超声波辐射法制备芳香醛缩醛(酮)*

万子露，黄林伟，蓝嫄嫄，司鸿玮，陈连清

(中南民族大学 催化材料科学国家民委-教育部共建重点实验室，湖北 武汉 430074)

在多步有机合成和药物设计中，羰基的保护起着至关重要的作用，而缩醛(酮)类化合物通常作为保护羰基的有机合成中间体[1-2]，而且许多缩醛(酮)被发现可以作为香料和添加剂[3]，因此对缩醛(酮)的研究一直备受关注,至今仍是研究的热点。

缩醛(酮)传统的合成方法是在酸催化下，加热回流，醛(酮)与醇直接反应生成缩醛(酮)，但存在反应时间长、副反应多、后处理复杂等缺点；随后各种新的合成缩醛(酮)的催化体系被不断发现，如离子液体[4]、纳米TiO2[5]等。这些催化剂体系有效地催化了羰基缩醛(酮)反应的发生，但仍存在反应时间较长、需加热回流、工艺复杂等缺点。20世纪20年代，美国科学家Richard和Loomis首先发现超声波可以加速化学反应[6]，近年来，国内外有关声化学的研究以及学术交流异常活跃，超声波在有机合成中因具有反应条件温和、操作简便、清洁无污染等优点而受到了广泛关注，已被广泛应用于氧化反应、还原反应、加成反应、取代反应、缩合反应、水解反应等，然而超声波技术应用于芳香醛与醇类的缩醛(酮)化反应至今仍少有文献报道[7]。

作者采用超声波辐射法，在对甲基苯磺酸(p-TSA)和分子筛作催化剂的条件下，合成了16种芳香醛缩醛(酮)，考察了含有不同取代基的芳香醛和醇对超声波辐射下的缩醛(酮)化反应的影响；并以对硝基苯甲醛与乙醇的缩醛化反应为基本反应，探讨了反应时间、反应物浓度、催化剂种类和用量对超声辐射缩醛化反应的影响，对反应条件进行了优化。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

对羟基苯甲醛、邻甲氧基苯甲醛、间甲氧基苯甲醛、对甲氧基苯甲醛、对甲基苯甲醛、苯甲醛、对氟苯甲醛、对溴苯甲醛、邻硝基苯甲醛、间硝基苯甲醛、对硝基苯甲醛、糠醛、对硝基苯乙酮、甲醇、乙醇、乙二醇、苯甲醇、对甲苯磺酸：均为市售分析纯，使用前均未进一步纯化；分子筛：4A型(钠-A型分子筛)，球状，3～5 mm，马弗炉中300 ℃活化3h后使用，国药集团化学试剂有限公司。

KQ3200E型超声波清洗仪：功率150 W，昆山超声仪器有限公司；PE 2400 Ⅱ型元素分析仪：美国Perkin-Elmer公司；ZAB 3F-HF型质谱仪：英国VG公司；Avance III 400核磁共振谱仪：CDCl3为溶剂，TMS为内标，德国Bruker公司；7820型气相色谱：美国Agilent公司。

1.2 合成路线

超声波辐射法制备缩醛(酮)的合成路线见图1。

图1 超声波辐射法制备缩醛(酮)的合成路线

1.3 实验步骤

在10 mL单口瓶中加入0.1 g对硝基苯醛和2.5 mL乙二醇，再加入0.03 gp-TSA和1 g分子筛，并在瓶口装上球形冷凝管和装有CaCl2的干燥管，将单口瓶放入KQ3200E型(功率150W)超声波水槽中反应。反应结束后用气相色谱检测其产率。反应液经过滤除去分子筛，加乙醚萃取，柱层析得到产物[柱层析所用展开剂为乙酸乙酯和石油醚，V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶10]。其它缩醛(酮)按类似的方法合成。

2 结果与讨论

2.1 取代基的种类和位置对超声波辐射法制备取代芳香醛缩醛(酮)的影响

在1.3反应条件下，用不同种类和位置的取代基取代的芳香醛(酮)与乙二醇反应，结果见表1。

由表1可知，苯甲醛乙二醇缩醛的产率为41%，在相同反应条件下当苯环对位连有给电子的甲氧基时其缩醛化反应产率降低为38%，当苯环对位连有给电子效应更强的羟基时其缩醛化反应产率降低为20%，而苯环对位连有强吸电子的硝基时其缩醛化反应产率可达99%，由此可见吸电子基团更有利于超声条件下缩醛(酮)化反应的进行，但也有例外，如对甲基苯甲醛乙二醇缩醛的产率(70%)高于苯甲醛乙二醇缩醛的产率(41%)，对溴苯甲醛乙二醇缩醛的产率(72%)高于对氟苯甲醛乙二醇缩醛的产率(49%)，这是由于对甲基苯甲醛、对溴苯甲醛固有的频率和实验所用超声波频率接近，加速了化学键的断裂，从而促进了反应的进行而得到较高的产率；取代基的位置对产率的影响并没有规律，当苯环上的取代基为给电子的甲氧基时，产率：间位>邻位>对位，而当苯环上的取代基为吸电子的硝基时，产率：对位>间位>邻位。

表1 取代基的种类和位置对超声辐射缩醛(酮)化反应的影响

续表

2.2 醇的种类对超声波辐射法制备取代芳香醛缩醛(酮)的影响

在1.3反应条件下，用不同种类的醇与对硝基苯甲醛反应，结果见表2。

表2 醇种类对超声缩醛(酮)化反应的影响

由表2可知，除芳香族的苯甲醇外，其它脂肪醇与对硝基苯甲醛的超声缩醛化反应的产率都较高，这可能和苄基的空间位阻有关。

2.3 超声波辐射法制备芳香醛缩醛(酮)的反应条件的优化

在优化超声波辐射法制备芳香醛缩醛(酮)的反应条件的实验中，以对硝基苯甲醛和乙醇的缩醛化反应为基本反应，固定对硝基苯甲醛0.1 g，分子筛1 g，室温超声，考察催化剂种类、反应时间、对硝基苯甲醛浓度、催化剂用量对超声波辐射法制备芳香醛缩醛(酮)的影响。

2.3.1 催化剂种类的确定

c(对硝基苯甲醛)=0.25 mol/L，n(催化剂)∶n(对硝基苯甲醛)=25%，改变催化剂的种类，室温超声反应10 min，结果见表3。

表3 催化剂种类对超声缩醛化反应的影响

由表3可知，在超声条件下，乙酸、乳酸、氯乙酸做催化剂，对硝基苯甲醛和乙醇几乎都不发生缩醛化反应，而p-TSA做催化剂且加入分子筛，对硝基苯甲醛和乙醇的缩醛化反应产率可达89%，因此，选择p-TSA和分子筛作为对硝基苯甲醛和乙醇的缩醛化反应的催化剂。

2.3.2 超声时间的确定

c(对硝基苯甲醛)=0.25 mol/L，催化剂为p-TSA且n(催化剂)∶n(对硝基苯甲醛)=25%，改变室温超声反应时间，结果见表4。

表4 超声时间对超声缩醛化反应的影响

由表4可知，随着超声反应时间的延长，缩醛化反应产率先升高后降低，在30 min达到最高，因此，选择30 min作为对硝基苯甲醛和乙醇的缩醛化反应的反应时间。

2.3.3 醛浓度的确定

催化剂为p-TSA且n(p-TSA)∶n(对硝基苯甲醛)=25%，改变对硝基苯甲醛浓度，室温超声反应30 min，结果见表5。

表5 醛浓度对超声缩醛化反应的影响

由表5可知，随着醛浓度的升高，缩醛化反应的产率明显升高，但由于乙醇即作为反应物又作为溶剂，醛的浓度过高会导致其溶解不充分，导致醛浓度为0.3 mol/L时，缩醛化产率稍有下降，因此，选择醛浓度为0.25 mol/L作为对硝基苯甲醛和乙醇的缩醛化反应的最佳浓度。

2.3.4 催化剂量的确定

c(对硝基苯甲醛)=0.25 mol/L，催化剂为p-TSA，改变催化剂用量，室温超声反应30 min，结果见表6。

表6 催化剂用量对超声缩醛化反应的影响

由表6可知，随着催化剂用量的增加，缩醛化反应产率先增加后降低，当n(p-TSA)∶n(对硝基苯甲醛)=25%时，产率达到最高，因此，选择n(p-TSA)∶n(对硝基苯甲醛)=25%作为最佳催化剂用量。

由此可得超声波辐射法制备取代芳香醛缩醛(酮)最佳反应条件为：c[醛(酮)]=0.25 mol/L，n(p-TSA)∶n[醛(酮)]=1∶4，室温超声时间为30 min。

3 结 论

(1) 在超声波辐射条件下，以p-TSA和分子筛为催化剂，醇作溶剂和反应物，在室温下合成了16种取代芳香醛缩醛(酮)；

(2) 超声波辐射法制备取代苯甲醛乙二醇缩醛时，苯环上有硝基取代的苯甲醛在进行缩醛化反应时产率较高，当硝基分别在苯环的对位、间位、邻位，其与乙二醇的缩醛化反应产率分别为99%、95%、78%；

(3) 甲醇、乙醇、乙二醇分别与对硝基苯甲醛进行超声条件下的缩醛化反应，都能得到较高的产率，分别为95%、97%、99%；

(4) 超声波辐射法制备取代芳香醛缩醛(酮)的最佳条件是：[c醛(酮)]=0.25 mol/L，催化剂n(p-TSA)∶n[醛(酮)]=1∶4，室温超声时间为30 min。

参 考 文 献：

[1] GREENE T W,WUTS P G M.Protective groups in organic synthesis[M].3rd ed.New York:John Wiley and Sons,1999:399-402.

[2] KOCIENSKI P J.Protecting groups [M].1st ed.New York:Thieme,1994:187-190.

[3] MESKENS F J.Methods for the preparation of acetals from alcohols or oxiranes and carbonyl compounds[J].Synthesis,1981,32(7):501-522.

[4] DU Y,TIAN F.Brønsted acidic ionic liquids as efficient and recyclable catalysts for protection of carbonyls to acetals and ketals under mild conditions[J].Synthetic Communications,2005,35(20):2703-2708.

[5] 叶美英,周刚,李宝兴.纳米TiO2光催化芳香醛的缩醛反应研究[J].中国科学：化学，2013,43(5):551-557.

[6] RICHARDS W T,LOOMIS A L.The chemical effects of high frequency sound waves I.a preliminary survey[J].J Am Chem Soc,1927,49 (12):3086-3100.

[7] 刘晓磊.二酰胺类化合物的微波超声波合成及性能基础研究[D].济南:济南大学,2013:13-14.