赵从飞,鲍远志,徐俊杰,翁世兵,柴多里

(1.合肥工业大学 化学与化工学院,安徽 合肥 230009; 2.六安市捷通达化工有限责任公司,安徽 六安 237158)



微波辅助“一锅煮”法合成p-羟基肉桂酸

赵从飞1,鲍远志2,徐俊杰1,翁世兵2,柴多里1

(1.合肥工业大学 化学与化工学院,安徽 合肥 230009; 2.六安市捷通达化工有限责任公司,安徽 六安 237158)

微波辐射下,文章以p-羟基苯甲醛和乙酸酐为原料,碳酸钾为催化剂,经Perkin反应“一锅煮”法合成p-羟基肉桂酸,并优化了反应条件。实验结果表明: 在p-羟基苯甲醛、乙酸酐和碳酸钾摩尔比为1∶4∶1,微波辐射功率为700 W,回流反应20 min,水解反应2 h的条件下,p-羟基肉桂酸的产率达到71.94%,纯度为99.20%。产物结构经傅里叶红外光谱仪 (FT-IR)、超导核磁共振波谱仪 (1H NMR)和显微熔点仪分析表征并加以确认。

p-羟基苯甲醛;碳酸钾;Perkin反应;微波辅助;“一锅煮”法

p-羟基肉桂酸又名4-羟基苯丙烯酸,广泛存在于自然界植物中,其中在豆科植物中含量较高[1]。p-羟基肉桂酸具有广泛的生理活性,如抑菌、 抗氧化等[2-4],同时还作为利胆的有效成分与等量的去氢氧酸有着相近的利胆作用[5-6]。p-羟基肉桂酸酯对280～320 nm 紫外线具有很好的吸收能力,并对酪氨酸酶有抑制作用,已被广泛用于防晒剂之中[7-9]。p-羟基肉桂酸衍生物在液晶显示器的光控取向膜上也有很好的应用[10-11]。

因为从植物中提取p-羟基肉桂酸存在着工艺复杂、分离提纯难度大、成本高而且产量产率低等诸多缺陷,所以p-羟基肉桂酸主要是采用化学合成的方法而获得。通常采用Knoevenagel反应,通过p-羟基苯甲醛与丙二酸在吡啶、哌啶等弱碱催化下缩合而得。但该方法需用过量的丙二酸和吡啶,丙二酸受热易分解、价格偏贵,吡啶有难闻的气味及毒性,对环境影响较大。文献[12]以p-羟基苯甲醛和丙二酸为原料,采用 Knoevenagel反应合成p-羟基肉桂酸,产率为50%。1986年Gedye等发现微波可以促进有机合成反应的进行,从此微波辐射作为一种全新的合成方法在有机合成上得到了广泛的应用[13-15]。文献[16]以p-羟基苯甲醛和丙二酸为原料,在微波辐射条件下合成p-羟基肉桂酸,辐射时间50 min,产率为72.76%。

以苯甲醛和乙酸酐为原料,碳酸钾为催化剂,采用Perkin 反应合成肉桂酸有较多研究报道,文献[17]采用常规加热方式合成了肉桂酸,反应时间为45 min,粗产率为74.5%。文献[18]采用微波辐射合成肉桂酸,辐射时间为1.5 min,产率为40%～50%。文献[19]在反应中加入相转移催化剂PEG-400,以炭黑为吸波剂,取得了较好的效果,辐射时间为14 min,产率为89.5%。

关于采用Perkin 反应合成p-羟基肉桂酸的相关报道并不多。由于p-羟基苯甲醛苯环上的酚羟基(给电子基)对p-羟基苯甲醛的缩合反应有一定的抑制作用,使合成反应较难进行。文献[20]研究了环上取代基对缩合反应的影响,羟基处于醛基邻位和对位的苯甲醛与几种苯乙酮衍生物的缩合,多数没有得到预期的产物,或收率极低。

本文在微波辐射下,以价格相对较低的乙酸酐既当溶剂又作合成反应的原料,在碳酸钾的催化下,采用Perkin 反应“一锅煮”法,合成了p-羟基肉桂酸。不仅缩短了反应时间,避免了丙二酸的使用和吡啶对环境的影响,而且通过羟基保护使得缩合反应能够顺利进行。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

p-羟基苯甲醛(化学纯),湖北远成赛创科技有限公司;乙酸酐(分析纯),上海化学试剂有限公司;碳酸钾(分析纯),广东汕头市西陇化工厂;氢氧化钠(分析纯),上海苏懿化学试剂有限公司;硫酸(分析纯),宜兴市辉煌化学试剂厂。

Nicolet67型傅里叶红外光谱仪(美国Thermo Nicolet);VNMRS600型超导核磁共振波谱仪 (美国安捷伦科技公司);MCL-3型微波化学实验仪(四川大学无线电系);XT4A型显微熔点测定仪 (北京电光科学仪器厂);DZF-6020型真空干燥箱 (上海三发科学仪器有限公司)。

1.2 合成原理

首先乙酸酐和苯环上的酚羟基进行酰基化反应,再与乙酸酐进行亲核加成反应后脱去水,生成乙酰肉桂酸,最后在碱性条件下水解,经稀硫酸酸化,得到产物p-羟基肉桂酸,合成的反应式如下:

(1)

(2)

1.3 实验步骤

1.3.1 微波辅助合成

于100 mL圆底烧瓶中,按配比依次加入设定量的p-羟基苯甲醛、碳酸钾、乙酸酐,将其放入微波反应器中,打开微波反应器开关,辐射并搅拌,反应启动后,白色固体逐渐消失,并有气体放出,通过尾气接收装置将该气体通入氢氧化钙溶液中,溶液变浑浊,据此可判断产生了CO2气体。反应至设定的时间后,移至旋转蒸馏装置并蒸出未反应的乙酸酐以及反应生成的乙酸等,冷却至室温,加入适量蒸馏水,抽滤,得到浅黄色固体,用适量NaOH溶液溶解,搅拌、水浴加热水解后,用稀硫酸调节pH值,出现沉淀,抽滤,粗产物经重结晶后,得到淡黄色针状结晶，其熔点为213～214 ℃,文献[21]的熔点为214 ℃。

1.3.2 常规加热合成

100 mL三口烧瓶中依次加入p-羟基苯甲醛7.0 g (0.057 4 mol),碳酸钾7.9 g (0.057 4 mol),乙酸酐21.70 mL (0.229 6 mol),在160 ℃油浴下加热反应约5 h。反应结束后蒸馏出乙酸酐以及反应生成的乙酸等,冷却并加入适量蒸馏水,有沉淀析出,抽滤,得到浅黄色固体。加入适量的 NaOH溶液,水浴加热水解后,滴加稀H2SO4至溶液呈酸性,有沉淀出现,抽滤,得粗产品,重结晶后,得针状淡黄色结晶物6.601 g ，其熔点为211～212 ℃,文献[21]的熔点为214 ℃,产率为70.20%,纯度为98.26%。

2 结果与讨论

2.1 反应时间的影响

在微波辐射下,控制功率为700 W,p-羟基苯甲醛、乙酸酐和碳酸钾摩尔比为1∶4∶1,回流反应,考察反应时间 (t1) 对产物产率的影响,结果见表1所列。

表1 反应时间对产物产率的影响

由表1可以看出,随着反应时间的增加,p-羟基肉桂酸的产率也相应地提高,20 min时产率达到一个较高的数值;但反应时间超过20 min后,不仅p-羟基肉桂酸的产率有所减少,而且颜色也有所加深。这可能是由于随着反应时间的增加,发生了聚合等副反应。因此,可确定较佳的反应时间为20 min。

2.2 物料比的影响

p-羟基苯甲醛和碳酸钾摩尔比为1∶1,控制功率为700 W,微波辐射回流反应20 min,考察p-羟基苯甲醛和乙酸酐摩尔比 (n1∶n2) 对产物产率的影响,结果见表2所列。

表2 物料摩尔比对产物产率的影响

由表2可看出,当乙酸酐的用量较少时,p-羟基肉桂酸的产率较低。这可能是因为在该反应中,乙酸酐既是原料又是溶剂,用量较少时可能会使得反应进行不够完全。随着乙酸酐用量的增加,p-羟基肉桂酸的产率也相应地提高,当p-羟基苯甲醛与乙酸酐摩尔比为1∶4时,p-羟基肉桂酸的产率达到71.94 %,再增加乙酸酐用量,p-羟基肉桂酸的产率反而减少。这可能是因为乙酸酐的用量过多使其他反应物的浓度降低,不利于反应向生成p-羟基肉桂酸的方向进行,使得p-羟基肉桂酸的产率减少。继续增加乙酸酐的用量并没使p-羟基肉桂酸的产率相应提高。所以,确定p-羟基苯甲醛与乙酸酐的摩尔比以1∶4为宜。

2.3 催化剂用量的影响

p-羟基苯甲醛和乙酸酐摩尔比为1∶4,在微波辐射功率为700 W下回流反应20 min,考察了p-羟基苯甲醛与碳酸钾摩尔比 (n1∶n3) 对产物产率的影响,结果见表3所列。

由表3可以看出,碳酸钾的用量较少时,p-羟基肉桂酸的产率较低,可能是因为在碱性较弱的条件下,生成的乙酸酐碳负离子较少,反应不够充分,使得p-羟基肉桂酸的产率减少。随着碳酸钾用量的增加,p-羟基肉桂酸的产率也有所提高,当p-羟基苯甲醛和碳酸钾的摩尔比为 1∶1 时,p-羟基肉桂酸的产率达到 71.94%,继续增加碳酸钾的用量,p-羟基肉桂酸的产率反而减少。这可能是因为过量的碳酸钾和乙酸酐反应,生成了乙酸钾,参与反应的乙酸酐的量相应地减少,所以使得p-羟基肉桂酸的产率减少。因此p-羟基苯甲醛与碳酸钾较适宜的摩尔比为 1∶1。因为反应中有水和乙酸产生,所以催化剂碳酸钾用量为化学计量比。

表3 催化剂用量对产物产率的影响

2.4 纯度测定

准确称取预先在真空干燥箱中干燥5 h的产物p-羟基肉桂酸0.498 g,溶于30 mL无水乙醇中混合均匀后,用0.101 2 mol/L的NaOH标准溶液滴定至粉红色(酚酞为指示剂)。按上述方法重复测试3次,取平均值,纯度为99.20%。其他样品的纯度测定均按照上述方法进行。

2.5 常规加热合成和微波辅助合成的比较

为了进一步比较常规加热与微波辅助合成p-羟基肉桂酸的不同,本文在p-羟基苯甲醛、乙酸酐和碳酸钾摩尔比为1∶4∶1,160 ℃油浴时采用常规加热合成法合成p-羟基肉桂酸,考察了反应时间 (t2) 对产物产率的影响,结果见表4所列。

表4 常规加热反应时间对产物产率的影响

由表4可以看出,在其他反应条件相同的情况下,采用常规加热合成法160 ℃油浴下反应300 min产物产率才达到70.20 %,外观为深黄色结晶,纯度为98.26%。采用微波加热,辐射功率为700 W下回流反应20 min,p-羟基苯甲醛、乙酸酐和碳酸钾摩尔比为1∶4∶1,p-羟基肉桂酸的产率达71.94 %,外观为淡黄色结晶,纯度为99.20 %。

微波辅助合成p-羟基肉桂酸之所以能够缩短反应时间以及改善产物质量,这可能是因为微波加热方式和常规加热方式不同,微波加热是通过被加热物料内部极性分子极化并随着交变电磁场极性变更而交变取向,产生激烈的摩擦使被加热物料温度升高。该过程不需要热传导,物料内外同时加热、同时升温,加热速度快且均匀。

3 产物的表征

以针状淡黄色结晶为测试样品,经Nicolet67型傅里叶红外光谱仪(FT-IR)和VNMRS600型超导核磁共振波谱仪(1H NMR)进行测试,结果如图1 所示、图2所示。

图1 p-羟基肉桂酸的红外光谱图

图2 p-羟基肉桂酸的1H NMR谱图

由图1可看出,3 370 cm-1处为羟基的伸缩振动峰,1 670 cm-1处为羰基的伸缩振动强吸收峰,1 622 cm-1处为碳碳双键吸收峰,1 600、1 510、 1 450 cm-1处为苯环骨架振动主要的吸收特征峰,833 cm-1处为对二取代苯吸收峰,978 cm-1处为反式双键C—H (面外)吸收。红外光谱的特征吸收峰与p-羟基肉桂酸标准红外图谱[21]基本吻合。

图2中,1H NMR 以四甲基硅烷为内标物,二甲基亚砜-d6为溶剂,扫描频率为600 MHz。 由图2可看出,各个质子的化学位移归属为:12.09(s,1H,—COOH),9.92(s,1H,—ArOH),7.48～7.49(d,2H,苯环上靠近碳碳双键的2H),7.45(s,1H,—Ar—CH=C),6.75～6.77(d,2H,苯环上靠近羟基的2H),6.24～6.27(d,1H,—Ar—C=CH),3.30(s,H2O质子峰),2.48(s,二甲基亚砜-d6溶剂峰)[22]。核磁共振氢谱的分析结果显示目标产物为p-羟基肉桂酸。

4 结 论

本文采用微波加热的方式,以乙酸酐为原料和溶剂,碳酸钾作催化剂,采用Perkin反应“一锅煮”法合成了p-羟基肉桂酸。通过红外光谱、核磁共振氢谱及熔点测定,表征了产物的化学结构。获得了较佳的合成反应条件如下:n(p-羟基苯甲醛)∶n(乙酸酐)∶n(碳酸钾)=1∶4∶1,微波辐射功率为700 W,回流反应20 min,水解反应2 h,p-羟基肉桂酸的产率达71.94 %,产品纯度可达99.20 %。

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(责任编辑 闫杏丽)

Microwave-assisted “one-pot” synthesis of p-hydroxycinnamic acid

ZHAO Congfei1,BAO Yuanzhi2,XU Junjie1,WENG Shibing2,CHAI Duoli1

(1.School of Chemistry and Chemical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Lu’an Jietongda Chemical Co., Ltd., Lu’an 237158, China)

P-hydroxycinnamic acid was synthesized from p-hydroxybenzaldehyde, acetic anhydride and potassium carbonate by Perkin reaction under microwave irradiation. The reaction conditions were optimized. The results showed that the maximum yield of p-hydroxycinnamic acid reached 71.94% and the purity of the compound reached 99.20% when the mole ratio of p-hydroxybenzaldehyde, acetic anhydride and potassium carbonate was 1∶4∶1, the microwave radiant power was 700 W, the refluxing reaction time was 20 min and the hydrolysis reaction time was 2 h. The structures of the product were identified by Fourier transform infrared spectrometer(FT-IR), superconducting nucleus magnetic resonance spectrometer(1H NMR) and micro melting point instrument.

p-hydroxybenzaldehyde; potassium carbonate; Perkin reaction; microwave irradiation; “one-pot” method

2015-04-15；

2015-05-28

赵从飞(1989-),男,山东菏泽人,合肥工业大学硕士生;

柴多里(1957-),男,安徽淮南人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.023

TQ245.6

A

1003-5060(2016)10-1411-05