取代甲苯催化氧化合成取代苯甲醛

牛鵬程，茹雨晴，袁世申，高巍偉

(青島科技大學(xué)，山東 青島 266045)

對(duì)甲氧基苯甲醛又稱為茴香醛，是一種非常重要的合成香料，具有強(qiáng)烈和持久的山楂花氣味。與其它芳香醛香料相比，對(duì)甲氧基苯甲醛的氣味更加柔和，具有更好的擴(kuò)散性和化學(xué)穩(wěn)定性[1]，廣泛應(yīng)用于化妝品、高分子材料、食用香精、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-4]。

由于對(duì)甲氧基苯甲醛在有機(jī)合成中的重要作用，其合成方法備受關(guān)注。目前，常采用以下幾種化學(xué)氧化法[5-6]合成對(duì)甲氧基苯甲醛(圖1)：(1)以對(duì)甲基苯酚為原料，先甲基化得到對(duì)甲氧基甲苯，再經(jīng)氧化合成對(duì)甲氧基苯甲醛，收率一般在85%左右。對(duì)甲基苯酚可從石油和煤炭工業(yè)中獲得，價(jià)格低廉[7]。但甲基化試劑一般選用硫酸二甲酯(DMS)，其毒性大、刺激性強(qiáng)、腐蝕性強(qiáng)，在生產(chǎn)運(yùn)輸中也存在安全隱患。(2)以重鉻酸鈉或高錳酸鉀作為氧化劑，氧化對(duì)丙烯基苯甲醚，對(duì)甲氧基苯甲醛收率為60%～70%[8]。該反應(yīng)過程復(fù)雜，產(chǎn)生的“三廢”量大，污染嚴(yán)重，且成本高。(3)Chaudhari等[9]以Mn/Sn復(fù)合氧化物為催化劑、NaBr為誘導(dǎo)劑、醋酸為溶劑，采用甲苯液相氧化法合成對(duì)甲氧基苯甲醛，在120 ℃、48～274.6 kPa條件下，選擇性僅76%。該方法容易造成環(huán)境污染，不符合綠色化學(xué)的要求。(4)以對(duì)羥基苯甲醛為原料，在堿性條件下與DMS甲基化合成對(duì)甲氧基苯甲醛，收率為74%[10]。其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和、操作簡(jiǎn)單、收率高，但反應(yīng)周期長、利用率低、毒性大等缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了該方法的工業(yè)化應(yīng)用。(5)Kumar等[11]以水溶性錳卟啉為催化劑、Na5IO6為氧化劑，在不同的反應(yīng)介質(zhì)下，開發(fā)了一種可控的對(duì)甲氧基芐醇氧化方法，對(duì)甲氧基苯甲醛收率為84%。雖然該方法操作簡(jiǎn)單、收率高，但對(duì)甲氧基芐醇的價(jià)格高于對(duì)甲氧基苯甲醛，該方法不適合大規(guī)模生產(chǎn)。(6)以對(duì)甲氧基甲苯為原料，通過催化氧化法(主要包括氣相催化氧化法和液相催化氧化法)將對(duì)甲氧基甲苯的甲基氧化為醛基[12-16]。液相催化氧化法具有反應(yīng)易控制、產(chǎn)物選擇性高等特點(diǎn)，具有較高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。鑒于此，作者以對(duì)甲氧基甲苯為原料，采用液相催化氧化法合成對(duì)甲氧基苯甲醛，考察反應(yīng)溫度、H2O2濃度、催化劑種類及用量、催化劑重復(fù)使用次數(shù)對(duì)對(duì)甲氧基苯甲醛收率的影響，并以不同取代甲苯為底物，探究取代苯甲醛合成反應(yīng)的適用性，擬為取代苯甲醛的綠色合成提供一條新途徑。

圖1 化學(xué)氧化法合成對(duì)甲氧基苯甲醛的途徑

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

對(duì)甲氧基甲苯(99%)、四丁基溴化銨(TBAB，99%，分析純)、鄰硝基甲苯(99%)、對(duì)硝基甲苯(99%)、鄰氯甲苯(分析純)、對(duì)氯甲苯(99%)、鄰溴甲苯(99%)、對(duì)溴甲苯(99%)，麥克林；乙酰丙酮氧釩(99%)、偏釩酸銨(NH4VO3，99%，分析純)，阿拉丁試劑公司；甲苯(99%)，南京化學(xué)試劑股份有限公司；乙酸乙酯(99.5%)，天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司；乙腈(分析純)，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；H2O2(30%)，無錫佳妮化工有限公司；H2O2(50%)，淮安眾誠化工有限公司。

EYELA/N-1300型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，東京理化器械株式會(huì)社；FULI/GC-9790型氣相色譜儀，浙江福立分析儀器股份有限公司；DF-101S型集熱式攪拌器，江蘇科析儀器有限公司；JJ-1型精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器，常州榮華儀器制造有限公司。

1.2 對(duì)甲氧基苯甲醛的合成

分別將對(duì)甲氧基甲苯(3.66 g，30 mmol)、四丁基溴化銨(0.6 g，1.86 mmol)、乙酰丙酮氧釩(0.8 g，3 mmol)、10 mL水、15 mL乙腈置于250 mL四口燒瓶中，磁力攪拌，水浴升溫至85 ℃，滴加50%H2O2溶液50 mL；反應(yīng)完畢后降溫至室溫，加入乙醚充分振蕩萃取，分離上層清液，采用柱層析法進(jìn)行分離純化，洗脫劑為石油醚-乙酸乙酯(5∶1，體積比)，TLC監(jiān)測(cè)洗脫進(jìn)程，收集洗脫液，旋干，得到淡黃色液體對(duì)甲氧基苯甲醛，收率86.3%。1HNMR(500 MHz,CDCl3),δ:9.89(s,1H),7.85(d,J=8.6 Hz,2H),7.01(d,J=8.6 Hz,2H),3.90(s,3H);13CNMR(125 MHz,CDCl3),δ:190.8,164.6,132.0,129.9,114.3,55.6。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成條件優(yōu)化

2.1.1 反應(yīng)溫度對(duì)對(duì)甲氧基苯甲醛收率的影響(圖2)

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)對(duì)甲氧基苯甲醛收率的影響

由圖2可知，當(dāng)反應(yīng)溫度低于50 ℃時(shí)，對(duì)甲氧基苯甲醛收率低于35%；升高反應(yīng)溫度，收率逐漸提高，當(dāng)反應(yīng)溫度升至85 ℃時(shí)，收率提高到86.3%。這是因?yàn)?，H2O2分解產(chǎn)生大量·OH需要在一定溫度下進(jìn)行。遵循綠色化學(xué)原則，反應(yīng)溫度選擇85 ℃。

2.1.2 H2O2濃度對(duì)對(duì)甲氧基苯甲醛收率的影響(圖3)

圖3 H2O2濃度對(duì)對(duì)甲氧基苯甲醛收率的影響

由圖3可知，當(dāng)H2O2濃度低于30%時(shí)，對(duì)甲氧基苯甲醛收率低于20%；增大H2O2濃度，收率逐漸提高；當(dāng)H2O2濃度增至50%時(shí)，收率達(dá)到最高。這是因?yàn)?，低濃度的H2O2溶液在85 ℃下分解較慢，產(chǎn)生的·OH不足以影響對(duì)甲氧基苯甲醛的收率；而過高濃度的H2O2溶液加熱會(huì)將對(duì)甲氧基苯甲醛進(jìn)一步氧化成對(duì)甲氧基苯甲酸。因此，選擇H2O2濃度為50%。

2.1.3 催化劑種類對(duì)對(duì)甲氧基苯甲醛收率的影響(圖4)

圖4 催化劑種類對(duì)對(duì)甲氧基苯甲醛收率的影響

由圖4可知，釩鹽乙酰丙酮氧釩、偏釩酸銨、五氧化二釩對(duì)該反應(yīng)均有催化作用，在催化劑用量相同的情況下，乙酰丙酮氧釩的催化效果最好，偏釩酸銨次之，五氧化二釩最差。這是因?yàn)椋阴１踱C具有特殊的空間結(jié)構(gòu)，提高了催化效率。因此，選擇催化劑為乙酰丙酮氧釩。

2.1.4 催化劑用量對(duì)對(duì)甲氧基苯甲醛收率的影響(圖5)

圖5 催化劑用量對(duì)對(duì)甲氧基苯甲醛收率的影響

由圖5可知，當(dāng)催化劑乙酰丙酮氧釩用量較少時(shí)，對(duì)甲氧基苯甲醛收率很低，隨著乙酰丙酮氧釩用量的增加，收率逐漸提高，當(dāng)n(乙酰丙酮氧釩)∶n(對(duì)甲氧基甲苯)為1∶10時(shí)，收率達(dá)到最高；若繼續(xù)增加乙酰丙酮氧釩用量，收率反而下降。這是因?yàn)?，乙酰丙酮氧釩用量過多會(huì)導(dǎo)致對(duì)甲氧基苯甲醛進(jìn)一步氧化成對(duì)甲氧基苯甲酸。因此，選擇乙酰丙酮氧釩用量n(乙酰丙酮氧釩)∶n(對(duì)甲氧基甲苯)為1∶10。

2.2 催化劑重復(fù)使用次數(shù)對(duì)對(duì)甲氧基苯甲醛收率的影響

將反應(yīng)體系下層水相進(jìn)行減壓蒸發(fā)濃縮，得到回收的催化劑，用乙醚洗滌，離心，自然干燥，按1.2方法繼續(xù)下一次反應(yīng)。催化劑重復(fù)使用2次時(shí)，對(duì)甲氧基苯甲醛收率下降至82%；催化劑重復(fù)使用3～6次時(shí)，收率波動(dòng)不大，下降至76%左右。發(fā)現(xiàn)催化劑每重復(fù)使用一次，催化活性均有所下降。很可能是由于回收過程中催化劑流失所致。因此，在重復(fù)使用過程中需要補(bǔ)加催化劑。補(bǔ)加0.04 g(0.15 mmol)乙酰丙酮氧釩，按1.2方法繼續(xù)下一次反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)果基本一致。

2.3 反應(yīng)底物的擴(kuò)展

在最佳合成條件下，即反應(yīng)溫度為85 ℃、H2O2濃度為50%、催化劑乙酰丙酮氧釩用量n(乙酰丙酮氧釩)∶n(對(duì)甲氧基甲苯)為1∶10，分別以對(duì)甲氧基甲苯、甲苯、對(duì)氯甲苯、鄰氯甲苯、對(duì)溴甲苯、鄰溴甲苯、對(duì)硝基甲苯、鄰硝基甲苯為底物，考察不同底物對(duì)取代苯甲醛收率的影響，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在相同的反應(yīng)條件下，以對(duì)甲氧基甲苯為底物合成的對(duì)甲氧基苯甲醛收率最高，以甲苯為底物次之，其它底物合成的取代苯甲醛收率很低。這是因?yàn)?，供電子基有活化苯環(huán)的作用，促進(jìn)氧化反應(yīng)的進(jìn)行；而吸電子基有鈍化苯環(huán)的作用，抑制氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

圖6 不同底物對(duì)取代苯甲醛收率的影響

2.4 可能的反應(yīng)機(jī)理(圖7)

由圖7可知，H2O2在加熱條件下生成·OH，

圖7 合成對(duì)甲氧基苯甲醛可能的反應(yīng)機(jī)理

3 結(jié)論

以對(duì)甲氧基甲苯為原料，采用液相催化氧化法合成對(duì)甲氧基苯甲醛。在反應(yīng)溫度為85 ℃、H2O2濃度為50%、催化劑乙酰丙酮氧釩用量n(乙酰丙酮氧釩)∶n(對(duì)甲氧基甲苯)為1∶10的最佳條件下，對(duì)甲氧基苯甲醛收率可達(dá)86.3%；以不同取代甲苯為底物，均能夠順利得到預(yù)期的取代苯甲醛，且甲苯取代基對(duì)取代苯甲醛收率有一定的影響。