微波輔助“一鍋煮”法合成p-羥基肉桂酸

趙從飛,鮑遠志,徐俊杰,翁世兵,柴多里

(1.合肥工業大學 化學與化工學院,安徽 合肥 230009; 2.六安市捷通達化工有限責任公司,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,鮑遠志2,徐俊杰1,翁世兵2,柴多里1

(1.合肥工業大學 化學與化工學院,安徽 合肥 230009; 2.六安市捷通達化工有限責任公司,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Perkin反應“一鍋煮”法合成p-羥基肉桂酸,并優化了反應條件。實驗結果表明: 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20 min,水解反應2 h的條件下,p-羥基肉桂酸的產率達到71.94%,純度為99.20%。產物結構經傅里葉紅外光譜儀 (FT-IR)、超導核磁共振波譜儀 (1H NMR)和顯微熔點儀分析表征并加以確認。

p-羥基苯甲醛;碳酸鉀;Perkin反應;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280～320 nm 紫外線具有很好的吸收能力,并對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用[10-11]。

因為從植物中提取p-羥基肉桂酸存在著工藝復雜、分離提純難度大、成本高而且產量產率低等諸多缺陷,所以p-羥基肉桂酸主要是采用化學合成的方法而獲得。通常采用Knoevenagel反應,通過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。但該方法需用過量的丙二酸和吡啶,丙二酸受熱易分解、價格偏貴,吡啶有難聞的氣味及毒性,對環境影響較大。文獻[12]以p-羥基苯甲醛和丙二酸為原料,采用 Knoevenagel反應合成p-羥基肉桂酸,產率為50%。1986年Gedye等發現微波可以促進有機合成反應的進行,從此微波輻射作為一種全新的合成方法在有機合成上得到了廣泛的應用[13-15]。文獻[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,輻射時間50 min,產率為72.76%。

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

關于采用Perkin 反應合成p-羥基肉桂酸的相關報道并不多。由于p-羥基苯甲醛苯環上的酚羥基(給電子基)對p-羥基苯甲醛的縮合反應有一定的抑制作用,使合成反應較難進行。文獻[20]研究了環上取代基對縮合反應的影響,羥基處于醛基鄰位和對位的苯甲醛與幾種苯乙酮衍生物的縮合,多數沒有得到預期的產物,或收率極低。

本文在微波輻射下,以價格相對較低的乙酸酐既當溶劑又作合成反應的原料,在碳酸鉀的催化下,采用Perkin 反應“一鍋煮”法,合成了p-羥基肉桂酸。不僅縮短了反應時間,避免了丙二酸的使用和吡啶對環境的影響,而且通過羥基保護使得縮合反應能夠順利進行。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

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

Nicolet67型傅里葉紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet);VNMRS600型超導核磁共振波譜儀 (美國安捷倫科技公司);MCL-3型微波化學實驗儀(四川大學無線電系);XT4A型顯微熔點測定儀 (北京電光科學儀器廠);DZF-6020型真空干燥箱 (上海三發科學儀器有限公司)。

1.2 合成原理

首先乙酸酐和苯環上的酚羥基進行酰基化反應,再與乙酸酐進行親核加成反應后脫去水,生成乙酰肉桂酸,最后在堿性條件下水解,經稀硫酸酸化,得到產物p-羥基肉桂酸,合成的反應式如下:

(1)

(2)

1.3 實驗步驟

1.3.1 微波輔助合成

于100 mL圓底燒瓶中,按配比依次加入設定量的p-羥基苯甲醛、碳酸鉀、乙酸酐,將其放入微波反應器中,打開微波反應器開關,輻射并攪拌,反應啟動后,白色固體逐漸消失,并有氣體放出,通過尾氣接收裝置將該氣體通入氫氧化鈣溶液中,溶液變渾濁,據此可判斷產生了CO2氣體。反應至設定的時間后,移至旋轉蒸餾裝置并蒸出未反應的乙酸酐以及反應生成的乙酸等,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,用稀硫酸調節pH值,出現沉淀,抽濾,粗產物經重結晶后,得到淡黃色針狀結晶，其熔點為213～214 ℃,文獻[21]的熔點為214 ℃。

1.3.2 常規加熱合成

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 ℃油浴下加熱反應約5 h。反應結束后蒸餾出乙酸酐以及反應生成的乙酸等,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,抽濾,得粗產品,重結晶后,得針狀淡黃色結晶物6.601 g ，其熔點為211～212 ℃,文獻[21]的熔點為214 ℃,產率為70.20%,純度為98.26%。

2 結果與討論

2.1 反應時間的影響

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,考察反應時間 (t1) 對產物產率的影響,結果見表1所列。

表1 反應時間對產物產率的影響

由表1可以看出,隨著反應時間的增加,p-羥基肉桂酸的產率也相應地提高,20 min時產率達到一個較高的數值;但反應時間超過20 min后,不僅p-羥基肉桂酸的產率有所減少,而且顏色也有所加深。這可能是由于隨著反應時間的增加,發生了聚合等副反應。因此,可確定較佳的反應時間為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20 min,考察p-羥基苯甲醛和乙酸酐摩爾比 (n1∶n2) 對產物產率的影響,結果見表2所列。

表2 物料摩爾比對產物產率的影響

由表2可看出,當乙酸酐的用量較少時,p-羥基肉桂酸的產率較低。這可能是因為在該反應中,乙酸酐既是原料又是溶劑,用量較少時可能會使得反應進行不夠完全。隨著乙酸酐用量的增加,p-羥基肉桂酸的產率也相應地提高,當p-羥基苯甲醛與乙酸酐摩爾比為1∶4時,p-羥基肉桂酸的產率達到71.94 %,再增加乙酸酐用量,p-羥基肉桂酸的產率反而減少。這可能是因為乙酸酐的用量過多使其他反應物的濃度降低,不利于反應向生成p-羥基肉桂酸的方向進行,使得p-羥基肉桂酸的產率減少。繼續增加乙酸酐的用量并沒使p-羥基肉桂酸的產率相應提高。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20 min,考察了p-羥基苯甲醛與碳酸鉀摩爾比 (n1∶n3) 對產物產率的影響,結果見表3所列。

由表3可以看出,碳酸鉀的用量較少時,p-羥基肉桂酸的產率較低,可能是因為在堿性較弱的條件下,生成的乙酸酐碳負離子較少,反應不夠充分,使得p-羥基肉桂酸的產率減少。隨著碳酸鉀用量的增加,p-羥基肉桂酸的產率也有所提高,當p-羥基苯甲醛和碳酸鉀的摩爾比為 1∶1 時,p-羥基肉桂酸的產率達到 71.94%,繼續增加碳酸鉀的用量,p-羥基肉桂酸的產率反而減少。這可能是因為過量的碳酸鉀和乙酸酐反應,生成了乙酸鉀,參與反應的乙酸酐的量相應地減少,所以使得p-羥基肉桂酸的產率減少。因此p-羥基苯甲醛與碳酸鉀較適宜的摩爾比為 1∶1。因為反應中有水和乙酸產生,所以催化劑碳酸鉀用量為化學計量比。

表3 催化劑用量對產物產率的影響

2.4 純度測定

準確稱取預先在真空干燥箱中干燥5 h的產物p-羥基肉桂酸0.498 g,溶于30 mL無水乙醇中混合均勻后,用0.101 2 mol/L的NaOH標準溶液滴定至粉紅色(酚酞為指示劑)。按上述方法重復測試3次,取平均值,純度為99.20%。其他樣品的純度測定均按照上述方法進行。

2.5 常規加熱合成和微波輔助合成的比較

為了進一步比較常規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 ℃油浴時采用常規加熱合成法合成p-羥基肉桂酸,考察了反應時間 (t2) 對產物產率的影響,結果見表4所列。

表4 常規加熱反應時間對產物產率的影響

由表4可以看出,在其他反應條件相同的情況下,采用常規加熱合成法160 ℃油浴下反應300 min產物產率才達到70.20 %,外觀為深黃色結晶,純度為98.26%。采用微波加熱,輻射功率為700 W下回流反應20 min,p-羥基苯甲醛、乙酸酐和碳酸鉀摩爾比為1∶4∶1,p-羥基肉桂酸的產率達71.94 %,外觀為淡黃色結晶,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時間以及改善產物質量,這可能是因為微波加熱方式和常規加熱方式不同,微波加熱是通過被加熱物料內部極性分子極化并隨著交變電磁場極性變更而交變取向,產生激烈的摩擦使被加熱物料溫度升高。該過程不需要熱傳導,物料內外同時加熱、同時升溫,加熱速度快且均勻。

3 產物的表征

以針狀淡黃色結晶為測試樣品,經Nicolet67型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)和VNMRS600型超導核磁共振波譜儀(1H NMR)進行測試,結果如圖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峰,1 670 cm-1處為羰基的伸縮振動強吸收峰,1 622 cm-1處為碳碳雙鍵吸收峰,1 600、1 510、 1 450 cm-1處為苯環骨架振動主要的吸收特征峰,833 cm-1處為對二取代苯吸收峰,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-羥基肉桂酸標準紅外圖譜[21]基本吻合。

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

4 結 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“一鍋煮”法合成了p-羥基肉桂酸。通過紅外光譜、核磁共振氫譜及熔點測定,表征了產物的化學結構。獲得了較佳的合成反應條件如下: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20 min,水解反應2 h,p-羥基肉桂酸的產率達71.94 %,產品純度可達99.20 %。

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(責任編輯 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,合肥工業大學碩士生;

柴多里(1957-),男,安徽淮南人,博士,合肥工業大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.023

TQ245.6

A

1003-5060(2016)10-1411-05