20797-48-2 / 4-氯-3-硝基肉桂酸的制備

背景及概述

肉桂酸又稱桂皮酸，化學(xué)名稱為3-苯基-2-丙烯酸，是一種重要的有機化工原料和有機合成中間體，肉桂酸及其衍生物廣泛用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料、食品添加劑、感光樹脂等精細化工產(chǎn)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稱：4-Chloro-3-nitrocinnamicacid，中文別名：反式-4-氯-3-硝基苯乙烯酸，CAS號：20797-48-2，分子式：C9H6ClNO4，分子量：227.601，本品為少許黃色晶體，密度：1.529g/cm3，沸點：408.6ºCat760mmHg，熔點：188-190°C(lit.)。

制備

目前，合成肉桂酸類化合物方法很多，主要合成方法有:鉑金(Perkin)法；柯諾瓦諾格(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-無水醋酸鈉法；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；苯甲醛與丙二酸法；鹵代苯和丙烯酸法等。這些方法與流程較為繁瑣，實驗溫度高，能量消耗大，產(chǎn)品產(chǎn)率低，副產(chǎn)物較多，分離純化比較困難，環(huán)境污染嚴(yán)重，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。本文以4-氯-3-硝基苯甲醛與醋酸酐為起始物料經(jīng)催化制得目標(biāo)產(chǎn)物[1]。合成反應(yīng)式如下圖：

圖1 4-氯-3-硝基肉桂酸合成反應(yīng)式

實驗操作

在250mL干燥三頸燒瓶中加入一定物質(zhì)的量比的新蒸4-氯-3-硝基苯甲醛與醋酸酐，并加入一定量的催化劑，振蕩使之混合均勻，裝上溫度計和冷凝管(上端接氯化鈣干燥管)，在一定溫度下磁力攪拌，充分反應(yīng)一定時間。反應(yīng)結(jié)束后，用飽和Na2CO3溶液將pH調(diào)至弱堿性。然后用水蒸汽蒸餾至餾出液無油珠狀為止，再用少量活性炭吸附雜質(zhì)，得無色液體，趁熱抽濾，濾液用鹽酸調(diào)至pH=3～4，此時有大量白色晶體析出。靜置一段時間后抽濾，用少量水洗滌結(jié)晶，干燥得4-氯-3-硝基肉桂酸粗產(chǎn)品，粗產(chǎn)品用水和乙醇混合液(體積比為3∶1)進行重結(jié)晶，得4-氯-3-硝基肉桂酸黃色晶體。

結(jié)果與討論

催化劑種類對產(chǎn)率的影響

準(zhǔn)確稱取一定量的4-氯-3-硝基苯甲醛和醋酸酐，保持其物質(zhì)的量比為1∶3，2%(摩爾分?jǐn)?shù)相對于苯甲醛)的對苯二酚為阻聚劑，反應(yīng)溫度為170℃，反應(yīng)時間為1h，取相同質(zhì)量的催化劑，考察催化劑種類對產(chǎn)率的影響。催化劑種類對催化合成4-氯-3-硝基肉桂酸有顯著作用，其中無水碳酸鈉的催化效率最高，產(chǎn)率可達到60．23%。而氯化鋅和硫酸鋅在反應(yīng)中催化效率最低。這是因為無水碳酸鉀和無水乙酸鉀均為強堿弱酸鹽，而氯化鋅和硫酸鋅為強酸弱堿鹽，在反應(yīng)中乙酸酐的α－H與堿性催化劑的負離子反應(yīng)，生成碳負離子，再與苯甲醛反應(yīng)，經(jīng)消去酸化生成4-氯-3-硝基肉桂酸，因此無水碳酸鉀和無水乙酸鉀催化效率遠高于氯化鋅和硫酸鋅。

阻聚劑種類對產(chǎn)率的影響

準(zhǔn)確稱取一定量的4-氯-3-硝基苯甲醛和醋酸酐，保持其物質(zhì)的量比為1∶3，以一定質(zhì)量的無水碳酸鉀為催化劑，反應(yīng)溫度為170℃，反應(yīng)時間為1h，改變阻聚劑的種類，考察不同的阻聚劑對產(chǎn)率的影響。阻聚劑可以有效的提高肉桂酸的產(chǎn)率，其中阻聚劑對苯二酚的效果最好，產(chǎn)率最高為59．77%，阻聚劑亞硝酸鈉效果僅次于對二苯酚，不加任何阻聚劑時，肉桂酸的產(chǎn)率明顯低于加入阻聚劑的反應(yīng)。這是因為無水碳酸鉀堿性較強，反應(yīng)過程中苯甲醛聚合生成的棕褐色粘稠狀樹脂化物較多，而阻聚劑可以有效減少粘稠狀樹脂化物的生成，從而提高4-氯-3-硝基肉桂酸的產(chǎn)率。

反應(yīng)物物質(zhì)的量比對產(chǎn)率的影響

以一定質(zhì)量的無水碳酸鉀為催化劑，2%(摩爾分?jǐn)?shù)相對于苯甲醛)的對苯二酚為阻聚劑，反應(yīng)溫度為170℃，反應(yīng)時間為1h，改變4-氯-3-硝基苯甲醛和乙酸酐的物質(zhì)的量比，考察反應(yīng)物物質(zhì)的量比對產(chǎn)率的影響。反應(yīng)物物質(zhì)的量比對肉桂酸產(chǎn)率的影響較大，若4-氯-3-硝基苯甲醛過量，則多余的苯甲醛在反應(yīng)過程中可能被氧化、聚合，從而使產(chǎn)品的顏色變深，晶形較差，熔點偏低，因此保持醋酸酐過量。4-氯-3-硝基苯甲醛與醋酸酐物質(zhì)的量比小于1∶2．5時，4-氯-3-硝基肉桂酸的產(chǎn)率較低，且產(chǎn)品外觀也不好；隨著反應(yīng)物的物質(zhì)的量比增大，產(chǎn)率明顯提高，當(dāng)4-氯-3-硝基苯甲醛與醋酸酐物質(zhì)的量比為1∶3時，產(chǎn)品的產(chǎn)率達到最高為61．36%，且產(chǎn)品外觀較好。

催化劑用量對產(chǎn)率的影響

準(zhǔn)確稱取一定量的4-氯-3-硝基苯甲醛和醋酸酐，保持其物質(zhì)的量比為1∶3，2%(摩爾分?jǐn)?shù)相對于4-氯-3-硝基苯甲醛)的對苯二酚為阻聚劑，反應(yīng)溫度為170℃，反應(yīng)時間為1h，以無水碳酸鉀為催化劑，改變無水碳酸鉀的用量，考察催化劑的用量對產(chǎn)率的影響。實驗結(jié)果見表4。由表4可知，隨著催化劑無水碳酸鉀用量的增加，4-氯-3-硝基肉桂酸的產(chǎn)率逐漸升高，當(dāng)無水碳酸鉀用量為4．5g時，4-氯-3-硝基肉桂酸產(chǎn)率最高為63．59%；繼續(xù)增加無水碳酸鉀用量，4-氯-3-硝基肉桂酸的產(chǎn)率呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為當(dāng)無水碳酸鉀用量較低時，導(dǎo)致乙酸酐碳負離子生成較少，且反應(yīng)速度較慢，反應(yīng)不完全，致使4-氯-3-硝基肉桂酸的產(chǎn)率降低。

結(jié)論

實驗以4-氯-3-硝基苯甲醛與醋酸酐為原料，通過Perkin反應(yīng)在催化劑作用下催化合成肉桂酸。合成4-氯-3-硝基肉桂酸的最佳條件是: 4-氯-3-硝基苯甲醛與醋酸酐物質(zhì)的量比為1∶3，以無水碳酸鉀為催化劑，其用量為4．5g，以2%的對二苯酚為阻聚劑，反應(yīng)時間為2h，反應(yīng)溫度為170℃，肉桂酸的產(chǎn)率可達69．32%。工藝簡單，操作方便，無環(huán)境污染，產(chǎn)品純度高，是合成4-氯-3-硝基肉桂酸較為理想的方法。

參考文獻

[1] 王斌，張同環(huán)． 肉桂酸合成新工藝研究［J］． 四川化工，2010，13(6):1-3