CN105859496A - 一种缩醛或缩酮类化合物的绿色合成方法 - Google Patents

一种缩醛或缩酮类化合物的绿色合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种缩醛或缩酮类化合物的绿色合成方法，是以羰基化合物为原料，以载氢化合物为催化剂，再加入醇类物质，反应生成缩醛或缩酮类化合物。该合成方法简便，转化率和收率较高，安全稳定，毒性低，易于操作；使用的催化剂制备简单、廉价易得；反应过程温和高效，产物易分离纯化，具有广泛的底物适用范围，可用于缩醛和缩酮香料的合成，具有潜在工业应用价值。

Description

一种缩醛或缩酮类化合物的绿色合成方法
一、技术领域
本发明涉及一种有机化合物的制备方法，具体地说是一种缩醛或缩酮类化合物的绿色合成方法。
二、背景技术
醛或酮的缩羰基化反应是一类十分重要的有机反应，常用于多步合成中的羰基保护。缩羰基化合物不仅是重要药物中间体，同时也是重要的化工产品用于食品添加剂、香料、表面活性剂和高分子材料等行业。传统上合成缩醛和缩酮化合物的方法多采用无机酸如HCl、H2SO4、BF3.Et2O和TFA等催化方法，反应产率低、催化剂用量大，无机酸的使用还存在着污染和腐蚀设备的缺陷。近些年来的研究发现固体超强酸、金属盐、离子溶液与有机酸(如对甲基苯磺酸)都可以用于缩醛化和缩酮化反应，反应产率较高，然而却存在着使用催化剂昂贵、有毒且制备复杂的弊端。
有机小分子载氢化合物作为催化剂催化缩醛化和缩酮化反应具有经济高效，底物范围广，反应温和，体系简单的特点，具有很好的工业应用前景。一方面原因在于在缩醛化和缩酮化反应过程中，该反应体系产率高，无污染且无副产物产生，有很高的原子经济性，甲醇作为溶剂和反应物的体系简单易于操作；另一方面原因在于反应条件温和，产物易分离，这些优势符合工业发展的需要。
制备缩醛和缩酮类化合物，目前已报道主要合成方法有：
1、质子酸催化
1953年，Gorman等人[1]报道使用有机小分子对甲基苯磺酸(TsOH)作为催化剂，室温条件下催化巯基乙醇与脂肪族羰基化合物反应，合成出氧、硫混合的缩羰基化合物，反应产率较高。同时他们还研究了缩羰基化保护在酸性环境的保护基交换反应。
1993年，Scott等人[2]报道使用路易斯酸催化剂三氟化硼在非质子溶剂二氯甲烷中，实现了环氧化物与羰基化合物的缩羰基化反应。该反应在室温条件下，以环氧丙烷与4-叔丁基环己酮作为模型反应，反应气相产率高达96％。
2、固体酸催化
2005年，Sreekanth等人[3]选用负载于氧化锆的铂和钼构成的双金属固体酸催化剂，用于催化羰基化合物的羰醇缩合保护反应。与乙二醇进行反应形成环状的缩羰基化合物，这些反应条件温和，产率达到90％以上。
2005年，Molnar等人[4]报道运用纳米SiO2负载的固体酸SAC-13催化剂，以二氯甲烷作为溶剂，研究了乙二醇和1,3-丙二醇对羰基的缩醇化反应，缩醛产物收率可达95％以上。反应在回流下进行，对于相同底物1,3-丙二醇的产率比乙二醇产率低，这说明乙二醇比1,3-丙二醇形成的产物更加稳定。
3、金属盐催化
2005年，Chakraborti等人[5]报道选用1mol％的四氟硼酸铜水合物作为催化剂，使用原甲酸三甲酯试剂替代甲醇，室温条件下实现醛和酮的缩羰基化反应，该体系适应不同种类的醛类和酮类，反应产率高。同时他们还进行了底物的活性研究，发现当对位具有强吸电子基团如氨基时缩醛化较难进行。在同种条件下，醛比酮更容易发生缩羰基化反应。
2008年，Lawton等人[6]报道使用三氟亚磺酸铝作为催化剂催化醛和酮的缩羰基化反应，无论对于醛类或酮类底物，反应产率都比较高，反应的底物适应性很好。不足之处是反应温度为-20℃条件，使用了催化剂也是较为昂贵的且难以制备的，这些问题使得该反应体系很难在工业生产中实现。
4、有机分子催化剂
2002年，Ahamed等人[7]报道采用N-溴代丁二酰亚胺(NBS)作为催化剂，催化羰基化合物与巯基乙醇、一元和二元硫醇反应，生成氧、硫混合醇、硫醇的缩羰基化合物。室温反应，反应时间短，有较强的选择性，优先和醛类反应，而芳香酮类则很难发生反应。该在反应过程中起催化作用的仍是HBr，催化剂的用量较大，需要达到15-30mol％，在工业上应用价值有限。
2008年，Procuranti等人[8]报道利用少量的N-苄基-3,4-二甲酸甲酯吡啶溴盐作为催化剂，催化醛或酮的缩羰基化反应，反应产率较高，反应条件温和，催化剂用量少。不足之处是该体系底物范围狭窄，二元醇的产率低，同时催化剂合成方法复杂且原料价格昂贵。
2013年，Connon等人[9]报道使用三氮唑衍生物的四氟硼酸盐作为催化剂，在1mol％剂量的催化剂作用下由醛类化合物制备缩醛化合物，反应产率较高，但没有报道酮类的缩酮化反应，也没有说明醇类的底物适用范围。
2013年，Gathergood等人[10]报道使用3,4-二甲酸甲酯咪唑四氟硼酸盐作为有机小分子催化剂，甲醇作为反应物和溶剂，实现醛类和酮类的羰醇缩合的高效转化，不过该催化剂存在二元醇产率低、底物范围窄等问题。
参考文献：
[1]Djerrassi,C.；Gorman,M.J.Am.Chem.Soc.75,1953,3704-3708.
[2]Torok,D.S.；Fifueroa,J.J.；Scott,W.J.J.Org.Chem.1993,58,7274-7276.
[3]Reddy,B.M.；Sreekanth,R.P.M.Journal of Molecular Catalysis A:Chemical.2005,225,71-78.
[4]Ledneczki,I.；Fulop,F.；Molnar,A.Catalysis Today.2005,100,437-440.
[5]Kumar,R.；Chakraborti,A.K.Tetrahedron Lett.2005,46,8319–8323.
[6]Williams,D.B.G.；Lawton,M.C.Green Chem.,2008,10,194-197.
[7]Kamal,A.；Chouhan,G.；Ahamed,K.Tetrahedron Lett.43,2002,6947-6951
[8]Procuranti,B.；Connon,S.J.Org.Lett.2008,21，4935-4938.
[9]Myles,L.；Gathergood,N.；Connon,S.J.Chem.Commun.,2013,49,5316-5318.
[10]Myles,L.；Gore,R.G.；Gathergood,N.；Connnon,S.J.Green Chem.,2013,15,2740-2746.
三、发明内容
本发明旨在提供一种缩醛或缩酮类化合物的绿色合成方法，本发明方法操作简便，成本低廉，安全稳定，反应温和，收率高，且无副产物生成，适宜工业化生产。
本发明缩醛或缩酮类化合物的绿色合成方法，是以羰基化合物为原料，以载氢化合物为催化剂，再加入醇类物质，反应生成缩醛或缩酮类化合物。缩醛或缩酮产品的分离纯化采用减压蒸馏或重结晶方法。反应过程如下：
所述羰基化合物包括脂肪醛、芳香醛、杂环醛、芳香酮、杂环酮、脂肪酮和环状酮类化合物，如苯甲醛、苯乙醛、肉桂醛、壬醛、苯乙酮、环己酮、2-庚酮、3-吡啶甲醛、2-呋喃乙酮等，其结构式为：
其中R1、R2均独立表示H、1-15个碳原子的烃基以及取代烃基、3-12个碳原子的杂环基以及取代杂环基、3-12个碳原子的杂脂环基以及取代杂脂环基；R3独立表示H、1-20个碳原子的烃基以及取代烃基。
所述醇类物质包括一元醇、一元硫醇、二元醇或二元硫醇，如甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、巯基乙醇、乙二硫醇等，其具有如下结构式：R4-SH、R4-OH、R5(OH)2或R5(SH)2；
其中R4独立表示1-12个碳原子的烃基以及取代烃基；R5独立表示2-12个碳原子的烃基以及取代烃基。
所述醇类物质如甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、1,2-丙二醇等既作为溶剂，又作为反应物。
醇类物质的添加量为为醛类或酮类摩尔量的75-99％；
所述载氢化合物是具有氢转移功能的醌酚共轭互变或取代N杂环的共轭互变结构的有机分子，如荧光素、曙红、N-取代苯并咪唑酸根盐、N-取代汉斯酯酸根盐或N-取代吖啶酸根盐等，所述载氢化合物为以下化合物中的一种：
所述载氢化合物优选为
所述催化剂的添加量为醛类或酮类摩尔量的0.1-30％，优选1-10％。
反应温度为10-120℃，优选30-90℃；反应时间为0.1-72h，优选2-48h。
本发明目标产物缩醛或缩酮类化合物的结构式如下：
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明提供了一种有机分子催化合成缩醛和缩酮的绿色方法，可以有效克服质子酸催化的缺陷，且催化剂制备简易，廉价易得。温和的反应条件可最大限度降低能耗，在合成过程中可实现反应溶剂的回收，产品分离纯化采用减压蒸馏和重结晶的方法，具有简单易操作的特点。
四、具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合具体实施例对本发明实施过程作进一步说明，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1：
反应式如下：
具体反应过程如下：
向一个装有搅拌器和温度计的四口烧瓶中依次加入苯甲醛(0.2mol，21.2g)，载氢催化剂AcrH2 0.26g，甲醇100mL，常温下搅拌反应24h；反应结束后先蒸馏回收过量的甲醇，减压蒸馏得到淡黄色液体苯甲醛二甲缩醛26.7g，收率88％。
产物核磁数据：1H NMR(600MHz,CDCl3)δ7.46(s,2H),7.37(d,J＝7.1Hz,2H),7.32(t,J＝7.2Hz,1H),5.39(s,1H),3.33(s,6H)；13C NMR(151MHz,CDCl3)δ137.99(s),128.41(s),128.16(s),126.64(s),103.11(s),52.67(s).
实施例2：
反应式如下：
具体反应过程如下：
向一个装有搅拌器和温度计的四口烧瓶中依次加入苯乙醛(0.2mol，24g)，载氢催化剂AcrH2 0.26g，甲醇100mL，在常温下搅拌反应24h；反应结束后，先蒸馏回收过量的甲醇，减压蒸馏得到具有淡雅香味的淡黄色液体苯乙醛二甲基缩醛27.2g，收率82％。
产物核磁数据：1H NMR(600MHz,CDCl3)δ7.30(d,J＝7.6Hz,2H),7.24(s,2H),7.21(d,J＝7.2Hz,1H),4.54(t,J＝5.6Hz,1H),3.34(s,6H),2.91(s,2H)；13C NMR(151MHz,CDCl3)δ137.03(s),129.40(s),128.29(s),126.34(s),105.34(s),53.31(s),39.67(s).
实施例3：
反应式如下：
具体反应过程如下：
向一个装有搅拌器和温度计的四口烧瓶中依次加入苯丙醛(0.2mol，26.8g)，载氢催化剂AcrH2 0.26g，乙醇100mL，在常温下搅拌反应24h；反应结束后，先蒸馏回收过量的乙醇，减压蒸馏得到具有淡雅香味的无色液体苯丙醛二乙基缩醛26.7g，收率64％。
产物核磁数据：1H NMR(600MHz,CDCl3)δ7.30–7.27(m,2H,ArH),7.22(d,J＝7.6Hz,2H,ArH),7.20(d,J＝7.3Hz,1H,ArH),4.51(t,J＝5.7Hz,1H,CH),3.68(dq,J＝14.2,7.1Hz,2H,CH2),3.52(dq,J＝14.3,7.1Hz,2H,CH2),2.74–2.68(m,2H,CH2),2.00–1.94(m,2H,CH2),1.24(t,J＝7.1Hz,6H,CH3)；13C NMR(151MHz,CDCl3)δ141.78(s),128.39(s),128.34(s),125.78(s),102.19(s),61.02(s),35.09(s),31.01(s),15.37(s).
实施例4：
反应式如下：
具体反应过程如下：
向一个装有搅拌器和温度计的四口烧瓶中依次加入壬醛(0.2mol，28.4g)，载氢催化剂AcrH2 0.26g，甲醇100mL，在常温下搅拌反应12h；反应结束后，通过蒸馏回收过量的甲醇，减压蒸馏得到淡黄色液体1,1-二甲氧基壬烷31.5g，收率84％。
产物核磁数据：1H NMR(600MHz,CDCl3)δ4.35(t,J＝5.7Hz,1H),3.40(d,J＝105.5Hz,6H),1.60(ddd,J＝14.6,11.0,6.4Hz,2H),1.26(dd,J＝20.1,9.2Hz,10H),0.87(t,J＝6.9Hz,3H)；13C NMR(151MHz,CDCl3)δ104.59(s),52.56(s),32.50(s),31.85(s),29.50(d,J＝4.7Hz),29.21(s),24.60(s),22.65(s),14.08(s).
实施例5：
反应式如下：
具体反应过程如下：
向一个装有搅拌器和温度计的四口烧瓶中依次加入环己酮(0.2mol，19.6g)，载氢催化剂AcrH2 0.26g，甲醇100mL，在常温下搅拌反应12h；反应结束后，通过蒸馏回收过量的甲醇，减压蒸馏得到淡黄色液体环己酮二甲缩酮24.7g，收率86％。
产物核磁数据：1H NMR(600MHz,CDCl3)δ3.18(d,J＝2.7Hz,6H),1.63(s,4H),1.54–1.46(m,4H),1.40(d,J＝5.2Hz,2H)；13C NMR(151MHz,CDCl3)δ99.94(s),47.29(s),32.66(s),25.57(s),22.81(s).
实施例6：
反应式如下：
具体反应过程如下：
向一个装有搅拌器和温度计的四口烧瓶中依次加入对硝基苯乙酮(0.2mol，33g)，载氢催化剂AcrH2 0.52g，甲醇100mL，在80℃下搅拌反应24h；反应结束后，通过蒸馏回收过量的甲醇，使用120mL乙醇/乙醚(体积比1:5)进行重结晶，得到白色固体对硝基-(1,1-二甲氧基乙基)苯28.6g，收率68％。
产物核磁数据：1H NMR(600MHz,CDCl3)δ8.33-8.21(d,J＝8.8Hz,2H),8.12-7.68(d,J＝8.8Hz,1H),3.49(s,3H),3.20(s,3H),1.53(d,J＝16.3Hz,3H)；13C NMR(151MHz,CDCl3)δ129.30(s),127.41(s),123.87(s),123.40(s),49.19(s).
实施例7：
反应式如下：
具体反应过程如下：
向一个装有搅拌器和温度计的四口烧瓶中依次加入对硝基苯乙酮(0.2mol，33g)，载氢催化剂AcrH2 0.52g，乙二硫醇100mL，在50℃下搅拌反应36h；反应结束后，使用10％的氢氧化钠溶液除去过量的乙二硫醇，旋转除去萃取液溶剂，再使用120mL乙醇/乙醚(体积比1:5)进行重结晶，得到白色固体2-甲基-2(4-硝基)苯基-1,3-二硫戊环41.4g，收率86％。产物核磁数据：1H NMR(600MHz,CDCl3)δ8.21(d,J＝8.7Hz,2H),7.67(d,J＝8.8Hz,2H),4.09(q,J＝6.3Hz,2H),3.77(t,J＝3.9Hz,2H),1.66(s,3H)；13C NMR(151MHz,CDCl3)δ150.59(s),147.64(s),126.39(s),123.56(s),108.12(s),64.69(s),27.43(s).
实施例8：
反应式如下：
具体反应过程如下：
向一个装有搅拌器和温度计的四口烧瓶中依次加入4-(4-甲氧苯基)-2-丁酮(0.2mol，33g)，载氢催化剂AcrH2 0.52g，乙二醇100mL，在80℃搅拌反应24h；反应结束后，使用蒸馏水萃取除去过量的乙二醇醇，萃取液减压蒸馏得到淡黄色液体38.1g，收率86％。
产物核磁数据：1H NMR(600MHz,CDCl3)δ7.13(s,2H),6.83(s,2H),3.99(d,J＝7.2Hz,4H),3.78(s,3H),2.69–2.62(m,2H),1.97–1.90(m,2H),1.37(s,3H)；13C NMR(151MHz,CDCl3)δ157.63(s),134.17(s),129.13(s),113.72(s),109.65(s),64.74(s),55.22(s),41.26(s),29.28(s),23.99(s).
综上所述，本发明提供了一种由各种醛类和酮类化合物为原料制备各种缩醛和缩酮类化合物的方法。本发明方法反应条件温和、绿色，反应的效率、转化率很高，无副产物的生成，产物分离简单高效。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，也不因各实施例之间的前后次序对本发明造成任何限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种缩醛或缩酮类化合物的绿色合成方法，其特征在于：是以羰基化合物为原料，以载氢化合物为催化剂，再加入醇类物质，反应生成缩醛或缩酮类化合物。
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于所述羰基化合物的结构式为：
其中R1、R2均独立表示H、1-15个碳原子的烃基以及取代烃基、3-12个碳原子的杂环基以及取代杂环基、3-12个碳原子的杂脂环基以及取代杂脂环基；R3独立表示H、1-20个碳原子的烃基以及取代烃基。
3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于所述醇类物质具有如下结构式：
R4-SH、R4-OH、R5(OH)2或R5(SH)2；
其中R4独立表示1-12个碳原子的烃基以及取代烃基；R5独立表示2-12个碳原子的烃基以及取代烃基。
4.根据权利要求1或3所述的合成方法，其特征在于
醇类物质的添加量为为醛类或酮类摩尔量的75-99％。
5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于所述载氢化合物为以下化合物中的一种：
6.根据权利要求1或5所述的合成方法，其特征在于所述载氢化合物为
7.根据权利要求1或5所述的合成方法，其特征在于：
所述催化剂的添加量为醛类或酮类摩尔量的0.1-30％。
8.根据权利要求7所述的合成方法，其特征在于：
所述催化剂的添加量为醛类或酮类摩尔量的1-10％。
9.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：
反应温度为10-120℃，反应时间为0.1-72h。
10.根据权利要求9所述的合成方法，其特征在于：
反应温度为30-90℃，反应时间为2-48h。
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