4-氯-3-硝基肉桂酸的制备

发布日期:2022/2/16 13:09:44

背景及概述

肉桂酸又称桂皮酸，化学名称为3-苯基-2-丙烯酸，是一种重要的有机化工原料和有机合成中间体，肉桂酸及其衍生物广泛用于医药、农药、香料、食品添加剂、感光树脂等精细化工产品的原料中。4-氯-3-硝基肉桂酸是典型的肉桂酸衍生物英文名称：4-Chloro-3-nitrocinnamicacid，中文别名：反式-4-氯-3-硝基苯乙烯酸，CAS号：20797-48-2，分子式：C9H6ClNO4，分子量：227.601，本品为少许黄色晶体，密度：1.529g/cm3，沸点：408.6ºCat760mmHg，熔点：188-190°C(lit.)。

制备

目前，合成肉桂酸类化合物方法很多，主要合成方法有:铂金(Perkin)法；柯诺瓦诺格(Knoevenagel)法；苯甲醛-乙烯酮法；苯甲醛-丙酮法；苯甲醛-醋酸法；苯基氯甲烷-无水醋酸钠法；苯乙烯-一氯化碳法；苯乙烯-二氧化碳法；苯乙烯-四氯化碳法；肉桂醛氧化法；苯甲醛与丙二酸法；卤代苯和丙烯酸法等。这些方法与流程较为繁琐，实验温度高，能量消耗大，产品产率低，副产物较多，分离纯化比较困难，环境污染严重，不利于工业化生产。本文以4-氯-3-硝基苯甲醛与醋酸酐为起始物料经催化制得目标产物[1]。合成反应式如下图：

图1 4-氯-3-硝基肉桂酸合成反应式

实验操作

在250mL干燥三颈烧瓶中加入一定物质的量比的新蒸4-氯-3-硝基苯甲醛与醋酸酐，并加入一定量的催化剂，振荡使之混合均匀，装上温度计和冷凝管(上端接氯化钙干燥管)，在一定温度下磁力搅拌，充分反应一定时间。反应结束后，用饱和Na2CO3溶液将pH调至弱碱性。然后用水蒸汽蒸馏至馏出液无油珠状为止，再用少量活性炭吸附杂质，得无色液体，趁热抽滤，滤液用盐酸调至pH=3～4，此时有大量白色晶体析出。静置一段时间后抽滤，用少量水洗涤结晶，干燥得4-氯-3-硝基肉桂酸粗产品，粗产品用水和乙醇混合液(体积比为3∶1)进行重结晶，得4-氯-3-硝基肉桂酸黄色晶体。

结果与讨论

催化剂种类对产率的影响

准确称取一定量的4-氯-3-硝基苯甲醛和醋酸酐，保持其物质的量比为1∶3，2%(摩尔分数相对于苯甲醛)的对苯二酚为阻聚剂，反应温度为170℃，反应时间为1h，取相同质量的催化剂，考察催化剂种类对产率的影响。催化剂种类对催化合成4-氯-3-硝基肉桂酸有显著作用，其中无水碳酸钠的催化效率最高，产率可达到60．23%。而氯化锌和硫酸锌在反应中催化效率最低。这是因为无水碳酸钾和无水乙酸钾均为强碱弱酸盐，而氯化锌和硫酸锌为强酸弱碱盐，在反应中乙酸酐的α－H与碱性催化剂的负离子反应，生成碳负离子，再与苯甲醛反应，经消去酸化生成4-氯-3-硝基肉桂酸，因此无水碳酸钾和无水乙酸钾催化效率远高于氯化锌和硫酸锌。

阻聚剂种类对产率的影响

准确称取一定量的4-氯-3-硝基苯甲醛和醋酸酐，保持其物质的量比为1∶3，以一定质量的无水碳酸钾为催化剂，反应温度为170℃，反应时间为1h，改变阻聚剂的种类，考察不同的阻聚剂对产率的影响。阻聚剂可以有效的提高肉桂酸的产率，其中阻聚剂对苯二酚的效果，产率最高为59．77%，阻聚剂亚硝酸钠效果仅次于对二苯酚，不加任何阻聚剂时，肉桂酸的产率明显低于加入阻聚剂的反应。这是因为无水碳酸钾碱性较强，反应过程中苯甲醛聚合生成的棕褐色粘稠状树脂化物较多，而阻聚剂可以有效减少粘稠状树脂化物的生成，从而提高4-氯-3-硝基肉桂酸的产率。

反应物物质的量比对产率的影响

以一定质量的无水碳酸钾为催化剂，2%(摩尔分数相对于苯甲醛)的对苯二酚为阻聚剂，反应温度为170℃，反应时间为1h，改变4-氯-3-硝基苯甲醛和乙酸酐的物质的量比，考察反应物物质的量比对产率的影响。反应物物质的量比对肉桂酸产率的影响较大，若4-氯-3-硝基苯甲醛过量，则多余的苯甲醛在反应过程中可能被氧化、聚合，从而使产品的颜色变深，晶形较差，熔点偏低，因此保持醋酸酐过量。4-氯-3-硝基苯甲醛与醋酸酐物质的量比小于1∶2．5时，4-氯-3-硝基肉桂酸的产率较低，且产品外观也不好；随着反应物的物质的量比增大，产率明显提高，当4-氯-3-硝基苯甲醛与醋酸酐物质的量比为1∶3时，产品的产率达到最高为61．36%，且产品外观较好。

催化剂用量对产率的影响

准确称取一定量的4-氯-3-硝基苯甲醛和醋酸酐，保持其物质的量比为1∶3，2%(摩尔分数相对于4-氯-3-硝基苯甲醛)的对苯二酚为阻聚剂，反应温度为170℃，反应时间为1h，以无水碳酸钾为催化剂，改变无水碳酸钾的用量，考察催化剂的用量对产率的影响。实验结果见表4。由表4可知，随着催化剂无水碳酸钾用量的增加，4-氯-3-硝基肉桂酸的产率逐渐升高，当无水碳酸钾用量为4．5g时，4-氯-3-硝基肉桂酸产率最高为63．59%；继续增加无水碳酸钾用量，4-氯-3-硝基肉桂酸的产率呈现下降趋势。这是因为当无水碳酸钾用量较低时，导致乙酸酐碳负离子生成较少，且反应速度较慢，反应不完全，致使4-氯-3-硝基肉桂酸的产率降低。

结论

实验以4-氯-3-硝基苯甲醛与醋酸酐为原料，通过Perkin反应在催化剂作用下催化合成肉桂酸。合成4-氯-3-硝基肉桂酸的条件是: 4-氯-3-硝基苯甲醛与醋酸酐物质的量比为1∶3，以无水碳酸钾为催化剂，其用量为4．5g，以2%的对二苯酚为阻聚剂，反应时间为2h，反应温度为170℃，肉桂酸的产率可达69．32%。工艺简单，操作方便，无环境污染，产品纯度高，是合成4-氯-3-硝基肉桂酸较为理想的方法。