Duff反应法合成5-壬基水杨醛

赵莹茜，王李和，李效军

(河北工业大学化工学院，天津 300130)

芳香醛类化合物是一类重要的有机中间体，因为具有一定的生理活性而被广泛应用在医药、农药、染料、香料等领域。尤其是水杨醛及其衍生物，该类化合物由于酚羟基的邻位配体作用使得它具有其它芳香醛化合物不具备的特性，其作为精细化工的重要中间体不仅在医药、染料、农用杀虫剂的等方面有着广泛的应用，其中的5-壬基水杨醛更是合成5-壬基水杨醛肟的重要中间体［1］，5-壬基水杨醛肟作为铜萃取剂，以其萃取容量大、萃取性能好等优点在工业上得到越来越多的应用［2-3］，因此合成5-壬基水杨醛具有重要意义。

芳环上引入甲酰基的方法主要有以下几种:Gattermann-Koch 反应法［4］、Reimer-Tiemann 反应法［5-6］、醇镁法［1，7］以及Duff反应法［8-12］等。其中Gattermann-Koch反应法需要在高压下进行，且一般只能得到对位的单取代产物;Reimer-Tiemann反应法存在选择性差且产率过低的不足，而且需要使用价格较高的卤仿使得生产成本较高;醇镁法不适于苯环上含大的取代基团的酚类进行反应，而且合成过程中伴有大量含镁离子的废水的排放，不符合当今的环保潮流;Duff反应法条件简单，原料易得，十分适合大位阻酚类的邻位甲酰化，且不受吸电子钝化基团的影响。

Duff反应是酚类化合物与六亚甲基四胺在酸性催化剂存在下反应，是在酚羟基的邻位引入1个甲醛基团的甲酰化方法。Duff反应具有反应周期短、操作简便、污染少、劳动强度低和产物较纯净等优点，已应用于 5-氟水杨醛［11］、5-硝基水杨醛［12］等的制备。但Duff反应法制备5-壬基水杨醛尚未见文献报道。

因此本研究采用 Duff反应合成了5-壬基水杨醛，并且考察了原料的物质的量之比及其反应时间等关键因素的影响，找出了较适宜的反应条件，得到了较好的实验结果。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

BRUKER AC-P400型核磁共振波谱仪(CDCl3为溶剂，TMS作内标)，CoMetro 6000高效液相色谱仪。

4-壬基酚、醋酸和硫酸为分析纯;六次甲基四胺为化学纯。

1.2 色谱条件

采用液相色谱法分析目标产物，固定相为十八烷基硅烷键合硅胶(C18，5μm)，流动相为V(甲醇)∶V(水)=9∶1，检测器:UV254 nm，流速:1 m L/min，进样量:20μL。

1.3 合成方法与机理

以4-壬基酚为原料，经Duff反应引入甲酰基合成5-壬基水杨醛，其反应机理为

1.4 实验方法

在装有机械搅拌、温度计和球形冷凝管的干燥四口瓶中加入11 g(0.05 mol)4-壬基酚及30 m L冰醋酸，混合均匀后加热至90℃，开始滴加用30 m L醋酸溶解的14 g(0.1 mol)六次甲基四胺，滴加1 h。滴加完毕保持在90℃下继续搅拌5 h，随着反应进行，混合液从一开始的无色变为淡黄色。反应完毕，降至室温，之后向四口瓶中加入定量的1 mol/L的盐酸，搅拌1 h。将四口瓶中的混合液倒入分液漏斗中，静置分层后，弃去水相，保留有机相，并用水再清洗3次有机相。将最后的有机相进行减压蒸馏除去溶剂，得到棕黄色澄清油状液体，即得5-壬基水杨醛产品。

2 结果与讨论

2.1 酸性介质改变对5-壬基水杨醛收率的影响

应用Duff反应制备5-壬基水杨醛的反应过程中，六次甲基四胺需要进行两次质子化，为了提高正反应方向的速率，选择加入能够提供较强质子的硫酸参与反应。因此，在反应温度为90℃，醋酸作为溶剂，反应时间为6 h，4-壬基酚与六次甲基四胺的物质的量之比为1∶2时，考察了硫酸加入量对收率的影响，结果见表1。

表1 强酸催化剂中硫酸对收率的影响Table 1 Effect of strong acid catalyst sulfuric acid on yield

由表1可知，加入0.05 g的硫酸对目标产物的收率的影响是可以忽略不计的，但随着H2SO4量的增加，目标产物的收率反而下降。通过数据可以说明溶剂醋酸所含H+已足够满足六次甲基四胺进行质子化参与到下游的反应中，因此再加入少量能够提供较强质子的硫酸时并不能对收率起到多大作用。而加入硫酸的量增多时，过量的H+仍会参与到反应中，使得副反应发生，副产物随之增多，产物相对减少，收率因而降低。因此考虑收率及实验操作，选用单纯醋酸作为溶剂。

2.2 反应温度对5-壬基水杨醛收率的影响

反应的发生程度很大程度上决定于反应的温度，所以反应温度也是影响收率的一个重要因素。因此，在醋酸作为溶剂，反应时间为6 h，4-壬基酚与六次甲基四胺物质的量之比为1∶2时，本研究考察了反应温度对收率的影响，结果见表2。

表2 反应温度对收率的影响Table 2 In fluence of reaction tem perature on the yield

由表2可知，随着温度的升高，其收率也逐渐增高，当温度升至90℃时，收率可达到94.7%。但继续升高温度，收率反而下降，其原因主要是生成的产物5-壬基水杨醛在高温条件下会发生自身缩聚反应［13］，因而收率下降。所以最适反应温度为90℃。

2.3 4-壬基酚与六次甲基四胺的物质的量之比对5-壬基水杨醛收率的影响

六次甲基四胺是一种相对廉价又易处理的原料，因此实验选择六次甲基四胺过量，从而使4-壬基酚能尽量反应完全。本研究在反应温度90℃、醋酸为溶剂、反应时间为6 h的条件下，考察了4-壬基酚与六次甲基四胺的物质的量之比对收率的影响，实验结果见表3。

表3 4-壬基酚与六次甲基四胺物质的量之比对收率的影响Table 3 In fluence of n(4-nony lphenol):n(hexam ethylenetetram ine)on the yield

由表3可知，在4-壬基酚的量不变的情况下，随着六次甲基四胺量的逐渐增多，其收率逐渐增高，这是因为过量的六次甲基四胺使得4-壬基酚的转化率提高，同时也促使反应向正反应方向进行。当4-壬基酚与六次甲基四胺的物质的量之比为1∶2时，其收率达到最大;之后继续增加六次甲基四胺的量，收率反而减小，这是因为六次甲基四胺的量太多，使反应发生多取代酰基化反应的机会也增多，副反应增多，产物收率下降。因而反应以4-壬基酚与六次甲基四胺物质的量之比为1∶2为最好。

2.4 4-壬基酚与六次甲基四胺加入方式对5-壬基水杨醛收率的影响

在反应温度90℃、醋酸为溶剂、4-壬基酚与六次甲基四胺物质的量之比为1∶2，反应时间为6 h的条件下，考察了4-壬基酚与六次甲基四胺的加入方式对目标产物的收率影响，结果见表4。

表4 4-壬基酚与六次甲基四胺的加入方式对收率的影响Table 4 Influence of adding m ethod of 4-nonylphenol and hexam ethylenetetram ine on the yield

由表4可知，采用滴加用醋酸溶解的六次甲基四胺的加入方式，目标产物收率可达到98.7%。Duff反应机理为六次甲基四胺先与醋酸作用，使其质子化，之后断裂产生亚胺离子亚胺离子对芳环发生亲电芳香取代，经互变异构，生成一个苄胺衍生物。之后，六次甲基四胺部分发生第2次质子化、断裂产生亚胺离子，然后进行分子内氧还作用，苄胺部分被氧化为亚苄胺亚胺离子，其经水解即得醛［14］。因此，向醋酸溶解的六次甲基四胺中滴加4-壬基酚时，六次甲基四胺在酸性溶液中全被质子化，当随着4-壬基酚滴入，最开始滴入的4-壬基酚有足够质子化的六次甲基四胺与其发生反应，有可能导致在羟基的2个邻位上都会发生反应，导致副反应发生，收率不高。一次加料的方式也存在上述问题，因而其收率也不是最好。而向4-壬基酚中滴加六次甲基四胺时，在反应瓶中4-壬基酚处于过量，当滴入六次甲基四胺后，六次甲基四胺会立即发生质子化与相当量的4-壬基酚反应，这就使得反应全程中4-壬基酚都能够与充足的六次甲基四胺发生反应，因而4-壬基酚会反应的更完全且有更高的转化率，产物收率更高。所以滴加方式以向4-壬基酚中滴加六次甲基四胺为最好。

2.5 产品的1 H-NMR表征

产物的核磁共振氢谱主要化学位移d H:0.65～1.60(19 H，m，C9H19)，6.92(1H，d，3-H)，7.37 ～7.56(2 H，m，4-H和 6-H)，9.89(1 H，s，CHO)，10.88(1 H，s，OH)，与5-壬基水杨醛的结构相一致。

3 结论

以4-壬基酚、六次甲基四胺为原料，醋酸为溶剂，经甲酰化反应合成了5-壬基水杨醛，并得到了适宜的工艺条件:n(4-壬基酚)∶n(六次甲基四胺)=1∶2，向4-壬基酚中滴加六次甲基四胺，滴加时间为1 h，于90℃再反应5 h。5-壬基水杨醛的收率为98.7%，液相色谱纯度为92.0%。

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