采用對甲苯磺酸催化研磨法合成苯甲醛縮苯胺衍生物

文瑞明，朱云輝，游沛清

(湖南城市學院 化學與環境工程系，湖南 益陽，413000)

芳香族Schiff堿是一類重要的有機合成中間體，可作螯合劑、穩定劑、生物活性劑、植物生長調節劑、分析試劑和催化劑等，廣泛應用于化工生產和科學研究[1-4]。Schiff堿的合成一般采用酸催化下的有機溶劑回流法，由于該反應是可逆反應，所以，常用共沸方法除去生成的水[5-6]。目前，合成Schiff堿的方法有微波及超聲波輻射法[1,7]、室溫研磨法[8-10]，但采用這些方法反應時間較長，且反應之后還需放置一段時間才能反應完全。固相研磨反應是綠色化學的重要組成部分。研究表明：許多固相研磨反應在反應速度、反應收率以及反應選擇性等方面均較液相反應有顯著改善；同時，還因其可避免使用有毒的有機溶劑，減少環境污染，提高反應效率和原子經濟性，降低能耗等特點而受到重視[11-13]。在對甲苯磺酸催化下，芳香醛與芳胺于室溫下研磨縮合制備Schiff堿。該反應不使用有毒有害的有機溶劑，減少了環境污染，操作簡便，反應時間短，是一種合成Schiff堿類化合物快捷而實用的方法。合成路線如下：

1 實驗

1.1 試劑與儀器

儀器為：INOVA-400 MHz型核磁共振譜儀(TMS內標, CDCl3溶劑)；XRC-1顯微熔點儀(溫度計未校正)。所有試劑均為分析純，液體醛、胺在使用前經蒸餾純化。

1.2 合成

稱取 10 mmol 芳香醛(1)、10 mmol 芳胺(2)和 0. 3 mmol對甲苯磺酸(PTSA)加入研缽中，于室溫下研磨一定時間至混合固體的顏色逐漸由淺黃色變成黃色或橙紅色。反應完畢后，用95%乙醇洗滌固體，用無水乙醇重結晶、干燥，得Schiff堿固體。

2 結果與討論

2.1 合成化合物的理化性質及波譜表征

化合物3a～3q均采用相似的方法合成，其結構經熔點測定與文獻報道結果比較及1H NMR證實結果見表1。

表1 化合物的1H NMR和熔點Table 1 1H NMR and melting point of compounds 3a～3q

2.2 對甲基苯磺酸用量對反應的影響

以水楊醛(10 mmol)和對硝基苯胺(10 mmol)的反應為例，考察對甲苯磺酸用量對反應的影響，結果如表2所示(其中，n表示物質的量，mol)。

表2 對甲苯磺酸用量對反應的影響Table 2 Effect of content of PTSA on reaction

由表 2可知：未添加對甲苯磺酸，即使研磨 30 min，也無產物生成；隨著對甲苯磺酸用量的增加，反應收率逐漸升高；當對甲苯磺酸用量增至0.3 mmol時，研磨1 min反應即完全，收率可達93.7%，繼續增加對甲苯磺酸用量，收率變化不明顯。經綜合考慮，選擇水楊醛、對硝基苯胺和對甲苯磺酸摩爾比為100:100:3為宜。

2.3 取代基對反應的影響

在n(芳醛):n(芳胺):n(對甲苯磺酸)為100:100:3的條件下，取代基類型對反應的影響如表3所示。

表3表明：芳香醛環上的取代基無論是給電子基還是吸電子基對縮合反應收率的影響都不大?？赡苁前被衔垂灿秒娮訉M攻羰基發生親核加成反應。由于醛羰基碳的親電能力較強，反應速率較快，故芳醛環上的取代基對反應的影響較小。苯胺環上鄰、對位有強的吸電子基如硝基時，反應較難進行，即使研磨30～60 min，收率仍很低甚至不反應(見表3中Entry 5, 9, 13, 15, 18)，其他反應的研磨時間均小于3 min。此外，反應殘留物(3e, 3i, 3m, 3o)于60 ℃恒溫干燥3 h，所獲產品收率與室溫靜置24 h時的產率相近。

2.4 3種反應方法的比較

Schiff 堿的傳統合成采用有機溶劑回流法，反應能耗高，操作時間長。目前，作為綠色化學合成的手段，研磨法在有機反應中得到廣泛應用。在相同的反應條件下，溶劑回流法(方法A)、研磨法(方法B)和對甲苯磺酸催化研磨法(方法C)合成苯甲醛縮苯胺的反應時間和產率對比見表4。

表3 取代基對縮合反應的影響Table 3 Effect of substituents on condensation

從表4可以看出：溶劑回流法合成目標產物需要回流3 h左右且收率不高；采用研磨法，只需在室溫下研磨約 10 min即可反應完全；加入對甲苯磺酸催化，反應時間可縮短至1 min，僅為常規方法的0.5 %，且產率明顯提高。與常規方法相比，對甲苯磺酸催化研磨法具有反應時間短、條件溫和、產率高、難以反應的化合物3j也可順利進行等優勢。因為分子在固態反應中通常被認為是運動的，研磨作用使固體顆粒減小，反應局部濃度增加，體系的總自由能增加，從而使體系活化并提高了反應速度和反應產率[17]。

對于芳香酮與芳香胺、芳香醛及氨基酸的反應，無論是延長研磨時間還是延長放置時間，均不能得到產物，說明這種方法不適用于芳香酮與芳香胺及芳香醛與氨基酸的縮合反應。

表4 部分Schiff堿類化合物產率和反應時間Table 4 Yield of Schiff bases and reaction time

3 結論

(1) 室溫固相研磨法合成 Schiff堿類化合物的最佳工藝條件是：n(芳醛):n(芳胺):n(對甲苯磺酸)為100:100:3，研磨時間為 1～3 min，收率可達86.5%～95.5%。

(2) 對甲苯磺酸催化研磨法明顯優于溶劑回流法和常規固相研磨法，具有反應時間短，收率高，能耗低，甚至使難以直接縮合的Schiff堿順利合成等優勢。

(3) 芳香醛環上的取代基對反應無影響，但芳胺環上鄰、對位上的強吸電子基抑制反應進行。

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