无催化剂存在下一锅反应合成肉桂腈和茴香腈*

2022-07-01柳聪慧王宏社

化学工程师 2022年6期

徐颖，柳聪慧，王宏社

（宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡721013）

腈类化合物是重要的香料、化工原料和合成中间体[1-3]。腈类化合物作为香料具有性质稳定，对光、热、酸、碱均不太敏感等优点。有些腈类化合物在食品香味中起着重要作用，例如，苯乙腈存在于红茶、番茄、苦橙、铃兰花精油中。肉桂腈不仅具有强烈的辛香花香的香气，还具有较好的杀（抑）菌和驱虫作用[4,5]。对甲氧基苯甲腈，俗称茴香腈，具有强烈的果香豆香香气，且香气柔和持久，对皮肤刺激性小，且具有良好的抗氧化、抗聚合、耐酸碱、耐热等性能[6,7]。

N-甲基吡咯烷酮（NMP）是一种氮杂环化合物，具有一系列优异的物理、化学性质。NMP 沸点高、极性强、粘度低、溶解能力强、无腐蚀、毒性小、生物降解能力强、挥发度低、化学稳定性、热稳定性优良。NMP 几乎可与大部分有机溶剂以任意比例混合，对有机物也有较好的溶解性，因而主要被用作溶剂，可应用于农业、医药和化工等众多领域[8,9]。

肉桂腈和茴香腈的合成方法较多[10-15]，其中以醛为原料一步法直接合成腈的方法较为简单实用，但很多文献报道的方法普遍存在使用催化剂等不足。本文在无催化剂存在下，分别由肉桂醛和茴香醛与盐酸羟胺的一锅反应合成了肉桂腈和茴香腈。实验结果表明，该法具有操作简单和产率高等优点。其反应式如下：

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

肉桂醛、茴香醛、盐酸羟胺、乙酸乙酯、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、NaHCO3，均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。

X-4 型精密显微熔点仪（北京福凯仪器有限公司）；MA-400 型核磁共振仪（CDCl3为溶剂，TMS 为内标，Bruker 公司）。

1.2 合成方法

在装有搅拌器、温度计和冷凝管的三口烧瓶中加入肉桂醛或茴香醛（0.05mol）、盐酸羟胺（0.06mol）和N-甲基吡咯烷酮（20mL），在110℃加热反应一定时间后，冷却到室温，加入乙酸乙酯（25mL）提取产物，有机相依次用水（50mL）和饱和NaHCO3溶液（50mL）洗涤，然后用无水MgSO4干燥有机相，对于茴香腈，减压蒸除有机溶剂后得茴香腈粗产品，用丙酮重结晶得茴香腈纯品，称重，计算产率。对于肉桂腈，减压蒸除有机溶剂后，收集130～132℃/1.064kPa 的馏分，得淡黄色透明液体，称重，计算产率。用1H NMR和13C NMR 表征产物。

2 结果与讨论

2.1 肉桂腈的合成

2.1.1 反应物摩尔比对产率的影响反应物摩尔比对产率有较大影响，考虑到肉桂醛的价格贵，而盐酸羟胺的价格便宜，所以在反应中使盐酸羟胺过量。选择反应温度110℃，反应时间5h，NMP 为溶剂（20mL），取0.05mol 肉桂醛，改变盐酸羟胺的用量，考察肉桂醛和盐酸羟胺的摩尔比对肉桂腈产率的影响，结果见表1。

表1 肉桂醛和盐酸羟胺的摩尔比对肉桂腈产率的影响Tab.1 Effect of molar ratio of cinnamaldehyde to hydroxylamine hydrochloride on the yield of cinnamonitrile

由表1 可知，当肉桂醛和盐酸羟胺的摩尔比超过1∶1.2 时产率开始下降。这可能是由于增大盐酸羟胺的用量会导致体系的酸性增强，而肉桂腈具有α,β-不饱和腈结构，酸性增强会促使HCl 与肉桂腈发生反应，这样就降低了肉桂腈的产率。所以，选择n肉桂醛∶n盐酸羟胺=1∶1.2 为宜，此时产率为86.3%。

2.1.2 反应温度对产率的影响选择反应时间5h，NMP 为溶剂（20mL），取0.05mol 肉桂醛，0.06mol 盐酸羟胺，考察反应温度对肉桂腈产率的影响，结果见表2。

表2 反应温度对肉桂腈产率的影响Tab.2 Effect of reaction temperature on the yield of cinnamonitrile

由表2 可知，随着反应温度的增加，产物产率随之增加，当反应温度为110℃，产物产率为86.3%。进一步增加反应温度，产率反而下降，可能由于副反应增多。因此，适宜反应温度为110℃。

2.1.3 反应时间对产率的影响选择反应温度110℃，NMP 为溶剂（20mL），取0.05mol 肉桂醛，0.06mol 盐酸羟胺，考察反应时间对肉桂腈产率的影响，结果见表3。

表3 反应时间对肉桂腈产率的影响Tab.3 Effect of reaction time on the yield of cinnamonitrile

由表3 可知，当反应时间过短时，反应不充分，产率低。反应时间以5h 为佳，产率达86.3%。反应时间太长，产率开始下降。

2.1.4 溶剂对产率的影响选择反应温度110℃，反应时间5h，0.05mol 肉桂醛，0.06mol 盐酸羟胺，分别以NMP、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲亚砜（DMSO）、聚乙二醇-400（PEG-400）为溶剂，考察不同溶剂对肉桂腈产率的影响，结果见表4。

表4 溶剂对肉桂腈产率的影响Tab.4 Effect of solvents on the yield of cinnamonitrile

由表4 可知，溶剂对反应有较大的影响。以甲苯为溶剂时，产率最低；以NMP 为溶剂时，产率最高。所以，选择NMP 作为反应溶剂。

2.1.5 最佳条件的重复实验取0.05mol 肉桂醛和0.06mol 盐酸羟胺进行实验，反应时间为5h，反应温度为110℃，NMP 为溶剂，进行重复实验，验证实验方法的可靠性，结果见表5。

表5 最佳反应条件下的重复实验Tab.5 Repeated experiments under optimal reaction conditions

由表5 可知，在最佳反应条件下，实验结果的重复性很好，产率在86.3%以上。

2.2 茴香腈的合成

2.2.1 反应物摩尔比对产率的影响因为茴香醛的价格贵，而盐酸羟胺的价格便宜，所以在反应中使盐酸羟胺过量。选择反应温度110℃，反应时间4h，取0.05mol 茴香醛，改变盐酸羟胺的用量，考察茴香醛和盐酸羟胺的摩尔比对茴香腈产率的影响，结果见表6。

表6 茴香醛和盐酸羟胺的摩尔比对茴香腈产率的影响Tab.6 Effect of molar ratio of anisaldehyde to hydroxylamine hydrochloride on the yield of anisonitrile

由表6 可知，当茴香醛和盐酸羟胺的摩尔比超过1∶1.2 时产率开始下降。这可能是由于增大盐酸羟胺的用量会导致体系的酸性增强，而酸性增强会促使茴香腈中醚键的断裂，这样就降低了茴香腈的产率。所以，选择n茴香醛∶n盐酸羟胺=1∶1.2 为宜，此时产率为90.6%。

2.2.2 反应温度对产率的影响选择反应时间4h，NMP 为溶剂（20mL），取0.05mol 茴香醛，0.06mol 盐酸羟胺，考察反应温度对茴香腈产率的影响，结果见表7。

表7 反应温度对茴香腈产率的影响Tab.7 Effect of reaction temperature on the yield of anisonitrile

由表7 可知，当反应温度为110℃，产物产率为90.6%。因此，适宜反应温度为110℃。

2.2.3 反应时间对产率的影响选择反应温度110℃，NMP 为溶剂（20mL），取0.05mol 茴香醛，0.06mol 盐酸羟胺，考察反应时间对茴香腈产率的影响，结果见表8。

表8 反应时间对茴香腈产率的影响Tab.8 Effect of reaction time on the yield of anisonitrile

由表8 可知，反应时间以4h 为佳，产率达90.6%。

2.2.4 溶剂对产率的影响选择反应温度110℃，反应时间4h，0.05mol 茴香醛，0.06mol 盐酸羟胺，分别以NMP、甲苯、DMF、DMSO、PEG-400 为溶剂，考察不同溶剂对茴香腈产率的影响，结果见表9。

表9 溶剂对茴香腈产率的影响Tab.9 Effect of solvents on the yield of anisonitrile

由表9 可知，溶剂对反应有较大的影响。以甲苯为溶剂时，产率最低为19.3%；以NMP 为溶剂时，产率最高，为90.6%。

2.2.5 最佳条件的重复实验取0.05mol 茴香醛和0.06mol 盐酸羟胺进行实验，反应时间为4h，反应温度为110℃，NMP 为溶剂，进行重复实验，验证实验方法的可靠性，结果见表10。

表10 最佳反应条件下的重复实验Tab.10 Repeated experiments under optimal reaction conditions

由表10 可知，在最佳反应条件下，实验结果的重复性很好，产率在90.6%以上。

3 产品表征

肉桂腈为淡黄色透明液体。1H NMR（400MHz,CDCl3），δ：7.64～7.59（m, 5H）, 7.46（s, 1H）, 6.08（d,J=16.7Hz, 1H）；13C NMR（100MHz, CDCl3），δ：150.7,133.7,131.4,129.3,127.5,118.3,96.5。

茴香腈为白色针状结晶，熔点59～60℃（文献值59.5～60.5℃[14]）。1H NMR（400MHz, CDCl3），δ：7.59（d, J=8.7Hz, 2H）, 6.95（d, J=8.8Hz, 2H）, 3.86（s, 3H）；13C NMR（100MHz,CDCl3），δ：162.8,134.0,119.2,114.7,104.0, 55.5。