肉桂酸制备实验方法的改进

罗春梅 马慧婷 冯若昆

(绍兴文理学院 化学化工学院，浙江 绍兴 312000)

肉桂酸(Cinnamic acid;Phenylacrylic acid)是一种重要的有机合成中间体，被广泛应用于制备药物、感光树脂、食品添加剂、香精等精细化学品，此外，其还被用作果蔬的防腐[1-2].

肉桂酸的制备方法有很多，主要有Perkin法、苯甲醛-丙二酸法、苯甲醛-乙烯酮法、苯乙烯-四氯化碳法、氯代芳烃-丙烯酸及其衍生物法等[1-5].在大学有机化学实验教材中涉及制备肉桂酸实验多采用Perkin法.以兰州大学《有机化学实验》第四版为例[6]，书中所述肉桂酸制备的实验过程为：在100 mL圆底烧瓶中混合无水碳酸钾、苯甲醛和醋酸酐，将混合物在170 ℃～180 ℃的油浴中，加热回流45 min.冷却反应混合物，加入20 mL水浸泡几分钟，用玻璃棒或不锈钢刮刀轻轻捣碎瓶中的固体，进行水蒸气蒸馏，直至无油状物蒸出为止.将烧瓶冷却后，加入20 mL10%氢氧化钠水溶液，使生成的肉桂酸形成钠盐而溶解.再加入20 mL水，加热煮沸后加入少量活性炭脱色，趁热过滤.待滤液冷至室温后，再搅拌数下，小心加入10 mL浓盐酸和10 mL水的混合液，至溶液呈酸性.冷却结晶，抽滤析出的晶体，并用少量冷水洗涤，干燥后称量，粗产物约2 g，用体积比3∶1的乙醇与水溶液重结晶.理论实验时间为4～5小时.此种方法在学生实际实验过程中，常常出现以下问题：(1)经过监测发现即使油浴锅温度达到170 ℃～180 ℃，反应瓶的温度最多150 ℃，虽然在很多肉桂酸改进实验中[7-14]，150 ℃～170 ℃(甚至更高)这个温度区间的肉桂酸产率也较大，但反应温度越高不仅造成资源浪费，还会导致一些副产物的生成；(2)反应冷却后，反应瓶中随即出现固体，且会黏在瓶壁上不易用玻璃棒或者不锈钢刮刀捣碎，反而容易因用力过大而将反应瓶捣破；(3)由于实际苯甲醛的用量较少且乙酸酐大大过量，所以残留苯甲醛不会很多，而用水蒸气蒸馏去除苯甲醛不仅需要较多的仪器装置，延长整个实验的时间，而且实际操作中有的学生根本蒸馏不出苯甲醛，此外，水蒸气蒸馏后的残留物会结成硬块，碱化时很难将其捣碎，而且即使加热也不会溶解.这会导致学生误以为只有溶解的才是产品，而将多余的不溶物倒掉，这也是致使实验产率降低的重要原因；(4)若水蒸气蒸馏时没有将苯甲醛去除干净，在后续加入氢氧化钠溶液进行碱化时，可能会产生苯甲酸副产物而无法去除，从而导致产品纯度降低；(5)粗产品颜色偏黄，需要进行脱色和重结晶，不仅延长了实验时间，而且由于活性炭脱色时除了吸附色素外还会吸附产品，导致产率降低.

综上所述，应用上述后处理的方式不易高纯度、高产率地得到肉桂酸化合物，因此为了提高有机合成的效率，深化学生对有机合成提纯方法的认识和运用，培养学生对有机合成的兴趣，避免由于实验产率低、纯度差而产生实验挫败感等，我们在实验过程中发展了一种方法，可以有效避免以上问题，而且得到的肉桂酸产率较高，纯度较好，具体如下：

1 实验部分

1.1 实验原理

芳香醛和酸酐在碱性催化剂作用下，可以发生类似羟醛缩合的反应，在加热的条件下制得α、β—不饱和芳香酸，这个反应叫作Perkin反应.催化剂通常是相应酸酐的羧酸的钾盐或钠盐，也可以用碳酸钾，反应方程式见图1.

根据文献报道[4]，碳酸钾催化的Perkin反应机理如图2所示：

1.2 实验材料及装置

仪器：回流冷凝装置(100 mL三口烧瓶、球形冷凝管)、抽滤装置、加热套、温度计、分液漏斗、锥形瓶(250 mL)5个、刺型冷凝管、分析天平、烘箱、pH试纸、玻璃棒、烧杯(500 mL、50 mL、100 mL各一个)、表面皿.具体装置如图3，图4所示.

试剂：苯甲醛、醋酸酐、无水碳酸钾、乙醇、沸石、碳酸钠、乙酸乙酯.

1.3 实验制备过程

取7.00 g无水K2CO3(约0.050 7 mol)，5.00 mL苯甲醛和14.00 mL乙酸酐于100 mL三口烧瓶，开始加热.一段时间后产生白色气泡，温度达到70 ℃，瓶口出现白烟，随即变为白色浑浊液体.106 ℃时，溶液呈浅黄色，随着温度升高至116 ℃，溶液颜色加深，呈尿黄色.124 ℃时，颜色加深为橙黄色.持续加热，温度约127 ℃，有大量气泡产生，溶液呈砖红色，130 ℃时为砖红色澄清溶液.加热约0.5 h后，温度达149 ℃～152 ℃(反应中最高温度区间)，内壁上有黄色小颗粒析出.

后处理过程：停止加热，将反应液趁热倒入提前装有40 mL水的烧杯中，进行冷却，有大量的浅棕色固体析出，pH≈5-6，溶液呈弱酸性.冷却后，得到小麦色固体物质，滤液中含有白色晶状物质，滤液再次抽滤后，将两次的滤渣合并，取滤渣溶于50 mL水中，重新加热溶解后加入Na2CO3并将溶液酸碱度调至pH≈8，不再产生大量气泡.

待固体全部溶解后，停止加热；进行三次萃取(每次加10 mL乙酸乙酯)，合并水层，向水层中逐渐滴加HCl，直至呈pH≈3.称得干燥洁净表面皿质量为m0，抽滤，将粗产品转移于表面皿上，扣除表面皿的质量后，粗产品质量为m1=6.36 g，为米白色固体.

最后为提纯过程，具体如下：用乙醇和水(体积比为1∶4)对粗产品进行重结晶(连接刺型冷凝管)，待其完全溶解后，进行冷却结晶，冷却结晶呈燕麦糊状物.冷却后，进行抽滤，并将产物转移至已干燥的表面皿上，烘干至恒重，称重，计算产率.

2 结果与讨论

2.1 实验结果

按照上述方法制备肉桂酸的质量为4.56 g，产率为61%，用放大镜观察产品形状为白色单斜棱状晶体.

2.2 反应条件优化

如表1所示，反应温度对该反应产率的影响较大，在温度低的条件下，反应不够完全，产率较低(表格1，编号3和4)，当反应温度达到150 ℃时，反应的产率最高，为61%，继续升高反应的温度至170 ℃时，反应的产率下降至48%，因此，我们得出最佳的反应温度为150 ℃.随后我们对反应的时间进行了考察，研究表明当反应温度达到150 ℃后，继续反应0.5 h，产率最高，延长反应时间至1.0 h和1.5 h反应产率明显降低，产率分别为46%和28%，而且产品熔程增大，颜色变深.综上所述，反应的最佳条件为：150 ℃，反应0.5 h.

表1 反应条件优化

编号反应温度/℃反应时间/h产率/%熔点/℃产品颜色及性状11700.548132.8～133.6淡黄色粉末21500.561133.5～133.9白色单斜棱状晶体31400.542133.2～133.8淡黄色粉末41300.521132.9～133.9白色固体5150 146132.7～133.5淡黄色固体61501.528132.2～133.2黄色固体

2.3 产品结构表征

(1)红外谱图分析

通过对红外谱图5分析可知，谱图中3 022 cm-1为苯环C-H伸缩振动吸收峰，1 682 cm-1为羧基上的C=O伸缩振动吸收峰，1 622 cm-1为共轭双键C=C的伸缩振动吸收峰，1 503 cm-1、1 451 cm-1、1 420 cm-1为苯环的泛频峰，979 cm-1为反式双键上的C-H面外弯曲振动吸收峰，769 cm-1、711 cm-1为苯环一取代面外弯曲振动吸收峰.以上数据与肉桂酸的结构吻合，表明所合成物为肉桂酸.

(2)核磁谱图分析

经过核磁氢谱(图6)和碳谱(图7)的谱图解析发现得到的产品为肉桂酸，而且产品的纯度较高，具体数据为：1H NMR(CDCl3, 400 Hz)δ 6.49(d,1H,J=16 Hz),7.44～7.45(m,3H),7.58～7.60(m,2H),7.82(d,1H,J=16 Hz);13C NMR(CDCl3,100 Hz)δ117.3,128.4,129.0,130.8,134.0,147.1,172.6.

2.4 改良路线优势：

(1)根据红外谱图，发现碳酸钠可以很好地催化本反应，改良后的实验路线减少了水蒸气蒸馏部分的实验操作，直接采用更为简便的萃取操作，大大缩短了反应的时间，而且操作简便[15]；

(2)按照传统教科书的方法，该实验粗产品的产率最高为58%，有的学生由于实验操作问题产率只有10%，甚至更低，而利用改进后的方法制备的粗产品产率提高到86%，一般也在60%以上，纯化后的产率也在50%以上，不仅提高了反应的产率，而且产品纯度较高；

(3)本实验方法的发现实现了对有机化学实验教学内容的补充，通过各种方法的比较，增加学生对有机合成中的纯化方法的认识，而且激发他们对有机合成的兴趣.在过去的研究中，也有不同的改进方式，曹燕明等在2013年采用氨水的碱性与苯甲醛进行反应[16]，但是氨水味道较为刺激，大量使用也对实验室的通风橱性能提出了很高的要求，对操作也造成了不便.赵艳霞等在2014年选择了同样具有碱性的亚硫酸钠与苯甲醛进行反应，但是操作时需要时间进行磁力搅拌或者额外加入对二苯酚等阻聚剂[17]，操作较复杂.黄飞等在2015年也使用了加入对二苯酚作为阻聚剂以减少生成黏稠状树脂化物的副产物[18-19].

(4)相比于上述改进方法，本实验有操作简单，纯度高，产品质量好和对环境无污染等优点[20].而传统方法虽然具有一定的可行性，但水蒸气蒸馏时操作较为费时，得到的产品色泽较深，产率也较低[19].

3 结论

本文改进了实验教材中应用Perkin法制备肉桂酸的操作过程，使用化学法去除多余苯甲醛代替传统水蒸气蒸馏去除法.该方法不仅减少了实验步骤，缩短了反应的时间，而且提高了反应的产率和产品的纯度，对学生正确认识和运用有机化学中的分离纯化方法具有十分重要的引导作用.