CN112301371A

CN112301371A - 一种间接电催化合成大茴香腈的方法

Info

Publication number: CN112301371A
Application number: CN202011073752.2A
Authority: CN
Inventors: 朱英红; 王乙龙; 焦玉峰; 葛展榜; 陈赵扬
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: CN112301371B

Abstract

本发明公开了一种间接电催化合成大茴香腈的方法，所述方法为：以对甲氧基苯甲醛或对甲氧基苯甲醇为原料，硫酸羟胺为氮源，以式(Ⅰ)所示的咔唑类化合物为电催化剂，采用三电极体系，阴极和阳极均为铂电极，Ag/AgNO₃(0.01MAgNO₃乙腈溶液)作为参比电极，在电解液中进行间接电催化得到大茴香腈。本发明具有绿色、经济、高效的特点。

Description

一种间接电催化合成大茴香腈的方法

技术领域

本发明属于有机电化学合成领域，尤其涉及一种间接电催化合成大茴香腈的方法。

背景技术

大茴香腈，又名对甲氧基苯腈，它具有浓郁的香气，对皮肤刺激性小，是醛类香料的理想代用品，广泛应用于香料、农药、日用医药及材料等领域。国内外传统的合成方法是大茴香醛法，即从大茴香醛制备大茴香醛肟,再经催化脱水后生成大茴香腈。此方法存在一些缺点，例如有机溶剂用量大、试剂昂贵、转化率较低、纯化处理困难。还有一些方法以对甲氧基甲苯、对甲氧基苯胺及对甲氧基卤代苯为原料，在这些方法中，往往需要使用金属氧化物作为催化剂，或者加入有毒的氰化试剂、具有腐蚀性的脱水剂，这将会产生大量废弃物，也不利于提纯。因此需要发明一种绿色高效的合成大茴香腈的方法。

有机电合成作为一种绿色化学合成技术，以电子作为氧化还原剂，不需要额外加入氧化还原剂，有利于产品的分离提纯。

发明内容

本发明的目的在于提供一种间接电催化合成大茴香腈的方法，以羟胺盐为氮源，通过电催化氧化制备大茴香腈的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种间接电催化合成大茴香腈的方法，所述方法为：以对甲氧基苯甲醛或对甲氧基苯甲醇为原料，硫酸羟胺为氮源，以式(Ⅰ)所示的咔唑类化合物为电催化剂，采用三电极体系，阴极和阳极均为铂电极，Ag/AgNO₃(0.01MAgNO₃乙腈溶液)作为参比电极，在电解液中进行间接电催化得到大茴香腈；

所述电解液中的支持电解质为四丁基高氯酸铵或高氯酸锂，溶剂为水、乙腈和二氯甲烷的混合溶剂，所述乙腈和二氯甲烷的体积比为1-5:0-1，溶剂中水体积含量为10-50％，所述电解液中原料浓度为10-40mM，支持电解质浓度为0.05-0.2M；

所述原料与氮源的摩尔比为1：1-3，所述原料与电催化剂的摩尔比为10-40:1；

所述间接电催化的条件为：控制温度为20～60℃、电位为1.2～1.8V条件下，恒电位电解5～12h；

式中，R₁为OMe、CH₃、H、F、Cl、Br、I、CN或NO₃；R₂为OMe、CH₃、H、F、 Cl、Br、I、CN或NO₃。

作为优选，所述的电催化剂选自下列催化剂(1c)-(4c)之一：

作为进一步的优选，所述原料为对甲氧基苯甲醛，所述电催化剂为催化剂(2c)。

作为进一步的优选，所述原料为对甲氧基苯甲醇，所述电催化剂为催化剂(2c)、(3c) 或(4c)，最优选电催化剂为催化剂(3c)。

作为优选，所述支持电解质为四丁基高氯酸铵。

作为进一步的优选，所述支持电解质为四丁基高氯酸铵，所述电解液中支持电解质浓度为0.1-0.2M，最优选0.1M。

作为优选，所述溶剂中，乙腈和二氯甲烷的体积比为2-5:1，最优选4:1。

作为优选，所述原料为对甲氧基苯甲醛，所述溶剂中水体积含量为20-40％，更优选20-30％，最优选20％。

作为优选，所述原料为对甲氧基苯甲醇，所述溶剂中水体积含量为10-40％，更优选20-30％，最优选20％。

作为优选，所述的原料与氮源的摩尔比为1：1.5-2，最优选1：1.5。

作为优选，所述的原料浓度为20-30mM，最优选为20mM。

作为优选，所述的原料与电催化剂的摩尔比为20-30:1，最优选为20:1。

作为优选，反应温度为30-60℃，最优选50℃。

作为优选，所述原料为对甲氧基苯甲醛，电解电压为1.5-1.8V，更优选1.5-1.6V，最优选1.5V。

作为优选，所述原料为对甲氧基苯甲醇，电解电压为1.5-1.7V，最优选1.5V。

作为优选，所述原料为对甲氧基苯甲醛，电解时间为8-10h，最优选9h。

作为优选，所述原料为对甲氧基苯甲醇，电解时间为10-12h，最优选10h。

作为优选，所述间接电催化合成大茴香腈的方法按照如下步骤进行：将原料、氮源、电催化剂、支持电解质加入到溶剂中，插入电极，在一定温度与电位下进行恒电位电解一定时间，得到目标产物。产物收率通过GC-MS确定。

本发明的有益效果为：

(1)间接电催化合成大茴香腈，可以有效防止底物在电极上的过氧化反应，有效防止底物聚合及电极钝化，提高电流效率；

(2)电子作为氧化还原剂作为氧化剂，降低了生产成本；

(3)与现有的间接电合成腈相比，本方案采用两相水溶液进行反应，减少有机溶剂的用量，节约成本。

(4)该方法产率高，原子经济性强，不产生有害废物，无金属残留，对环境友好，是大茴香腈的绿色高效的合成方法，适合药物合成和精细化工中间体的生产。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不仅限于这些实施例。

实施例中所使用的的电催化剂1c-4c依据文献中的方法进行制备(Polym J,2012,44(3):257-263；Chinese J Catal,2016,037(004):533-538.)。

下述实施例所用的对甲氧基苯甲醛、对甲氧基苯甲醇的结构式分别如式(Ⅱ～Ⅲ)所示：

对应制备的大茴香腈的结构如式(Ⅳ)所示：

催化剂(1c)-(4c)的结构如下所示：

合成路线如下所示：

以对甲氧基苯甲醛为原料制备大茴香腈的电解步骤与结果如下：

实施例1：

在15mL电解槽中加入0.0272g对甲氧基苯甲醛，0.0040g电催化剂2c，0.0492g 硫酸羟胺，0.3419g四丁基高氯酸铵，8mL溶剂(体积比CH₃CN:CH₂Cl₂＝4:1)，2mL蒸馏水，50℃，以Pt作阳极，Pt作阴极，Ag/AgNO₃(0.01MAgNO₃乙腈溶液)电极作为参比电极，在1.5V恒电位下电解9h，得到目标产物大茴香腈。电解产物收率通过气相色谱GC进行分析,分析方法为面积归一化法。产物收率如表1所示为95％。反应液经无水乙醚萃取(5mL ×3)，用无水硫酸钠干燥，柱层析(石油醚/乙酸乙酯＝15:1)纯化后，进行结构表征。

产物结构表征为：¹HNMR(500MHz,CDCl₃)δ:3.86(s,3H),6.96(d,J＝8.5Hz,2H),7.59(d,J＝8.0Hz,2H)GC-MS(EI,70eV)m/z:133.05[M]⁺。

实施例2-4、对比例1：

反应步骤和反应过程同实施例1，所不同的是将电催化剂分别替换为等摩尔的0.0033g 1c(实施例2)、0.0048g 3c(实施例3)、0.0045g 4c(实施例4)及不加入电催化剂(对比例1)，进行上述恒电位电解实验，结果列于表1中。

表1不同电催化剂作用下电解对甲氧基苯甲醛生成大茴香腈。

由表1可知，电催化剂1c-4c均可作为电催化剂用于芳香醛电氧化合成芳香腈领域。当2c作为电催化剂时，目标产物的收率最高达95％，因此电催化剂优选2c(实施例1)。

实施例5-10：

反应步骤和反应过程同实施例1，所不同的是反应温度为5℃(实施例5)、20℃ (实施例6)、25℃(实施例7)、30℃(实施例8)、40℃(实施例9)、60℃(实施例10)，进行上述恒电位电解实验，结果列于表2中。

表2不同反应温度的电解结果

由上述反应结果可知反应温度优选50℃(实施例1)。

实施例11-15：

反应步骤和反应过程同实施例1，所不同的是乙腈和二氯甲烷的体积比为1:0(实施例11)、1:1(实施例12)、2:1(实施例13)、3:1(实施例14)、4:1(实施例15)、5:1 (实施例15)，进行上述恒电位电解实验，结果列于表3中。

表3不同蒸馏水含量的电解结果

由上述反应结果可知乙腈和二氯甲烷的体积比优选4:1(实施例1)。

实施例16-20：

反应步骤和反应过程同实施例1，所不同的是加入的蒸馏水含量为5％(实施例16)、10％(实施例17)、30％(实施例18)、40％(实施例19)、50％(实施例20)，进行上述恒电位电解实验，结果列于表4中。

表4不同蒸馏水含量的电解结果

由上述反应结果可知蒸馏水含量优选20％(实施例1)。

实施例21-27：

反应步骤同实施例1的反应过程，所不同的是电解电位为1.0V(实施例21)、1.2V(实施例22)、1.3V(实施例23)、1.4V(实施例24)、1.6V(实施例25)、1.7V(实施例26)、1.8V(实施例27)，进行上述恒电位电解实验，结果列于表5中。

表5不同电解电位的电解结果

由上述反应结果，考虑到能耗电解电位优选为1.5V(实施例1)。

对比例2-8：

反应步骤同实施例1的反应过程，所不同的是反应温度及等摩尔的其他氮源，电解结果列于表6中。

表6不同氮源的电解结果

由上述反应结果，氮源优选为硫酸羟胺(实施例1)。

实施例28-30：

反应步骤同实施例1的反应过程，所不同的是底物与氮源的摩尔比为1:1(实施例28)、1:2(实施例29)、1:3(实施例30)，电解结果列于表7中。

表7底物与氮源不同摩尔比时的电解结果

由上述反应结果，底物与氮源的摩尔比优选为1:1.5(实施例1)。

实施例31-33：

反应步骤同实施例1的反应过程，所不同的是底物浓度分别为10mM(实施例31)、30mM(实施例32)、40mM(实施例33)，即底物与电催化剂的摩尔比为10:1(实施例31)、 30:1(实施例32)、40:1(实施例33)，电解结果列于表8中。

表8底物与电催化剂不同摩尔比时的电解结果

由上述反应结果，底物浓度优选为20mM，即底物与电催化剂的摩尔比优选为20:1(实施例1)。

实施例34：

反应步骤和反应过程同实施例1，所不同的是电解质为0.1064g高氯酸锂，大茴香腈的收率为68％。

由上述反应结果，电解质优选为四丁基高氯酸铵(实施例1)。

实施例35-37：

反应步骤和反应过程同实施例1，所不同的是电解质浓度为0.05M(实施例35)、0.15M(实施例36)、0.2M(实施例37)，电解结果列于表9中。

表9不同电解质浓度的电解结果

由上述反应结果，电解质的浓度优选为0.1M(实施例1)。

实施例38-40：

反应步骤和反应过程同实施例1，所不同的是电解时间为5h(实施例38)、8h (实施例39)、10h(实施例40)，电解结果列于表10中。

表10不同电解时间的电解结果

由上述反应结果，电解时间优选9h(实施例1)。

以对甲氧基苯甲醇为原料制备大茴香腈的电解步骤与结果如下：

实施例41：

在15mL电解槽中加入0.0276g对甲氧基苯甲醇，0.0048g电催化剂3c，0.0492g 硫酸羟胺，0.3419g四丁基高氯酸铵，8mL溶剂(CH₃CN:CH₂Cl₂＝4:1)，2mL蒸馏水，50℃，以Pt作阳极，Pt作阴极，Ag/AgNO₃(0.01MAgNO₃乙腈溶液)电极作为参比电极，在1.5V 恒电位下电解10h，得到目标产物大茴香腈。电解产物收率通过气相色谱GC进行分析,分析方法为面积归一化法。产物收率如表10所示为99％。反应液经无水乙醚萃取(5mL×3)，用无水硫酸钠干燥，柱层析(石油醚/乙酸乙酯＝15:1)纯化后，进行结构表征。

实施例42-44、对比例9：

反应步骤和反应过程同实施例41，所不同的是将电催化剂分别替换为等摩尔的0.0033g催化剂1c(实施例42)、0.0040g催化剂2c(实施例43)、0.0045g催化剂4c(实施例44)及不加入电催化剂(对比例9)，进行上述恒电位电解实验，结果列于表11中。

表11不同电催化剂作用下电解对甲氧基苯甲醇生成大茴香腈

由表11可知，相同时间和电位下，在对甲氧基苯甲醇转化为大茴香腈的应用中，1c作为电催化剂时腈的收率最低为75％，这是由于1c的氧化电位较低导致的。电催化剂2c、3c和4c因具有较高的氧化电位，故它们在体系中表现出较优异的催化效果，因此它们可作为高效催化剂应用于对甲氧基苯甲醇转化为大茴香腈中。其中，3c作为催化剂时，腈的收率高达99％，因此是该体系最优的选择(实施例41)。

实施例45-50：反应步骤和反应过程同实施例41，所不同的是反应温度为5℃(实施例45)、20℃(实施例46)、25℃(实施例47)、30℃(实施例48)、40℃(实施例49)、 60℃(实施例50)，进行上述恒电位电解实验，结果列于表12中。

表12不同反应温度的电解结果

由上述反应结果可知反应温度优选50℃(实施例41)。

实施例51-55：

反应步骤和反应过程同实施例1，所不同的是乙腈和二氯甲烷的体积比为1:0(实施例51)、1:1(实施例52)、2:1(实施例53)、3:1(实施例54)、4:1(实施例15)、5:1 (实施例55)，进行上述恒电位电解实验，结果列于表13中。

表13不同蒸馏水含量的电解结果

由上述反应结果可知乙腈和二氯甲烷的体积比优选4:1(实施例41)。

实施例56-60：

反应步骤和反应过程同实施例41，所不同的是加入的蒸馏水含量为5％(实施例56)、10％(实施例57)、30％(实施例58)、40％(实施例59)、50％(实施例60)，进行上述恒电位电解实验，结果列于表14中。

表14不同蒸馏水含量的电解结果

由上述反应结果可知蒸馏水含量优选20％(实施例41)。

实施例61-67：

反应步骤和反应过程同实施例41，所不同的是电解电位为1.0V(实施例61)、 1.2V(实施例62)、1.3V(实施例63)、1.4V(实施例64)、1.6V(实施例65)、1.7V (实施例66)、1.8V(实施例67)，进行上述恒电位电解实验，结果列于表15中。

表15不同电解电位的电解结果

由上述反应结果，考虑到能耗电解电位优选为1.5V(实施例41)。

对比例10-16：

反应步骤和反应过程同实施例41，所不同的是反应温度及等摩尔的其他氮源，电解结果列于表16中。

表16不同氮源的电解结果

由上述反应结果，氮源优选为硫酸羟胺(实施例41)。

实施例68-70：

反应步骤和反应过程同实施例41，所不同的是底物与氮源的摩尔比为1:1(实施例68)、1:2(实施例69)、1:3(实施例70)，电解结果列于表17中。

表17底物与氮源的不同摩尔比时的电解结果

由上述反应结果，底物与氮源的摩尔比优选为1:1.5(实施例41)。

实施例71-73：

反应步骤和反应过程同实施例41，所不同的是底物浓度分别为10mM(实施例71)、30mM(实施例72)、40mM(实施例73)，即底物与电催化剂的摩尔比为10:1(实施例71)、 30:1(实施例72)、40:1(实施例73)，电解结果列于表18中。

表18底物与电催化剂不同摩尔比时的电解结果

由上述反应结果，底物浓度优选为20mM，即底物与电催化剂的摩尔比优选为20:1(实施例41)。

实施例74：

反应步骤和反应过程同实施例41，所不同的是电解质为0.1064g高氯酸锂，大茴香腈的收率为77％。

由上述反应结果，电解质优选为四丁基高氯酸铵(实施例41)。

实施例75-77：

反应步骤和反应过程同实施例41，所不同的是电解质浓度为0.05M(实施例75)、0.15M(实施例76)、0.2M(实施例77)，电解结果列于表19中。

表19不同电解质浓度的电解结果

由上述反应结果，电解质的浓度优选为0.1M(实施例41)。

实施例78-80：

反应步骤和反应过程同实施例41，所不同的是电解时间为6h(实施例78)、9h (实施例79)、12h(实施例80)，电解结果列于表20中。

表20不同电解时间的电解结果

由上述反应结果，电解时间优选10h(实施例41)。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种间接电催化合成大茴香腈的方法，所述方法为：以对甲氧基苯甲醛或对甲氧基苯甲醇为原料，硫酸羟胺为氮源，以式(Ⅰ)所示的咔唑类化合物为电催化剂，采用三电极体系，阴极和阳极均为铂电极，Ag/AgNO₃(0.01MAgNO₃乙腈溶液)作为参比电极，在电解液中进行间接电催化得到大茴香腈；

所述电解液中的支持电解质为四丁基高氯酸铵或高氯酸锂，溶剂为水、乙腈和二氯甲烷的混合溶剂，所述乙腈和二氯甲烷的体积比为4：1，溶剂中水体积含量为10-50％，所述电解液中原料浓度为10-40mM，支持电解质浓度为0.05-0.2M；

式中，R₁为OMe、CH₃、H、F、Cl、Br、I、CN或NO₃；R₂为OMe、CH₃、H、F、Cl、Br、I、CN或NO₃。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的电催化剂选自下列催化剂(1c)-(4c)之一：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述原料为对甲氧基苯甲醛，所述电催化剂为催化剂(2c)。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述原料为对甲氧基苯甲醇，所述电催化剂为催化剂(2c)、(3c)或(4c)。

5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于：所述支持电解质为四丁基高氯酸铵。

6.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于：所述支持电解质为四丁基高氯酸铵，所述电解液中支持电解质浓度为0.1-0.2M，最优选0.1M；所述原料为对甲氧基苯甲醇，所述溶剂中，乙腈和二氯甲烷的体积比为2-5:1，最优选4:1，水体积含量为10-40％，更优选20-30％，最优选20％；所述的原料与氮源的摩尔比为1：1.5-2，最优选1：1.5；所述的原料浓度为20-30mM，最优选为20mM；所述的原料与电催化剂的摩尔比为20-30:1，最优选为20:1。

7.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于：所述支持电解质为四丁基高氯酸铵，所述电解液中支持电解质浓度为0.1-0.2M，最优选0.1M；所述原料为对甲氧基苯甲醛，所述溶剂中，乙腈和二氯甲烷的体积比为2-5:1，最优选4:1，水体积含量为20-40％，更优选20-30％，最优选20％；所述的原料与氮源的摩尔比为1：1.5-2，最优选1：1.5；所述的原料浓度为20-30mM，最优选为20mM；所述的原料与电催化剂的摩尔比为20-30:1，最优选为20:1。

8.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于：反应温度为30-60℃，最优选50℃。

9.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于：所述原料为对甲氧基苯甲醛，电解电压为1.5-1.8V，更优选1.5-1.6V，最优选1.5V；电解时间为8-10h，最优选9h。

10.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于：所述原料为对甲氧基苯甲醇，电解电压为1.5-1.7V，最优选1.5V；电解时间为10-12h，最优选10h。