CN113073347B - 一种以水为氧源电化学合成丁香醛的方法 - Google Patents

一种以水为氧源电化学合成丁香醛的方法 Download PDF

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Abstract

丁香醛是一种重要的医药中间体和人工食用香料，其经济价值较高，市场需求量巨大。针对以往生产方法的不足，本专利创造性地提出一种电化学合成方法，即以水（H2O）为绿色氧源、电子为清洁氧化剂、2,6‑二甲氧基‑4‑甲基苯酚为原料以及表面担栽Pt纳米颗粒的钛网为电极，通过在自主设计的单室密封电解池中进行室温常压恒流电解，便可直接在阳极高收率和高选择性地获得目标产物丁香醛，同时在阴极因质子被还原而能收集到高纯度的氢气。因此，本法实现了电能高效转化为化学能和水中氢氧元素完全利用。

Description

一种以水为氧源电化学合成丁香醛的方法
技术领域
本发明涉及一种丁香醛的新型电化学制备方法，属于有机电合成技术领域。
背景技术
丁香醛即3,5-二甲氧基-4-羟基苯甲醛，英文名Syringaldehyde或3,5-dimethoxy-4-hydroxybenzaldehyde，分子式C9H10O4，分子量182.17，CAS号134-96-3，熔点110-113℃，室温下为白色或浅黄白色固体，微溶于冷水，可溶于甲醇、乙醇、氯仿、DMSO等有机溶剂。它属于黄酮类多酚化合物，散发出浓郁的豆香、奶香气息，具有抗氧化、抗高血糖以及抗炎活性，并能有效抑制COX-2(即诱导型环氧化酶)活性。其经济价值较高，每公斤售价约1272￥(纯度98％，
Figure GDA0003091866990000011
)，市场需求量巨大，已经广泛应用于农药化学、香料、医药、生物基高分子材料以及有机合成工业等众多领域。例如，作为关键中间体，合成抗菌磺胺增效剂三甲氧苄胺嘧啶、天然产物Tenuifoliside B以及活血化瘀药盐酸益母草碱；作为大品种人造食用香精，用于大宗生产食品、饮品等。
迄今，文献报道了为数不多的丁香醛的化学合成方法，常见的起始原料如图1所示。例如，Ji等(Green Chem.2014,16,1248.)采用有机铜盐Cu(OAc)2为催化剂、常压空气为最终氧化剂、强极性乙二醇为溶剂，在50℃下反应12h，通过对位羟基导向的远程苄位Csp3-H键氧化官能团化反应(又称氧合反应，即氧原子转移氧化反应)，便可将原料2,6-二甲氧基-4-甲基苯酚定量、高选择性地转化为丁香醛。该研究组(Res.Chem.Intermed.2015,41,8651.；CN200810036967.X)亦采用对羟基苯甲醛经二溴代反应得到的3,5-二溴-4-羟基苯甲醛作为原料，CuCl为催化剂、HCOOMe为助催化剂、MeONa为亲核试剂、低沸点MeOH为溶剂，在耐高压反应釜中115℃反应2.0h，通过Ullmann型反应(双甲氧基化)即可高收率制得丁香醛。类似的，Zhou等(Food Chem.2014,158,41.)采用5-溴香兰素为原料，CuCl为催化剂、MeONa为亲核试剂、高沸点DMF为溶剂，在三口圆底烧瓶中100℃常压反应3.0h，通过Ullmann型反应(单甲氧基化)即可高收率制得丁香醛。早在2011年，中国专利(CN102146025B)曾公布了一种利用生物质资源-木质素氧化降解单一制备丁香醛的方法。
以自制2,6-二甲氧基-4-甲基苯酚(CAS：6638-05-7)作为原料的丁香醛合成工艺不会向环境排放任何有毒且腐蚀性强的含卤废物，原子经济性高，符合绿色化学理念；同时反应条件温和，不涉及高压/高温，无需特殊反应设备，因此成为一条具有极大研究价值的工艺路线。作为原料的2,6-二甲氧基-4-甲基苯酚属于商业大宗化工产品，市售廉价易得，可以方便地由工业级对甲酚(约115￥/Kg，纯度98％，
Figure GDA0003091866990000021
)经氧化溴化(超低溴耗，不涉及高毒性的溴单质，溴原子经济性接近100％)和Ullmann型甲氧基化(此取代反应产生的溴负离子可以回收后投入上步溴化反应中，实现溴离子循环套用)两步十分成熟的单元反应连续、大批量制备(图2，Green Chem.2014,16,2807.)；并且其熔点为37-42℃，室温下容易长期储存而不会变质。虽然该法原料到产品的升值空间巨大，但是需要科学理性地选用氧化剂和氧源，以期更加高效、可持续地实现2,6-二甲氧基-4-甲基苯酚苄位Csp3-H键氧化官能团化反应。
金属氧化剂往往价格高昂，使用量偏大，难以回收再利用，会排放富含金属离子的高盐废水，造成严重的环境污染；而且，容易残留在产品中，影响其纯度，降低了品质。此外，这类氧化剂的氧化还原电势一般为固定值，难以精密调控氧化能力，进而造成反应选择性较差，引起大量副反应，容易产生低值的焦油。因此，寻求廉价、环保和可持续的氧化剂对于升级丁香醛的制备工艺至关重要。
另一方面，氧源(Oxygen Atom Source)是进行C-H键氧化官能团化的必需条件，常用的主要包括O2、H2O2、PhIO(亚碘酰苯)、CF3COOOH(三氟过氧乙酸)等。这类化学氧源往往在将氧原子转移至原料的过程中展现出一定的氧化性，有的惰性难以活化(例如O2)，有的产生污染性的碘苯(例如PhIO)，有的用量较大甚至有安全隐患(例如H2O2)，有的售价高昂(例如CF3COOOH)。因此，寻求经济、绿色和安全的氧源对于升级丁香醛的制备工艺同样至关重要。
有机电合成利用丰富的电子作为清洁氧化剂，无需额外的氧化还原试剂，将富余电力转化为稳定的、可储运的化学能，具有节能、环保以及高效等优点，目前这项技术已经成为绿色合成化学的热点研究课题。此外，电子的氧化能力可以仅仅通过改变电压而连续调控，进而降低副反应发生的概率，极大弥补了化学氧化剂的不足。因此，阳极氧化技术有望代替金属氧化剂应用于2,6-二甲氧基-4-甲基苯酚的氧化。
自然界中的水(H2O)具有资源丰富、绿色安全以及氧元素含量高(89％)等优点，被视为一种用于氧合反应的理想氧源。但是，水分子中O–H键的离解能很高，清洁高效地活化水分子用于有机合成反应一直是一个很大的挑战。现有的以水为氧源的热催化或光催化氧合反应需要高温、强氧化剂、有机光敏剂等苛刻的反应条件，并且反应后体系中残留大量金属离子型副产物。另外，底物水的氧原子转移给有机底物后，会释放两倍的质子，造成体系进一步酸化与复杂化。最近，科研人员以清洁的电能代替化学试剂活化水分子，初步探索了以水为氧源的电催化有机氧合反应，即电源输出较高的氧化电位，将带有配位水的电催化剂转化为高价金属-氧物种(metal-oxo)，紧接着将氧原子转移给有机底物，同时水分子、有机物在此过程中释放的质子作为终端电子受体用于阴极析氢(Chem.Sci.2019,10,7542.；J.Am.Chem.Soc.2019,141,6413.；Nat.Catal.2021,4,116.)。因此，水分子能够代替常规化学氧源应用于2,6-二甲氧基-4-甲基苯酚的氧化官能团化。
发明内容
本发明的目的在于提出一种丁香醛的新型电合成方法。该方法具有诸多优点，例如装置要求简单、水为氧源、电极容易制备、原料市售易得、反应条件温和、电能消耗低、生产周期短、后处理方便等。此外，在阳极高选择性发生苄位C-H键氧合反应，水氧化析氧反应(4OH-→O2+2H2O+4e-)、甲醇氧化产甲酸反应(CH3OH+5OH-→HCOO-+4e-+4H2O)以及丁香醛进一步氧化为丁香酸(R-CHO→RCOOH)等副反应受到根本性抑制，与此同时阴极产生高纯度清洁能源载体——氢气，即实现水中氢氧元素的完全利用和接近100％的法拉第效率。
本发明所述的技术方案包括设备搭建、电解液配制、恒流电解过程以及后处理等四个步骤：试验需要在无隔膜、严格密封的单室常规玻璃电解池中实施。在电解池中放置两块镀铂钛网，作为阳极和阴极，构成完整回路；利用预先配制的氢氧化钠/甲醇水溶液作为电解液，加入原料后，通入氮气除氧并严格密封；室温下，在某个恒定直流电流的驱动下进行电解过程，同时阴极收集氢能源；电解结束后，处理电解液得到丁香醛并且回收精甲醇。
现详细叙述本发明的技术方案。
一种丁香醛的电化学合成方法，其特征在于电解装置简单、电子为氧化剂、水为氧源、无需外加金属氧化剂和化学氧源，以及生产成本低廉等，具体步骤如下：
第一步设备搭建
采用表面电沉积了一薄层纳米铂颗粒(厚度为3.0μm，以降低贵金属铂的总用量)的钛网作为阳极、阴极，然后在电解池放入橄榄型聚四氟磁力搅拌子，设备外观如图3所示。用于担载铂的钛网为三维连续多孔的结构，内孔为2.0×4.0mm，整体长为1.5cm、宽为3.0cm，这将极大增加反应位点和提高电催化效率。为了保持反应温度恒定，可以通入循环水。
第二步电解液配制
在小烧杯中，依次加入氢氧化钠(32￥/Kg，纯度96％，
Figure GDA0003091866990000041
)、甲醇和去离子水，然后用玻璃棒缓慢搅拌，促进氢氧化钠溶解，得到澄清的碱性甲醇水溶液。取一定体积的这种溶液注入图3所示的电解池中，并加入原料(10.0mmol，1.68g)，通入氮气彻底除去溶解氧，然后严格密封、备用。
第三步电解过程
电解过程在常压下进行，施加的直流电流为5.0至15mA，电解时间为5.0至15h，电解温度设置为0至45℃，反应方程式以及可能的电解原理示意图如图4所示。首先，2,6-二甲氧基-4-甲基苯酚在碱性条件下容易转变为相应的具有优良水溶性的酚钠盐形式，然后在阳极表面发生两次单电子氧化，经过对亚甲基苯醌型(p-quinonemethides)中间体，并瞬间被亲核试剂氢氧根进攻，苄位甲基转化为-CH2OH，得到苄醇中间体，然后继续被氧化，最终苄位甲基转化为醛基，得到目标产物丁香醛。同时，阴极快速产生氢气，在溢出反应液后通过排气口释放。反应过程中，用薄层色谱法(TLC)监测进度。
第四步后处理
反应5.0小时后，将电极移出液面，用去离子水、无水乙醇淋洗，可反复使用。将电解池中的反应液转移至单口茄型烧瓶中，减压旋蒸，回收精甲醇。向反应体系中加入10％(vol.％)稀盐酸溶液，调节至弱酸性(pH 5～6)，以将产物中的官能团-ONa转化为-OH；加入二氯甲烷萃取，分出的有机相经无水硫酸钠干燥后过滤；滤液减压旋蒸，得到目标产物，分离收率为70～93％。以氘代氯仿为溶剂，测得产物的核磁共振氢谱如图5所示。
与其背景技术相比，本发明的优点主要包括：
1、采用自主设计的单室玻璃电解池为反应设备，简单、易于操作；
2、阳极发生氧合反应，产生非气体类产品，便于在阴极收集高纯度氢气；
3、采用商业化的镀铂钛网作为电解槽的电极，减少了贵金属铂的用量和电极制作成本，并提高了铂的利用率和电化学反应速率；
4、反应结束后阳极和阴极无任何损坏，可以用水淋洗后再次循环利用；
5、以水为氧源，无需任何额外的化学氧源，联合阴极析氢，即可实现水中氢氧元素完全利用，电能利用率高；
6、以电子为清洁氧化剂，无需任何金属氧化剂；
7、通过升高反应温度，加快生成产物丁香醛的反应动力学，提高其产率；
8、通过18O同位素标记实验，可以证实丁香醛中的醛基氧来自底物水分子，而非溶解的氧气或者甲醇。
附图说明
图1是化学合成丁香醛的常见原料示意图
图2是原料2,6-二甲氧基-4-甲基苯酚的经济型合成方法示意图
图3是本发明设计的丁香醛的电合成装置示意图
图4是本发明电合成丁香醛的反应方程式示意图
图5是本发明电合成的丁香醛核磁共振氢谱图。
具体实施方式
现通过实施例进一步说明本发明的技术方案。所有的实施例完全按照所述的合成方法的具体步骤进行操作。实施例的每个步骤仅罗列关键的技术数据。
实施例一
第二步中，向18.0mL的甲醇中加入2.0mL水，得到体积比为9:1的甲醇-水溶液。同时加入氢氧化钠为30mmol(1.2g，3.0当量)。第三步电解过程，电解温度设置为25℃，电解槽两端通入5.0mA的直流电流，电解时间设置为5.0h。第四步中，产率为93％。
实施例二
第二步中，向18.0mL的甲醇中加入2.0mL水，得到体积比为9:1的甲醇-水溶液。同时加入氢氧化钠为30mmol(1.2g，3.0当量)。第三步电解过程，电解温度设置为65℃，电解槽两端通入5.0mA的直流电流，电解时间设置为5.0h。第四步中，产率为90％。
实施例三
第二步中，向16.0mL的甲醇中加入4.0mL水，得到体积比为4:1的甲醇-水溶液。同时加入氢氧化钠为30mmol(1.2g，3.0当量)。第三步电解过程，电解温度设置为25℃，电解槽两端通入5.0mA的直流电流，电解时间设置为5.0h。第四步中，产率为85％。
实施例四
第二步中，向19.0mL的甲醇中加入1.0mL水，得到体积比为19:1的甲醇-水溶液。同时加入氢氧化钠为30mmol(1.2g，3.0当量)。第三步电解过程，电解温度设置为25℃，电解槽两端通入5.0mA的直流电流，电解时间设置为5.0h。第四步中，产率为82％。
实施例五
第二步中，向18.0mL的甲醇中加入2.0mL水，得到体积比为9:1的甲醇-水溶液。同时加入氢氧化钠为10mmol(0.4g，1.0当量)。第三步电解过程，电解温度设置为25℃，电解槽两端通入5.0mA的直流电流，电解时间设置为5.0h。第四步中，产率为73％。
实施例六
第二步中，向18.0mL的甲醇中加入2.0mL水，得到体积比为9:1的甲醇-水溶液。同时加入氢氧化钠为30mmol(1.2g，3.0当量)。第三步电解过程，电解温度设置为0℃，电解槽两端通入5.0mA的直流电流，电解时间设置为5.0h。第四步中，产率为70％。
实施例七
第二步中，向18.0mL的甲醇中加入2.0mL水，得到体积比为9:1的甲醇-水溶液。同时加入氢氧化钠为30mmol(1.2g，3.0当量)。第三步电解过程，电解温度设置为25℃，电解槽两端通入5.0mA的直流电流，电解时间设置为15.0h。第四步中，产率为90％。
实施例八
第二步中，向18.0mL的甲醇中加入2.0mL水，得到体积比为9:1的甲醇-水溶液。同时加入氢氧化钠为30mmol(1.2g，3.0当量)。第三步电解过程，电解温度设置为25℃，电解槽两端通入15.0mA的直流电流，电解时间设置为5.0h。第四步中，产率为73％。

Claims (6)

1.一种低成本高收率制备丁香醛的电化学方法，其特征在于：以2,6-二甲氧基-4-甲基苯酚为原料，采用电极镀铂钛网作为阳极、阴极，在氢氧化钠-甲醇-水体系中进行电化学反应制得丁香醛；反应方程式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
所述2,6-二甲氧基-4-甲基苯酚的用量为10.0mmol，甲醇的用量为18.0mL，水的用量为2.0mL，氢氧化钠的用量为1.2g；所述电极镀铂钛网为三维连续多孔的结构，在表面钛网电沉积了一薄层纳米铂颗粒，薄层纳米铂颗粒厚度为3μm；内孔为2.0×4.0mm、外形整体长为1.5cm、宽为3cm；电解模式为恒流，直流电为5.0mA，且在25℃下电解5.0h。
2.如权利要求1所述的制备丁香醛的电化学方法，其特征在于：反应结束后，阳极和阴极无任何损坏，用去离子水和乙醇淋洗后再次循环利用，而不降低催化活性。
3.如权利要求1所述的制备丁香醛的电化学方法，其特征在于：反应结束后，简单处理即得到目标产物，分离收率最大为93％。
4.如权利要求1所述的制备丁香醛的电化学方法，其特征在于：目标产物丁香醛中醛基的氧原子来自底物水分子。
5.如权利要求1所述的制备丁香醛的电化学方法，其特征在于：在单室密闭电解槽中，阳极产生目标产物，同时阴极产生高纯绿色能源氢气，法拉第效率较高，进行低能耗制氢。
6.如权利要求1所述的制备丁香醛的电化学方法，其特征在于：阳极高选择性进行有机氧合反应，水氧化、甲醇氧化或丁香醛过氧化副反应得以抑制。
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