芳香醛直接合成芳香羧酸酯的新反应研究*

任智卉（西北大学化学与材料科学学院，陕西　西安　710127）



芳香醛直接合成芳香羧酸酯的新反应研究*

任智卉
（西北大学化学与材料科学学院，陕西西安710127）

摘要：针对传统酯化反应中固有的转化率不高、反应条件苛刻等科学问题，作者发展了一条新的合成芳香甲酸酯的合成方法。该方法以芳香醛和醇为底物，在过硫酸氢钾复盐存在下即可高产率的转化为芳香甲酸酯。研究结果表明该反应可以适用于含有吸电子、供电子等不同的芳香醛，也适用于甲醇、乙醇、异丙醇等不同的醇，底物适用范围较宽，反应条件温和,反应收率较好。

关键词：有机化学；芳香酯；醛；醇

芳香羧酸酯类化合物被广泛的用于医药、农药、功能材料等领域，也是工程塑料、橡胶等必不可少的增塑剂，属于有机合成、精细化工最基本、最常用的原材料[1]。因此，芳香羧酸酯的合成一直是有机合成领域备受关注的研究课题。传统的合成芳香羧酸酯的方法主要通过强酸催化下芳香羧酸与醇的酯基化反应进行，但是该类反应存在着自身局限性：（1）必须加入强酸作为催化剂对设备的腐蚀性比较严重，且后处理时需要加入碱来中和反应；（2）酸催化的酯化反应由于有水的生成是个可逆反应，因此存在转化率不高、反应不完全等缺点导致产物的分离纯化比较困难、后处理较为麻烦；（3）由于位阻原因，酸催化的酯化反应对于二级醇、三级醇等兼容性不好，反应效率不高。基于以上酸催化芳香羧酸与醇直接酯基化反应的局限性，开发新型的反应用以高效、绿色合成芳香羧酸酯类化合物是当前急需解决的化学反应工业化难题。

近年来，国内外有一些研究小组开发了芳香甲醛类化合物与醇在氧化条件下的酯基化反应又以合成芳香羧酸酯类化合物[2~4]。该类反应无需强酸性环境、转化率高，反应的适用范围也比较广泛。然而，该类反应大多需要在强氧化性条件下进行、需要贵金属作为催化剂、需在醇溶剂中进行，导致分子中还原性取代基不能兼容。根据以上文献调研和实验分析，作者认为探寻温和的氧化剂，发展温和条件下芳香甲醛类化合物与醇的直接酯基化反应将可能为芳香羧酸酯类化合物的合成提供最有效的方法[5,6]。本文中，作者将详细介绍一种新的利用过硫酸氢钾复盐促进的芳香甲醛类化合物与醇的直接酯基化反应。

1　实验材料与方法

1.1试剂与仪器

实验仪器：DF-101S型集热式恒温磁力搅拌器(巩义予华仪器公司)；ZF-C三用紫外分析仪（上海康禾光电仪器有限公司)；圆底烧瓶（江苏盐湖化玻公司）。

实验材料及试剂：芳香醛（分析纯，国药公司生产）；甲醇、乙醇（分析纯，天津天力试剂公司生产）；过硫酸氢钾复盐（天津阿尔法公司生产）石油醚、二氯甲烷（分析纯，天津永大试剂公司生产）。

1.2方法

将0.5mmoL的苯甲醛，1.5mmoL的甲醇和1.5mmoL的过硫酸氢钾复盐置于圆底烧瓶中，加入5mL溶剂，在磁力搅拌下于60℃的油浴锅中进行反应。薄层色谱板对反应进行实时监测，待苯甲醛反应完全，停止反应。将反应液倾倒入20mL二氯甲烷，并用20mL水洗涤三次，浓缩有机层，柱层析分离纯化得到苯甲酸甲酯产物。

2　实验结果与讨论

2.1溶剂效应影响分析（如图1所示）

图1　溶剂效应方程

表1　溶剂效应对反应的影响研究

由表1可以看出，不同的溶剂下苯甲醛与甲醇的酯基化反应均能发生，但是溶剂效应对反应的影响较为明显。水直接作溶剂仅得到32%的苯甲醛产物，原因是在水溶剂中苯甲醛被大量的氧化成为苯甲酸而影响了产率。作者筛选了其他有机合成中常用的几类溶剂，如氮氮二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙腈、甲苯等。从表1的结果来看，氮二甲基甲酰胺、二甲基亚砜分别得到较好的结果，但是也有少量苯甲酸副产物的生成。而乙腈中反应进行的很慢，即使延长反应时间反应的转化率也不高。可喜的是反应在甲苯中进行的非常好，可以得到85%的分离产率。作者分析原因可能是甲苯中水含量非常少，促使反应专一性生成苯甲醛产物。

2.2反应的适用范围研究（如图2所示）

图2　反应适用范围

表2　反应的底物范围研究

在上述条件探索的基础上，作者详细研究了反应的适用范围以及芳香环上不同取代基对反应的影响，相关结果例于表2中。由实验结果可以看出，不同取代基的芳香醛都能够得到较好的结果。芳香醛对位含有甲基给电子取代基时，反应得到80%分离产率的对甲基苯甲酸甲酯（表2，序号2）。而当芳香醛对位含有吸电子取代基，如氯、溴等卤素时，反应效果更好，从而得到了比苯甲醛更高的产率（表2，序号3-4）。作者研究还发现，不同的醇也都是用于该反应。当以甲醇为底物时，得到了82%的苯甲酸乙酯产物（表2，序号5）。当以位阻较大的异丙醇为底物时，同样得到了76%的苯甲酸异丙酯的产物。但是对该反应的进一步研究证明，醇的位阻对反应有直接的影响。当叔丁醇为底物时，仅得到较少的苯甲酸叔丁酯产物。

3　结论

综上所述，作者发展了一个温和条件下利用芳香醛和醇直接合成芳香甲酸酯的新反应。该反应利用过硫酸氢钾复盐为氧化剂以甲苯为溶剂，在60℃条件下可以高产率的合成一系列芳香甲酸酯。相比于传统的质子酸催化羧酸与醇的酯化反应，该反应有产率高、条件温和、底物适用范围广、易于分离提纯等优点。因此，该反应为芳香羧酸酯的合成提供了同一条新颖、有效的合成方法。

参考文献：

[1] Cai Y. Q, Yu G. Q, Liu C. D, Imidazolium ionic liquid-sup ported sulfonic acids:Efficient and recyclable catalysts for es terification of benzoicacid[J].Chinese Chem.Lett.,2012,23 (1)：1-4.

[2] Caporaso M, Cravotto G, Georgakopoulos S, et. al. Pd/C-cat alyzed aerobic oxidative esterification of alcohols and aldehy des:ahighly efficient microwave-assisted green protocol[J]. BeilsteinJ.Org.Chem.,2014,10(8):1454-1461.

[3] Chng L, Yang J, Ying J, Efficient synthesis of amides and es ters fromal cohols underaerobic ambient conditions catalyzed bya Au/mesoporous Al2O3 nanocatalyst[J].Chem Sus Chem, 2015,8(11):1916-1925.

[4] TravisBR,Sivaqumar GM,HollistO,et.al.Facile oxidation of aldehydes to acids and esters with oxone[J].Org.Lett.,2003,5 (7):1031-1034.

[5]徐长龙，陶春元，涂惠平，等.酯化反应的探讨[J].化工中间体，2006,5(1):6-9.

[6]李三喜，徐妍茹，王松，等.SO4/TiO2-HZSM-5固体超强酸催化剂的制备及酯化性能[J].化工进展，2015,34(3): 745-750.

*基金项目：陕西省自然科学研究计划资助项目（编号2014JQ2078）。

中图分类号：TQ24