肉桂酸合成方法研究進(jìn)展

蔣衛(wèi)華，崔愛軍

(常州大學(xué)石油化工學(xué)院，常州 213264)

肉桂酸是一種微有桂皮味的香料［1］。在醫(yī)藥行業(yè)中肉桂酸可用于局部麻醉劑、抗炎、止痛、抗傳染、抗癌、血管擴(kuò)張劑、抗?jié)儎┖偷脱堑人幬锏闹苽洌?－3］。農(nóng)業(yè)上肉桂酸可用作長效殺菌劑、植物生長促進(jìn)劑和除草劑、果蔬食品保鮮防腐劑等，最新研究還發(fā)現(xiàn)肉桂酸對(duì)銅綠微囊藻和斜生柵藻具有抑制作用，這為水華的生物治理找到一條安全有效的途徑［4］。此外，肉桂酸還可用作測(cè)定鈾和釩的試劑、分離釷的試劑、鍍鋅的緩蝕劑、聚氯乙烯的熱穩(wěn)定劑、聚氨基甲酸酯的交聯(lián)劑、聚己內(nèi)酰胺的阻燃劑、表面活性劑及負(fù)片型感光樹脂的合成原料。肉桂酸及其衍生物的廣泛應(yīng)用使其具有廣闊的市場前景［5－7］。

合成肉桂酸的方法有多種，如 Perkin法、Knoevenagel法、苯甲醛－丙酮法、苯甲醛－乙烯酮法、苯甲醛－醋酸法、苯乙烯－四氯化碳法、苯乙烯－一氧化碳法、苯乙烯－二氧化碳法、苯基氯甲烷－無水醋酸鈉法、鹵代苯－丙烯酸法、肉桂醛氧化法等。以上方法大部分因能耗大、污染重、成本高、產(chǎn)率低等因素而沒有實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，或已經(jīng)被淘汰。目前工業(yè)上生產(chǎn)肉桂酸的方法主要是Perkin法和苯乙烯－四氯化碳法。筆者以反應(yīng)原料為分類依據(jù)，對(duì)肉桂酸的合成進(jìn)展進(jìn)行綜述和評(píng)價(jià)。

1 以苯甲醛為原料

1.1 Perkin 法

Perkin法是工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中普遍采用的合成肉桂酸的一種方法，即以苯甲醛和醋酐為原料，在弱堿的作用下醛作為受體，乙酸酐的α－H被奪去后以負(fù)離子的形式作為給予體，進(jìn)行親核加成，最后生成肉桂酸。該法具有原料易得、操作簡單、產(chǎn)物純度高且不含氯離子等優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)式如下:

常用的催化劑為 K2CO3，Na2CO3，CH3COOK，CH3COONa，KF，K2O，γ － Al2O3等固體弱堿或其復(fù)合物，其中以無水 K2CO3和CH3COOK效果最佳。朱靜［8］以醋酸鉀為催化劑合成肉桂酸，醛酐物質(zhì)的量比為1∶3，催化劑用量為6 g，反應(yīng)時(shí)間為2 h，產(chǎn)率可達(dá)48.6%。滕業(yè)方［9］用氟化鈉－碳酸鉀(物質(zhì)的量比為1∶2)復(fù)合催化合成肉桂酸，在n(苯甲醛)∶n(乙酸酐)=3∶8，反應(yīng)溫度為150～170℃，反應(yīng)時(shí)間為50 min的條件下，產(chǎn)率達(dá)76.2%。但無論用單一的固體堿催化還是用復(fù)合堿催化，都存在乙酸酐的活性低、反應(yīng)溫度高、時(shí)間長、易聚合、產(chǎn)率低、催化劑難回收等缺點(diǎn)。

張海軍等［10］以無水碳酸鉀為催化劑，PEG－400為相轉(zhuǎn)移催化劑，對(duì)羥基苯甲醚為阻聚劑合成肉桂酸。當(dāng) n(醛)∶n(酸酐)∶n(碳酸鉀)∶n(PEG －400)∶n(阻聚劑)=1∶3∶1.1∶0.02∶0.02，180℃下回流1.5 h時(shí)，肉桂酸的產(chǎn)率達(dá)75.5%。此法雖然能適當(dāng)提高反應(yīng)的產(chǎn)率，克服其易聚合的缺點(diǎn)，但反應(yīng)溫度仍然很高，催化劑難以回收利用，且反應(yīng)的成本增加，其工業(yè)應(yīng)用價(jià)值有待研究。

張新兵等［11］以 KF/K2CO3為催化劑，通過微波輻射合成肉桂酸。當(dāng)n(苯甲醛)∶n(乙酸酐)∶n(KF/K2CO3)=1∶3∶1.45，微波功率為 650 W ，反應(yīng)時(shí)間為6 min時(shí)，產(chǎn)率達(dá)76%。微波或超聲波反應(yīng)具有反應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，但目前離實(shí)際工業(yè)應(yīng)用還有一定的距離。

陳新等［12］以固體超強(qiáng)酸SO42－/MoO3－TiO2為催化劑合成肉桂酸。醛酐物質(zhì)的量比為1∶3，催化劑用量為4 g，140℃下加熱回流1.5 h，產(chǎn)率為55.7%。此方法改變了堿催化的傳統(tǒng)，適當(dāng)降低了反應(yīng)溫度，但是催化劑制造較繁瑣，產(chǎn)率也不高，尚不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

用Perkin法合成肉桂酸，在選擇或制備經(jīng)濟(jì)適用的綠色催化材料、降低反應(yīng)溫度、減少反應(yīng)的成本、提高產(chǎn)品收率等方面仍需深入研究和探討［13］。

1.2 Knoevenagel法

此類反應(yīng)是以苯甲醛－丙二酸為原料，在催化劑作用下合成肉桂酸。反應(yīng)式如下:

常用的催化劑為吡啶、苯胺等有機(jī)堿。楊輝瓊等［14］以六氫吡啶為縮合劑，在吡啶介質(zhì)中，通過苯甲醛與丙二酸發(fā)生縮合反應(yīng)合成肉桂酸，其最佳的工藝條件是:n(苯甲醛)∶n(丙二酸)=1∶1.2，n(苯甲醛)∶n(吡啶)∶n(六氫吡啶)=1∶2.4∶0.025，在95℃下回流2 h。在此條件下產(chǎn)率達(dá)89.2%。侯敏等［15］研究了微波輻射下合成肉桂酸。以苯甲醛為反應(yīng)底物，丙二酸為試劑，吡啶為溶劑，苯胺為催化劑，最佳反應(yīng)條件為:丙二酸用量為2.5 g，n(丙二酸)∶n(苯甲醛)=1∶2，苯胺用量0.26 mol，微波功率 464 W，反應(yīng)時(shí)間 19 min。在此條件下產(chǎn)率為67.2%。該方法具有工藝簡單、操作方便、反應(yīng)溫度低、產(chǎn)物純度和收率較高等優(yōu)點(diǎn)，但所使用的催化劑六氫吡啶具有難聞氣味，不易回收且有一定毒性，此外所使用的原料丙二酸價(jià)格也較高，給工業(yè)化應(yīng)用帶來一定的限制。

羅志臣［16］以苯甲醛和丙二酸為原料，KF/K2CO3/γ－AI2O3為催化劑，經(jīng)Knoevenagel反應(yīng)，在無溶劑條件下催化合成了肉桂酸。其較佳工藝條件為:n(苯甲醛)∶n(丙二酸)=1∶1.15，催化劑用量2.5 g(含 KF 4.68 mmol)，反應(yīng)時(shí)間60 min。在此條件下收率達(dá)到92%以上。用γ－Al2O3負(fù)載復(fù)合固體無機(jī)堿催化，克服了六氫吡啶作催化劑具有難聞氣味的弊端，且用γ－Al2O3負(fù)載催化劑可以回收利用，此法具有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，不過KF的腐蝕性較強(qiáng)，且催化劑制造也稍繁瑣。

1.3 苯甲醛－丙酮法

以苯甲醛和丙酮為原料［17］，經(jīng)強(qiáng)堿條件下縮合、次氯酸鈉氧化及硫酸酸化后得到肉桂酸。反應(yīng)式如下:

這條合成路線曾用于生產(chǎn)，有原料易得、反應(yīng)條件簡單等優(yōu)點(diǎn)，但因工藝流程長、操作復(fù)雜、能耗大、轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率低等問題而被淘汰。

1.4 苯甲醛－乙烯酮法

在鋅鹽和C6－8脂肪族羧酸催化下，以甲苯為溶劑，在苯甲醛中通入乙烯酮?dú)怏w制得肉桂酸［18］。其反應(yīng)機(jī)理可能是加成重排，反應(yīng)式如下:

該方法工藝簡單，不需要特殊的催化劑，有較好的工業(yè)化前景。但乙烯酮價(jià)格較高，是劇毒氣體，且其化學(xué)性質(zhì)活潑，反應(yīng)不易控制，副產(chǎn)物多，難分離，因此目前不宜用于工業(yè)化生產(chǎn)。

1.5 苯甲醛－醋酸法

在350℃將苯甲醛和60%的醋酸的氣體，通過裝有鋁硅酸鹽、SiO2－Al2O3或硅膠等堿性催化劑的反應(yīng)器，合成肉桂酸［19］。反應(yīng)式如下:

該反應(yīng)原料來源廣泛，但反應(yīng)的能耗較高，對(duì)反應(yīng)設(shè)備要求也高，且反應(yīng)的選擇性和轉(zhuǎn)化率較低。

2 以苯乙烯為原料

2.1 苯乙烯 －四氯化碳法［20－22］

該法分兩步進(jìn)行:第一步是在一價(jià)銅配合物催化下苯乙烯和四氯化碳發(fā)生自由基加成;第二步是上述中間物在酸性介質(zhì)中發(fā)生水解、消去反應(yīng)生成肉桂酸。反應(yīng)式如下:

高揚(yáng)等［23］將氯化亞銅負(fù)載在納米炭上作為催化劑，以二乙胺為助催化劑，苯乙烯和四氯化碳發(fā)生加成反應(yīng)生成1，3，3，3－四氯丙烯苯中間體，其收率為96%，中間體在酸性體系中于115～125℃下水解12 h，結(jié)晶，過濾得到產(chǎn)物肉桂酸，產(chǎn)率84.9%。該法反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)率高，而且使用的催化劑也常見，該路線具有一定的開發(fā)和推廣價(jià)值。但是該工藝中要使用大量的水洗、酸洗，不僅增加了工藝程序和難度，而且產(chǎn)生大量有色廢水，需增加環(huán)保投資;此外，蒸餾中間體的環(huán)節(jié)能耗大等問題有待進(jìn)一步解決。近年來由于苯甲醛和醋酐價(jià)格大幅上漲，使得Perkin法生產(chǎn)肉桂酸成本上升，而苯乙烯和四氯化碳都是大噸位廉價(jià)化工產(chǎn)品，且根據(jù)保護(hù)大氣臭氧層的國際蒙特利爾條約，將逐步限制對(duì)四氯化碳的使用，將四氯化碳轉(zhuǎn)化成其他產(chǎn)品已成為迫切需要解決的問題。

2.2 苯乙烯－一氧化碳法［24］

此法是由日本首先開發(fā)成功的一條以苯乙烯－一氧化碳為原料的新合成路線，其反應(yīng)式如下所示。該法原料價(jià)廉，產(chǎn)率較高，但反應(yīng)條件苛刻，工藝操作復(fù)雜，且所用的鈀催化劑昂貴。

2.3 苯乙烯－二氧化碳法

苯乙烯和二氧化碳在Ni(COO)2和1，8－二氮雙環(huán)［5，4，0］十一碳 －7－烯的存在下反應(yīng)生成肉桂酸。該反應(yīng)所需要的催化劑特殊，不適合大規(guī)模的生產(chǎn)。

3 以苯基氯甲烷－無水醋酸鈉為原料

苯基二氯甲烷和無水醋酸鈉在吡啶為溶劑的條件下［25］，170～180℃下反應(yīng)生成肉桂酸。二氯芐可作為苯甲醛的前體，該法可認(rèn)為是Perkin反應(yīng)的改進(jìn)。反應(yīng)式如下:

該法線路較短，原料價(jià)廉易得，反應(yīng)條件溫和，但存在轉(zhuǎn)化率低、副產(chǎn)物多、產(chǎn)物易含氯離子等缺點(diǎn)。此法也曾被以苯基二氯甲烷為副產(chǎn)物的生產(chǎn)芐氯的廠家采用，但已趨淘汰。

4 以鹵代苯和丙烯酸為原料

在(聚4－乙烯基吡啶)鈀(0)催化下，芳基碘苯與丙烯酸反應(yīng)生成取代肉桂酸。反應(yīng)式如下:

李三華等［26］用殼聚糖席夫堿鈀作為催化劑，以碘代苯(PhI)與丙烯酸(AA)偶聯(lián)生成肉桂酸為模型反應(yīng)，確定該催化反應(yīng)的最佳反應(yīng)條件為:PhI用量 10 mmol，n(PhI)∶n(AA)=1∶1.5，三乙胺用量27 mmol，催化劑用量0.1 g(Pd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%)，以二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑，N2保護(hù)下70℃反應(yīng)7 h，產(chǎn)率達(dá)90.7%。該催化劑經(jīng)過濾分離、溶劑洗滌，重復(fù)使用6次仍有較高的催化活性。

目前以鹵代芳烴制備肉桂酸雖不具有工業(yè)化生產(chǎn)意義，但對(duì)于制備某些昂貴的肉桂酸衍生物卻具有極高的理論和實(shí)際意義。

5 以肉桂醛為原料

此類反應(yīng)一般以Ag/C為催化劑［27］，采用氧氣催化氧化肉桂醛合成肉桂酸，其反應(yīng)式如下:

汪敦佳等［28］以醋酸鈷、醋酸鎳、醋酸銅等過渡金屬鹽和自制的Ag/C為催化劑，分別用空氣和氧氣氧化肉桂醛的方法來合成肉桂酸，反應(yīng)溫度40～45℃，反應(yīng)時(shí)間1.5 h，肉桂酸收率可達(dá)93.5%。

羅曉燕等［29］以吸附在碳上的銀作觸媒，采用空氣氧化法將肉桂醛轉(zhuǎn)化為肉桂酸，最佳反應(yīng)溫度為40～50℃，空氣壓力為0.3 MPa，Ag－C觸媒量為水量的3%，收率為95.8%。

此類反應(yīng)產(chǎn)率較高且催化劑可以回收利用，反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)時(shí)間短，但是反應(yīng)的原料價(jià)格較高，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

6 結(jié)論與展望

隨著新型保健甜味劑阿斯巴甜在國內(nèi)的興起，以及肉桂酸及其衍生物在醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品、材料、香精香料化妝品等行業(yè)中應(yīng)用的拓展，肉桂酸的市場前景將會(huì)更加廣闊。目前工業(yè)上制備肉桂酸以Perkin法、苯乙烯－四氯化碳法為主，但是Perkin法產(chǎn)率低，能耗高，苯乙烯－四氯化碳法的成本和環(huán)境等問題有待進(jìn)一步解決。更加經(jīng)濟(jì)高效、綠色環(huán)保的合成方法將是未來肉桂酸合成發(fā)展的必然趨勢(shì)，其中生物酶法合成將是一個(gè)理想的發(fā)展方向。

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