2－丁炔－1，4－二苯合成工藝研究

呂早生，武燕娟，張路平，帥清昱，陶 康，任肖麗

（武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430081）

苯乙酸是一種重要的醫(yī)藥中間體［1］，同時(shí)在生物、農(nóng)業(yè)、食品、香料等工業(yè)領(lǐng)域也具有廣闊的發(fā)展前景［2］。

目前，苯乙酸的合成工藝主要有：（1）以氯芐與氰化鈉反應(yīng)生成芐氰，再經(jīng)水解、酸化得到苯乙酸，該工藝反應(yīng)條件溫和、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品收率低、氰化鈉劇毒、廢水量大、環(huán)境污染嚴(yán)重、后處理困難［3］；（2）以芐鹵或芐醇和CO為原料，在催化劑羰基鈷作用下合成苯乙酸，雖然產(chǎn)率較高，反應(yīng)條件溫和，但催化劑的制備和回收直接影響著產(chǎn)品的成本及工藝的成敗，后處理步驟較為復(fù)雜［3］；（3）以苯乙烯為原料，與氨水、硫磺反應(yīng)生成苯乙酰胺，再水解得苯乙酸，該工藝雖然易于操作，但反應(yīng)產(chǎn)物分離困難，副產(chǎn)物2－苯乙硫醇奇臭，污染環(huán)境，生產(chǎn)成本高［4］。

綜合苯乙酸合成工藝，作者所在課題組開發(fā)了以2－丁炔－1，4－二苯合成苯乙酸的新工藝，該工藝原料廉價(jià)易得、反應(yīng)條件易于控制、原料和中間產(chǎn)物的毒性較小、區(qū)域選擇性好、溶劑可回收循環(huán)利用，安全可靠。2－丁炔－1，4－二苯作為合成苯乙酸的重要中間體，由2－丁炔－1，4－二（對(duì)甲苯磺酸酯）［5－6］在AlCl3催化下和苯反應(yīng)得到，合成路線如圖1所示。

圖1 2－丁炔－1，4－二苯的合成路線Fig.1 Synthetic route of 2－butyne－1，4－dibenzene

作者在此考察了2－丁炔－1，4－二苯合成的影響因素，確定了適宜的反應(yīng)條件，擬為開發(fā)苯乙酸合成新工藝奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

所用試劑均為分析純；所用溶劑用4A分子篩干燥7h以上；氮?dú)猓ā?9.9%），武漢天天氣體公司。

Agilent 1100型高效液相色譜儀，美國(guó)Agilent科技有限公司；X－4型顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀，鞏義予華儀器有限公司；INOVA 600NB型氫核磁共振儀，美國(guó)瓦里安公司；VarioⅢ型元素分析儀，德國(guó)Elementar公司；VERTEX 70型傅立葉紅外變換光譜儀，德國(guó)Bruker公司。

1.2 HPLC分析條件

色譜條件：SB－C18反相柱（150mm×4.6mm），填料為粒徑5μm的烷基化硅膠；流動(dòng)相為甲醇－水（65∶35，體積比）；流速1.2mL·min－1；色譜柱溫32℃；紫外檢測(cè)波長(zhǎng)254nm；進(jìn)樣量20μL。

取2－丁炔－1，4－二苯20mg，用2mL甲醇溶解，振蕩稀釋均勻后，經(jīng)水系0.45μm微孔濾膜過(guò)濾，得到樣品溶液，取20μL注入高效液相色譜儀中測(cè)定，采集樣品時(shí)間為26min。

1.3 2－丁炔－1，4－二苯的合成

取0.1mol苯和0.26mol AlCl3加至100mL的三口燒瓶中，通入氮?dú)獗Ｗo(hù)，在40℃下恒溫磁力攪拌5min后，開始滴加0.1mol 2－丁炔－1，4－二（對(duì)甲苯磺酸酯）的苯溶液，同溫度下反應(yīng)2h，滴加稀鹽酸終止反應(yīng)，靜置2h，分層過(guò)濾；濾液用冰水洗滌至中性，加入無(wú)水硫酸鈉靜置6h，過(guò)濾；濾液用苯萃取，上層清液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得紅色油狀物質(zhì)，再經(jīng)柱層析［洗脫劑：V（石油醚）∶V（二氯甲烷）＝5∶2］得紅色固體粉末，收率60.1%。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物表征

產(chǎn)物m.p.88～90℃（平均測(cè)3～5次）。元素分析C16H14實(shí)測(cè)值（理論值），%：C 93.79（94.11），H 5.12（5.88）。

原料和產(chǎn)物的紅外光譜如圖2所示。

圖2 2－丁炔－1，4－二（對(duì)甲苯磺酸酯）（a）與2－丁炔－1，4－二苯（b）的紅外光譜Fig.2 The infrared absorption spectra of 2－butyne－1，4－bis（p－toluenesulphonate）（a）and 2－butyne－1，4－dibenzene（b）

由圖2可知，原料2－丁炔－1，4－二（對(duì)甲苯磺酸酯）吸收峰：3 438cm－1處為水的O－H特征吸收峰，吸收較強(qiáng)；2 990cm－1處為甲基C－H伸縮振動(dòng)峰，1 372 cm－1、1 181cm－1處為S＝O特征吸收峰；2 922cm－1、2 855cm－1處為亞甲基特征吸收峰；1 598cm－1、1 452 cm－1、1 400cm－1處為苯環(huán)伸縮振動(dòng)特征吸收峰。產(chǎn)物2－丁炔－1，4－二苯在2 990cm－1處的甲基C－H伸縮振動(dòng)峰及1 372cm－1、1 181cm－1處的S＝O特征吸收峰消失，說(shuō)明2－丁炔－1，4－二（對(duì)甲苯磺酸酯）和苯發(fā)生了反應(yīng)。對(duì)稱二取代丁炔，因分子對(duì)稱在紅外光譜中沒(méi)有吸收峰，因此即使有C≡C存在，在紅外光譜中也不一定觀察得到。

2－丁炔－1，4－二苯的1HNMR（600MHz，C3D6O），δ：2.87（氘代丙酮中水峰），2.83（s，4H），7.24（br，5H），7.31（br，5H）。

2.2 溶劑種類和用量對(duì)產(chǎn)物收率的影響

為保證2－丁炔－1，4－二（對(duì)甲苯磺酸酯）（簡(jiǎn)稱磺酸酯，下同）在反應(yīng)體系中有一定的溶解度，避免反應(yīng)活性的降低［6］，應(yīng)選擇極性非質(zhì)子型溶劑。考察了溶劑的種類和用量對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 溶劑種類和用量對(duì)產(chǎn)物收率的影響Tab.1 Effects of solvent type and dosage on the yield of product

由表1可知，單一溶劑苯的效果最好；DMF性質(zhì)活潑，容易加劇副反應(yīng)的發(fā)生，產(chǎn)物收率不高；在苯溶液中加入CH2Cl2，雖然可以很好地溶解磺酸酯，但是CH2Cl2和苯在路易斯酸作用下會(huì)發(fā)生反應(yīng)，降低產(chǎn)物收率。綜合考慮，以15mL苯作為溶劑。

2.3 催化劑與磺酸酯物質(zhì)的量比對(duì)產(chǎn)物收率的影響

固定n（苯）∶n（磺酸酯）為2.8∶1、反應(yīng)時(shí)間為2h、反應(yīng)溫度為40℃，考察n（AlCl3）∶n（磺酸酯）對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 n（AlCl3）∶n（磺酸酯）對(duì)產(chǎn)物收率的影響Fig.3 Effect of molar ratio of AlCl3to sulphonate on the yield of product

烷基碳正離子進(jìn)攻苯環(huán)還是絡(luò)合物進(jìn)攻苯環(huán)要取決于鹵代烷的極化程度和Lewis酸的催化劑活性［7］，在反應(yīng)過(guò)程中增加催化劑用量可導(dǎo)致原料不斷參與反應(yīng)。由圖3可知，產(chǎn)物收率隨催化劑用量的增加逐漸提高；在n（AlCl3）∶n（磺酸酯）為2.6∶1時(shí)，收率最高，為60.1%；此后再增加催化劑的量，產(chǎn)物收率反而下降。這是由于過(guò)量的催化劑會(huì)使磺酸酯發(fā)生自聚合反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)的選擇性下降。為保證反應(yīng)速率和減少副產(chǎn)物，選擇適宜的n（AlCl3）∶n（磺酸酯）為2.6∶1。

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物收率的影響

固定反應(yīng)溫度為40℃、n（AlCl3）∶n（磺酸酯）∶n（苯）為2.6∶1∶2.8，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物收率的影響Fig.4 Effect of reaction time on the yield of product

由圖4可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)物收率逐漸提高；超過(guò)2h后再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，副產(chǎn)物增多，產(chǎn)物收率下降。因此，選擇適宜的反應(yīng)時(shí)間為2h。

2.5 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物收率的影響

固定n（AlCl3）∶n（磺酸酯）∶n（苯）為2.6∶1∶2.8、反應(yīng)時(shí)間為2h，考察反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，產(chǎn)物收率逐漸提高，當(dāng)反應(yīng)溫度超過(guò)40℃時(shí)，容易造成磺酸酯的熱聚合反應(yīng)及和苯的單取代反應(yīng)，并容易出現(xiàn)局部升溫現(xiàn)象而引發(fā)更多的副反應(yīng)，影響產(chǎn)物收率。因此，選擇適宜的反應(yīng)溫度為40℃。

3 結(jié)論

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物收率的影響Fig.5 Effect of reaction temperature on the yield of product

以2－丁炔－1，4－二（對(duì)甲苯磺酸酯）為起始原料，在AlCl3催化下和苯進(jìn)行傅－克烷基化反應(yīng)合成2－丁炔－1，4－二苯。確定了適宜的反應(yīng)條件如下：n（AlCl3）∶n（磺酸酯）∶n（苯）為2.6∶1∶2.8、反應(yīng)時(shí)間為2h、反應(yīng)溫度為40℃，在此條件下，2－丁炔－1，4－二苯的收率為60.1%。

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