乙酰丙酸甲酯的合成及其应用

简介

乙酰丙酸甲酯是一种非常重要的精细化学品，具有酯的性质，常用于水解反应或加成反应，应用面广[1]。例如：乙酰丙酸甲酯是手性胺类化合物的拆分剂，也是多种化工产品的中间体，同时在医药方面也具有很大用途，例如合成维生素B6、周效磺胺等药物。此外它也是高效合成下游产品乙二醇重要的前驱体原料[2-3]。

图1 乙酰丙酸甲酯的结构式。

合成

图2 乙酰丙酸甲酯的合成路线[4]。

在浓硫酸（500μL）存在下，通过在甲醇（0.5M溶液）中煮沸将酸转化为酯。反应后进行TLC（庚烷/EtOAc 2:1）。当仅残留微量酸时，将反应混合物冷却、浓缩、用NaHCO3溶液稀释、用DCM萃取、用MgSO4干燥并浓缩得到终产物乙酰丙酸甲酯。合成路线如图2所示。

图3 乙酰丙酸甲酯的合成路线[5]。

实验在配备有机械搅拌器的35毫升不锈钢高压釜中进行。在典型的实验中，将0.75g果糖、24g甲醇和0.48g催化剂装入反应器中。将高压釜吹扫三次，然后在室温下用N2加压至2.0MPa。将高压釜加热至所需温度并以600rpm的搅拌速度放置所需时间。反应完成后，在收集样品之前，将反应器在冰水混合物中冷却至室温。在配有HP-FFAP毛细管柱（30m×0.32mm×0.25μm）和火焰离子化检测器的GC（Agilent 6820仪器）上分析反应产物。在液体产品中加入正丁醇作为内标。使用与RID检测器和Inertsil ODS-SP柱耦合的HPLC对果糖进行定量。使用甲醇溶液作为流动相，室温下体积为0.30ml min-1。使用岛津GC-MS QP202S确认产品的结构。最终将产物的结构鉴定为乙酰丙酸甲酯，收率13.7（%）。合成路线如图3所示。

图4 乙酰丙酸甲酯的合成路线[6]。

步骤1：向（E）-3-烯酸（8.50mmol）在氯仿（80mL）中的冰浴冷溶液中加入间氯过苯甲酸（85%）（2.60g，12.70mmol）。将所得混合物在室温下搅拌16小时，然后将碳酸钾（2.5g）一份加入并在室温搅拌30分钟，然后过滤，用饱和碳酸氢钠水溶液、盐水（两次）洗涤，干燥（Na2SO4）并浓缩。通过色谱（硅胶、己烷/EtOAc（8:2）和（7:3））纯化原油。1a（产率＝85%）。1H NMR（300 MHz，CDCl3）δ3.71（3H，s），3.00（1H，td，J=5.8，2.1Hz），2.82（1H、qd，J=5.2，2.1Hz，2.57（1H），dd，J=16.3，6.0Hz），2.53（1H，dd，J=16.3，5.6Hz），1.32（3H、d，J=5.3Hz）。13C NMR（75 MHz，CDCl3）δ170.8、54.7、54.3、51.8、37.4、17.2 ppm。HRMS m/z计算。对于C6H11O3[M+H+]：131.0708。

步骤2：:向环氧化物（0.4 mmol）在CHCl3（2 mL）中的冰浴冷溶液中滴加BF3·OEt2（15μL，0.12 mmol）。然后将所得混合物在室温（21°C）下搅拌17小时。然后用饱和NaHCO3水溶液淬灭，并用CH2Cl2（2 x 30 mL）萃取。将合并的有机层干燥（Na2SO4）、过滤并浓缩。通过色谱（硅胶，己烷/EtOAc（8:2）纯化原油，最终将产物的结构鉴定为乙酰丙酸甲酯，收率87.7（%）。1H NMR（500 MHz，CDCl3）δ3.67（3H，s），2.74（2H，t，J=6.5 Hz），2.55（2H、t，J=6.5 Hz），2.18（3H、s）。13C NMR（125 MHz，CDCl3）δ207.5、173.7、52.2、38.3、30.2、28.1 ppm。IR（NaCl）δ2975、2938、2857、1740、1454、1381、1226、1167、1043、910、815、778 cm-1。合成路线如图4所示。

应用

乙酰丙酸甲酯除了可以合成维生素B6、合成磺胺外，更多的使用价值是作为乙二醇的前体，即乙酰丙酸甲酯通过加氢、水解两步高效制成乙二醇[7]。乙二醇是国家重要的化工原料和战略物资，可用作溶剂、防冻剂以及合成涤纶的原料[8]。在溶剂方面，乙酰丙酸甲酯常可代替甘油使用，在制革和制药工业中分别用作水合剂和溶剂，也可用于玻璃纸、纤维、皮革、粘合剂的湿润剂。因此，乙酰丙酸甲酯作为合成下游产品乙二醇的应用前景十分广阔[9]。

人体危害

乙酰丙酸甲酯具有麻醉和刺激作用。人接触较高浓度的乙酰丙酸甲酯，可引起眼、鼻、咽喉和呼吸道刺激症状。重复或长时间接触乙酰丙酸甲酯，出现进行性的麻醉作用[10-11]。高浓度的乙酰丙酸甲酯可发生麻醉作用及肝、肾充血。持续大量吸入乙酰丙酸甲酯，则可发生急性肺水肿。

参考文献

[1] E. Anagnostopoulou, P. Lilas, P. Diamantopoulou, C. Fakas, I. Krithinakis, E. Patatsi, E. Gabrielatou, A.P. van Muyden, P.J. Dyson, G. Papadogianakis, Hydrogenation of the pivotal biorefinery platform molecule levulinic acid into renewable fuel γ-valerolactone catalyzed by unprecedented highly active and stable ruthenium nanoparticles in aqueous media, Renewable Energy 192 (2022) 35-45.

[2] Y. Bai, Y. Qian, X. Zhang, Amine dehydrogenase mutant, its coding gene, recombinant expression vector, recombinant expression transformant and application in catalytic asymmetric reduction of prochiral carbonyl compounds, East China University of Science and Technology, Peop. Rep. China . 2022, p. 25pp.

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[4] G.E. Cordova-Perez, J. Cortez-Elizalde, A.A. Silahua-Pavon, A. Cervantes-Uribe, J.C. Arevalo-Perez, A. Cordero-Garcia, A.E.E. de los Monteros, C.G. Espinosa-Gonzalez, S. Godavarthi, F. Ortiz-Chi, Z. Guerra-Que, J.G. Torres-Torres, A γ-Valerolactone Production from Levulinic Acid Hydrogenation Using Ni Supported Nanoparticles: Influence of Tungsten Loading and pH of Synthesis, Nanomaterials 12(12) (2022) 2017.

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[8] C.S. Osorio-Gonzalez, R. Saini, K. Hegde, S.K. Brar, A. Lefebvre, A. Avalos-Ramirez, Inhibitor degradation by Rhodosporidium toruloides NRRL 1588 using undetoxified wood hydrolysate as a culture media, Biomass Bioenergy 160 (2022) 106419.

[9] H. Ren, X.-Y. Yue, W.-S. Dong, Conversion of cellulose into levulinic acid under the catalysis of Bronsted acidic ionic liquid and erbium chloride in water, Carbohydr. Res. 522 (2022) 108675.

[10] X. Xi, D. Sun, H. An, X. Zhao, Y. Wang, Cesium silicotungstate catalyzed solvent-free self-condensation of levulinic acid and its product identification, Biomass Convers. Biorefin.  (2022) Ahead of Print.

[11] J. Yan, S. Ma, M. Feng, J. Zheng, M. Guo, Hydrophobic deep eutectic solvent-based ultrasonic-assisted liquid-liquid microextraction combined with GC for eugenol, isoeugenol, and methyl isoeugenol determination in aquatic products, Food Addit. Contam., Part A 39(10) (2022) 1718-1730.