綠色方法合成4-甲基苯亞甲基丙二腈

沈 微，吳 波，羊俊杰，李昕暉，許哲宇，婁 穎,張 婷,王亞軍

(湖州師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 湖州 313000)

綠色方法合成4-甲基苯亞甲基丙二腈

沈 微，吳 波，羊俊杰，李昕暉，許哲宇，婁 穎,張 婷,王亞軍

(湖州師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 湖州 313000)

將丙二腈與對(duì)甲基苯甲醛置于乙醇中，室溫下攪拌，迅速反應(yīng)，得到高純度產(chǎn)物4-甲基苯亞甲基丙二腈。通過單因素實(shí)驗(yàn)得到最佳反應(yīng)條件：攪拌2h，溫度25℃，丙二腈：對(duì)甲基苯甲醛的物質(zhì)的量比=1：1，產(chǎn)率為92%。本法反應(yīng)條件溫和，不加催化劑，后處理步驟簡(jiǎn)便，產(chǎn)率高，為芳亞甲基丙二腈的合成提供了一條低污染、高產(chǎn)率的綠色合成途徑。

4-甲基苯亞甲基丙二腈;Knoevenagel縮合反應(yīng);單因素實(shí)驗(yàn)

丙二腈也稱二氰甲烷(NC-CH2-CN)，丙二腈類化合物種類豐富，且具有良好的化學(xué)活性，在農(nóng)藥[1]、醫(yī)藥[2]、染料[3]、聚氨酯穩(wěn)定劑[4]等方面均有應(yīng)用。芳亞甲基丙二腈類化合物作為其衍生物，是一類具有潛在生物活性的前體藥物，同時(shí)也是合成各種雜環(huán)化合物的重要中間體。

丙二腈是含有雙強(qiáng)吸電子基團(tuán)的化合物，具有活潑氫，易形成碳負(fù)離子，從而易發(fā)生縮合、取代、加成、消去等化學(xué)反應(yīng)，因此我們常利用丙二腈與不同的醛類反應(yīng)制備各類芳亞甲基丙二腈化合物[5]。此反應(yīng)屬于Knoevenagel縮合反應(yīng)，通常在胺類及其銨鹽的催化下進(jìn)行。目前主要通過加入催化劑，加速芳醛和丙二腈的反應(yīng)。其中已通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的催化劑有Al2O3、氨基功能化硅膠、BiCl3、CdI2、TiCl4、K3PO4、KF/Al2O3、沸石、硬硅鈣石、陰離子交換樹脂等等[6]。近期，通過使用超聲波[7]、PEG400催化[8]、無水K2CO3催化[9]以及研磨[10-11]等新興方法實(shí)現(xiàn)的無溶劑條件下的克腦文格反應(yīng)迅速發(fā)展，引起廣泛關(guān)注。

概括而言，傳統(tǒng)方法合成芳亞甲基丙二腈雖然產(chǎn)率樂觀，但是操作步驟較煩瑣，且后處理較困難，如此看來，尋找綠色高效簡(jiǎn)便的合成路線是十分必要的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

79-1磁力加熱攪拌器，金壇市江南儀器廠；電子天平DT，江蘇常熟長青儀器儀表廠；干燥箱PLP60,廣東康寶電器有限公司；紅外光譜儀Nicolet5700 Thenno electron corporation及常規(guī)合成儀器。

4-甲基苯甲醛、丙二腈、無水乙醇均為國產(chǎn)市售化學(xué)純?cè)噭?/p>

1.2 合成4-甲基苯亞甲基丙二腈

1.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

芳香醛與丙二腈反應(yīng)的原理是利用丙二腈上活性亞甲基與芳香醛上的羰基反應(yīng)，脫去一分子水，形成碳-碳雙鍵，從而形成更穩(wěn)定的化合物。本試驗(yàn)以乙醇為溶劑，研究不同反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)效果的影響。具體反應(yīng)方程式如下:

圖1 4-甲基苯亞甲基丙二腈的合成方法

1.2.2 操作步驟

在100mL圓底燒瓶中加入丙二腈3.3g(50mmol)、 4-甲基苯甲醛(50mmol)、無水乙醇(25mL)，將混合物置于室溫下進(jìn)行攪拌反應(yīng)，控制攪拌時(shí)間。待反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物由圓底燒瓶轉(zhuǎn)移至燒杯，在室溫下自然放置，待剩余乙醇完全揮發(fā)，水洗，過濾得到4-甲基苯亞甲基丙二腈的純品，放入干燥箱干燥，稱重，計(jì)算產(chǎn)率。

1.2.3 結(jié)果與討論操作步驟

1.2.3.1 乙醇用量對(duì)4-甲基苯亞甲基丙二腈產(chǎn)率的影響

設(shè)定溫度為25℃，攪拌時(shí)間為2h， 反應(yīng)物的物質(zhì)的量之比為1：1，探究不同乙醇用量對(duì)產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 乙醇用量對(duì)產(chǎn)率的影響

從表1可以看出，通過該方法合成產(chǎn)物的平均產(chǎn)率較高，且產(chǎn)率隨乙醇用量的增加而增大。當(dāng)乙醇用量為25mL時(shí)，產(chǎn)率較高，達(dá)到93.22%。當(dāng)乙醇用量超過25mL時(shí)，雖產(chǎn)率仍有所增長，但幅度不大，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，本實(shí)驗(yàn)選擇25mL乙醇為最佳。

1.2.3.2 攪拌時(shí)間對(duì)4-甲基苯亞甲基丙二腈產(chǎn)率的影響

設(shè)定溫度為25℃，反應(yīng)物物質(zhì)的量之比為1：1， 乙醇用量為25mL，研究不同攪拌時(shí)間對(duì)合成產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 攪拌時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響

從表2可以看出，在2h內(nèi)合成產(chǎn)率隨攪拌時(shí)間的增加而增大，攪拌時(shí)間為2h時(shí)，產(chǎn)物產(chǎn)率達(dá)到最大值。當(dāng)攪拌時(shí)間超過2h后，產(chǎn)率不增反減，說明反應(yīng)在2h時(shí)已基本達(dá)到平衡，繼續(xù)攪拌使得產(chǎn)物不能及時(shí)分離出來，發(fā)生副反應(yīng)，影響產(chǎn)物的收率。因此，從實(shí)驗(yàn)的高效性以及節(jié)省時(shí)間和能源方面考慮，選擇攪拌時(shí)間2h為最佳。

1.2.3.3 反應(yīng)溫度對(duì)4-甲基苯亞甲基丙二腈產(chǎn)率的影響

設(shè)定攪拌時(shí)間為2h，反應(yīng)物物質(zhì)的量之比為1：1，乙醇用量為25mL，研究不同反應(yīng)溫度對(duì)合成產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

從表3可以看出，在控制攪拌時(shí)間為2h情況下，合成產(chǎn)率隨反應(yīng)溫度的增加而增大。但當(dāng)反應(yīng)溫度為50℃時(shí)，副反應(yīng)隨之增多，不利于產(chǎn)物的提純，產(chǎn)率有所下降。因此，從產(chǎn)物的純度和實(shí)驗(yàn)的高效性考慮，選擇反應(yīng)溫度為25℃最佳。

1.2.3.4 4-甲基苯亞甲基丙二腈的最佳工藝條件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過重復(fù)單因素實(shí)驗(yàn)得出最佳工藝：反應(yīng)時(shí)間2h，反應(yīng)物物質(zhì)的量之比為1：1，乙醇用量為25mL，反應(yīng)溫度為25℃。針對(duì)此最佳實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn)，平均產(chǎn)率為92.27%，標(biāo)準(zhǔn)方差為0.78。此結(jié)果表明，利用單因素實(shí)驗(yàn)得出的對(duì)4-甲基苯亞甲基丙二腈合成的優(yōu)化方案可行。數(shù)據(jù)見表4。

表4 最佳工藝驗(yàn)證結(jié)果

2 產(chǎn)品的分析測(cè)試及結(jié)構(gòu)表征

4-甲基苯基亞甲基丙二腈外觀：白色固體粉末，有刺激性氣味。

M.p. 134.5-135.0℃，(lit.m.p.134.0℃)；IR(KBr，v，cm-1):3444，3035，2925，2298，2221，1932，1875，1605，1588，1556，1509，1450，1412，1375，1302，1235，1221，1192，1038，976，857，814，759，707。

產(chǎn)物的紅外吸收光譜圖分析可知，3035cm-1峰對(duì)應(yīng)的是苯環(huán)中=CH的伸縮振動(dòng)，1605、1588、1509、1450cm-1峰對(duì)應(yīng)的是苯環(huán)中C=C的伸縮振動(dòng)，857cm-1峰對(duì)應(yīng)的是苯環(huán)中=CH的面外彎曲振動(dòng)，且苯環(huán)為對(duì)雙取代；2221m-1處出現(xiàn)C≡N伸縮振動(dòng)吸收峰，說明該化合物是芳香族腈；1192cm-1峰對(duì)應(yīng)的是C=C的伸縮振動(dòng)，759cm-1峰對(duì)應(yīng)的是=CH面外彎曲振動(dòng)，表明含有三取代的碳碳雙鍵；2925cm-1峰對(duì)應(yīng)的是-CH3的伸縮振動(dòng)，1375cm-1峰對(duì)應(yīng)的是-CH3的面內(nèi)彎曲振動(dòng)，表明含有甲基。

綜上，可以說明該紅外吸收光譜數(shù)據(jù)基本符合產(chǎn)物的各官能團(tuán)，初步證明產(chǎn)物為4-甲基苯基亞甲基丙二腈。

3 結(jié)論

本文通過單因素實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化了對(duì)甲基苯甲醛與丙二腈合成4-甲基苯亞甲基丙二腈的實(shí)驗(yàn)方案。重點(diǎn)考察了反應(yīng)乙醇用量、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間三個(gè)因素對(duì)反應(yīng)收率的影響。本實(shí)驗(yàn)的最佳工藝條件：反應(yīng)物物質(zhì)的量之比為1：1，乙醇用量為25mL，設(shè)定攪拌時(shí)間為2h，反應(yīng)溫度為25℃。

[1] 張 茜,楊吉春,伍 強(qiáng),等.具有農(nóng)藥生物活性的丙二腈類化合物的研究進(jìn)展[J].農(nóng)藥,2010,49(10):708-712.

[2] Elvers B. Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry(5th ed)[M]. New York:wiley VCH,1990:71-72.

[3] 章 杰.世界上最鮮艷的藍(lán)色分散染料-Foron Brill. BlueS-R的創(chuàng)制過程[J].染料工業(yè),1992,29(3):28-30.

[4] 程 成.丙二腈的應(yīng)用與合成[J].遼寧化工,1988(3):4-6.

[5] Jones G. Organic reactions[M]. New York:Wiley VCH, 1967:204-205.

[6] Xiang shanwang , Zhao Senzeng , Yu Lingli,Da Qingshi,Shu Jiangtu,Xian Yongwei & Zhi Minzong． Simple Procedure for the Synthesis of Arylmethylenemalononitrile Without Catalyst[J].Synthetic Communications,2005,35(14):1915-1920.

[7] 王錫天,梁兵,王進(jìn)賢. 超聲輻射下的無溶劑 Knoevenagel 縮合反應(yīng)[J]. 化學(xué)研究與應(yīng)用,2007,19 (5):557-561.

[8] 劉 陽,PEG400在Knoevenagel縮合反應(yīng)中的溶劑效應(yīng)研究[D]. 浙江：浙江大學(xué)，2008.

[9] 章 明,張愛琴,桂 麗,等. 合成芳基亞甲基丙二腈的綠色方法-推一個(gè)大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[J]. 大學(xué)化學(xué),2007,22(1): 49.

[10] 屠樹江,榮良策,高原,郭蘇閔,魯水華,楊曉潔. 芳亞甲基丙二腈、芳亞甲基氰乙酰胺的固相合成[J]. 有機(jī)化學(xué),2002,22(5): 364-366.

[11] 劉玲玲,芳香醛和丙二腈的研磨法進(jìn)行Knoevenagel縮合[J].中國醫(yī)藥工業(yè)雜志 2003,34(12):612.

GreenMethodfortheSynthesisof4 -MethylBenzeneMethyleneMalononitrile

ShenWei，WuBo，YangJunjie，LiXinhui，XuZheyu，LouYing，ZhangTing,WangYajun

(College of Life Science, Huzhou University, Huzhou 313000,China)

Mixing malononiteile and p-Tolualdehyde in ethyl alcohol, quick reaction at room temperature was obtained for pure 4-methyl benzene methylene malononitrile. The best reaction conditions were obtained by single factor experiment: 2 hours stir,the temperature is 25℃, malononiteile :p-Tolualdehyde=1:1,and then yield was 92%.Without catalyst, the reaction condition is mild, the treatment is simple, and the product yield is high. This for the synthesis of Arylmethylenemalononitrile created a high yield rate, low pollution of green synthetic route.

4-methyl benzene methylene malononitrile; Knoevenagel condensation; single factor experiment

2017-09-18

2016 年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃湖州師范學(xué)院項(xiàng)目( NO: 2016R427025) ; 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院2016 年度"大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃"科研項(xiàng)目( NO:77,81)

沈 微( 1995—) ，女，浙江杭州人，本科，研究方向: 藥物中間體的合成研究。

O625

A

1008-021X(2017)22-0005-02

(本文文獻(xiàn)格式：沈微，吳波，羊俊杰，等.綠色方法合成4-甲基苯亞甲基丙二腈[J].山東化工，2017，46(22)：5-6.)