Duff反應法合成5-壬基水楊醛

趙瑩茜，王李和，李效軍

(河北工業大學化工學院，天津 300130)

芳香醛類化合物是一類重要的有機中間體，因為具有一定的生理活性而被廣泛應用在醫藥、農藥、染料、香料等領域。尤其是水楊醛及其衍生物，該類化合物由于酚羥基的鄰位配體作用使得它具有其它芳香醛化合物不具備的特性，其作為精細化工的重要中間體不僅在醫藥、染料、農用殺蟲劑的等方面有著廣泛的應用，其中的5-壬基水楊醛更是合成5-壬基水楊醛肟的重要中間體［1］，5-壬基水楊醛肟作為銅萃取劑，以其萃取容量大、萃取性能好等優點在工業上得到越來越多的應用［2-3］，因此合成5-壬基水楊醛具有重要意義。

芳環上引入甲酰基的方法主要有以下幾種:Gattermann-Koch 反應法［4］、Reimer-Tiemann 反應法［5-6］、醇鎂法［1，7］以及Duff反應法［8-12］等。其中Gattermann-Koch反應法需要在高壓下進行，且一般只能得到對位的單取代產物;Reimer-Tiemann反應法存在選擇性差且產率過低的不足，而且需要使用價格較高的鹵仿使得生產成本較高;醇鎂法不適于苯環上含大的取代基團的酚類進行反應，而且合成過程中伴有大量含鎂離子的廢水的排放，不符合當今的環保潮流;Duff反應法條件簡單，原料易得，十分適合大位阻酚類的鄰位甲酰化，且不受吸電子鈍化基團的影響。

Duff反應是酚類化合物與六亞甲基四胺在酸性催化劑存在下反應，是在酚羥基的鄰位引入1個甲醛基團的甲酰化方法。Duff反應具有反應周期短、操作簡便、污染少、勞動強度低和產物較純凈等優點，已應用于 5-氟水楊醛［11］、5-硝基水楊醛［12］等的制備。但Duff反應法制備5-壬基水楊醛尚未見文獻報道。

因此本研究采用 Duff反應合成了5-壬基水楊醛，并且考察了原料的物質的量之比及其反應時間等關鍵因素的影響，找出了較適宜的反應條件，得到了較好的實驗結果。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

BRUKER AC-P400型核磁共振波譜儀(CDCl3為溶劑，TMS作內標)，CoMetro 6000高效液相色譜儀。

4-壬基酚、醋酸和硫酸為分析純;六次甲基四胺為化學純。

1.2 色譜條件

采用液相色譜法分析目標產物，固定相為十八烷基硅烷鍵合硅膠(C18，5μm)，流動相為V(甲醇)∶V(水)=9∶1，檢測器:UV254 nm，流速:1 m L/min，進樣量:20μL。

1.3 合成方法與機理

以4-壬基酚為原料，經Duff反應引入甲酰基合成5-壬基水楊醛，其反應機理為

1.4 實驗方法

在裝有機械攪拌、溫度計和球形冷凝管的干燥四口瓶中加入11 g(0.05 mol)4-壬基酚及30 m L冰醋酸，混合均勻后加熱至90℃，開始滴加用30 m L醋酸溶解的14 g(0.1 mol)六次甲基四胺，滴加1 h。滴加完畢保持在90℃下繼續攪拌5 h，隨著反應進行，混合液從一開始的無色變為淡黃色。反應完畢，降至室溫，之后向四口瓶中加入定量的1 mol/L的鹽酸，攪拌1 h。將四口瓶中的混合液倒入分液漏斗中，靜置分層后，棄去水相，保留有機相，并用水再清洗3次有機相。將最后的有機相進行減壓蒸餾除去溶劑，得到棕黃色澄清油狀液體，即得5-壬基水楊醛產品。

2 結果與討論

2.1 酸性介質改變對5-壬基水楊醛收率的影響

應用Duff反應制備5-壬基水楊醛的反應過程中，六次甲基四胺需要進行兩次質子化，為了提高正反應方向的速率，選擇加入能夠提供較強質子的硫酸參與反應。因此，在反應溫度為90℃，醋酸作為溶劑，反應時間為6 h，4-壬基酚與六次甲基四胺的物質的量之比為1∶2時，考察了硫酸加入量對收率的影響，結果見表1。

表1 強酸催化劑中硫酸對收率的影響Table 1 Effect of strong acid catalyst sulfuric acid on yield

由表1可知，加入0.05 g的硫酸對目標產物的收率的影響是可以忽略不計的，但隨著H2SO4量的增加，目標產物的收率反而下降。通過數據可以說明溶劑醋酸所含H+已足夠滿足六次甲基四胺進行質子化參與到下游的反應中，因此再加入少量能夠提供較強質子的硫酸時并不能對收率起到多大作用。而加入硫酸的量增多時，過量的H+仍會參與到反應中，使得副反應發生，副產物隨之增多，產物相對減少，收率因而降低。因此考慮收率及實驗操作，選用單純醋酸作為溶劑。

2.2 反應溫度對5-壬基水楊醛收率的影響

反應的發生程度很大程度上決定于反應的溫度，所以反應溫度也是影響收率的一個重要因素。因此，在醋酸作為溶劑，反應時間為6 h，4-壬基酚與六次甲基四胺物質的量之比為1∶2時，本研究考察了反應溫度對收率的影響，結果見表2。

表2 反應溫度對收率的影響Table 2 In fluence of reaction tem perature on the yield

由表2可知，隨著溫度的升高，其收率也逐漸增高，當溫度升至90℃時，收率可達到94.7%。但繼續升高溫度，收率反而下降，其原因主要是生成的產物5-壬基水楊醛在高溫條件下會發生自身縮聚反應［13］，因而收率下降。所以最適反應溫度為90℃。

2.3 4-壬基酚與六次甲基四胺的物質的量之比對5-壬基水楊醛收率的影響

六次甲基四胺是一種相對廉價又易處理的原料，因此實驗選擇六次甲基四胺過量，從而使4-壬基酚能盡量反應完全。本研究在反應溫度90℃、醋酸為溶劑、反應時間為6 h的條件下，考察了4-壬基酚與六次甲基四胺的物質的量之比對收率的影響，實驗結果見表3。

表3 4-壬基酚與六次甲基四胺物質的量之比對收率的影響Table 3 In fluence of n(4-nony lphenol):n(hexam ethylenetetram ine)on the yield

由表3可知，在4-壬基酚的量不變的情況下，隨著六次甲基四胺量的逐漸增多，其收率逐漸增高，這是因為過量的六次甲基四胺使得4-壬基酚的轉化率提高，同時也促使反應向正反應方向進行。當4-壬基酚與六次甲基四胺的物質的量之比為1∶2時，其收率達到最大;之后繼續增加六次甲基四胺的量，收率反而減小，這是因為六次甲基四胺的量太多，使反應發生多取代酰基化反應的機會也增多，副反應增多，產物收率下降。因而反應以4-壬基酚與六次甲基四胺物質的量之比為1∶2為最好。

2.4 4-壬基酚與六次甲基四胺加入方式對5-壬基水楊醛收率的影響

在反應溫度90℃、醋酸為溶劑、4-壬基酚與六次甲基四胺物質的量之比為1∶2，反應時間為6 h的條件下，考察了4-壬基酚與六次甲基四胺的加入方式對目標產物的收率影響，結果見表4。

表4 4-壬基酚與六次甲基四胺的加入方式對收率的影響Table 4 Influence of adding m ethod of 4-nonylphenol and hexam ethylenetetram ine on the yield

由表4可知，采用滴加用醋酸溶解的六次甲基四胺的加入方式，目標產物收率可達到98.7%。Duff反應機理為六次甲基四胺先與醋酸作用，使其質子化，之后斷裂產生亞胺離子亞胺離子對芳環發生親電芳香取代，經互變異構，生成一個芐胺衍生物。之后，六次甲基四胺部分發生第2次質子化、斷裂產生亞胺離子，然后進行分子內氧還作用，芐胺部分被氧化為亞芐胺亞胺離子，其經水解即得醛［14］。因此，向醋酸溶解的六次甲基四胺中滴加4-壬基酚時，六次甲基四胺在酸性溶液中全被質子化，當隨著4-壬基酚滴入，最開始滴入的4-壬基酚有足夠質子化的六次甲基四胺與其發生反應，有可能導致在羥基的2個鄰位上都會發生反應，導致副反應發生，收率不高。一次加料的方式也存在上述問題，因而其收率也不是最好。而向4-壬基酚中滴加六次甲基四胺時，在反應瓶中4-壬基酚處于過量，當滴入六次甲基四胺后，六次甲基四胺會立即發生質子化與相當量的4-壬基酚反應，這就使得反應全程中4-壬基酚都能夠與充足的六次甲基四胺發生反應，因而4-壬基酚會反應的更完全且有更高的轉化率，產物收率更高。所以滴加方式以向4-壬基酚中滴加六次甲基四胺為最好。

2.5 產品的1 H-NMR表征

產物的核磁共振氫譜主要化學位移d H:0.65～1.60(19 H，m，C9H19)，6.92(1H，d，3-H)，7.37 ～7.56(2 H，m，4-H和 6-H)，9.89(1 H，s，CHO)，10.88(1 H，s，OH)，與5-壬基水楊醛的結構相一致。

3 結論

以4-壬基酚、六次甲基四胺為原料，醋酸為溶劑，經甲酰化反應合成了5-壬基水楊醛，并得到了適宜的工藝條件:n(4-壬基酚)∶n(六次甲基四胺)=1∶2，向4-壬基酚中滴加六次甲基四胺，滴加時間為1 h，于90℃再反應5 h。5-壬基水楊醛的收率為98.7%，液相色譜純度為92.0%。

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