微波輔助“一鍋煮”法合成p-羥基肉桂酸

趙從飛,鮑遠(yuǎn)志,徐俊杰,翁世兵,柴多里

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.六安市捷通達(dá)化工有限責(zé)任公司,安徽 六安 237158)

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微波輔助“一鍋煮”法合成p-羥基肉桂酸

趙從飛1,鮑遠(yuǎn)志2,徐俊杰1,翁世兵2,柴多里1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.六安市捷通達(dá)化工有限責(zé)任公司,安徽 六安 237158)

微波輻射下,文章以p-羥基苯甲醛和乙酸酐為原料,碳酸鉀為催化劑,經(jīng)Perkin反應(yīng)“一鍋煮”法合成p-羥基肉桂酸,并優(yōu)化了反應(yīng)條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 在p-羥基苯甲醛、乙酸酐和碳酸鉀摩爾比為1∶4∶1,微波輻射功率為700 W,回流反應(yīng)20 min,水解反應(yīng)2 h的條件下,p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率達(dá)到71.94%,純度為99.20%。產(chǎn)物結(jié)構(gòu)經(jīng)傅里葉紅外光譜儀 (FT-IR)、超導(dǎo)核磁共振波譜儀 (1H NMR)和顯微熔點(diǎn)儀分析表征并加以確認(rèn)。

p-羥基苯甲醛;碳酸鉀;Perkin反應(yīng);微波輔助;“一鍋煮”法

p-羥基肉桂酸又名4-羥基苯丙烯酸,廣泛存在于自然界植物中,其中在豆科植物中含量較高[1]。p-羥基肉桂酸具有廣泛的生理活性,如抑菌、 抗氧化等[2-4],同時(shí)還作為利膽的有效成分與等量的去氫氧酸有著相近的利膽作用[5-6]。p-羥基肉桂酸酯對(duì)280～320 nm 紫外線具有很好的吸收能力,并對(duì)酪氨酸酶有抑制作用,已被廣泛用于防曬劑之中[7-9]。p-羥基肉桂酸衍生物在液晶顯示器的光控取向膜上也有很好的應(yīng)用[10-11]。

因?yàn)閺闹参镏刑崛-羥基肉桂酸存在著工藝復(fù)雜、分離提純難度大、成本高而且產(chǎn)量產(chǎn)率低等諸多缺陷,所以p-羥基肉桂酸主要是采用化學(xué)合成的方法而獲得。通常采用Knoevenagel反應(yīng),通過(guò)p-羥基苯甲醛與丙二酸在吡啶、哌啶等弱堿催化下縮合而得。但該方法需用過(guò)量的丙二酸和吡啶,丙二酸受熱易分解、價(jià)格偏貴,吡啶有難聞的氣味及毒性,對(duì)環(huán)境影響較大。文獻(xiàn)[12]以p-羥基苯甲醛和丙二酸為原料,采用 Knoevenagel反應(yīng)合成p-羥基肉桂酸,產(chǎn)率為50%。1986年Gedye等發(fā)現(xiàn)微波可以促進(jìn)有機(jī)合成反應(yīng)的進(jìn)行,從此微波輻射作為一種全新的合成方法在有機(jī)合成上得到了廣泛的應(yīng)用[13-15]。文獻(xiàn)[16]以p-羥基苯甲醛和丙二酸為原料,在微波輻射條件下合成p-羥基肉桂酸,輻射時(shí)間50 min,產(chǎn)率為72.76%。

以苯甲醛和乙酸酐為原料,碳酸鉀為催化劑,采用Perkin 反應(yīng)合成肉桂酸有較多研究報(bào)道,文獻(xiàn)[17]采用常規(guī)加熱方式合成了肉桂酸,反應(yīng)時(shí)間為45 min,粗產(chǎn)率為74.5%。文獻(xiàn)[18]采用微波輻射合成肉桂酸,輻射時(shí)間為1.5 min,產(chǎn)率為40%～50%。文獻(xiàn)[19]在反應(yīng)中加入相轉(zhuǎn)移催化劑PEG-400,以炭黑為吸波劑,取得了較好的效果,輻射時(shí)間為14 min,產(chǎn)率為89.5%。

關(guān)于采用Perkin 反應(yīng)合成p-羥基肉桂酸的相關(guān)報(bào)道并不多。由于p-羥基苯甲醛苯環(huán)上的酚羥基(給電子基)對(duì)p-羥基苯甲醛的縮合反應(yīng)有一定的抑制作用,使合成反應(yīng)較難進(jìn)行。文獻(xiàn)[20]研究了環(huán)上取代基對(duì)縮合反應(yīng)的影響,羥基處于醛基鄰位和對(duì)位的苯甲醛與幾種苯乙酮衍生物的縮合,多數(shù)沒(méi)有得到預(yù)期的產(chǎn)物,或收率極低。

本文在微波輻射下,以價(jià)格相對(duì)較低的乙酸酐既當(dāng)溶劑又作合成反應(yīng)的原料,在碳酸鉀的催化下,采用Perkin 反應(yīng)“一鍋煮”法,合成了p-羥基肉桂酸。不僅縮短了反應(yīng)時(shí)間,避免了丙二酸的使用和吡啶對(duì)環(huán)境的影響,而且通過(guò)羥基保護(hù)使得縮合反應(yīng)能夠順利進(jìn)行。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

p-羥基苯甲醛(化學(xué)純),湖北遠(yuǎn)成賽創(chuàng)科技有限公司;乙酸酐(分析純),上?；瘜W(xué)試劑有限公司;碳酸鉀(分析純),廣東汕頭市西隴化工廠;氫氧化鈉(分析純),上海蘇懿化學(xué)試劑有限公司;硫酸(分析純),宜興市輝煌化學(xué)試劑廠。

Nicolet67型傅里葉紅外光譜儀(美國(guó)Thermo Nicolet);VNMRS600型超導(dǎo)核磁共振波譜儀 (美國(guó)安捷倫科技公司);MCL-3型微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀(四川大學(xué)無(wú)線電系);XT4A型顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀 (北京電光科學(xué)儀器廠);DZF-6020型真空干燥箱 (上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 合成原理

首先乙酸酐和苯環(huán)上的酚羥基進(jìn)行酰基化反應(yīng),再與乙酸酐進(jìn)行親核加成反應(yīng)后脫去水,生成乙酰肉桂酸,最后在堿性條件下水解,經(jīng)稀硫酸酸化,得到產(chǎn)物p-羥基肉桂酸,合成的反應(yīng)式如下:

(1)

(2)

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 微波輔助合成

于100 mL圓底燒瓶中,按配比依次加入設(shè)定量的p-羥基苯甲醛、碳酸鉀、乙酸酐,將其放入微波反應(yīng)器中,打開(kāi)微波反應(yīng)器開(kāi)關(guān),輻射并攪拌,反應(yīng)啟動(dòng)后,白色固體逐漸消失,并有氣體放出,通過(guò)尾氣接收裝置將該氣體通入氫氧化鈣溶液中,溶液變渾濁,據(jù)此可判斷產(chǎn)生了CO2氣體。反應(yīng)至設(shè)定的時(shí)間后,移至旋轉(zhuǎn)蒸餾裝置并蒸出未反應(yīng)的乙酸酐以及反應(yīng)生成的乙酸等,冷卻至室溫,加入適量蒸餾水,抽濾,得到淺黃色固體,用適量NaOH溶液溶解,攪拌、水浴加熱水解后,用稀硫酸調(diào)節(jié)pH值,出現(xiàn)沉淀,抽濾,粗產(chǎn)物經(jīng)重結(jié)晶后,得到淡黃色針狀結(jié)晶，其熔點(diǎn)為213～214 ℃,文獻(xiàn)[21]的熔點(diǎn)為214 ℃。

1.3.2 常規(guī)加熱合成

100 mL三口燒瓶中依次加入p-羥基苯甲醛7.0 g (0.057 4 mol),碳酸鉀7.9 g (0.057 4 mol),乙酸酐21.70 mL (0.229 6 mol),在160 ℃油浴下加熱反應(yīng)約5 h。反應(yīng)結(jié)束后蒸餾出乙酸酐以及反應(yīng)生成的乙酸等,冷卻并加入適量蒸餾水,有沉淀析出,抽濾,得到淺黃色固體。加入適量的 NaOH溶液,水浴加熱水解后,滴加稀H2SO4至溶液呈酸性,有沉淀出現(xiàn),抽濾,得粗產(chǎn)品,重結(jié)晶后,得針狀淡黃色結(jié)晶物6.601 g ，其熔點(diǎn)為211～212 ℃,文獻(xiàn)[21]的熔點(diǎn)為214 ℃,產(chǎn)率為70.20%,純度為98.26%。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間的影響

在微波輻射下,控制功率為700 W,p-羥基苯甲醛、乙酸酐和碳酸鉀摩爾比為1∶4∶1,回流反應(yīng),考察反應(yīng)時(shí)間 (t1) 對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響,結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

由表1可以看出,隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率也相應(yīng)地提高,20 min時(shí)產(chǎn)率達(dá)到一個(gè)較高的數(shù)值;但反應(yīng)時(shí)間超過(guò)20 min后,不僅p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率有所減少,而且顏色也有所加深。這可能是由于隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,發(fā)生了聚合等副反應(yīng)。因此,可確定較佳的反應(yīng)時(shí)間為20 min。

2.2 物料比的影響

p-羥基苯甲醛和碳酸鉀摩爾比為1∶1,控制功率為700 W,微波輻射回流反應(yīng)20 min,考察p-羥基苯甲醛和乙酸酐摩爾比 (n1∶n2) 對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響,結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 物料摩爾比對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

由表2可看出,當(dāng)乙酸酐的用量較少時(shí),p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率較低。這可能是因?yàn)樵谠摲磻?yīng)中,乙酸酐既是原料又是溶劑,用量較少時(shí)可能會(huì)使得反應(yīng)進(jìn)行不夠完全。隨著乙酸酐用量的增加,p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率也相應(yīng)地提高,當(dāng)p-羥基苯甲醛與乙酸酐摩爾比為1∶4時(shí),p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率達(dá)到71.94 %,再增加乙酸酐用量,p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率反而減少。這可能是因?yàn)橐宜狒挠昧窟^(guò)多使其他反應(yīng)物的濃度降低,不利于反應(yīng)向生成p-羥基肉桂酸的方向進(jìn)行,使得p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率減少。繼續(xù)增加乙酸酐的用量并沒(méi)使p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率相應(yīng)提高。所以,確定p-羥基苯甲醛與乙酸酐的摩爾比以1∶4為宜。

2.3 催化劑用量的影響

p-羥基苯甲醛和乙酸酐摩爾比為1∶4,在微波輻射功率為700 W下回流反應(yīng)20 min,考察了p-羥基苯甲醛與碳酸鉀摩爾比 (n1∶n3) 對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響,結(jié)果見(jiàn)表3所列。

由表3可以看出,碳酸鉀的用量較少時(shí),p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率較低,可能是因?yàn)樵趬A性較弱的條件下,生成的乙酸酐碳負(fù)離子較少,反應(yīng)不夠充分,使得p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率減少。隨著碳酸鉀用量的增加,p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率也有所提高,當(dāng)p-羥基苯甲醛和碳酸鉀的摩爾比為 1∶1 時(shí),p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率達(dá)到 71.94%,繼續(xù)增加碳酸鉀的用量,p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率反而減少。這可能是因?yàn)檫^(guò)量的碳酸鉀和乙酸酐反應(yīng),生成了乙酸鉀,參與反應(yīng)的乙酸酐的量相應(yīng)地減少,所以使得p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率減少。因此p-羥基苯甲醛與碳酸鉀較適宜的摩爾比為 1∶1。因?yàn)榉磻?yīng)中有水和乙酸產(chǎn)生,所以催化劑碳酸鉀用量為化學(xué)計(jì)量比。

表3 催化劑用量對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

2.4 純度測(cè)定

準(zhǔn)確稱取預(yù)先在真空干燥箱中干燥5 h的產(chǎn)物p-羥基肉桂酸0.498 g,溶于30 mL無(wú)水乙醇中混合均勻后,用0.101 2 mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至粉紅色(酚酞為指示劑)。按上述方法重復(fù)測(cè)試3次,取平均值,純度為99.20%。其他樣品的純度測(cè)定均按照上述方法進(jìn)行。

2.5 常規(guī)加熱合成和微波輔助合成的比較

為了進(jìn)一步比較常規(guī)加熱與微波輔助合成p-羥基肉桂酸的不同,本文在p-羥基苯甲醛、乙酸酐和碳酸鉀摩爾比為1∶4∶1,160 ℃油浴時(shí)采用常規(guī)加熱合成法合成p-羥基肉桂酸,考察了反應(yīng)時(shí)間 (t2) 對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響,結(jié)果見(jiàn)表4所列。

表4 常規(guī)加熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

由表4可以看出,在其他反應(yīng)條件相同的情況下,采用常規(guī)加熱合成法160 ℃油浴下反應(yīng)300 min產(chǎn)物產(chǎn)率才達(dá)到70.20 %,外觀為深黃色結(jié)晶,純度為98.26%。采用微波加熱,輻射功率為700 W下回流反應(yīng)20 min,p-羥基苯甲醛、乙酸酐和碳酸鉀摩爾比為1∶4∶1,p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率達(dá)71.94 %,外觀為淡黃色結(jié)晶,純度為99.20 %。

微波輔助合成p-羥基肉桂酸之所以能夠縮短反應(yīng)時(shí)間以及改善產(chǎn)物質(zhì)量,這可能是因?yàn)槲⒉訜岱绞胶统Ｒ?guī)加熱方式不同,微波加熱是通過(guò)被加熱物料內(nèi)部極性分子極化并隨著交變電磁場(chǎng)極性變更而交變?nèi)∠?產(chǎn)生激烈的摩擦使被加熱物料溫度升高。該過(guò)程不需要熱傳導(dǎo),物料內(nèi)外同時(shí)加熱、同時(shí)升溫,加熱速度快且均勻。

3 產(chǎn)物的表征

以針狀淡黃色結(jié)晶為測(cè)試樣品,經(jīng)Nicolet67型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)和VNMRS600型超導(dǎo)核磁共振波譜儀(1H NMR)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖1 所示、圖2所示。

圖1 p-羥基肉桂酸的紅外光譜圖

圖2 p-羥基肉桂酸的1H NMR譜圖

由圖1可看出,3 370 cm-1處為羥基的伸縮振動(dòng)峰,1 670 cm-1處為羰基的伸縮振動(dòng)強(qiáng)吸收峰,1 622 cm-1處為碳碳雙鍵吸收峰,1 600、1 510、 1 450 cm-1處為苯環(huán)骨架振動(dòng)主要的吸收特征峰,833 cm-1處為對(duì)二取代苯吸收峰,978 cm-1處為反式雙鍵C—H (面外)吸收。紅外光譜的特征吸收峰與p-羥基肉桂酸標(biāo)準(zhǔn)紅外圖譜[21]基本吻合。

圖2中,1H NMR 以四甲基硅烷為內(nèi)標(biāo)物,二甲基亞砜-d6為溶劑,掃描頻率為600 MHz。 由圖2可看出,各個(gè)質(zhì)子的化學(xué)位移歸屬為:12.09(s,1H,—COOH),9.92(s,1H,—ArOH),7.48～7.49(d,2H,苯環(huán)上靠近碳碳雙鍵的2H),7.45(s,1H,—Ar—CH=C),6.75～6.77(d,2H,苯環(huán)上靠近羥基的2H),6.24～6.27(d,1H,—Ar—C=CH),3.30(s,H2O質(zhì)子峰),2.48(s,二甲基亞砜-d6溶劑峰)[22]。核磁共振氫譜的分析結(jié)果顯示目標(biāo)產(chǎn)物為p-羥基肉桂酸。

4 結(jié) 論

本文采用微波加熱的方式,以乙酸酐為原料和溶劑,碳酸鉀作催化劑,采用Perkin反應(yīng)“一鍋煮”法合成了p-羥基肉桂酸。通過(guò)紅外光譜、核磁共振氫譜及熔點(diǎn)測(cè)定,表征了產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。獲得了較佳的合成反應(yīng)條件如下:n(p-羥基苯甲醛)∶n(乙酸酐)∶n(碳酸鉀)=1∶4∶1,微波輻射功率為700 W,回流反應(yīng)20 min,水解反應(yīng)2 h,p-羥基肉桂酸的產(chǎn)率達(dá)71.94 %,產(chǎn)品純度可達(dá)99.20 %。

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(責(zé)任編輯 閆杏麗)

Microwave-assisted “one-pot” synthesis of p-hydroxycinnamic acid

ZHAO Congfei1,BAO Yuanzhi2,XU Junjie1,WENG Shibing2,CHAI Duoli1

(1.School of Chemistry and Chemical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Lu’an Jietongda Chemical Co., Ltd., Lu’an 237158, China)

P-hydroxycinnamic acid was synthesized from p-hydroxybenzaldehyde, acetic anhydride and potassium carbonate by Perkin reaction under microwave irradiation. The reaction conditions were optimized. The results showed that the maximum yield of p-hydroxycinnamic acid reached 71.94% and the purity of the compound reached 99.20% when the mole ratio of p-hydroxybenzaldehyde, acetic anhydride and potassium carbonate was 1∶4∶1, the microwave radiant power was 700 W, the refluxing reaction time was 20 min and the hydrolysis reaction time was 2 h. The structures of the product were identified by Fourier transform infrared spectrometer(FT-IR), superconducting nucleus magnetic resonance spectrometer(1H NMR) and micro melting point instrument.

p-hydroxybenzaldehyde; potassium carbonate; Perkin reaction; microwave irradiation; “one-pot” method

2015-04-15；

2015-05-28

趙從飛(1989-),男,山東菏澤人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

柴多里(1957-),男,安徽淮南人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.023

TQ245.6

A

1003-5060(2016)10-1411-05