苯甲醛安息香缩合反应催化合成苯偶姻新方法

苯甲醛安息香缩合反应催化合成苯偶姻新方法 苯甲醛安息香缩合反应催化合成苯偶姻新 方法 第39卷第6期 2009年12月 精细化工中间体 FINECHEMICALINTERMEDIAT"ES Vo1.39No.6 E~ecember20o9 苯甲醛安息香缩合反应催化合成苯偶姻新方法 陈益民,银董红,周全,谭蓉.喻宁亚 (湖南师范大学精细催化合成研究所,湖南长沙410081) 摘要:制备了不同取代基的噻唑盐催化剂,研究了噻唑盐催化苯甲醛合成苯偶姻的安息香缩合反应,考 察了噻唑盐取代基,催化剂用量,反应温度及反应时间对苯甲醛安息香缩合反应的影响规律.结果表明, 以3一乙基一4一甲基一5一羟乙基噻唑溴盐为催化剂.噻唑盐用量为1.5%(以苯甲醛计,n/n,在反应温度为 100~C.反应时间为6h时,苯偶姻收率达72.5%,且反应过程中不需添加任何有机溶剂,具有环境友好 的特点. 关键词:苯甲醛;安息香缩合;噻唑盐;催化;苯偶姻 中图分类号:0621.25文献标识码:A文章编号:1009一.9212(2009)06—0057—04 ANovelSynthesisofBenzoinCatalyzedbyThiazoliumSalts CHENy—min,y饥Dong-honf,ZHOUQ帆,TANRong,YUNing-ya (InsitituteofFineCatalysisandSynthesis,HunanNormalUniversity,Changsha410081,Chi na) Abstract:Anovelmethodforsynthesisofbenzoinwasachievedbythecondensationofbenzal dehydeinthe presenceofvariousthiazoliumsaltsasthecatalysts.Theeffectsofvarioussubstitutedgroupsbearingonthe thiazoliumsalts,thedifferentamountofcatalyst.thereactiontemperatureandthereactiontimeonthebenzoin condensationofbenzaldehydewereinvestigated.Resultsshowed3-ethyl-5-(2-hydroxyethy1)-4-methyhhiazolium bromidebethebestcatalyst.Benzoincouldbeobtainedin72.5%yieldwhenthemolarratioofthiazoliumsaltto benzaldehydewas1.5%andthereactionwasperformedat100~Cfor6h.Furthermore.thebenzoincondensation wasenvironment一.friendly,withoutuseofanyvolatileorganicsolvent. Keywords:benzaldehyde;benzoincondensation;thiazoliumsahs;catalysis;benzoin l前言 苯偶姻,化学名为1,2一二苯基羟乙酮,是一 种白色针状晶体.是一种重要的化工原料.广泛用 作感光性树脂的光敏剂,染料中间体和粉末涂料的 防缩孔剂,也是一种重要的药物合成中间体.如抗 癫痫药物二苯基乙内酰脲的合成以及二苯基乙二 酮,二苯基乙二酮肟,乙酸安息香类化合物的制备 等.苯偶姻通常是通过苯甲醛的自身偶姻缩合(俗 称安息香缩合)制备,传统苯甲醛的安息香缩合是 用氰化钠或氰化钾作催化剂…,在碱性条件下,氰 基金项目: 作者简介: 联系人: 收稿日期: 负离子(CN一)促使两分子苯甲醛缩合反应,效果 好,收率高,但是氰化物有剧毒,环境污染严重, 不适合工业生产.自从1943年Vgai等心研究发现 可以利用维生素B(硫胺素)催化苯甲醛的安息香 缩合反应合成苯偶姻以来.这种方法成为本领域的 研究热点,用维生素B代替含CN一化合物作为安 息香缩合反应的催化剂,可以解决用氰化物带来的 环境污染问题,但是研究发现用维生素B催化合 成苯偶姻收率很低.虽然人们不断改进工艺.但是 收率均低于60%[,,而且催化剂用量大.维生素 长沙市科技重点项目(长财企指[2008]31). 陈益民(1983一),男,湖南岳阳人,硕士,研究方向:有机催化. 银董红,教授.(E—mail:yindh@hunnu.edu.an) 2oo9一l1—13 58精细化工中间体第39卷 B,不溶于苯甲醛和水,反应过程需添加有机溶剂, 操作过程较为复杂.最近有人用咪唑型离子液体催 化苯甲醛的安息香缩合反应_7],收率最高可达到 87%,为苯偶姻的制备开辟了新的途径.虽然离子 液体具有无挥发性,热稳定性高的特点,但是反 应过程中不可避免需使用有机溶剂,催化剂用量 大,而且反应时间长.因此,研究开发一种催化 效果好,反应不需添加任何有机溶剂的催化剂. 以实现苯偶姻工业化生产. 1958年Breslow[.】提出了安息香缩合的机理后, 人们发现噻唑盐具有和维生素B相似的活性基团. Davist首次使用类似噻唑盐催化苯甲醛的安息香缩 合反应,以甲苯做溶剂,苯偶姻收率可达80%, 但是该噻唑盐对反应条件要求苛刻,且在空气中难 以稳定[10].笔者制备了一系列噻唑环上连接不同取 代基的噻唑盐催化剂,通过对噻唑盐的噻唑环上取 代基进行了比较和优化,发现噻唑盐催化剂上氮原 子的取代基对苯甲醛安息香缩合反应合成苯偶姻具 有显着的影响.以3一乙基一4一甲基一5一羟乙基噻唑 溴盐为催化剂,无需添加任何有机溶剂,苯偶姻分 离收率可达72.5%.该工艺不仅绿色环保,且噻唑 盐成本低.具有较好的工业应用前景. 2实验部分 2.1反应原理 噻唑盐催化苯甲醛合成苯偶姻合成路线如下. 一 3一烷基?4一甲基一5 一 羟乙基噻唑溴盐 (Wh~azoliumsalt) a?R=CH3CH2X.二Br b-R=CH3CH2CH2X=B c:R=CH3(CH2)2CH2XI d:R=CH:CHCH3X-J e?R=C6HsCH2X_Br 2.2仪器和试剂 仪器:恒温磁力加热搅拌反应釜(江苏省镇江 市丹徒环球机电配件厂),SHB一111循环式多用真空 泵(郑州长城科工贸有限公司),NicoletAVATAR一 370红外光谱仪(分辨率为4am一,溴化钾压片, ThermoNicolet公司),CS101一E气相色谱一质谱联 用仪(美国安捷伦科技有限公司),YRT一3熔点仪 (苏州市莱顿科学仪器有限公司). 试剂:苯甲醛(>98%,天津市大茂化学试 剂厂),4一甲基一5一羟乙基噻唑(99%,滕州市悟通 香料有限责任公司);异丙醇,乙腈,乙醚(AR, 天津大茂化学试剂厂),溴乙烷,溴代正丙烷,碘 代正丁烷,异丙基溴,苄基溴(AR,国药集团化学 试剂有限公司). 2.3噻唑盐催化剂的制备 3一烷基一4一甲基一5一羟乙基噻唑溴盐参照文 :在100mL圆底烧瓶中依次加入20mL 献Il1]合成 乙腈,0.05mol4一甲基一5一羟乙基噻唑和O.05mol 溴代烷烃,80?条件下回流24h,冷却至室温,除 去溶剂,得到粘稠状液体,用异丙醇和乙醚结晶 后,过滤,用无水乙醚洗涤,得到白色晶体,再用 无水乙醇重结晶,过滤,真空干燥得到不同取代基 的噻唑盐(a,e). 2.4噻唑盐催化苯甲醛安息香缩合制备苯偶姻 在反应釜中按比例加入一定量的苯甲醛和噻唑 盐.用2mol/L的氢氧化钠溶液调反应体系的pH 值为8一l0.在指定温度下反应,反应结束后,冷 却析晶,抽滤,用冰无水乙醇洗涤,真空干燥,得 到白色针状晶体. 2.5产物表征 由实验方法合成获得的苯偶姻红外光谱图分 析可知,产物在l685am处是羰基伸缩振动 峰,3375am处的强宽峰是羟基伸缩振动峰, 而在1443cm,,1493am,,1582am处的峰是苯 环的骨架伸缩振动峰,这些都是产物苯偶姻的特征 吸收峰,与文献_l值一致,用气相色谱一质谱联用 仪分析产物得到的质谱数据为m/Z:212,107, 105,77,与GC—MS图谱库质谱一致,匹配 度在96%以上,产品的纯度为97%,此外,熔点 仪测定合成的苯偶姻熔点为133,135o【=,与文献【 值相同,因此,采用笔者方法合成的苯偶姻结构得 到了确证. 3结果与讨论 3.1不同噻唑盐对催化苯甲醛安息香缩合的影响 表l为噻唑盐催化剂上氮原子不同取代基对苯 甲醛安息香缩合反应合成苯偶姻的反应结果.在反 应温度100%,反应时间4h,噻唑盐催化剂用量 1%(以苯甲醛计,n/n,下同)时,考察了不同取代基 噻唑盐对苯甲醛安息香缩合反应的影响. 第6期陈益民.等:苯甲醛安息香缩合反应催化合成苯偶姻新方法59 表1 Table1 不同噻唑盐对催化苯偶姻缩合的影响 eeffectofdifferentthiazoliumsalIs ontheyieldofbenzoin 结果表明,当催化剂噻唑环氮原子上取代基依 次为乙基,丙基,丁基,异丙基和苄基时,随着取 代基链长度和体积的增大,苯偶姻的收率逐渐降 低.相同反应条件下,以3一乙基一4一甲基一5一羟乙 基噻唑溴盐为催化剂催化苯甲醛安息香缩合反应, 苯偶姻的收率最高;而当噻唑环氮原子上取代基为 体积较大的苄基时,苯偶姻的收率最低为25.1%. 从反应机理上推断[8A2],这主要是由于噻唑环氮原 子上取代基的空间位阻效应对反应所产生的影响. 3.2反应温度对安息香缩合反应的影响 以l%的3一乙基一4一甲基一5一羟乙基噻唑溴盐 为催化剂,考察了不同反应温度对苯偶姻缩合反应 的影响,结果如图1. 温度/? 图1反应温度对苯甲醛安息香缩合反应的影响 Fig.1Theeffectofreactiontemperatureonbenzoincondensation 结果表明,在3一乙基一4一甲基一5一羟乙基噻唑 溴盐存在的反应体系中,苯甲醛在60?时没有发 生安息香缩合反应.随着反应温度升高,苯偶姻的 收率明显提高.当反应温度为100oC时,苯偶姻的 收率最高,达到58.3%.进一步升高温度,苯偶姻 的收率反而降低,可能是由于噻唑盐在高温时发生 了开环反应_l.因此,选择反应温度100~C为适宜 反应温度. 3.3反应时间对安息香缩合反应的影响 以l%3一乙基一4一甲基一5一羟乙基噻唑溴盐为 催化剂,反应温度100~C,考察不同反应时间对苯 偶姻缩合反应的影响,见图2. 时间/h 圈2反应时间对苯偶姻缩合反应的影响 Fig.2TIIeeffectofreactiontilneoi1benzoincondensation 结果表明,随着反应时间从2h延长至6h, 苯偶姻的收率从29.8%增加到63.6%.继续延长反 应时间.收率没有明显提高. 3.4催化剂用量对催化苯甲醛安息香缩合反应的 影响 以3一乙基一4一甲基一5一羟乙基噻唑溴盐为催化 剂,反应温度100?,反应时间6h时,考察不同 的催化剂用量对苯甲醛安息香缩合反应的影响(见 表2).结果表明,苯偶姻的收率随着催化剂用量 增加而增加,催化剂的量增加到1.5%(n/n)时,苯 偶姻的收率达72.5%,继续增加催化剂的用量反而 引起苯偶姻收率下降,可能是由于过量的噻唑盐与 苯甲醛形成其它中间体使反应副产物增加.导致苯 偶姻收率下降[】3].因此,选择噻唑盐的适宜用量为 1.5% 表2催化剂的用量对催化偶姻缩合反应的影响 Table2Theeffectofcatalystcontentonbenzoincondensation 3.5噻唑盐催化苯甲醛安息香缩合反应的可能反应 机理 根据氰化物中CN,催化苯甲醛的安息香缩合反 应机理[16],推断了噻唑盐催化苯甲醛的安息香缩合 反应机理. 60精细化工中间体第39卷 在噻唑盐催化苯甲醛的安息香缩合反应过程 中.噻唑盐1的C一2位上的C—H具有一定的酸 性.在pH值在8,10的碱性条件下很易失去这一 质子生成碳负离子2,必须控制好反应体系的pH 值.碱性太弱不易脱去其氢,碱性过强噻唑会开环 失去活性[8].温度对噻唑盐的稳定性也有较大的影 响.碳负离子2与苯甲醛的C=O发生亲核加成反 应,生成中间体3,噻唑盐氮原子上的取代基的空 间位阻效应是这一步是否顺利进行的关键因素,较 小的取代基更易形成稳定的中间体,中间体3在噻 唑环的作用下失去原来醛基的质子生成中间体 4,4的碳负离子可与噻唑环形成p一7r共轭体系而 更加稳定.中间体4再与另一分子的苯甲醛发生羰 基加成反应,生成中间体5,这一步决定着安息香 缩合反应的速率,中间体5不稳定,容易分解而生 成苯偶姻和中间体2,从而实现噻唑盐在苯甲醛的 安息香缩合反应过程中的催化循环. 4结论 以噻唑盐为催化剂.通过苯甲醛的安息香缩合 制备苯偶姻.该方法催化剂制备简单,用量少,反 应过程中无需有机溶剂,通过对噻唑盐催化剂上氮 原子的取代基的比较,以3一乙基一4一甲基一5羟乙 基噻唑溴盐为适宜催化剂,在催化剂的用量为 1.5%(n/n),反应温度IO0~C,反应时间6h时,苯 偶姻的收率可达72.5%. 参考文献: [1]WalterI,BuckJ.TheSynthesisofbenzoin[J].Organic Reaction,1948,4:269. 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