聚乙二醇相转移催化法合成查耳酮

第31卷第3期广州化学Vol.31, No.32006年9月Guangzhou ChemistrySept, 2006聚乙二醇相转移催化法合成查耳酮蒋新宇，赵爱丽(中南大学化学化工学院，湖南长沙410083)商要:以聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)为相转移催化剂进行了苯甲醛与苯乙酮的克莱森-施密特(Claisen-Schmidt) 缩合反应，并就聚乙二醇用量、聚乙二醇相对分子质量和溶剂种类等影响因素进行了条件实验，在较优化的合成条件下，查耳酮产率可达80%。关键词:聚乙二醇;查耳酮;相转移催化中图分类号: 0625.4文献标识码: A文章编号: 1009-220X(2006)03-0001-05查耳酮(chalcones) 是-种重要的有机合成中间体，可用于香料和药物"等精细化学品的合成。查耳酮的合成通常采用两种方法:一是以AICl为催化剂，取代肉桂酰氯与芳烃进行Fridel-Crafts反应。采用此方法，除了发生正常的酰基化反应生成查耳酮外，还有对双键的加成及环合等，尤其当芳烃为取代芳烃时，则还有不同位置的取代副产物生成，给产品的分离和提纯带来诸多不便。二是在碱催化下苯乙酮与芳醛进行Claisen Schmidt缩合反应。反应中通常用碱性催化剂诸如氢氧化钠2、氢氧化钡吲、氟化钾固载于氧化铝甲等进行催化。但如果仅仅用碱性催化剂催化，通常有副产物，产率也不高，多在50% ~ 70%。若改进方法，使用相转移催化剂等则可以大大提高反应产率，从而增强反应的选择性5]。本研究利用聚乙二醇(PEG)作为相转移催化剂，促进了苯甲醛与苯乙酮的缩合反应，提高了反应产率。1实验部分1.1 试剂苯甲醛、苯乙酮、氢氧化钠、聚乙二醇(400, 1000, 4000, 6000)、二甲亚砜均为分析纯。1.2实验方法氢氧化钠溶于水中，待溶液冷却后加95%的乙醇，放入搅拌子，将锥形瓶置于磁力搅拌器上开始搅拌。分别加入相转移催化剂PEG，苯甲醛，苯乙酮。用塞子塞住锥形瓶口,让其剧烈搅拌3 h,反应物逐渐稠化。停止搅拌，将锥形瓶放入冷柜中过夜。取出抽滤，并用多量的水将产物洗至中性，再用0C的乙醇洗涤，即得淡黄色粉末状或块状产物。用50C的95%乙醇溶解产物，并将其放入冷柜中重结晶。待晶体析出基本完全后抽滤,即得产品查耳酮，将其放入烘箱中烘干。产物的核磁共振谱('HNMR) 用Varian公司的INOVA-400核磁共振仪测定。中国煤化工YHCNMHG收稿日期: 2005-11-13作者简介:蒋新宇(1968-),男，湖南长沙人，中南大学副教授，应用化学博士，从事应用化学研究。2广州化学第31卷2结果与讨论2.1 PEG 相转移催化法合成查耳酮的催化机理氢氧化钠溶液中相转移催化剂PEG的催化机理如图1所示。PEG作为相转移催化剂，其作用就是捕捉钠阳离子，从而把0H也带入有机相中，促进苯甲醛与苯乙酮的缩合反应的进行。PEG类化合物在络合时能绕曲将阳离子包围起来，保持了主客体的互相配合，近似于环状冠醚。催化机理可能与冠醚基本相同6,但其亲油、亲水性易于调整，因此具有比环状冠醚较大的选择性。62OHHO--(CH2CH20)-(CH2CH2O)n-H + NaOHn Na* 1.oh (CH2CH2)nOH图1 PEG 环合Na'过程示意图2.2不同用量的PEG-600催化对反表1不同用量 的PEG-600催化对合成反应的影响应产率的影响从表1可明显地看出采用PEG催化剂催化剂用量/g产量/g产率/%为相转移催化剂的优点，即可以大PEG-6000仅为油状物几乎无固体产品大提高反应产率。当PEG用量增大5.241963.85时，便有更多的PEG分子去环合45.77407.33Na*,其把OHT带入有机相的几率66.561979.93也就增大。在相同的时间里进入有86.741782.12机相的0H~越多，其浓度越大，反6.686381.45应的速率也就增加，在一定的反应时间内，表现出来就是产物产率的表2不同相对分子质量的PEG催化对合成反应的影响增加。2.3不同相对分子质量的 PEG对合成反应的影响63.85 .不同相对分子质量的PEG捕捉PEG-10005.158562.83阳离子的能力不同，对合成反应的PEG-40005.157062.81 .催化反应能力也就不同。为了找到PEG-60005.139062.59较合适相对分子质量的PEG来催化此合成反应，进行了实验，结果见表3不同溶剂对合成反应的影响表2。反应条件为:苯甲醛和苯乙酮溶剂.溶剂用量/mL的用量分别为4mL和4.7mL;6mL甲醇6.3.587243.6995%的乙醇作为溶剂; 22 mL 10%NaOH溶液;反应时间3 h.乙醇中国煤化工PEG为-开链冠醚结构，当其正丙醇MHC NMH G'61.57捕捉阳离子的时候，它可以根据阳二甲亚砜3.290180.29第3期蒋新宇,等:聚乙二醇相转移催化法合成查耳酮离子的尺寸大小来调整其形成的孔穴的大小。查有关数据可知0), INa*= 1.90A,在冠醚之中15-C-5的孔穴内径为1.7 ~ 2.2 A，其与Na*有较好的络合能力。PEG的分子式可以表示为HO-[CH2CH2O]-H，当n=5时，其便可以环合成与冠醚15-C-5孔穴内径大小相当的结构。通过计算得知，当n= 5时，PEG的相对分子质量为18+44X5 = 238。而在实验中使用的PEG其相对分子质量在600以上,应该说它们均能形成类似于冠醚15-C-5的结构而络合Na*,因而理论.上说它们与Na*的络合常数基本相同，催化效率也应该相当。只不过相对分子质量越大的PEG其分子链节越长，环合位阻要大- -些， 反映在实验中就是以同样质量但相对分子质量不同的PEG进行催化，结果是相对分子质量小- -些的PEG使得产率稍高一些。2.4不同溶 剂对合成的影响溶剂的作用是提供化学反应的场所,虽其未直接参加反应，但会影响到反应体系的热力学和动力学性能,从而改变反应速率”。因此以PEG-600为催化剂，在其它条件相同的情况下考察了不同溶剂对反应的影响，结果见表3.在此合成反应中，NaOH溶于水中处于水相，而苯甲醛、苯乙酮较难溶于水，因此所选用的溶剂应能溶解这两种反应物，且最好与水互溶。查溶解度数据可知苯甲醛、苯乙酮易溶于乙醇，而产物查耳酮则微溶于其中图，所以可选用乙醇作为溶剂。其同系物甲醇、丙醇也有此特性，也曾有报道在此三种溶剂中的反应9]。由于水是强极性质子型溶剂，0H~在其中是受氢键作用被水包裹着而钝化的。而当其在醇中时，虽然醇中的氢键也会与OH~作用，但由于醇的极性比水要小，所以其氢键和OH~的作用小，OHT能显示出更强的碱性。那么很明显，醇溶液的极性越弱，就更有利于0H~的催化。以上三种醇的偶极矩分别为5.55X10-30、5.60X10-30、 5.53X 10-30[8]。但除了溶剂的极性影响反应外,溶剂的表面张力及粘度等对反应也有一-定的影响。由于乙醇的粘度、表面张力都较小，所以由表3的结果可知，在三种醇中乙醇作溶剂是最好的，其反应产物产率最高而且纯度也高。但与二甲基亚砜(DMSO)为溶剂相比，在乙醇体系中进行反应，产率却要低很多。这是因为DMSO是一种强极性的非质子型溶剂，它既能溶解反应物，又与0H~没有氢键的作用，更有利于OH~的暴露，对反应的促进作用更强。不仅如此，极性较强的DMSO还能与质子型溶剂水络合,削弱其对0H~的钝化作用,如下图:田日④eHO---HOH + (CH3)2S--=O ===二HO° + (CH3)3===-----HOH图2 DMSO削弱水对OH的钝化示意图2.5反应物的不同配比对合成产率的影响此合成反应中苯甲醛和苯乙酮的摩尔比为1:1,但在同一体系中增加某一反应物的浓度对反应速率有促进作用，且又不改变反应的理论产量,从而可以提高合成产率，所以对不同的反应物配比进行了实验。在查耳酮的合成过程中，主反应进行的同时，苯甲醛会发生卡尼扎罗反应，苯乙酮也会.发生自身的缩合反应。因此当苯甲醛的量增加即其浓度增大时，主反应的速率增加，可以提高产率，但当苯甲醛的用量继续增加时，卡尼扎罗中国煤化工从表4可见，当苯甲醛与苯乙酮的配比增到2:1的时候，产率反而HCNMH G是如上述情况，只不过苯乙酮增多时的副反应产物会被收集到产物中而影响产物的纯度,反映出产率比较高但4广州化学第31卷熔点明显下降。从实验数据知当苯甲醛与苯乙酮的摩尔比为1.5:1时，合成产物产率高。表4反应 物的不同配比对合成产率的影响苯甲醛/mL苯乙酮/mL配比产量/g产率/%熔点m.p/C4.71:1.05.241963.8554.2~ 54.61.5:1.06.424178.2555.8~ 56.22:1.04.371052.2254.8 ~ 55.47.11:1.56.104574.3553.4 ~ 54.29.41:2.06.395376.4152.4~ 53.62.6不同浓度 的碱溶液对合成反应的影响NaOH作为本反应的催化剂,其用量的增加会使反应速率增加，但是用量过大也会引发一些副反应的发生。当0H的浓度增大时，催化反应的反应速率增大，整个反应的反应速率自然也增大。但当OH厂浓度过大时，查耳酮发生麦克尔加成副反应的速率也会相应地增大，最终迈克尔加成产物增多。除此副反应之外,其它的副反应如卡尼扎罗反应、苯乙酮的自身氧化还原反应及生成高聚物的反应也都需要OH~催化的。由于一般情况下，副反应速率始终远不如主反应，而反应物的浓度又基本相同，这样看来,即使碱浓度增高,这些副反应的速率增加值也不如主反应,副反应依然竞争不过主反应。但由于两者的速率都在增大,反应物不可能被主反应消耗完,所以副反应的产物还是增多了，因而碱的浓度不宜过高。但这并不是说OH~浓度越小越好，那样反应的产率会下降。通过实验得到，当NaOH溶液浓度为20%时，反应产率高，而且由熔点数值得知产物的纯度也比较高。表5不同浓度的碱溶液对合成反应的影响固体NaOH/g碱的浓度/%2.854.2 ~ 54.65.526.610480.5256.0 ~ 56.4反应完后为红棕色抽滤洗涤后 为黄色30油状物稠状物2.7合 成产物的核磁共振谱( 'HNMR)鉴定惫中国煤化工82 81-907.9 二7.87.0.901.001.00MYHCNM H G'图3合 成产物的核磁共振谱('HNMR)第3期蒋新宇,等:聚乙二醇相转移催化法合成查耳酮5图3中所有氢核的吸收都集中于7.2 ~ 8.1 ppm之间，除7.265 ppm处的吸收峰为溶剂CDCl中微量的CHCl3的吸收峰[10外，其余峰的归属见表6,其氢核数及氢核的化学位移都与查耳酮相符，据此可判断合成的产物是查耳酮。表6产物核磁共振氢 谱中化学位移及氢核种类的关系8/ppm峰数氢核数/个氢核类型8.032 ~ 8.044多峰1与c=0相连的苯环上的邻位氢8.015 ~ 8.023与C=O相连的苯环上的邻位氢7.839，7.800双峰与C=0相连的反式烯键上的氢(耦合常数较大)7.639 ~ 7.663重叠多峰2与C=O相连的苯环上的间位氢7.574 ~ 7.611与C=0相连的苯环上的对位氢7.560，7.521与苯环相连的反式烯键上的氢(耦合常数较大)7.509 ~ 7.529与烯键相连的苯环上的邻位氢7.415 ~ 7.4323与烯键相连的苯环上的间位及对位氢7.256单峰.-溶剂CDCl3中微量的CHCI3中的氢1.600~ 1.650痕量水中的氢3结论在苯甲醛和苯乙酮的Claisen-Schmidt缩合反应中，以PEG为相转移催化剂可极大地提高反应产物查耳酮的产率。PEG的相对分子质量对反应产率的影响不大。DMSO为溶剂时，查耳酮的产率较在乙醇体系中进行的反应要高许多。当反应物苯甲醛和苯乙酮的摩尔比为1.5:1，催化剂PEG-600的用量为6 mL, NaOH溶液浓度在20%时，查耳酮产率可达80%。参考文献: .[1]刘宝殿, 张志德,孙云鸿.有机锡化合物在有机合成中应用的研究一查 耳酮类化合物的合成[].东北师大学报:自然科学版, 1989, (4): 41-50.[2] VIJAY S S, GOEL S C, GUPTA S M L. 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Phytochemistry, 2002, 61: 931-936.(下转第10页)10广州化学第31卷Effect of Sulphuric Macroporous Polystyrene Resin onThe Catalyzing Synthesis of Cyclohexanone Glycol Ketaland Benzaldehyde Glycol AcetalXIE Xiang-lin，LIU Mei-yan(College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Normal University, Changsha 410081, China)Abstract: The sulphuric macroporous polystyrene resins with different exchange capacity weresynthesized. The resins were used to catalyzing synthesis of cyclohexanone glycol ketal andbenzaldehyde glycol acetal. The results indicated that cyclohexanone glycol ketal and glycolacetal were catalyzed by these resins. The yields of 98.2% and 78.7% were obtained under thereaction condition of 0.2 mol cyclohexanone (benzaldehyde) containing 0.1 g resin. The resultsalso showed that when the resin having exchange capacity of 1.00 mmol/g was used, thecatalyzing synthesis had highest yield and preferably steady catalyzing characteristic.Keywords: sulphuric macroporous polystyrene resin, exchange capability, catalyze synthesis,cyclohexanone glycol ketal, benzaldehyde glycol acetal(.上接第5页)Synthesis of Chalcone withPhase Transfer Catalyst Polyethylene GlycolJIANG Xin-yu，ZHAO Ai-li(School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: The chalcone was synthesized by the Claisen-Schmidt condensation of acetophenonewith aromatic aldehydes using the phase transfer catalyst polyethylene glycol (PEG). Theinfluence of some factors, such as the quantity of the catalyst, the molecular weight of PEG andthe type of the solvent, on the product yield was investigated. At the optimum experimentalconditions, the yield can be 80%.中国煤化工Keywords: PEG， chalcone, phase transfer catalysis|YCNMHG