CN106117021B - 一种应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法。该方法将1重量份的含苄醇的木质素模型化合物和0.005‐3重量份的催化剂加入到微波反应罐中，以20‐800重量份的甲醇为甲基化试剂，设置微波功率为50‐1000W，微波频率为2450MHz±15Hz，在100‐200℃下反应1‐60min；反应结束后，立即用冷水淬灭反应，反应液用乙酸乙酯萃取，取有机相旋干，粗产物经硅胶柱层析分离提纯后得到甲基化产物。该方法可以绿色、简单、安全、高效地将各种木质素模型化合物苄醇甲基化。
Description
技术领域
本发明涉及一种苄醇甲基化的方法，特别是一种应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法。
背景技术
木质素主要是由愈创木基(G)、紫丁香基(S)和对羟基苯基(H)三种基本结构单元通过C‐O或C‐C键连接合成的复杂无规的芳香聚合物，其中主要的连接键是β‐O‐4醚键。木质素含有的主要官能团包括甲氧基、酚羟基、Cα‐醇羟基(苄醇)和Cγ‐醇羟基。同时，计算机实验表明，将苄醇甲基化可以降低β‐O‐4醚键和C3侧链上Cα‐Cβ键的键能。由于木质素模型化合物的结构和性质确定，以及其反应体系简单、干扰因素少和易于分析反应产物，模型物的研究工作可以为木质素的化学反应和结构的变化过程提供了重要的借鉴，并对木质素化学提出相应的普适性和针对性的结论，而含β‐O‐4醚键的木质素模型化合物二聚体备受关注。因此，将木质素模型化合物的苄醇甲基化对木质素降解制备单苯环化合物具有可持续发展的指导和实际意义。
传统的甲基化试剂有硫酸二甲酯、碘甲烷、氯甲烷或格式试剂，该工艺将醇羟基甲基化的同时也将酚羟基甲基化，以及它们一般均属于剧毒物质，不仅极大地危害人体健康，且强碱的使用使得对反应设备要求较高。因此作为绿色的甲基化试剂碳酸二甲酯用作甲基化试剂备受关注，然而碳酸二甲酯也可以同时将醇羟基和酚羟基甲基化，且反应工艺对设备或催化剂要求较高。Shah等人在微波加热下，利用氟化剂1‐chloromethyl‐4‐fluoro‐1,4‐diazoniabicyclo‐[2.2.2]octane bis(tetrafluoroborate)脱去TBS、TIPS和TBDPS醇羟基保护基时，同时会将脱保护基后的苄醇甲基化(The Journal of Organic Chemistry,2009,74(5):2179‐2182.)，尽管文章未阐述其机理，但其利用了微波通常可以加速化学反应的特点，而对于含β‐O‐4醚键的苄醇是否可以被有效地甲基化也并未探讨，且氟化剂危害人体健康和破坏环境。BiBr3催化苄醇甲基化时，催化反应8h后甲基化产物收率为92％(Tetrahedron Letters,2000,41(16):2891‐2894.)，而(Ir(cod)Cl)2催化反应24h后仅得到36％的甲基化产物(Angewandte Chemie International Edition,2011,50(24):5568‐5571.)。AlPW12O40(Journal of Molecular Catalysis A:Chemical,2005,227(1):97‐100.)、NaAuCl4(Chemistry‐A European Journal,2008,14(5):1518‐1523.)和NaHSO3(Tetrahedron,2013,69(1):310‐315.)使苄醇甲基化的同时也可以将伯醇甲基化，这意味着应用于木质素体系时将使木质素分子间的Cα‐醇羟基和Cγ‐醇羟基相互反应而导致分子量增大，从而影响后续木质素的降解。催化剂GaPW12O4和InPW12O40可以将苄醇甲基化且甲基化产物收率最高可达82％(Catalysis Communications,2013,30:19‐22)，以及含超分子配体催化剂K12Ga4L6(L＝N,N‐bis(2,3‐dihydroxybenzoyl)‐1,5‐diaminonaphthalene)可以使95％以上的苄醇甲基化(Journal of the American Chemical Society,2014,136(41):14409‐14412.)，但催化剂制备过程复杂。因此，发展一种绿色、安全、简单且高效地将木质素模型化合物苄醇甲基化的方法尤为迫切和重要。
发明内容
本发明的目的是针对现有苄醇甲基化的工艺技术存在的产物选择性低、操作危险、设备要求高和催化剂要求高等问题，提供一种应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法，选择性地得到高收率的甲基化产物，该发明技术绿色、简单、安全、高效地将各种木质素模型化合物的苄醇甲基化。
本发明的目的通过如下技术方案实施：
一种应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法，包括如下步骤：
1)将1重量份含苄醇的木质素模型化合物和0.005‐3重量份的催化剂加入到微波反应罐中，以20‐800重量份的甲醇为甲基化试剂，设置微波功率为50‐1000W，微波频率为2450MHz±15Hz，在50‐200℃下反应1‐60min，直接催化苄醇甲基化；
2)反应结束后，立即用冷水淬灭反应，反应液用乙酸乙酯萃取，取有机相旋干，粗产物经硅胶柱层析进一步分离提纯，流动相为乙酸乙酯与正己烷，最后得到甲基化产物。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述木质素模型化合物为含苄醇的二聚体。
优选地，所述二聚体为2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐(4‐甲氧基苯基)‐1‐羟基‐3‐丙醇、1‐(4‐羟基苯基)‐2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐乙醇或2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐(3,4‐二甲氧基苯基)‐1‐羟基‐3‐丙醇。
优选地，所述催化剂为HNO3、Mg(NO3)2、Al(NO3)3、Mn(NO3)2、Fe(NO3)3、Co(NO3)2、Ni(NO3)2、Cu(NO3)2、Zn(NO3)2、H3PO4、Mg3(PO4)2、AlPO4、Mn3(PO4)2、FePO4、Co3(PO4)2、Ni3(PO4)2、Cu3(PO4)2、Zn3(PO4)2、H2SO4、MgSO4、Al2(SO4)3、MnSO4、Fe2(SO4)3、CoSO4、NiSO4、CuSO4、ZnSO4、HCl、MgCl2、AlCl3、MnCl2、FeCl3、CoCl2、NiCl2、CuCl2和ZnCl2中的一种或多种。
优选地，所述催化剂为A型、X型、Y型和ZSM型分子筛中的一种或多种。
优选地，步骤1)中木质素模型化合物与催化剂的质量比为100:1‐1:2。
优选地，步骤1)中木质素模型化合物与甲醇的质量比为1:20‐1:500。
优选地，所述微波功率为100‐800W。
优选地，所述微波频率为2450MHz。
优选地，步骤1)中反应温度为70‐180℃，反应时间3‐40min。
相对于现有技术，本发明具有如下突出优点和效果：
1、本发明技术直接以甲醇为甲基化试剂，利用微波均匀加热的热效应避免反应体系局部过热提高甲基化产物收率的同时，微波独特的非热效应提高了苄醇甲基化产物的选择性，从而选择性地得到高收率的甲基化产物。
2、本发明技术基于与伯醇或酚羟基相比，酸性质子更容易使仲醇质子化的原理，在优选条件下将木质素模型化合物的苄醇甲基化；
3、本发明技术使用简单、易得且无毒的催化剂，因此方法绿色、简单、安全和高效。
附图说明
图1为实施例1所述的2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐(4‐甲氧基苯基)‐1‐羟基‐3‐丙醇甲基化反应前后的核磁共振氢谱图对比图。
图2为实施例1所述的2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐(4‐甲氧基苯基)‐1‐甲氧基‐3‐丙醇的核磁共振碳谱图。
图3为实施例2所述的1‐(4‐羟基苯基)‐2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐乙醇甲基化反应前后的核磁共振氢谱图对比图。
图4为实施例2所述的1‐甲氧基‐1‐(4‐羟基苯基)‐2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐乙烷的核磁共振碳谱图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。
实施例1
取1重量份化合物2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐(4‐甲氧基苯基)‐1‐羟基‐3‐丙醇和1.8重量份Al(NO3)3加入到30重量份甲醇中，设置微波反应器的功率为50W，微波频率为2450MHz，微波辅助加热80℃下反应40min。反应结束后，立即用冷水淬灭反应，反应液用乙酸乙酯萃取，取有机相旋干，然后通过硅胶柱层析进一步分离提纯，流动相乙酸乙酯与正己烷的体积比为1：1,蒸干溶剂即得到甲基化产物。
取反应前的2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐(4‐甲氧基苯基)‐1‐羟基‐3‐丙醇和反应后得到的甲基化产物各4mg溶于0.5mL氘代二甲基亚砜(DMSO)中，进行核磁共振氢谱和核磁共振碳谱分析，甲基化反应前后的核磁共振氢谱图对比见图1。图1显示，与反应物各归属氢的信号峰对比，甲基化产物在化学位移3.13ppm处出现一个新的Cα‐甲氧基的信号峰，而Cγ‐醇羟基的信号峰仍然存在，这说明本发明方法选择性地将反应物的苄醇甲基化。甲基化产物的核磁共振碳谱图见图2，图2结果显示，化学位移为56.92ppm和57.06ppm处出现了烷基链的甲氧基信号峰，这进一步证明苄醇已经被甲基化。
实施例2
取1重量份化合物1‐(4‐羟基苯基)‐2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐乙醇和0.5重量份Mg3(PO4)2加入到50重量份甲醇中，设置微波反应器的功率为200W，微波频率为2450MHz，微波辅助加热150℃下反应30min。反应结束后，立即用冷水淬灭反应，反应液用乙酸乙酯萃取，取有机相旋干，然后通过硅胶柱层析进一步分离提纯，流动相乙酸乙酯与正己烷的体积比为1：2,蒸干溶剂即得到甲基化产物。
取反应前的1‐(4‐羟基苯基)‐2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐乙醇和反应后得到的甲基化产物各4mg溶于0.5mL氘代二甲基亚砜(DMSO)中，进行核磁共振氢谱和核磁共振碳谱分析，甲基化反应前后的核磁共振氢谱图对比见图3。图3显示，与反应物各归属氢的信号峰对比，甲基化产物在化学位移3.18ppm处出现一个新的Cα‐甲氧基的信号峰，而酚羟基的信号峰仍然存在，这说明本发明方法不会使酚羟基甲基化，而是选择性地将反应物的苄醇甲基化。甲基化产物的核磁共振碳谱图见图4，图4结果显示，化学位移为56.06ppm处出现了烷基链的甲氧基信号峰，这进一步证明苄醇已经被甲基化。结合实施例1结果分析，说明本方法可以有效且选择性地将苄醇甲基化。
实施例3
取1重量份化合物2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐(3,4‐二甲氧基苯基)‐1‐羟基‐3‐丙醇和0.03重量份MnCl2加入到150重量份甲醇中，设置微波反应器的功率为400W，微波频率为2450MHz，微波辅助加热180℃下反应3min。反应结束后，立即用冷水淬灭反应，反应液用乙酸乙酯萃取，取有机相旋干，然后通过硅胶柱层析进一步分离提纯，流动相乙酸乙酯与正己烷的体积比为2：1,蒸干溶剂即得到甲基化产物。
对比例1(对比实施例1)
取1重量份化合物1‐(4‐羟基苯基)‐2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐乙醇和1.8重量份Al2(SO4)3加入到30重量份甲醇中，在80℃下的高压反应釜反应40min。反应结束后，立即用冷水淬灭反应，反应液用乙酸乙酯萃取，取有机相旋干，然后通过硅胶柱层析进一步分离提纯，流动相乙酸乙酯与正己烷的体积比为1：2,蒸干溶剂即得到甲基化产物。
对比例2(对比实施例2)
取1重量份化合物1‐(4‐羟基苯基)‐2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐乙醇和0.5重量份Mg3(PO4)2加入到50重量份甲醇中，在150℃下的高压反应釜反应30min。反应结束后，立即用冷水淬灭反应，反应液用乙酸乙酯萃取，取有机相旋干，然后通过硅胶柱层析进一步分离提纯，流动相乙酸乙酯与正己烷的体积比为1：2,蒸干溶剂即得到甲基化产物。
对比例3(对比实施例3)
取1重量份化合物2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐(3,4‐二甲氧基苯基)‐1‐羟基‐3‐丙醇和0.03重量份MnCl2加入到150重量份甲醇中，在180℃下的高压反应釜反应3min。反应结束后，立即用冷水淬灭反应，反应液用乙酸乙酯萃取，取有机相旋干，然后通过硅胶柱层析进一步分离提纯，流动相乙酸乙酯与正己烷的体积比为2：1,蒸干溶剂即得到甲基化产物。
实施效果说明：
甲基化产物收率和甲基化产物选择性分别按下面的公式计算：
甲基化产物收率(％)＝甲基化产物的摩尔量/初始反应物的摩尔量×100％
甲基化产物选择性(％)＝甲基化产物的摩尔量/反应物转化的摩尔量×100％。表1为本发明实施例和对比例获得相应甲基化产物收率和选择性的数据。
表1实施例和对比例甲基化效果汇总
为了说明本发明的实施效果，将在微波反应器和常规高压反应器的数据进行对比，对比结果见表1。从表1可以看出，使用本发明的方法时(实施例1‐3)，相应的甲基化产物收率和选择性分别达到95％和94％以上。然而，微波反应器换成常规高压反应器，其他反应条件相同下反应后(对比实施例1‐3)，相应的甲基化产物收率和选择性明显低于对应的实施例。尽管本发明的物料配比利用常规加热也可以得到苄醇甲基化产物，但甲基化产物收率和选择性不够理想。可能由于微波均匀加热避免了常规高压反应釜常出现局部过热的缺点，从而避免了化合物进一步分解而使得在微波反应器反应时得到很高的甲基化产物收率和选择性。
表2为本发明应用于其它木质素模型化合物后的甲基化效果汇总。
表2其它木质素模型化合物甲基化效果汇总
为证明本发明的普遍性，对其它木质素模型化合物也进行了探讨。从表2可以看出，不同木质素单体(S、G和H)之间的苄醇使用本发明方法进行甲基化反应后，可以选择性地得到高收率的甲基化产物。因此，本方法应用微波可以更有效地使各种常用的木质素模型化合物上的苄醇甲基化，且整个工艺绿色、简单、安全和高效，对降解木质素制备单苯环化合物相关技术的发展有指导和实际意义。
Claims (7)
1.一种应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将1重量份含苄醇的木质素模型化合物和0.005‐3重量份的催化剂加入到微波反应罐中，以20‐800重量份的甲醇为甲基化试剂，设置微波功率为50‐1000W，微波频率为2450MHz±15Hz，在50‐200℃下反应1‐60min，直接催化苄醇甲基化；所述木质素模型化合物为含苄醇的二聚体；所述催化剂为HNO3、Mg(NO3)2、Al(NO3)3、Mn(NO3)2、Fe(NO3)3、Co(NO3)2、Ni(NO3)2、Cu(NO3)2、Zn(NO3)2、H3PO4、Mg3(PO4)2、AlPO4、Mn3(PO4)2、FePO4、Co3(PO4)2、Ni3(PO4)2、Cu3(PO4)2、Zn3(PO4)2、HCl、MgCl2、AlCl3、MnCl2、FeCl3、CoCl2、NiCl2、CuCl2和ZnCl2中的一种或多种；
2)反应结束后，立即用冷水淬灭反应，反应液用乙酸乙酯萃取，取有机相旋干，粗产物经硅胶柱层析进一步分离提纯，流动相为乙酸乙酯与正己烷，最后得到甲基化产物。
2.根据权利要求1所述的应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法，其特征在于：所述二聚体为2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐(4‐甲氧基苯基)‐1‐羟基‐3‐丙醇、1‐(4‐羟基苯基)‐2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐乙醇或2‐(2‐甲氧基苯氧基)‐1‐(3,4‐二甲氧基苯基)‐1‐羟基‐3‐丙醇。
3.根据权利要求1所述的应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法，其特征在于：步骤1)中木质素模型化合物与催化剂的质量比为100:1‐1:2。
4.根据权利要求1所述的应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法，其特征在于：步骤1)中木质素模型化合物与甲醇的质量比为1:20‐1:500。
5.根据权利要求1所述的应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法，其特征在于：所述微波功率为100‐800W。
6.根据权利要求1所述的应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法，其特征在于：所述微波频率为2450MHz。
7.根据权利要求1所述的应用微波促进木质素模型化合物苄醇甲基化的方法，其特征在于：步骤1)中反应温度为70‐180℃，反应时间3‐40min。
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