季戊四醇双缩脂肪族醛(酮)螺环化合物的合成*

李正义，殷 乐，葛 玲，靳琳琳，陈 亮，孙小强

(常州大学 石油化工学院，江苏 常州 213164)

·研究简报·

季戊四醇双缩脂肪族醛(酮)螺环化合物的合成*

李正义，殷 乐，葛 玲，靳琳琳，陈 亮，孙小强

(常州大学 石油化工学院，江苏 常州 213164)

以脂肪族醛(酮)为原料，对甲苯磺酸为催化剂，在环己烷中回流分水反应合成了一系列季戊四醇双缩脂肪族醛(酮)螺环化合物(3a～3l)，其中3,9-二甲基-3,9-二丁基-2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一烷(3i)和3,7,11,15,18,21-六氧杂三螺[5.2.2.512.29.26]二十一烷(3k)为新化合物，其结构经1H NMR,13C NMR和ESI-MS表征。

脂肪族;双缩醛;双缩酮;季戊四醇;合成

季戊四醇双缩醛(酮)螺环化合物由于其合成方便、结构相对简单，并且大多是晶体物质，在工业和有机合成中应用广泛。季戊四醇双缩醛(酮)螺环化合物在工业上常用作高分子材料的增塑剂、固化剂、抗氧化剂，亦可作为杀虫剂和阴离子表面清洗液的消泡剂[1-3]；在有机合成中，季戊四醇双缩醛(酮)螺环化合物可在稀酸条件下水解成原来的醛和酮，可用于醛、酮羰基的保护；此外，由于该类化合物具有轴手性，可用来合成具有生物活性和药物传输功能的物质，是一类具有较大应用前景和价廉物美的手性源[4-6]。大多数脂肪族缩醛(酮)是较好的香精香料，在饮料、酒类、冰淇淋和化妆品等的调香定香中应用广泛，是有机合成中的重要中间体[7]。然而，由于脂肪族醛(酮)化合物存在易被氧化、实验中跟踪反应困难等问题，在已有季戊四醇双缩醛(酮)螺环化合物合成的报道中，绝大多数是关于芳香族醛(酮)螺环化合物的合成，脂肪族醛(酮)与季戊四醇双缩产物的合成研究较少[8-10]。

本文系统研究了一系列不同类型脂肪族双缩醛(酮)螺环化合物的合成。以脂肪族醛(酮)(2a～2l)为原料，对甲苯磺酸为催化剂，在环己烷中与季戊四醇(1)经回流分水反应合成了12个季戊四醇双缩脂肪族醛(酮)螺环化合物(3a～3l,Scheme 1)，其中3,9-二甲基-3,9-二丁基-2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一烷(3i)和3,7,11,15,18,21-六氧杂三螺[5.2.2.512.29.26]二十一烷(3k)为新化合物，其结构经1H NMR,13C NMR和ESI-MS表征。

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

SGW X-4型显微熔点仪(温度未校正)；AVANCE 300MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标)；LCMS-2020型质谱仪；快速中压制备系统。

柱层析用硅胶,青岛海洋化工有限公司；其余所用试剂均为分析纯。

1．2 合成

(1)3a～3f的合成(以3a为例)

在三口烧瓶中依次加入特戊醛(2a)2.53g(30.0mmol)，12.0g(15.0mmol)，环己烷40mL和催化量对甲苯磺酸(2wt%)，搅拌下回流分水反应2h～3h(溶液从浑浊变澄清)。冷却，静置(析出白色固体)，抽滤，滤饼用少量无水乙醇洗涤得白色片状固体3a3.53g。

用类似方法合成白色固体3b～3l[其中3g～3l，反应时间4h～5h，冷却静置无固体产生，减压浓缩后经硅胶柱层析(洗脱剂：石油醚，检测波长218nm)纯化]。

3a：m.p.185.8℃～186.3℃;1H NMRδ：0.90(s,18H,CH3),3.32(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.47～3.59(m,4H,CH2),4.03(s,2H,CH),4.53(d,J=9.8Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 24.6,32.4,34.9,70.2,70.6,108.2；ESI-MSm/z: 273{[M+H]+}。

3b：m.p.94.2℃～94.8℃;1H NMRδ：0.93(d,J=6.8Hz,12H,CH3),1.57～1.86(m,2H,CH),3.33(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.49～3.60(m,4H,CH2),4.20(d,J=4.4Hz,2H,CH),4.55(d,J=9.7Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 16.8,32.5,32.6,70.2,70.5,106.2；ESI-MSm/z: 245{[M+H]+}。

3c：m.p.61.7℃～62.4℃;1H NMRδ：0.91(t,J=7.3Hz,6H,CH3),1.35～1.47(m,4H,CH2),1.56～1.63(m,4H,CH2),3.34(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.51～3.60(m,4H,CH2),4.45(t,J=5.0Hz,2H,CH),4.55(dd,J=11.4Hz,2.2Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 14.0,17.1,32.4,36.8,70.2,70.6,102.7；ESI-MSm/z: 245{[M+H]+}。

3d：m.p.56.2℃～57.2℃;1H NMRδ：0.89(t,J=6.9Hz,6H,CH3),1.28～1.41(m,8H,CH2),1.58～1.62(m,4H,CH2),3.34(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.51～3.59(m,4H,CH2),4.44(t,J=4.9Hz,2H,CH),4.56(d,J=10.6Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 14.0,22.6,25.9,32.4,34.4,70.2,70.6,102.9；ESI-MSm/z: 273{[M+H]+}。

3e：m.p.55.1℃～55.7℃;1H NMRδ：0.88(t,J=6.7Hz,6H,CH3),1.28～1.43(m,12H,CH2),1.59～1.63(m,4H,CH2),3.34(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.51～3.59(m,4H,CH2),4.43(t,J=4.9Hz,2H,CH),4.55(d,J=10.1Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 14.0,22.6,23.4,31.7,32.4,34.7,70.2,70.6,102.9；ESI-MSm/z: 301{[M+H]+}。

3f：m.p.142.0℃～142.8℃;1H NMRδ：1.04～1.27(m,10H,a-H),1.43～1.54(m,2H,CH),1.63～1.78(m,10H,a-H),3.32(d,J=11.5Hz,2H,CH2),3.47～3.58(m,4H,CH2),4.18(d,J=4.7Hz,2H,CH),4.53(dd,J=11.3Hz,9.0Hz,2H,CH2);13C NMRδ: 25.8,26.5,27.1,27.1,32.6,42.3,70.2,70.5,105.7；ESI-MSm/z: 325{[M+H]+}。

3g：m.p.47.7℃～48.4℃;1H NMRδ：0.92(t,J=7.5Hz,6H,CH3),1.36(s,6H,CH3),1.71(q,J=7.5Hz,4H,CH2),3.66(s,4H,CH2),3.75～3.87(m,4H,CH2);13C NMRδ: 7.7,19.7,30.5,32.4,63.8,100.2；ESI-MSm/z: 245{[M+H]+}。

3h：m.p.41.7℃～42.9℃;1H NMRδ：0.92(t,J=7.3Hz,6H,CH3),1.35(s,6H,CH3),1.39～1.44(m,4H,CH2),1.62～1.67(m,4H,CH2),3.65(s,4H,CH2),3.75～3.87(m,4H,CH2);13C NMRδ: 14.8,15.5,25.3,32.4,40.3,63.8,100.0；ESI-MSm/z: 273{[M+H]+}。

3i：m.p.18.9℃～19.4℃;1H NMRδ：0.90(t,J=7.0Hz,6H,CH3),1.30～1.39(m,14H,CH2，CH3),1.64～1.69(m,4H,CH2),3.65(s,4H,CH2),3.76～3.89(m,4H,CH2);13C NMRδ: 14.1,20.1,23.0,25.4,32.4,37.8,63.8,100.0；ESI-MSm/z: 301{[M+H]+}。

3j：m.p.136.9℃～138.8℃;1H NMRδ：3.77(s,8H,CH2),3.84(s,8H,CH2);13C NMRδ: 32.7,41.7,64.2,98.3；ESI-MSm/z: 355{[M+H]+}。

3k：m.p.184.7℃～185.9℃;1H NMRδ：1.88(t,J=5.4Hz,8H,CH2),3.70(t,J=5.4Hz,8H,CH2),3.76(s,8H,CH2);13C NMRδ: 33.0,33.4,63.2,64.6,96.3；ESI-MSm/z: 301{[M+H]+}。

3l：m.p.135.2℃～136.3℃;1H NMRδ：1.63～1.68(m,8H,CH2),1.86(t,J=7.3Hz,8H,CH2),3.72(s,8H,CH2);13C NMRδ: 23.5,32.4,34.8,65.4,110.7；ESI-MSm/z: 269{[M+H]+}。

2 结果与讨论

2.1 反应条件优化

季戊四醇双缩醛(酮)化合物的合成通常采用酸作催化剂，溶剂回流带水反应。以2a与1的缩合为模型反应，分别考察催化剂和带水剂对3a收率的影响。

(1)催化剂

115mmol，反应时间2h,其余反应条件同1.2(1)，考察催化剂对3a收率的影响，结果见表1。从表1可见，质子酸具有较好的催化效果，而路易斯酸不能催化该反应。当采用浓硫酸作催化剂时，收率偏低(64.2%)，可能是由于浓硫酸具有氧化作用，易将醛基氧化；对甲苯磺酸催化的收率(88.1%)略高于硅钨酸(82.3%)，且硅钨酸价格相对昂贵，因此选择对甲苯磺酸作为催化剂。

表1 催化剂对3a收率的影响Table1 Effect of the catalyst on the yield of 3a

*115mmol，反应时间2h,其余反应条件同1.2(1)

(2)带水剂

115mmol，对甲苯磺酸为催化剂,其余反应条件同2.1(1)，考察带水剂对3a收率的影响，结果见表2。从表2可见，以甲苯为带水剂时，由于温度过高，致使2a部分逸出或高温氧化导致收率较低(12.0%)，不宜选用。环己烷和苯的沸点相近，但前者的收率(88.1%)比后者(90.3%)略低，可能是由于环己烷的极性比苯低。考虑到苯的毒性较大，选择环己烷为带水剂。

表2 带水剂对3a收率的影响Table2 Effect of the solvent on the yield of 3a

*对甲苯磺酸为催化剂,其余同表1

2.2 底物拓展

以对甲苯磺酸为催化剂，环己烷为溶剂回流带水反应，进行底物拓展，实验结果见Scheme 1。从Scheme 1可见，该合成方法适用于不同类型的脂肪族醛和酮底物。但由于季戊四醇双缩脂肪醛螺环化合物(3a～3f)的极性相对较大，当反应液冷却后，产物能够从环己烷中自然析出，后处理简单；而极性较小的季戊四醇双缩脂肪酮螺环化合物(3g～3l)在环己烷中溶解度较好，需采用柱层析纯化目标产物。总体而言，季戊四醇双缩脂肪醛螺环化合物收率高于脂肪酮螺环化合物；直链季戊四醇双缩脂肪醛螺环化合物收率低于支链和环状脂肪醛螺环化合物；季戊四醇双缩不对称脂肪酮螺环化合物收率低于对称脂肪酮螺环化合物。

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SynthesisofAliphaticDiacetals(Diketals)Spiro-compounds

LI Zheng-yi，YIN Yue，GE Ling，JIN Lin-lin，CHEN Liang，SUN Xiao-qiang

(School of Petrochemical Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)

A series of aliphatic diacetals or diketals(3a～3l)were synthesized by reflux of pentaerythritol with aliphatic aldehydes or ketones usingp-toluenesulfonic acid as the catalyst.3,9-Dimethyl-3,9-dibutyl-2,4,8,10-tetraoxaspiro[5.5]undecane(3i)and 3,7,11,15,18,21-hexaoxatrispiro[5.2.2.512.29.26]henicosane(3k)were new compounds.The structures were characterized by1H NMR,13C NMR and ESI-MS.

aliphatic;diacetals;diketals;pentaerythritol;synthesis

2013-06-24;

2014-06-05

国家自然科学基金资助项目(21002009)；江苏省高校自然科学研究重大项目(12KJA150002)；常州市科技项目(CJ20115019)；江苏省“青蓝工程”资助项目

李正义(1979-)，男，江苏扬州人，副教授，主要从事有机合成和超分子化学的研究。E-mail: zyli@cczu.edu.cn

孙小强，教授，E-mail: sunxiaoqiang@yahoo.com

O623.5

A

1005-1511(2014)05-0672-04