曙紅催化的縮醛化反應研究

劉亮亮, 馮乙巳，2*, 徐卓瑋, 許華建

(1. 合肥工業大學 a.化學與化工學院； b. 醫學工程學院， 安徽 合肥 230009；2. 安徽省雜環實驗室，安徽 合肥 230009)

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曙紅催化的縮醛化反應研究

劉亮亮1a, 馮乙巳1a，2*, 徐卓瑋1a, 許華建1b

(1. 合肥工業大學 a.化學與化工學院； b. 醫學工程學院， 安徽 合肥 230009；2. 安徽省雜環實驗室，安徽 合肥 230009)

以醇溶性曙紅為催化劑，在溫和條件下高效催化縮醛化反應，該催化體系適應于不同種類的脂肪醛或芳香醛與短鏈一元醇或二元醇的羰醇縮合反應，于室溫反應24 h，縮醛化產物收率58%～99%，其結構經1H NMR,13C NMR和HR-MS確證。

醛; 縮醛化; 醛基保護; 醇溶性曙紅; 催化; 合成

醛基是一類十分活潑的化學基團，極易發生氧化、加成、聚合及縮合等反應[1-2]。在多步合成中，為防止活潑醛基對反應的干擾，縮醛化處理是醛基保護的最常用策略[3-4]。此外，縮醛化合物又是重要的有機中間體[5]和極具經濟價值的化工產品，廣泛應用于醫藥、食品、化妝品、香料和表面活性劑等領域[6]。縮醛化反應通常在質子酸[7]催化下進行，如硫酸、鹽酸、三氟乙酸和三氟化硼等。質子酸來源廣泛，價格低廉，但存在催化劑用量大、催化效率低、后續處理過程復雜、腐蝕設備和污染環境等弊端。由于縮醛化反應是可逆反應，在理論研究和工業化生產實踐中，縮醛化反應在多數情況下反應收率較低，反應時間長，工藝過程相對復雜。有報道指出使用固體酸[8]、金屬鹽[9]和離子溶液[10]等方法，也都能獲得良好的催化效果。

近些年來，Connon等[11-12]使用含氮雜環有機鹽作為催化劑，實現了溫和條件下的縮醛化反應，收率41%～99%。研究發現一些有機小分子也能在縮醛化反應中表現出良好的催化效能。如Rangel等[13]報道四氯苯醌在醇溶液和光照條件下能有效催化縮醛化反應。推測其反應機理認為光激發產生的四氯對苯二酚起著質子化作用，縮醛收率為47%～98%。然而該類催化劑制備復雜、價格昂貴且毒性大。

Scheme 1

醇溶性曙紅具有類似四氯對苯二酚的結構，醌酚互變的分子結構(Chart 1)具有質子化作用，并表現出較強的酸性。縮醛化反應的實質是質子化過程。本文對曙紅催化的縮醛化反應進行研究，發現該催化體系在不同種類的脂肪醛或芳香醛與短鏈一元醇或二元醇的羰醇縮合反應中具有良好的催化活性，于室溫反應24 h，縮醛化產物收率58%～99%(Scheme 1)，其結構經1H NMR,13C NMR和HR-MS確證。

Chart 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

安捷倫VNMRS600型超導核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標)；Waters LCT Premier XE型高分辨質譜儀；Trace 1300型氣相色譜儀。

HSGF254高效薄層層析硅膠板，煙臺匯友開發有限公司；HSGF254型薄層板硅膠(300～400 目)，青島海洋化工分廠；其余所用試劑均為分析純或化學純。

1.2 縮醛化反應合成3a～3p(以3a為例)

在Schlenk反應管中依次加入苯甲醛(1a)53 mg(0.5 mmol)， 1 mol%醇溶性曙紅3.2 mg和甲醇(2a)2 mL，攪拌下于室溫反應24 h(GC監測)。用飽和NaHSO3溶液(5 mL)洗滌除去殘留苯甲醛，依次用飽和NaHCO3溶液(5 mL)和蒸餾水洗滌，無水Na2SO4干燥，旋蒸脫溶后經硅膠柱層析[洗脫劑：V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=20 ∶1]純化得淡黃色液體苯甲醛二甲縮醛(3a)70 mg，收率92%。

用類似方法合成3b～3p，其中含強吸電子基的對硝基苯甲醛(1b)在微熱條件反應，其余醛類于室溫反應。

3a： 淡黃色液體，收率92%；1H NMRδ: 7.46～7.44(s, 2H, ArH), 7.36(d,J=7.1 Hz, 2H, ArH), 7.32(t,J=7.2 Hz, 1H, ArH), 5.39(s, 1H, CH), 3.33(s, 6H, CH3)；13C NMRδ: 137.99, 128.41, 128.16, 126.64, 103.11, 52.67； HR-MSm/z: Calcd for C9H12O2[M+] 152.084 6， found 152.084 2。

對甲氧基苯甲醛二甲縮醛(3b)： 淡黃色液體，收率88%；1H NMRδ: 7.37(d,J=8.5 Hz, 2H, ArH), 6.89(d,J=8.6 Hz, 2H, ArH), 5.35(s, 1H, CH), 3.81(s, 3H, OCH3), 3.31(s, 6H, CH3)；13C NMRδ: 159.66, 130.37, 127.89, 113.51, 103.05, 55.18, 52.59； HR-MSm/z: Calcd for C10H14O3[M+]182.091 4， found 182.091 2。

對硝基苯甲醛二甲縮醛(3c)： 淡黃色液體，收率98%；1H NMRδ: 8.22～8.24(s, 2H, ArH), 7.64～7.65(s, 2H, ArH), 5.48 (s, 1H, CH), 3.34 (s, 6H, CH3)；13C NMRδ: 148.02, 145.06, 127.81, 123.42, 101.57, 52.71； HR-MSm/z: Calcd for C9H11NO4[M+]197.072 0， found 197.072 2。

對氯苯甲醛二甲縮醛(3d)： 淡黃色液體，收率95%；1H NMR(DMSO-d6)δ: 7.44(d,J=8.5 Hz, 2H, ArH), 7.39(d,J=8.4 Hz, 2H, ArH), 5.39(s, 1H, CH), 3.23(s, 6H, CH3)；13C NMR(DMSO-d6)δ: 137.19, 132.95, 128.44, 128.18, 101.85, 52.57； HR-MSm/z: Calcd for C9H11O2Cl[M+] 186.046 4， found 186.046 0。

間溴苯甲醛二甲縮醛(3e)： 淡黃色液體，收率92%；1H NMR(DMSO-d6)δ: 7.55～7.53 (m, 1H, ArH), 7.39 (d,J=7.8 Hz, 1H, ArH), 7.36 (t,J=7.6 Hz, 1H, ArH), 5.39 (s, 1H, CH), 3.25(s, 6H, CH3)；13C NMR(DMSO-d6)δ: 138.05, 131.22, 130.42, 129.21, 125.57, 122.39, 101.63, 52.70； HR-MSm/z: Calcd for C9H11O2Br[M+] 229.996 8， found 229.996 6。

間甲基苯甲醛二甲縮醛(3f)： 淡黃色液體，收率90%；1H NMR(DMSO-d6)δ: 7.26(t,J=7.5 Hz, 1H, ArH), 7.20(s, 1H, ArH), 7.18～7.13(m, 2H, ArH), 5.33(s, 1H, CH), 3.23(s, 6H, CH3), 2.32(s, 3H, CH3)；13C NMR(DMSO-d6)δ: 138.09, 137.18, 127.94, 127.01, 126.85, 123.56, 102.69, 52.46, 20.67； HR-MSm/z: Calcd for C10H14O2[M+]166.102， found 166.103 4。

鄰氯苯甲醛二甲縮醛(3g)： 淡黃色液體，收率94%；1H NMR(DMSO-d6)δ: 7.68(d,J=8.5 Hz, 1H, ArH), 7.39(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 7.28(s, 1H, ArH), 7.21(s, 1H, ArH), 5.36(s, 1H, CH), 3.37(s, 6H, CH3)；13C NMR(DMSO-d6)δ: 137.21, 132.85, 129.24, 128.34, 128.28, 126.52, 101.75, 52.52； HR-MSm/z: Calcd for C9H11O2Cl [M+]186.043 4， found 186.043 2。

對硝基苯甲醛二乙縮醛(3h)： 淡黃色液體，收率82%；1H NMRδ: 8.22(d,J=8.6 Hz, 2H, ArH), 7.66(d,J=8.3 Hz, 2H, ArH), 5.58(s, 1H, CH), 3.59(dt,J=16.4 Hz, 9.3 Hz, 4H, CH2), 1.25(t,J=7.0 Hz, 6H, CH3);13C NMRδ: 147.90, 146.10, 127.71, 123.39, 100.12, 61.27, 15.13； HR-MSm/z: Calcd for C11H15NO4[M+]225.108 6， found 225.108 8。

2-(4-硝基苯基)-1,3-二氧戊環(3i)： 淡黃色液體，收率97%；1H NMRδ: 8.25(s, 2H, ArH), 7.66(s, 2H, ArH), 5.90(s, 1H, CH), 4.15～4.07(m, 4H, CH2)；13C NMRδ: 148.35, 144.88, 127.40, 123.57, 102.21, 65.46: HR-MSm/z: Calcd for C9H9NO4[M+]195.053 6， found 195.053 2。

苯乙醛二甲基縮醛(3j)： 無色液體，收率80%；1H NMRδ: 7.30(d,J=7.6 Hz, 2H, ArH), 7.24(s, 2H, ArH), 7.21(d,J=7.2 Hz, 1H, ArH), 4.54(t,J=5.6 Hz, 1H, CH), 3.34(s, 6H, CH3), 2.91(s, 2H, CH2)；13C NMRδ: 137.03, 129.40, 128.29, 126.34, 105.34, 53.31, 39.67； HR-MSm/z: Calcd for C10H14O2[M+]166.102 8， found 166.102 4。

苯丙醛二甲基縮醛(3k)： 無色液體，收率86%；1H NMRδ: 7.28(t,J=7.5 Hz, 2H, ArH), 7.21～7.17(m, 3H, ArH), 4.37(t,J=5.7 Hz, 1H, CH), 3.33(s, 6H, CH3), 2.70～2.65(m, 2H, CH2), 1.93(dt,J=13.7 Hz, 5.9 Hz, 2H, CH2)；13C NMRδ: 141.61, 128.37, 125.85, 103.76, 52.71, 34.08, 30.85； HR-MSm/z: Calcd for C11H16O2[M+]180.125 3， found 180.125 1。

苯乙醛二乙基縮醛(3l)： 無色液體，收率58%；1H NMRδ: 7.24～7.20(m, 2H, ArH), 7.19(s, 2H, ArH), 7.17(d,J=7.7 Hz, 1H, ArH), 4.57(t,J=5.6 Hz, 1H, CH), 3.64～3.59(m, 2H, CH2), 3.42～3.35(m, 2H, CH2), 2.86(d,J=5.6 Hz, 2H, CH2), 1.10(t,J=7.0 Hz, 6H, CH3)；13C NMRδ: 137.35, 129.59, 128.14, 126.24, 103.85, 61.86, 40.89, 15.25； HR-MSm/z: Calcd for C12H18O2[M+]194.136 6， found 194.136 4。

苯丙醛二乙基縮醛(3m)： 無色液體，收率64%；1H NMRδ: 7.30～7.27(m, 2H, ArH), 7.22(d,J=7.6 Hz, 2H, ArH), 7.20(d,J=7.3 Hz, 1H, ArH), 4.51(t,J=5.7 Hz, 1H, CH), 3.68(dq,J=14.2 Hz, 7.1 Hz, 2H, CH2), 3.52(dq,J=14.3 Hz, 7.1 Hz, 2H, CH2), 2.74～2.68(m, 2H, CH2), 2.00～1.94(m, 2H, CH2), 1.24(t,J=7.1 Hz, 6H, CH3)；13C NMRδ: 141.78, 128.39, 128.34, 125.78, 102.19, 61.02, 35.09, 31.01, 15.37； HR-MSm/z: Calcd for C13H20O2[M+]208.151 5， found 208.151 3。

1,1-二甲氧基辛烷(3n)： 無色液體，收率82%；1H NMRδ: 4.35(t,J=5.7 Hz, 1H, CH), 3.30(s, 6H, CH3), 1.58(dd,J=14.6 Hz, 6.1 Hz, 2H, CH2), 1.36～1.21(m, 12H, CH2), 0.87(t,J=6.9 Hz, 3H, CH3)；13C NMRδ: 104.60, 52.57(s), 32.50, 31.77, 29.44, 29.21, 24.60, 22.63, 14.06； HR-MSm/z: Calcd for C10H22O2[M+]174.163 4， found 174.163 6。

1,1-二甲氧基壬烷(3o)： 無色液體，收率77%；1H NMRδ: 4.35(t,J=5.7 Hz, 1H, CH), 3.40(d,J=105.5 Hz, 6H, CH3), 1.60(ddd,J=14.6 Hz, 11.0 Hz, 6.4 Hz, 2H, CH), 1.26(dd,J=20.1 Hz, 9.2 Hz, 10H, CH), 0.87(t,J=6.9 Hz, 3H, CH3)；13C NMRδ: 104.59, 52.56, 32.50, 31.85, 29.50(2C), 29.21, 24.60, 22.65, 14.08； HR-MSm/z: Calcd for C11H24O2[M+]188.183 5， found 188.183 3。

1,1-二甲氧基庚烷(3p)： 無色液體，收率86%；1H NMRδ: 4.36(t,J=5.8 Hz, 1H, CH), 3.32(s, 6H, CH3), 1.62～1.56(m, 2H, CH2), 1.30(dd,J=12.2 Hz, 5.6 Hz, 6H, CH2), 1.28(s, 2H, CH2), 0.88(t,J=6.8 Hz, 3H, CH3)；13C NMRδ: 104.50, 52.54, 32.45, 31.76, 29.14, 24.56, 22.57, 14.07； HR-MSm/z: Calcd for C9H20O2[M+]160.152 7， found 160.152 5。

2 結果與討論

2.1 反應條件優化

以1a與2a的縮醛化反應為模型反應，研究催化劑及其用量和反應時間等因素對縮醛化反應的影響，對反應條件進行優化,結果見表1。

研究了水溶性曙紅與醇溶性對1a與2a的縮醛化反應，選用類似于四溴苯醌和四溴對苯二酚結構的曙紅催化劑。從表1實驗結果可推測：具有類似四溴苯酚結構的醇溶性曙紅，有明顯的催化效果(No.3)；醌結構的水溶性曙紅沒有表現出催化作用(No.2)。這與Rangel等[10]的實驗結果相一致，他們選用四氯苯醌作為催化劑，在光照條件下四氯苯醌轉化四氯對苯二酚，四氯苯醌沒有催化活性，起催化作用的是四氯對苯二酚。醇溶性曙紅本身具有類似四氯對苯二酚的結構，在無光條件下即可實現縮醛化的高效催化。本文進一步探究了催化劑用量和反應時間的影響，可以看出1 mol%(No.4)是最佳的催化劑量，減少催化劑量時，收率下降(No.5～6)，增加催化劑量時，收率無顯著提高(No.3)；選擇8～36 h進行模型反應時，分析實驗結果發現：24 h是最優的反應時間(No.4)，縮短反應時間收率下降(No.7～8)，延長反應時間收率無進一步提升。通過對模型反應的各類影響因素的優化和篩選，確定苯甲醛與甲醇縮醛化反應的最佳條件為：1 mol%醇溶性曙紅為催化劑，在無水甲醇(2 mL)中于室溫反應24 h，收率94%。

表1 模型反應條件優化*

*反應條件: 1a 0.5 mmol， 2a 2 mL，于室溫反應。

2.2 底物適應性

由Scheme 1反應結果可知，醇溶性曙紅作為催化劑具有良好的底物適應性。首先模型反應可以獲得92%的收率(3a)。對于取代苯甲醛，無論是具有吸電子基Cl， Br和NO2，或是具有供電子基CH3和OCH3，縮醛化反應都獲得較高的反應收率(3b～3g)，并呈現出一定的反應規律。苯甲醛對位為吸電子基時，收率相對模型反應升高，幾乎獲得定量反應的收率(3c～3d)；苯甲醛對位為供電子基時，收率相對模型反應下降(3b)。對于間位取代的苯甲醛，無論是供電子基還是吸電子基，其收率相比模型反應差別不大(3e～3f)，主要是由于間位的空間位阻作用和電子效應影響不明顯。當吸電子基位于醛基鄰位時，縮醛化收率相比模型反應稍微增加(3g)，主要是電子效應與空間效應共同作用的結果。對于不同的脂肪醛，醇溶性曙紅也表現出良好的催化效能，但由于烷基是供電子基團，其反應收率相比于苯甲醛有所下降(3f～3l)。本文進一步研究使用不同短鏈一元醇(如甲醇和乙醇)或二元醇(如乙二醇)進行的縮醛化反應，其中醇類起到反應物和溶劑作用。乙醇由于碳骨架比甲醇長，其反應收率會出現明顯的下降(如3c和3h)。乙二醇由于與醛形成是穩定的環狀結構，其收率相比乙醇較高。

選用廉價易得的有機分子曙紅作為催化劑，通過反應條件的優化和底物適應范圍的探究，實現縮醛化合物的高效合成。實驗結果表明：苯甲醛在室溫條件下的甲醇溶液中反應24 h可達到92%的縮醛收率。該反應底物適用范圍廣泛，當選用不同類型的芳香醛和脂肪醛時，縮醛化反應都能獲得很好的收率；對于不同種類的短鏈一元醇和二元醇的羰醇縮合反應，醇溶性曙紅也表現出良好的兼容性。曙紅催化劑具有優良的反應特性，縮醛合成在室溫或微熱條件下進行，催化劑用量少，反應溫和且高效。該研究結果為縮醛香料的合成提供一種簡單經濟的新方法，溫和高效且底物適應范圍廣，具有一定的工業應用前景。

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Study on The Acetalization Reaction Catalyzed by Eosin Y

LIU Liang-liang1a, FENG Yi-si1a,2*, XU Zhuo-wei1a, XU Hua-jian1b

(a. School of Chemistry and Chemical Engineering; b. School of Medical Egineering; 1. Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Anhui Provincial Laboratory of Heterocyclic Chemistry, Hefei 230009, China)

The acetalization reaction of different kinds of aliphatic aldehydes or aromatic aldehydes with short chain monohydric alcohols and diols was achieved under mild conditions catalyzed by the alcohol-soluble Eosin Y. The yield of acetal compounds were 58%～99% after reaction for 24 h at room temperature. The structures were confirmed by1H NMR,13C NMR and HR-MS.

aldehyde； acetalization; carbonyl protection； alcohol-soluble Eosin Y； catalysis； synthesis

2016-04-12;

2016-11-16

國家自然科學基金資助項目(21472033， 21371044)

劉亮亮(1989-)，男，漢族，安徽界首人，碩士研究生，主要從事有機合成研究。 E-mail: d30914038@126.com

馮乙巳，教授， Tel. 0551-62904405， E-mail: fengyisi@hfut.edu.cn

O621.3; O623.54+1

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.01.16100