季戊四醇雙縮脂肪族醛(酮)螺環化合物的合成*

李正義，殷 樂，葛 玲，靳琳琳，陳 亮，孫小強

(常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164)

·研究簡報·

季戊四醇雙縮脂肪族醛(酮)螺環化合物的合成*

李正義，殷 樂，葛 玲，靳琳琳，陳 亮，孫小強

(常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164)

以脂肪族醛(酮)為原料，對甲苯磺酸為催化劑，在環己烷中回流分水反應合成了一系列季戊四醇雙縮脂肪族醛(酮)螺環化合物(3a～3l)，其中3,9-二甲基-3,9-二丁基-2,4,8,10-四氧雜螺[5.5]十一烷(3i)和3,7,11,15,18,21-六氧雜三螺[5.2.2.512.29.26]二十一烷(3k)為新化合物，其結構經1H NMR,13C NMR和ESI-MS表征。

脂肪族;雙縮醛;雙縮酮;季戊四醇;合成

季戊四醇雙縮醛(酮)螺環化合物由于其合成方便、結構相對簡單，并且大多是晶體物質，在工業和有機合成中應用廣泛。季戊四醇雙縮醛(酮)螺環化合物在工業上常用作高分子材料的增塑劑、固化劑、抗氧化劑，亦可作為殺蟲劑和陰離子表面清洗液的消泡劑[1-3]；在有機合成中，季戊四醇雙縮醛(酮)螺環化合物可在稀酸條件下水解成原來的醛和酮，可用于醛、酮羰基的保護；此外，由于該類化合物具有軸手性，可用來合成具有生物活性和藥物傳輸功能的物質，是一類具有較大應用前景和價廉物美的手性源[4-6]。大多數脂肪族縮醛(酮)是較好的香精香料，在飲料、酒類、冰淇淋和化妝品等的調香定香中應用廣泛，是有機合成中的重要中間體[7]。然而，由于脂肪族醛(酮)化合物存在易被氧化、實驗中跟蹤反應困難等問題，在已有季戊四醇雙縮醛(酮)螺環化合物合成的報道中，絕大多數是關于芳香族醛(酮)螺環化合物的合成，脂肪族醛(酮)與季戊四醇雙縮產物的合成研究較少[8-10]。

本文系統研究了一系列不同類型脂肪族雙縮醛(酮)螺環化合物的合成。以脂肪族醛(酮)(2a～2l)為原料，對甲苯磺酸為催化劑，在環己烷中與季戊四醇(1)經回流分水反應合成了12個季戊四醇雙縮脂肪族醛(酮)螺環化合物(3a～3l,Scheme 1)，其中3,9-二甲基-3,9-二丁基-2,4,8,10-四氧雜螺[5.5]十一烷(3i)和3,7,11,15,18,21-六氧雜三螺[5.2.2.512.29.26]二十一烷(3k)為新化合物，其結構經1H NMR,13C NMR和ESI-MS表征。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

SGW X-4型顯微熔點儀(溫度未校正)；AVANCE 300MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標)；LCMS-2020型質譜儀；快速中壓制備系統。

柱層析用硅膠,青島海洋化工有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1．2 合成

(1)3a～3f的合成(以3a為例)

在三口燒瓶中依次加入特戊醛(2a)2.53g(30.0mmol)，12.0g(15.0mmol)，環己烷40mL和催化量對甲苯磺酸(2wt%)，攪拌下回流分水反應2h～3h(溶液從渾濁變澄清)。冷卻，靜置(析出白色固體)，抽濾，濾餅用少量無水乙醇洗滌得白色片狀固體3a3.53g。

用類似方法合成白色固體3b～3l[其中3g～3l，反應時間4h～5h，冷卻靜置無固體產生，減壓濃縮后經硅膠柱層析(洗脫劑：石油醚，檢測波長218nm)純化]。

3a：m.p.185.8℃～186.3℃;1H NMRδ：0.90(s,18H,CH3),3.32(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.47～3.59(m,4H,CH2),4.03(s,2H,CH),4.53(d,J=9.8Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 24.6,32.4,34.9,70.2,70.6,108.2；ESI-MSm/z: 273{[M+H]+}。

3b：m.p.94.2℃～94.8℃;1H NMRδ：0.93(d,J=6.8Hz,12H,CH3),1.57～1.86(m,2H,CH),3.33(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.49～3.60(m,4H,CH2),4.20(d,J=4.4Hz,2H,CH),4.55(d,J=9.7Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 16.8,32.5,32.6,70.2,70.5,106.2；ESI-MSm/z: 245{[M+H]+}。

3c：m.p.61.7℃～62.4℃;1H NMRδ：0.91(t,J=7.3Hz,6H,CH3),1.35～1.47(m,4H,CH2),1.56～1.63(m,4H,CH2),3.34(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.51～3.60(m,4H,CH2),4.45(t,J=5.0Hz,2H,CH),4.55(dd,J=11.4Hz,2.2Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 14.0,17.1,32.4,36.8,70.2,70.6,102.7；ESI-MSm/z: 245{[M+H]+}。

3d：m.p.56.2℃～57.2℃;1H NMRδ：0.89(t,J=6.9Hz,6H,CH3),1.28～1.41(m,8H,CH2),1.58～1.62(m,4H,CH2),3.34(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.51～3.59(m,4H,CH2),4.44(t,J=4.9Hz,2H,CH),4.56(d,J=10.6Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 14.0,22.6,25.9,32.4,34.4,70.2,70.6,102.9；ESI-MSm/z: 273{[M+H]+}。

3e：m.p.55.1℃～55.7℃;1H NMRδ：0.88(t,J=6.7Hz,6H,CH3),1.28～1.43(m,12H,CH2),1.59～1.63(m,4H,CH2),3.34(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.51～3.59(m,4H,CH2),4.43(t,J=4.9Hz,2H,CH),4.55(d,J=10.1Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 14.0,22.6,23.4,31.7,32.4,34.7,70.2,70.6,102.9；ESI-MSm/z: 301{[M+H]+}。

3f：m.p.142.0℃～142.8℃;1H NMRδ：1.04～1.27(m,10H,a-H),1.43～1.54(m,2H,CH),1.63～1.78(m,10H,a-H),3.32(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.47～3.58(m,4H,CH2),4.18(d,J=4.7Hz,2H,CH),4.53(dd,J=11.3Hz,9.0Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 25.8,26.5,27.1,27.1,32.6,42.3,70.2,70.5,105.7；ESI-MSm/z: 325{[M+H]+}。

3g：m.p.47.7℃～48.4℃;1H NMRδ：0.92(t,J=7.5Hz,6H,CH3),1.36(s,6H,CH3),1.71(q,J=7.5Hz,4H,CH2),3.66(s,4H,CH2),3.75～3.87(m,4H,CH2);13C NMRδ: 7.7,19.7,30.5,32.4,63.8,100.2；ESI-MSm/z: 245{[M+H]+}。

3h：m.p.41.7℃～42.9℃;1H NMRδ：0.92(t,J=7.3Hz,6H,CH3),1.35(s,6H,CH3),1.39～1.44(m,4H,CH2),1.62～1.67(m,4H,CH2),3.65(s,4H,CH2),3.75～3.87(m,4H,CH2);13C NMRδ: 14.8,15.5,25.3,32.4,40.3,63.8,100.0；ESI-MSm/z: 273{[M+H]+}。

3i：m.p.18.9℃～19.4℃;1H NMRδ：0.90(t,J=7.0Hz,6H,CH3),1.30～1.39(m,14H,CH2，CH3),1.64～1.69(m,4H,CH2),3.65(s,4H,CH2),3.76～3.89(m,4H,CH2);13C NMRδ: 14.1,20.1,23.0,25.4,32.4,37.8,63.8,100.0；ESI-MSm/z: 301{[M+H]+}。

3j：m.p.136.9℃～138.8℃;1H NMRδ：3.77(s,8H,CH2),3.84(s,8H,CH2);13C NMRδ: 32.7,41.7,64.2,98.3；ESI-MSm/z: 355{[M+H]+}。

3k：m.p.184.7℃～185.9℃;1H NMRδ：1.88(t,J=5.4Hz,8H,CH2),3.70(t,J=5.4Hz,8H,CH2),3.76(s,8H,CH2);13C NMRδ: 33.0,33.4,63.2,64.6,96.3；ESI-MSm/z: 301{[M+H]+}。

3l：m.p.135.2℃～136.3℃;1H NMRδ：1.63～1.68(m,8H,CH2),1.86(t,J=7.3Hz,8H,CH2),3.72(s,8H,CH2);13C NMRδ: 23.5,32.4,34.8,65.4,110.7；ESI-MSm/z: 269{[M+H]+}。

2 結果與討論

2.1 反應條件優化

季戊四醇雙縮醛(酮)化合物的合成通常采用酸作催化劑，溶劑回流帶水反應。以2a與1的縮合為模型反應，分別考察催化劑和帶水劑對3a收率的影響。

(1)催化劑

115mmol，反應時間2h,其余反應條件同1.2(1)，考察催化劑對3a收率的影響，結果見表1。從表1可見，質子酸具有較好的催化效果，而路易斯酸不能催化該反應。當采用濃硫酸作催化劑時，收率偏低(64.2%)，可能是由于濃硫酸具有氧化作用，易將醛基氧化；對甲苯磺酸催化的收率(88.1%)略高于硅鎢酸(82.3%)，且硅鎢酸價格相對昂貴，因此選擇對甲苯磺酸作為催化劑。

表1 催化劑對3a收率的影響Table1 Effect of the catalyst on the yield of 3a

*115mmol，反應時間2h,其余反應條件同1.2(1)

(2)帶水劑

115mmol，對甲苯磺酸為催化劑,其余反應條件同2.1(1)，考察帶水劑對3a收率的影響，結果見表2。從表2可見，以甲苯為帶水劑時，由于溫度過高，致使2a部分逸出或高溫氧化導致收率較低(12.0%)，不宜選用。環己烷和苯的沸點相近，但前者的收率(88.1%)比后者(90.3%)略低，可能是由于環己烷的極性比苯低?？紤]到苯的毒性較大，選擇環己烷為帶水劑。

表2 帶水劑對3a收率的影響Table2 Effect of the solvent on the yield of 3a

*對甲苯磺酸為催化劑,其余同表1

2.2 底物拓展

以對甲苯磺酸為催化劑，環己烷為溶劑回流帶水反應，進行底物拓展，實驗結果見Scheme 1。從Scheme 1可見，該合成方法適用于不同類型的脂肪族醛和酮底物。但由于季戊四醇雙縮脂肪醛螺環化合物(3a～3f)的極性相對較大，當反應液冷卻后，產物能夠從環己烷中自然析出，后處理簡單；而極性較小的季戊四醇雙縮脂肪酮螺環化合物(3g～3l)在環己烷中溶解度較好，需采用柱層析純化目標產物?？傮w而言，季戊四醇雙縮脂肪醛螺環化合物收率高于脂肪酮螺環化合物；直鏈季戊四醇雙縮脂肪醛螺環化合物收率低于支鏈和環狀脂肪醛螺環化合物；季戊四醇雙縮不對稱脂肪酮螺環化合物收率低于對稱脂肪酮螺環化合物。

[1] Kannan V,Sreekumar K,Gil A,etal.Acetalation of pentaerithritol catalyzed by an Al-pillared saponite[J].Catal Lett,2011,141(5):1118-1122.

[2] 魏榮寶,劉洋,梁婭.含螺環結構農藥研究進展[J].有機化學,2009,29:476-487.

[3] Gaina L,Gal E,Mataranga-Popa L,etal.Synthesis,structural investigations,and DFT calculations on novel 3-(1,3-dioxan-2-yl)-10-methyl-10H-phenothiazine derivatives with fluorescence properties[J].Tetrahedron,2012,68:2464-2470.

[4] Wang B,Gu Y L,Song G Y,etal.An efficient procedure for protection of carbonyls catalyzed by sulfamic acid[J].J Mol Catal A:Chem,2005,233:121-126.

[5] 李培,譚淼淼,毛婷婷,等.微波輻射下季戊四醇雙縮對甲氧基苯甲醛的催化合成[J].化工科技,2010,18:32-34.

[6] Barr J,Woodburn K W,Ng S Y,etal.Post surgical pain management with poly(ortho esters)[J].Adv Drug Deliv Rev，2002,54:1041-1048.

[7] Wang Y Y,Gong X X,Wang Z Z,etal.SO3H-functionalized ionic liquids as efficient and recyclable catalysts for the synthesis of pentaerythritol diacetals and diketals[J].J Mol Catal A:Chem,2010,322:7-16.

[8] 武戈,張萍,劉占榮.可膨脹石墨催化合成季戊四醇雙縮茴香醛[J].石家莊學院學報,2009,11:29-31.

[9] 毛立新,廖德仲,關桂元,等.焙燒硫酸鐵銨催化合成季戊四醇雙縮苯甲醛[J].化工時刊,2003,17:39-41.

[10] 孫勇,周忠強.微波輻射下硫酸鹽催化合成季戊四醇雙縮苯甲醛[J].化學試劑,2008,30:293-294.

SynthesisofAliphaticDiacetals(Diketals)Spiro-compounds

LI Zheng-yi，YIN Yue，GE Ling，JIN Lin-lin，CHEN Liang，SUN Xiao-qiang

(School of Petrochemical Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)

A series of aliphatic diacetals or diketals(3a～3l)were synthesized by reflux of pentaerythritol with aliphatic aldehydes or ketones usingp-toluenesulfonic acid as the catalyst.3,9-Dimethyl-3,9-dibutyl-2,4,8,10-tetraoxaspiro[5.5]undecane(3i)and 3,7,11,15,18,21-hexaoxatrispiro[5.2.2.512.29.26]henicosane(3k)were new compounds.The structures were characterized by1H NMR,13C NMR and ESI-MS.

aliphatic;diacetals;diketals;pentaerythritol;synthesis

2013-06-24;

2014-06-05

國家自然科學基金資助項目(21002009)；江蘇省高校自然科學研究重大項目(12KJA150002)；常州市科技項目(CJ20115019)；江蘇省“青藍工程”資助項目

李正義(1979-)，男，江蘇揚州人，副教授，主要從事有機合成和超分子化學的研究。E-mail: zyli@cczu.edu.cn

孫小強，教授，E-mail: sunxiaoqiang@yahoo.com

O623.5

A

1005-1511(2014)05-0672-04