無催化劑存在下一鍋反應(yīng)合成肉桂腈和茴香腈*

徐 穎，柳聰慧，王宏社

（寶雞文理學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 寶雞721013）

腈類化合物是重要的香料、化工原料和合成中間體[1-3]。腈類化合物作為香料具有性質(zhì)穩(wěn)定，對光、熱、酸、堿均不太敏感等優(yōu)點。有些腈類化合物在食品香味中起著重要作用，例如，苯乙腈存在于紅茶、番茄、苦橙、鈴蘭花精油中。肉桂腈不僅具有強烈的辛香花香的香氣，還具有較好的殺（抑）菌和驅(qū)蟲作用[4,5]。對甲氧基苯甲腈，俗稱茴香腈，具有強烈的果香豆香香氣，且香氣柔和持久，對皮膚刺激性小，且具有良好的抗氧化、抗聚合、耐酸堿、耐熱等性能[6,7]。

N-甲基吡咯烷酮（NMP）是一種氮雜環(huán)化合物，具有一系列優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)。NMP 沸點高、極性強、粘度低、溶解能力強、無腐蝕、毒性小、生物降解能力強、揮發(fā)度低、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性優(yōu)良。NMP 幾乎可與大部分有機溶劑以任意比例混合，對有機物也有較好的溶解性，因而主要被用作溶劑，可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和化工等眾多領(lǐng)域[8,9]。

肉桂腈和茴香腈的合成方法較多[10-15]，其中以醛為原料一步法直接合成腈的方法較為簡單實用，但很多文獻(xiàn)報道的方法普遍存在使用催化劑等不足。本文在無催化劑存在下，分別由肉桂醛和茴香醛與鹽酸羥胺的一鍋反應(yīng)合成了肉桂腈和茴香腈。實驗結(jié)果表明，該法具有操作簡單和產(chǎn)率高等優(yōu)點。其反應(yīng)式如下：

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

肉桂醛、茴香醛、鹽酸羥胺、乙酸乙酯、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、NaHCO3，均為分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

X-4 型精密顯微熔點儀（北京福凱儀器有限公司）；MA-400 型核磁共振儀（CDCl3為溶劑，TMS 為內(nèi)標(biāo)，Bruker 公司）。

1.2 合成方法

在裝有攪拌器、溫度計和冷凝管的三口燒瓶中加入肉桂醛或茴香醛（0.05mol）、鹽酸羥胺（0.06mol）和N-甲基吡咯烷酮（20mL），在110℃加熱反應(yīng)一定時間后，冷卻到室溫，加入乙酸乙酯（25mL）提取產(chǎn)物，有機相依次用水（50mL）和飽和NaHCO3溶液（50mL）洗滌，然后用無水MgSO4干燥有機相，對于茴香腈，減壓蒸除有機溶劑后得茴香腈粗產(chǎn)品，用丙酮重結(jié)晶得茴香腈純品，稱重，計算產(chǎn)率。對于肉桂腈，減壓蒸除有機溶劑后，收集130～132℃/1.064kPa 的餾分，得淡黃色透明液體，稱重，計算產(chǎn)率。用1H NMR和13C NMR 表征產(chǎn)物。

2 結(jié)果與討論

2.1 肉桂腈的合成

2.1.1 反應(yīng)物摩爾比對產(chǎn)率的影響 反應(yīng)物摩爾比對產(chǎn)率有較大影響，考慮到肉桂醛的價格貴，而鹽酸羥胺的價格便宜，所以在反應(yīng)中使鹽酸羥胺過量。選擇反應(yīng)溫度110℃，反應(yīng)時間5h，NMP 為溶劑（20mL），取0.05mol 肉桂醛，改變鹽酸羥胺的用量，考察肉桂醛和鹽酸羥胺的摩爾比對肉桂腈產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表1。

表1 肉桂醛和鹽酸羥胺的摩爾比對肉桂腈產(chǎn)率的影響Tab.1 Effect of molar ratio of cinnamaldehyde to hydroxylamine hydrochloride on the yield of cinnamonitrile

由表1 可知，當(dāng)肉桂醛和鹽酸羥胺的摩爾比超過1∶1.2 時產(chǎn)率開始下降。這可能是由于增大鹽酸羥胺的用量會導(dǎo)致體系的酸性增強，而肉桂腈具有α,β-不飽和腈結(jié)構(gòu)，酸性增強會促使HCl 與肉桂腈發(fā)生反應(yīng)，這樣就降低了肉桂腈的產(chǎn)率。所以，選擇n肉桂醛∶n鹽酸羥胺=1∶1.2 為宜，此時產(chǎn)率為86.3%。

2.1.2 反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響 選擇反應(yīng)時間5h，NMP 為溶劑（20mL），取0.05mol 肉桂醛，0.06mol 鹽酸羥胺，考察反應(yīng)溫度對肉桂腈產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)溫度對肉桂腈產(chǎn)率的影響Tab.2 Effect of reaction temperature on the yield of cinnamonitrile

由表2 可知，隨著反應(yīng)溫度的增加，產(chǎn)物產(chǎn)率隨之增加，當(dāng)反應(yīng)溫度為110℃，產(chǎn)物產(chǎn)率為86.3%。進(jìn)一步增加反應(yīng)溫度，產(chǎn)率反而下降，可能由于副反應(yīng)增多。因此，適宜反應(yīng)溫度為110℃。

2.1.3 反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響 選擇反應(yīng)溫度110℃，NMP 為溶劑（20mL），取0.05mol 肉桂醛，0.06mol 鹽酸羥胺，考察反應(yīng)時間對肉桂腈產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表3。

表3 反應(yīng)時間對肉桂腈產(chǎn)率的影響Tab.3 Effect of reaction time on the yield of cinnamonitrile

由表3 可知，當(dāng)反應(yīng)時間過短時，反應(yīng)不充分，產(chǎn)率低。反應(yīng)時間以5h 為佳，產(chǎn)率達(dá)86.3%。反應(yīng)時間太長，產(chǎn)率開始下降。

2.1.4 溶劑對產(chǎn)率的影響 選擇反應(yīng)溫度110℃，反應(yīng)時間5h，0.05mol 肉桂醛，0.06mol 鹽酸羥胺，分別以NMP、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲亞砜（DMSO）、聚乙二醇-400（PEG-400）為溶劑，考察不同溶劑對肉桂腈產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表4。

表4 溶劑對肉桂腈產(chǎn)率的影響Tab.4 Effect of solvents on the yield of cinnamonitrile

由表4 可知，溶劑對反應(yīng)有較大的影響。以甲苯為溶劑時，產(chǎn)率最低；以NMP 為溶劑時，產(chǎn)率最高。所以，選擇NMP 作為反應(yīng)溶劑。

2.1.5 最佳條件的重復(fù)實驗 取0.05mol 肉桂醛和0.06mol 鹽酸羥胺進(jìn)行實驗，反應(yīng)時間為5h，反應(yīng)溫度為110℃，NMP 為溶劑，進(jìn)行重復(fù)實驗，驗證實驗方法的可靠性，結(jié)果見表5。

表5 最佳反應(yīng)條件下的重復(fù)實驗Tab.5 Repeated experiments under optimal reaction conditions

由表5 可知，在最佳反應(yīng)條件下，實驗結(jié)果的重復(fù)性很好，產(chǎn)率在86.3%以上。

2.2 茴香腈的合成

2.2.1 反應(yīng)物摩爾比對產(chǎn)率的影響 因為茴香醛的價格貴，而鹽酸羥胺的價格便宜，所以在反應(yīng)中使鹽酸羥胺過量。選擇反應(yīng)溫度110℃，反應(yīng)時間4h，取0.05mol 茴香醛，改變鹽酸羥胺的用量，考察茴香醛和鹽酸羥胺的摩爾比對茴香腈產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表6。

表6 茴香醛和鹽酸羥胺的摩爾比對茴香腈產(chǎn)率的影響Tab.6 Effect of molar ratio of anisaldehyde to hydroxylamine hydrochloride on the yield of anisonitrile

由表6 可知，當(dāng)茴香醛和鹽酸羥胺的摩爾比超過1∶1.2 時產(chǎn)率開始下降。這可能是由于增大鹽酸羥胺的用量會導(dǎo)致體系的酸性增強，而酸性增強會促使茴香腈中醚鍵的斷裂，這樣就降低了茴香腈的產(chǎn)率。所以，選擇n茴香醛∶n鹽酸羥胺=1∶1.2 為宜，此時產(chǎn)率為90.6%。

2.2.2 反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響 選擇反應(yīng)時間4h，NMP 為溶劑（20mL），取0.05mol 茴香醛，0.06mol 鹽酸羥胺，考察反應(yīng)溫度對茴香腈產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表7。

表7 反應(yīng)溫度對茴香腈產(chǎn)率的影響Tab.7 Effect of reaction temperature on the yield of anisonitrile

由表7 可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為110℃，產(chǎn)物產(chǎn)率為90.6%。因此，適宜反應(yīng)溫度為110℃。

2.2.3 反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響 選擇反應(yīng)溫度110℃，NMP 為溶劑（20mL），取0.05mol 茴香醛，0.06mol 鹽酸羥胺，考察反應(yīng)時間對茴香腈產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表8。

表8 反應(yīng)時間對茴香腈產(chǎn)率的影響Tab.8 Effect of reaction time on the yield of anisonitrile

由表8 可知，反應(yīng)時間以4h 為佳，產(chǎn)率達(dá)90.6%。

2.2.4 溶劑對產(chǎn)率的影響 選擇反應(yīng)溫度110℃，反應(yīng)時間4h，0.05mol 茴香醛，0.06mol 鹽酸羥胺，分別以NMP、甲苯、DMF、DMSO、PEG-400 為溶劑，考察不同溶劑對茴香腈產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表9。

表9 溶劑對茴香腈產(chǎn)率的影響Tab.9 Effect of solvents on the yield of anisonitrile

由表9 可知，溶劑對反應(yīng)有較大的影響。以甲苯為溶劑時，產(chǎn)率最低為19.3%；以NMP 為溶劑時，產(chǎn)率最高，為90.6%。

2.2.5 最佳條件的重復(fù)實驗 取0.05mol 茴香醛和0.06mol 鹽酸羥胺進(jìn)行實驗，反應(yīng)時間為4h，反應(yīng)溫度為110℃，NMP 為溶劑，進(jìn)行重復(fù)實驗，驗證實驗方法的可靠性，結(jié)果見表10。

表10 最佳反應(yīng)條件下的重復(fù)實驗Tab.10 Repeated experiments under optimal reaction conditions

由表10 可知，在最佳反應(yīng)條件下，實驗結(jié)果的重復(fù)性很好，產(chǎn)率在90.6%以上。

3 產(chǎn)品表征

肉桂腈為淡黃色透明液體。1H NMR（400MHz,CDCl3），δ：7.64～7.59（m, 5H）, 7.46（s, 1H）, 6.08（d,J=16.7Hz, 1H）；13C NMR（100MHz, CDCl3），δ：150.7,133.7,131.4,129.3,127.5,118.3,96.5。

茴香腈為白色針狀結(jié)晶，熔點59～60℃（文獻(xiàn)值59.5～60.5℃[14]）。1H NMR（400MHz, CDCl3），δ：7.59（d, J=8.7Hz, 2H）, 6.95（d, J=8.8Hz, 2H）, 3.86（s, 3H）；13C NMR（100MHz,CDCl3），δ：162.8,134.0,119.2,114.7,104.0, 55.5。

4 結(jié)論

（1）無催化劑存在下，肉桂醛和鹽酸羥胺的一鍋反應(yīng)合成肉桂腈的最佳反應(yīng)條件為：以NMP 為溶劑，當(dāng)肉桂醛的用量為0.05mol，鹽酸羥胺的用量為0.06mol，即肉桂醛和鹽酸羥胺的摩爾比為1∶1.2，反應(yīng)時間為5h, 反應(yīng)溫度為110℃時，肉桂腈的產(chǎn)率在86.3%以上。

（2）無催化劑存在下，茴香醛和鹽酸羥胺的一鍋反應(yīng)合成茴香腈的最佳反應(yīng)條件為：以NMP 為溶劑，當(dāng)肉桂醛的用量為0.05mol，鹽酸羥胺的用量為0.06mol，即茴香醛和鹽酸羥胺的摩爾比為1∶1.2，反應(yīng)時間為4h, 反應(yīng)溫度為110℃時，肉桂腈的產(chǎn)率在90.6%以上。

（3）本法合成肉桂腈和茴香腈具有操作簡單和產(chǎn)率高等優(yōu)點。