Hoesch 反應合成2,3,4-三羥基二苯甲酮和2,4,6-三羥基二苯甲酮*

雷 響, 鄭德勇

多羥基二苯甲酮是一類重要的化工原料和有機合成中間體, 在紫外線吸收劑市場中占有較大的份額[1]。 此類化合物能強吸收波長280 ～400 nm 之間的紫外光, 具有較高的熱穩定性與光穩定性、 較好的綜合性能和較廣的適用范圍, 作為紫外線吸收劑已被廣泛使用在塑料、 油漆和化妝品等行業[2]。 焦性沒食子酸具有獨特的酚羥基結構, 苯環活性強易, 發生酰化取代, 文獻已報道以焦性沒食子酸和苯甲酸、 苯甲酰氯[3]或三氯甲苯[4]等為原料通過Friedel-Crafts 酰化反應合成2,3,4-三羥基二苯甲酮, 和以對羥基苯甲酸為酰基化試劑合成2,3,4, 4'-四羥基二苯甲酮[5], 但是這些合成方法往往反應條件苛刻, 多元酚和多羥基二苯甲酮在高溫下也易被氧化而導致產品得率低[6]。 因此, 尋找溫和的反應介質和高效的催化劑來提高得率、 簡化工藝、 降低消耗和污染是該類化合物生產的發展方向。 本研究以焦性沒食子酸、 間苯三酚和苯甲腈為原料, 探索了以乙酸乙酯替代無水乙醚為溶劑, 通過Hoesch 反應合成紫外線吸收劑2,3,4-三羥基二苯甲酮(2,3,4-trihydroxydiphenenone,3 HBP)和2,4,6-三羥基二苯甲酮(2,4,6-trihydroxydiphenenone,2,4,6-TriHB), 期望在低溫下反應得到收率高、 純度好、 品質高的多羥基二苯甲酮。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

焦性沒食子酸, 間苯三酚, 苯甲腈, 乙酸乙酯, 石油醚,氯化鋅等均為分析純試劑, 國藥集團化學試劑有限公司; 柱層析硅膠(100 ～200 目), 青島海洋化工廠; B-R 緩沖溶液: 按不同體積比混合濃度為0.04 mol/L 的磷酸、 醋酸、 硼酸混合溶液和0.2 mol/L 的NaOH 溶液, 得到不同pH 值的B-R 緩沖溶液。

UVmini-1280 紫外-可見光分光光度計, 島津儀器(蘇州)有限公司; Vertex 70 型傅里葉變換紅外光譜分析儀, 德國布魯克光譜儀器公司; DC-3015 型低溫循環水恒溫槽, 上海舜宇恒平科學儀器有限公司。

1.2 目標物質合成

在三口夾套反應器中加入苯甲腈1.03 g(10 mmol)、 干燥氯化鋅2.72 g(于0.08 MPa、 120℃真空干燥2 h)和乙酸乙酯20 mL 攪拌混合均勻, 循環冷凝水控溫10 ℃并立即通入干燥氯化氫氣體30 min。 將焦性沒食子酸1.26 g(10 mmol)(或間苯三酚)溶液勻速滴加至反應器, 滴加結束停止通入氯化氫氣體,保溫24 h, 再通入氯化氫氣體2 h, 將反應液轉移至圓底燒瓶,加入質量分數20%的鹽酸水溶液30 mL 和乙酸乙酯20 mL, 加熱回流2 h, 反應結束。

自然冷卻至室溫, 加入適量蒸餾水分出乙酸乙酯層和水層, 水層用乙酸乙酯萃取(30 mL)合并有機層, 有機層經蒸餾水萃取(30 mL)、 無水硫酸鎂干燥、 抽濾、 減壓濃縮后用硅膠柱層析分離(石油醚∶乙酸乙酯(V/V)=4∶1)得目標產物。

1.3 紫外光譜和紅外光譜分析

以溶劑空白為對照, 掃描目標產物在200 ～400 nm 之間的紫外吸收光譜; 分析產物的衰減全反射光譜(掃描范圍400 ～4000 cm-1); 配制濃度分別為0.1 mmol/L 的3 HBP 和2,4,6-TriHB 的標準溶液, 分別測定在最大吸收峰處的吸光度A, 計算摩爾吸光系數ε[7]。

1.4 得率測定

參考文獻方法[8], 建立了分光光度法快速測定3 HBP 和2,4,6-TriHB 得率的實驗方法。 準確吸取一定量10 mmol/L 的3 HBP 溶液配制濃度從0.10 mmol/L 到2.50 mmol/L、 梯度為0.1 mmol/L 的3 HBP 梯度濃度標準溶液, 分別吸取梯度濃度的標準溶液各1.0 mL 于10 mL 具塞比色管中, 用pH 12 的B-R 緩沖溶液稀釋至刻度, 充分搖勻后靜置10 min, 在405 nm 處, 以溶劑空白為對照, 用1 cm 比色皿測定其吸光度, 并計算3 HBP的濃度-吸光度線性回歸方程。

同上, 配制濃度從0.25 mmol/L 到3.00 mmol/L 梯度為0.25 mmol/L 的2,4,6-TriHB 標準溶液, B-R 緩沖溶液稀釋,靜置后, 在414 nm 處, 測定吸光度, 并計算其濃度-吸光度線性回歸方程。

將工藝試驗反應物以無水乙醇定容至100 mL, 準確移取1 mL 稀釋10 倍, 取稀釋液1 mL 于10 mL 比色管中, 用pH=12 的B-R 緩沖溶液稀釋至刻度, 搖勻并靜置, 10 min 后測定其吸光度, 計算樣品的濃度和得率。

1.5 合成工藝條件研究

合成3 HBP 時, 控制原料配比n(酚)∶n(腈)為1∶1, 反應時間為24 h, 反應溫度為10 ℃, 考察催化劑用量分別為0.01、 0.0125、 0.015、 0.0175 和0.02 mol 對3 HBP 得率的影響; 其他條件不變, 考察原料配比n(酚)∶n(腈)分別為1∶0.9、 1∶0.95、 1∶1、 1∶1.05 和1∶1.1 對3 HBP 得率的影響; 其他條件不變, 考察反應時間分別為16、 20、 24、 28 和32 h 對3 HBP 得率的影響; 其他條件不變, 考察反應溫度分別為-5、 0、 10、 20 和30 ℃對3 HBP 得率的影響。

2,4,6-TriHB 的合成工藝條件研究方法同上。

2 結果與討論

2.1 產物表征

3 HBP: 黃色固體, 得率67.78%, IR(KBr, cm-1): 3479、3176、 1630、 1597、 1440、 1286、 1186、 997、 765、 696; 2,4,6-TriHB: 黃色固體, 得率81.83%, IR(KBr, cm-1): 3678、3282、 1637、 1606、 1311、 1159、 896、 765, 質譜[M+H]+(ESITOF)m/z 231.0652[9]。

通過紫外吸收光譜可見(圖1、 圖2), 產物分別在308 和311 nm 處有最大吸收峰, 與文獻結果相同[10], 在280 ～360 nm波段有較強吸收, 覆蓋UVB(280 ～320 nm)波段, 3 HBP 摩爾吸光系數為1.535×104L/cm·mol, 2,4,6-TriHB 摩爾吸光系數為1.297×104L/cm·mol, 均是良好的UVB 波段紫外吸收劑。合成產物的IR 符合結構特征, 分別在1630 和1637 cm-1的強吸收峰即為二苯甲酮結構中羰基的吸收峰[11]。

2.2 產物紫外分光光度法測定的線性回歸方程

多羥基二苯甲酮在堿性溶液中易被氧化, 氧化后的醌類物質共軛程度提高, 紫外吸收發生紅移, 其最大吸收波長分別從308 和311 nm(pH=5 ～7)移動至405 和414 nm(pH=12), 反應原料、 3 HBP 和2,4,6-TriHB 在不同pHB-R 緩沖溶液中的紫外吸收光譜見圖1 和圖2。

圖1 原料和不同pH 下3 HBP 的紫外光譜圖Fig.1 UV spectra of raw materials and3 HBP at different pH values

圖2 原料和不同pH 下2,4,6-TriHB 的紫外光譜圖Fig.2 UV spectra of raw materials and2,4,6-TriHB at different pH values

可見, 通過調節溶液的pH 值使合成產物的UV 紅移, 使之與反應底物的UV 分離, 可以消除反應底物在產物含量測定中的影響, 有利于提高檢測的準確度。 在pH12 的B-R 緩沖溶液中, 3 HBP 和2,4,6-TriHB 的濃度-吸光度線性回歸方程如表1 所示。

表1 3 HBP 和2,4,6-TriHB 的濃度-吸光度Table 1 Concentration-Absorption of 3 HBP and 2,4,6-TriHB

2.3 合成工藝研究結果分析

2.3.1 催化劑用量對Hoesch 反應的影響

催化劑添加量過少, 不利于催化反應進行, 相反則會造成分離純化操作困難和物料浪費, 不同ZnCl2添加量對Hoesch 反應的影響如圖3 所示。 隨著催化劑用量的增加, 產物得率上升, 當催化劑用量達到原料的1.75 倍后, 產物得率無明顯升高, 催化劑用量選擇0.0175 mmol。

圖3 催化劑用量的影響Fig.3 Influence of catalyst dosage

2.3.2 原料配比對Hoesch 反應的影響

根據Hoesch 反應機理可知, 苯甲腈在路易斯酸(Lewis acid)的催化下先轉化為具有陽碳離子的氯化亞胺活性中間體,之后親電試劑攻擊焦性沒食子酸或間苯三酚的苯核[12], 所以苯甲腈過量有利于提高產物得率, 且能減少酚類物質副反應發生。 不同原料配比對反應的影響結果如圖4 所示, 產物得率隨著物料配比的增大整體呈上升趨勢, 當n(酚)∶n(腈)= 1∶1.05 時產物得率達到峰值, 當n(酚)∶n(腈)= 1∶1.1 時產物得率反而下降, 可能是因為被活化的苯甲腈攻擊酚類物質苯核上的多個位點, 副產物增加。

圖4 原料配比的影響Fig.4 Influence of raw material ratio

2.3.3 反應溫度對Hoesch 反應的影響

芳香腈較脂肪腈進行Hoesch 反應的活性低, 在高于一般Hoesch 反應溫度下進行有利于提高得率, 但酚類物質在高溫下易被氧化, 因此反應溫度對該反應影響較大[13]。 由圖5 可知,反應溫度從-5 ℃上升至10 ℃, 產品得率顯著提高, 繼續升高溫度, 產品顏色加深且得率緩慢下降, 因為Hoesch 反應機理復雜, 溫度較高可能引發多種副反應[14]。

圖5 反應溫度的影響Fig.5 Effect of reaction temperature

2.3.4 反應時間對Hoesch 反應的影響

由圖6 可見, 隨著反應時間的延長, 得率整體呈上升趨勢, 當反應時間大于28 h, 產物得率增加不明顯, 考慮到反應時間消耗和產出比, 反應時間在24 ～28 h 較好。

圖6 反應時間的影響Fig.6 Effect of reaction time

3 結 論

(1)分別以焦性沒食子酸和間苯三酚與苯甲腈實驗合成了2,3,4-三羥基二苯甲酮(3 HBP)和2,4,6-三羥基二苯甲酮(2,4,6-TriHB)。 兩種產物在280 ～360 nm 波長范圍有較強的紫外吸收, 3 HBP 最大吸收波長為308 nm、 對應的摩爾吸光系數為1.535×104L/cm·mol, 2,4,6-TriHB 最大吸收波長為311 nm、對應的摩爾吸光系數為1.297×104L/cm·mol, 均是良好的UVB 波段紫外吸收劑。

(2)Hoesch 反應較佳的反應條件為原料配比n(酚)∶n(腈)為1∶1.05, ZnCl2用量為0.0175 mmol, 反應時間為28 h,反應溫度為10 ℃。