℃升高到60 ℃時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率降低，這表明反應(yīng)溫度較高時(shí)有副反應(yīng)產(chǎn)生，從而導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)率下降。因此，最佳反應(yīng)溫度為40 ℃。

2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)進(jìn)程的影響

在催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、反應(yīng)溫度為40 ℃的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)4-苯基-3-丁烯-2-酮合成的影響，結(jié)果見表3。

由表3 可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，產(chǎn)率有明顯的提升。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為6 h 時(shí)，產(chǎn)率僅為20%；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長至12 h 時(shí)，產(chǎn)率增加至65%。這說明反應(yīng)開始時(shí)進(jìn)行緩慢，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，產(chǎn)率不斷增加，12 h 已經(jīng)完成了65%的反應(yīng)，但是仍有大量原料未參與反應(yīng)。為了進(jìn)一步提升反應(yīng)產(chǎn)率，繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間至24 h 時(shí)，產(chǎn)率達(dá)到81%；進(jìn)一步延長反應(yīng)時(shí)間至36 h 時(shí)，產(chǎn)率增加幅度較小，這說明反應(yīng)進(jìn)行到一定程度，僅通過延長反應(yīng)時(shí)間，難以對(duì)反應(yīng)起到明顯的促進(jìn)作用，此時(shí)制約反應(yīng)進(jìn)行的將不再是反應(yīng)時(shí)間。因此，最佳反應(yīng)時(shí)間為24 h。

表3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)羥醛縮合反應(yīng)的影響

2.4 苯甲醛純度對(duì)反應(yīng)進(jìn)程的影響

長期放置的苯甲醛中，因被空氣氧化會(huì)混有少量的苯甲酸，使其純度下降。為了進(jìn)一步明確苯甲醛純度對(duì)反應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)了以下反應(yīng)。首先對(duì)苯甲醛重新蒸餾得到較高純度的苯甲醛，然后選用重蒸的苯甲醛作為反應(yīng)底物進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為24 h，同時(shí)與未純化的苯甲醛進(jìn)行對(duì)比，分析苯甲醛純度對(duì)4-苯基-3-丁烯-2-酮合成的影響，結(jié)果見表4。

表4 苯甲醛純度對(duì)羥醛縮合反應(yīng)的影響

從表4 可以看出，當(dāng)使用未純化的苯甲醛或純化后的苯甲醛做底物時(shí)，反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響規(guī)律是相同的。當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí)，反應(yīng)只有少量發(fā)生，這說明溫度過低，反應(yīng)活性較低。緩慢升高反應(yīng)溫度，反應(yīng)產(chǎn)率不斷提高，當(dāng)產(chǎn)率達(dá)到最大值后，隨著反應(yīng)體系溫度的升高，產(chǎn)率開始下降。兩個(gè)反應(yīng)均是在40 ℃時(shí)產(chǎn)率達(dá)到最高，而在60 ℃時(shí)產(chǎn)率下降，分析可能的原因：60 ℃時(shí)，反應(yīng)活性過高，導(dǎo)致反應(yīng)體系中發(fā)生了其他副反應(yīng)，使產(chǎn)率下降。

從表4 還可以看出，反應(yīng)溫度相同時(shí)，純化后的苯甲醛可獲得更高的產(chǎn)率。在溫度相同的情況下，苯甲醛的純度是合成反應(yīng)的關(guān)鍵，這說明進(jìn)一步純化原料是提高反應(yīng)產(chǎn)率的手段。特別是低溫時(shí)反應(yīng)的活性不高，純度對(duì)反應(yīng)影響較大。對(duì)比苯甲醛純度和反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響可以看出，反應(yīng)溫度對(duì)羥醛縮合反應(yīng)的影響大于苯甲醛純度。

2.5 反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)[10,16]，推測(cè)可能的反應(yīng)機(jī)理，如圖2 所示。在堿性條件下，丙酮中與羰基相連的鄰位碳容易失去一個(gè)α-H，形成一個(gè)強(qiáng)的親核試劑4，試劑4 會(huì)進(jìn)攻苯甲醛的羰基碳，從而形成中間體5，中間體5 上的O-攫取一個(gè)氫變?yōu)榱u基生成產(chǎn)物6，隨后失去一分子水生成4-苯基-3-丁烯-2-酮。

2.6 4-苯基-3-丁烯-2-酮的結(jié)構(gòu)表征

4-苯基-3-丁烯-2-酮是黃色針狀固體，其400 MHz 核磁共振氫譜分析結(jié)果見圖3。

從圖3 可以看出，7.49～7.55 為多重峰，積分值為3 個(gè)氫，7.39～7.41 處為多重峰，積分值為3 個(gè)氫，這兩組峰是苯環(huán)上的5 個(gè)氫以及芐烯位的氫。6.72處為耦合常數(shù)16.1 的雙重峰，積分值為1 個(gè)氫，是羰基α-位的雙鍵上的1 個(gè)氫。2.37 處的單峰為羰基α-位的甲基峰，積分值為3 個(gè)氫。即：1H NMR(400 MHz, CDCl3) δ 7.49～7.55 (m, 3H), 7.39～7.41 (m, 3H), 6.72(d, J=16.1 Hz, 1H), 2.37(s,3H)。經(jīng)與核磁共振標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比[15-16]，確定該結(jié)構(gòu)即4-苯基-3-丁烯-2-酮。

3 結(jié) 論

羥醛縮合反應(yīng)是一個(gè)重要的增長碳鏈的反應(yīng)。采用NaOH 作為催化劑催化苯甲醛和丙酮進(jìn)行羥醛縮合的方式構(gòu)建新的碳碳雙鍵，以控制變量的方法探究影響反應(yīng)的因素。主要探究催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和苯甲醛純度對(duì)反應(yīng)的影響，從而確定最佳反應(yīng)條件：催化劑NaOH 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、反應(yīng)溫度為40 ℃、反應(yīng)時(shí)間為24 h。進(jìn)一步經(jīng)核磁共振氫譜確定了產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。該羥醛縮合反應(yīng)條件溫和，不需要加入金屬催化劑，是綠色環(huán)保型反應(yīng)。