超聲波輻射法制備芳香醛縮醛(酮)*

萬子露，黃林偉，藍嫄嫄，司鴻瑋，陳連清

(中南民族大學 催化材料科學國家民委-教育部共建重點實驗室，湖北 武漢 430074)

在多步有機合成和藥物設計中，羰基的保護起著至關重要的作用，而縮醛(酮)類化合物通常作為保護羰基的有機合成中間體[1-2]，而且許多縮醛(酮)被發現可以作為香料和添加劑[3]，因此對縮醛(酮)的研究一直備受關注,至今仍是研究的熱點。

縮醛(酮)傳統的合成方法是在酸催化下，加熱回流，醛(酮)與醇直接反應生成縮醛(酮)，但存在反應時間長、副反應多、后處理復雜等缺點；隨后各種新的合成縮醛(酮)的催化體系被不斷發現，如離子液體[4]、納米TiO2[5]等。這些催化劑體系有效地催化了羰基縮醛(酮)反應的發生，但仍存在反應時間較長、需加熱回流、工藝復雜等缺點。20世紀20年代，美國科學家Richard和Loomis首先發現超聲波可以加速化學反應[6]，近年來，國內外有關聲化學的研究以及學術交流異常活躍，超聲波在有機合成中因具有反應條件溫和、操作簡便、清潔無污染等優點而受到了廣泛關注，已被廣泛應用于氧化反應、還原反應、加成反應、取代反應、縮合反應、水解反應等，然而超聲波技術應用于芳香醛與醇類的縮醛(酮)化反應至今仍少有文獻報道[7]。

作者采用超聲波輻射法，在對甲基苯磺酸(p-TSA)和分子篩作催化劑的條件下，合成了16種芳香醛縮醛(酮)，考察了含有不同取代基的芳香醛和醇對超聲波輻射下的縮醛(酮)化反應的影響；并以對硝基苯甲醛與乙醇的縮醛化反應為基本反應，探討了反應時間、反應物濃度、催化劑種類和用量對超聲輻射縮醛化反應的影響，對反應條件進行了優化。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對羥基苯甲醛、鄰甲氧基苯甲醛、間甲氧基苯甲醛、對甲氧基苯甲醛、對甲基苯甲醛、苯甲醛、對氟苯甲醛、對溴苯甲醛、鄰硝基苯甲醛、間硝基苯甲醛、對硝基苯甲醛、糠醛、對硝基苯乙酮、甲醇、乙醇、乙二醇、苯甲醇、對甲苯磺酸：均為市售分析純，使用前均未進一步純化；分子篩：4A型(鈉-A型分子篩)，球狀，3～5 mm，馬弗爐中300 ℃活化3h后使用，國藥集團化學試劑有限公司。

KQ3200E型超聲波清洗儀：功率150 W，昆山超聲儀器有限公司；PE 2400 Ⅱ型元素分析儀：美國Perkin-Elmer公司；ZAB 3F-HF型質譜儀：英國VG公司；Avance III 400核磁共振譜儀：CDCl3為溶劑，TMS為內標，德國Bruker公司；7820型氣相色譜：美國Agilent公司。

1.2 合成路線

超聲波輻射法制備縮醛(酮)的合成路線見圖1。

圖1 超聲波輻射法制備縮醛(酮)的合成路線

1.3 實驗步驟

在10 mL單口瓶中加入0.1 g對硝基苯醛和2.5 mL乙二醇，再加入0.03 gp-TSA和1 g分子篩，并在瓶口裝上球形冷凝管和裝有CaCl2的干燥管，將單口瓶放入KQ3200E型(功率150W)超聲波水槽中反應。反應結束后用氣相色譜檢測其產率。反應液經過濾除去分子篩，加乙醚萃取，柱層析得到產物[柱層析所用展開劑為乙酸乙酯和石油醚，V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶10]。其它縮醛(酮)按類似的方法合成。

2 結果與討論

2.1 取代基的種類和位置對超聲波輻射法制備取代芳香醛縮醛(酮)的影響

在1.3反應條件下，用不同種類和位置的取代基取代的芳香醛(酮)與乙二醇反應，結果見表1。

由表1可知，苯甲醛乙二醇縮醛的產率為41%，在相同反應條件下當苯環對位連有給電子的甲氧基時其縮醛化反應產率降低為38%，當苯環對位連有給電子效應更強的羥基時其縮醛化反應產率降低為20%，而苯環對位連有強吸電子的硝基時其縮醛化反應產率可達99%，由此可見吸電子基團更有利于超聲條件下縮醛(酮)化反應的進行，但也有例外，如對甲基苯甲醛乙二醇縮醛的產率(70%)高于苯甲醛乙二醇縮醛的產率(41%)，對溴苯甲醛乙二醇縮醛的產率(72%)高于對氟苯甲醛乙二醇縮醛的產率(49%)，這是由于對甲基苯甲醛、對溴苯甲醛固有的頻率和實驗所用超聲波頻率接近，加速了化學鍵的斷裂，從而促進了反應的進行而得到較高的產率；取代基的位置對產率的影響并沒有規律，當苯環上的取代基為給電子的甲氧基時，產率：間位>鄰位>對位，而當苯環上的取代基為吸電子的硝基時，產率：對位>間位>鄰位。

表1 取代基的種類和位置對超聲輻射縮醛(酮)化反應的影響

續表

2.2 醇的種類對超聲波輻射法制備取代芳香醛縮醛(酮)的影響

在1.3反應條件下，用不同種類的醇與對硝基苯甲醛反應，結果見表2。

表2 醇種類對超聲縮醛(酮)化反應的影響

由表2可知，除芳香族的苯甲醇外，其它脂肪醇與對硝基苯甲醛的超聲縮醛化反應的產率都較高，這可能和芐基的空間位阻有關。

2.3 超聲波輻射法制備芳香醛縮醛(酮)的反應條件的優化

在優化超聲波輻射法制備芳香醛縮醛(酮)的反應條件的實驗中，以對硝基苯甲醛和乙醇的縮醛化反應為基本反應，固定對硝基苯甲醛0.1 g，分子篩1 g，室溫超聲，考察催化劑種類、反應時間、對硝基苯甲醛濃度、催化劑用量對超聲波輻射法制備芳香醛縮醛(酮)的影響。

2.3.1 催化劑種類的確定

c(對硝基苯甲醛)=0.25 mol/L，n(催化劑)∶n(對硝基苯甲醛)=25%，改變催化劑的種類，室溫超聲反應10 min，結果見表3。

表3 催化劑種類對超聲縮醛化反應的影響

由表3可知，在超聲條件下，乙酸、乳酸、氯乙酸做催化劑，對硝基苯甲醛和乙醇幾乎都不發生縮醛化反應，而p-TSA做催化劑且加入分子篩，對硝基苯甲醛和乙醇的縮醛化反應產率可達89%，因此，選擇p-TSA和分子篩作為對硝基苯甲醛和乙醇的縮醛化反應的催化劑。

2.3.2 超聲時間的確定

c(對硝基苯甲醛)=0.25 mol/L，催化劑為p-TSA且n(催化劑)∶n(對硝基苯甲醛)=25%，改變室溫超聲反應時間，結果見表4。

表4 超聲時間對超聲縮醛化反應的影響

由表4可知，隨著超聲反應時間的延長，縮醛化反應產率先升高后降低，在30 min達到最高，因此，選擇30 min作為對硝基苯甲醛和乙醇的縮醛化反應的反應時間。

2.3.3 醛濃度的確定

催化劑為p-TSA且n(p-TSA)∶n(對硝基苯甲醛)=25%，改變對硝基苯甲醛濃度，室溫超聲反應30 min，結果見表5。

表5 醛濃度對超聲縮醛化反應的影響

由表5可知，隨著醛濃度的升高，縮醛化反應的產率明顯升高，但由于乙醇即作為反應物又作為溶劑，醛的濃度過高會導致其溶解不充分，導致醛濃度為0.3 mol/L時，縮醛化產率稍有下降，因此，選擇醛濃度為0.25 mol/L作為對硝基苯甲醛和乙醇的縮醛化反應的最佳濃度。

2.3.4 催化劑量的確定

c(對硝基苯甲醛)=0.25 mol/L，催化劑為p-TSA，改變催化劑用量，室溫超聲反應30 min，結果見表6。

表6 催化劑用量對超聲縮醛化反應的影響

由表6可知，隨著催化劑用量的增加，縮醛化反應產率先增加后降低，當n(p-TSA)∶n(對硝基苯甲醛)=25%時，產率達到最高，因此，選擇n(p-TSA)∶n(對硝基苯甲醛)=25%作為最佳催化劑用量。

由此可得超聲波輻射法制備取代芳香醛縮醛(酮)最佳反應條件為：c[醛(酮)]=0.25 mol/L，n(p-TSA)∶n[醛(酮)]=1∶4，室溫超聲時間為30 min。

3 結 論

(1) 在超聲波輻射條件下，以p-TSA和分子篩為催化劑，醇作溶劑和反應物，在室溫下合成了16種取代芳香醛縮醛(酮)；

(2) 超聲波輻射法制備取代苯甲醛乙二醇縮醛時，苯環上有硝基取代的苯甲醛在進行縮醛化反應時產率較高，當硝基分別在苯環的對位、間位、鄰位，其與乙二醇的縮醛化反應產率分別為99%、95%、78%；

(3) 甲醇、乙醇、乙二醇分別與對硝基苯甲醛進行超聲條件下的縮醛化反應，都能得到較高的產率，分別為95%、97%、99%；

(4) 超聲波輻射法制備取代芳香醛縮醛(酮)的最佳條件是：[c醛(酮)]=0.25 mol/L，催化劑n(p-TSA)∶n[醛(酮)]=1∶4，室溫超聲時間為30 min。

參 考 文 獻：

[1] GREENE T W,WUTS P G M.Protective groups in organic synthesis[M].3rd ed.New York:John Wiley and Sons,1999:399-402.

[2] KOCIENSKI P J.Protecting groups [M].1st ed.New York:Thieme,1994:187-190.

[3] MESKENS F J.Methods for the preparation of acetals from alcohols or oxiranes and carbonyl compounds[J].Synthesis,1981,32(7):501-522.

[4] DU Y,TIAN F.Br?nsted acidic ionic liquids as efficient and recyclable catalysts for protection of carbonyls to acetals and ketals under mild conditions[J].Synthetic Communications,2005,35(20):2703-2708.

[5] 葉美英,周剛,李寶興.納米TiO2光催化芳香醛的縮醛反應研究[J].中國科學：化學，2013,43(5):551-557.

[6] RICHARDS W T,LOOMIS A L.The chemical effects of high frequency sound waves I.a preliminary survey[J].J Am Chem Soc,1927,49 (12):3086-3100.

[7] 劉曉磊.二酰胺類化合物的微波超聲波合成及性能基礎研究[D].濟南:濟南大學,2013:13-14.