取代甲苯催化氧化合成取代苯甲醛

牛鵬程，茹雨晴，袁世申，高巍偉

(青島科技大學，山東 青島 266045)

對甲氧基苯甲醛又稱為茴香醛，是一種非常重要的合成香料，具有強烈和持久的山楂花氣味。與其它芳香醛香料相比，對甲氧基苯甲醛的氣味更加柔和，具有更好的擴散性和化學穩定性[1]，廣泛應用于化妝品、高分子材料、食用香精、醫藥等領域[1-4]。

由于對甲氧基苯甲醛在有機合成中的重要作用，其合成方法備受關注。目前，常采用以下幾種化學氧化法[5-6]合成對甲氧基苯甲醛(圖1)：(1)以對甲基苯酚為原料，先甲基化得到對甲氧基甲苯，再經氧化合成對甲氧基苯甲醛，收率一般在85%左右。對甲基苯酚可從石油和煤炭工業中獲得，價格低廉[7]。但甲基化試劑一般選用硫酸二甲酯(DMS)，其毒性大、刺激性強、腐蝕性強，在生產運輸中也存在安全隱患。(2)以重鉻酸鈉或高錳酸鉀作為氧化劑，氧化對丙烯基苯甲醚，對甲氧基苯甲醛收率為60%～70%[8]。該反應過程復雜，產生的“三廢”量大，污染嚴重，且成本高。(3)Chaudhari等[9]以Mn/Sn復合氧化物為催化劑、NaBr為誘導劑、醋酸為溶劑，采用甲苯液相氧化法合成對甲氧基苯甲醛，在120 ℃、48～274.6 kPa條件下，選擇性僅76%。該方法容易造成環境污染，不符合綠色化學的要求。(4)以對羥基苯甲醛為原料，在堿性條件下與DMS甲基化合成對甲氧基苯甲醛，收率為74%[10]。其優點是反應條件溫和、操作簡單、收率高，但反應周期長、利用率低、毒性大等缺點嚴重限制了該方法的工業化應用。(5)Kumar等[11]以水溶性錳卟啉為催化劑、Na5IO6為氧化劑，在不同的反應介質下，開發了一種可控的對甲氧基芐醇氧化方法，對甲氧基苯甲醛收率為84%。雖然該方法操作簡單、收率高，但對甲氧基芐醇的價格高于對甲氧基苯甲醛，該方法不適合大規模生產。(6)以對甲氧基甲苯為原料，通過催化氧化法(主要包括氣相催化氧化法和液相催化氧化法)將對甲氧基甲苯的甲基氧化為醛基[12-16]。液相催化氧化法具有反應易控制、產物選擇性高等特點，具有較高的工業應用價值。鑒于此，作者以對甲氧基甲苯為原料，采用液相催化氧化法合成對甲氧基苯甲醛，考察反應溫度、H2O2濃度、催化劑種類及用量、催化劑重復使用次數對對甲氧基苯甲醛收率的影響，并以不同取代甲苯為底物，探究取代苯甲醛合成反應的適用性，擬為取代苯甲醛的綠色合成提供一條新途徑。

圖1 化學氧化法合成對甲氧基苯甲醛的途徑

1 實驗

1.1 試劑與儀器

對甲氧基甲苯(99%)、四丁基溴化銨(TBAB，99%，分析純)、鄰硝基甲苯(99%)、對硝基甲苯(99%)、鄰氯甲苯(分析純)、對氯甲苯(99%)、鄰溴甲苯(99%)、對溴甲苯(99%)，麥克林；乙酰丙酮氧釩(99%)、偏釩酸銨(NH4VO3，99%，分析純)，阿拉丁試劑公司；甲苯(99%)，南京化學試劑股份有限公司；乙酸乙酯(99.5%)，天津光復科技發展有限公司；乙腈(分析純)，天津科密歐化學試劑有限公司；H2O2(30%)，無錫佳妮化工有限公司；H2O2(50%)，淮安眾誠化工有限公司。

EYELA/N-1300型旋轉蒸發儀，東京理化器械株式會社；FULI/GC-9790型氣相色譜儀，浙江福立分析儀器股份有限公司；DF-101S型集熱式攪拌器，江蘇科析儀器有限公司；JJ-1型精密定時電動攪拌器，常州榮華儀器制造有限公司。

1.2 對甲氧基苯甲醛的合成

分別將對甲氧基甲苯(3.66 g，30 mmol)、四丁基溴化銨(0.6 g，1.86 mmol)、乙酰丙酮氧釩(0.8 g，3 mmol)、10 mL水、15 mL乙腈置于250 mL四口燒瓶中，磁力攪拌，水浴升溫至85 ℃，滴加50%H2O2溶液50 mL；反應完畢后降溫至室溫，加入乙醚充分振蕩萃取，分離上層清液，采用柱層析法進行分離純化，洗脫劑為石油醚-乙酸乙酯(5∶1，體積比)，TLC監測洗脫進程，收集洗脫液，旋干，得到淡黃色液體對甲氧基苯甲醛，收率86.3%。1HNMR(500 MHz,CDCl3),δ:9.89(s,1H),7.85(d,J=8.6 Hz,2H),7.01(d,J=8.6 Hz,2H),3.90(s,3H);13CNMR(125 MHz,CDCl3),δ:190.8,164.6,132.0,129.9,114.3,55.6。

2 結果與討論

2.1 合成條件優化

2.1.1 反應溫度對對甲氧基苯甲醛收率的影響(圖2)

圖2 反應溫度對對甲氧基苯甲醛收率的影響

由圖2可知，當反應溫度低于50 ℃時，對甲氧基苯甲醛收率低于35%；升高反應溫度，收率逐漸提高，當反應溫度升至85 ℃時，收率提高到86.3%。這是因為，H2O2分解產生大量·OH需要在一定溫度下進行。遵循綠色化學原則，反應溫度選擇85 ℃。

2.1.2 H2O2濃度對對甲氧基苯甲醛收率的影響(圖3)

圖3 H2O2濃度對對甲氧基苯甲醛收率的影響

由圖3可知，當H2O2濃度低于30%時，對甲氧基苯甲醛收率低于20%；增大H2O2濃度，收率逐漸提高；當H2O2濃度增至50%時，收率達到最高。這是因為，低濃度的H2O2溶液在85 ℃下分解較慢，產生的·OH不足以影響對甲氧基苯甲醛的收率；而過高濃度的H2O2溶液加熱會將對甲氧基苯甲醛進一步氧化成對甲氧基苯甲酸。因此，選擇H2O2濃度為50%。

2.1.3 催化劑種類對對甲氧基苯甲醛收率的影響(圖4)

圖4 催化劑種類對對甲氧基苯甲醛收率的影響

由圖4可知，釩鹽乙酰丙酮氧釩、偏釩酸銨、五氧化二釩對該反應均有催化作用，在催化劑用量相同的情況下，乙酰丙酮氧釩的催化效果最好，偏釩酸銨次之，五氧化二釩最差。這是因為，乙酰丙酮氧釩具有特殊的空間結構，提高了催化效率。因此，選擇催化劑為乙酰丙酮氧釩。

2.1.4 催化劑用量對對甲氧基苯甲醛收率的影響(圖5)

圖5 催化劑用量對對甲氧基苯甲醛收率的影響

由圖5可知，當催化劑乙酰丙酮氧釩用量較少時，對甲氧基苯甲醛收率很低，隨著乙酰丙酮氧釩用量的增加，收率逐漸提高，當n(乙酰丙酮氧釩)∶n(對甲氧基甲苯)為1∶10時，收率達到最高；若繼續增加乙酰丙酮氧釩用量，收率反而下降。這是因為，乙酰丙酮氧釩用量過多會導致對甲氧基苯甲醛進一步氧化成對甲氧基苯甲酸。因此，選擇乙酰丙酮氧釩用量n(乙酰丙酮氧釩)∶n(對甲氧基甲苯)為1∶10。

2.2 催化劑重復使用次數對對甲氧基苯甲醛收率的影響

將反應體系下層水相進行減壓蒸發濃縮，得到回收的催化劑，用乙醚洗滌，離心，自然干燥，按1.2方法繼續下一次反應。催化劑重復使用2次時，對甲氧基苯甲醛收率下降至82%；催化劑重復使用3～6次時，收率波動不大，下降至76%左右。發現催化劑每重復使用一次，催化活性均有所下降。很可能是由于回收過程中催化劑流失所致。因此，在重復使用過程中需要補加催化劑。補加0.04 g(0.15 mmol)乙酰丙酮氧釩，按1.2方法繼續下一次反應，反應結果基本一致。

2.3 反應底物的擴展

在最佳合成條件下，即反應溫度為85 ℃、H2O2濃度為50%、催化劑乙酰丙酮氧釩用量n(乙酰丙酮氧釩)∶n(對甲氧基甲苯)為1∶10，分別以對甲氧基甲苯、甲苯、對氯甲苯、鄰氯甲苯、對溴甲苯、鄰溴甲苯、對硝基甲苯、鄰硝基甲苯為底物，考察不同底物對取代苯甲醛收率的影響，結果如圖6所示。

由圖6可知，在相同的反應條件下，以對甲氧基甲苯為底物合成的對甲氧基苯甲醛收率最高，以甲苯為底物次之，其它底物合成的取代苯甲醛收率很低。這是因為，供電子基有活化苯環的作用，促進氧化反應的進行；而吸電子基有鈍化苯環的作用，抑制氧化反應的進行。

圖6 不同底物對取代苯甲醛收率的影響

2.4 可能的反應機理(圖7)

由圖7可知，H2O2在加熱條件下生成·OH，

圖7 合成對甲氧基苯甲醛可能的反應機理

3 結論

以對甲氧基甲苯為原料，采用液相催化氧化法合成對甲氧基苯甲醛。在反應溫度為85 ℃、H2O2濃度為50%、催化劑乙酰丙酮氧釩用量n(乙酰丙酮氧釩)∶n(對甲氧基甲苯)為1∶10的最佳條件下，對甲氧基苯甲醛收率可達86.3%；以不同取代甲苯為底物，均能夠順利得到預期的取代苯甲醛，且甲苯取代基對取代苯甲醛收率有一定的影響。