（应用化学专业论文）γ和δ内酯的合成.pdf

摘要 y 和6 内酯是一类重要的有机化合物和中间体，本论文主要研究了y 壬内 醑和6 癸内酯的合成，确定了以正己醇和丙烯酸甲酯为基础原料。过氧化二叔 丁基为催化荆合成y 壬内酯，对反应的条件加以优化，合成反应的产率为4 6 4 ， 气相色谱分析产品纯度为9 7 8 。研究了以正戊醛和环戊酮为起始原料，经羟醛 缩合、脱水反应合成2 - 戊叉环戊酮，产率达到8 5 6 ，2 戊叉环戊酮加氢制备2 戊基环戊酮，产率为9 5 。o ，2 - 戊基环戊酮在双氧水作用下经b a e y e r - v i u i g e r 氧 化重排反应合成6 癸内酯，反应产率为6 3 9 ，合成6 癸内酯的总产率为5 2 0 ， 气相色谱分析纯度为9 8 7 。研究了反应中的合理工艺参数，并对有关合成单元 反应的机理和影响反应的因素进行了分析讨论。采用红外光谱、核磁共振及气相 色谱一质谱等分析方法对合成产物的结构进行了表征。 关键词：y - 壬内酯，6 - 癸内酯，b a e y e r - v i u i g e r 氧化，合成 a b s t r a c t y - n o n a l a c t o n ea n d8 d e c a l a c t o n e ，w h i c hi s a l l i m p o r t a n t i n t e r m e d i a t e c o m p o u n df o rp e r f u m e sa n dp h a r m a c e u t i c a l s ，w e r es y n t h e s i z e d i nt h i s p a p e r y - n o n a l a c t o n ec o u l db es y n t h e s i z e du s i n gn - h e x a n o la n dm e t h y la c r y l a t ea sr a w m a t e r i a l si nt h ep r e s e n c eo fd i - t e r t - b u t y lp e r o x i d ec a t a l y s t t h er e a c t i o np a r a m e t e r s w c l eo p t i m i z e da n dt h ey i e l do fy n o n a l a c t o n ew a s4 6 4 i nap u r i t yo f9 7 8 b y c h r o m a t o g r a p h i ca n a l y s i s as y n t h e s i s o f 2 - p e n t y l i d e n ec y c l o p e n t a n o n es t a r t i n g f r o mc y c l o p e m a n o n ea n dn - v a l e r a l d e h y d et h r o u g ha l d o lc o n d e n s a t i o n ，f o l l o w e db y d e h y d r a t i o n ，w a ss t u d i e d ，a n dt h ey i e l dr e a c h e d8 5 6 0 o 2 - p e n t e n y lc y c l o p e n t a n o n e w a sp r e p a r e di nay i e l do f9 5 o f r o m2 - p e n t y l i d e n ec y c l o p e n t a n o n ew i t h a h y d r o g e n a t i o nm e 啦o d o l o g y t h r o u g hb a e y e r - v i l l i g e ro x i d a t i o n ，6 一d e c a l a c t o n ew a s s y n t h e s i z e di nay i e l do f6 3 f r o m2 - p e n t e n y lc y c l o p e n t a n o n ew i t hh y d r o g e n p e r o x i d e a n dt h et o t a ly i e l df o rp r o d u c tw a si m p r o v e dt o5 2 0 w i t 1ap u r i t yo f 9 8 7 ( g c ) s o m er a t i o n a lt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，m l a t e dr e a c t i o nm e c h a n i s m s a n dr e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r ed i s c u s s e d t h es w u c t u r c sa n dc o m p o s i t i o n so ft h e s e c o m p o u n d sw e r ea c c o m p l i s h e db yi r ，1 h n m ra n dg s - m s k e yw o r d s ：y n o n a l a c t o n e ，6 一d e c a l a c t o n e ，b a e y e r - v i l l i g e ro x i d a t i o n ，s y n t h e s i s y 7 6 3 7 0 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分岁卜，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：巡量绝一 耐年胄如日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 南京理工大学硕士学位论文y 和8 内酯的合成 1 绪言 内酯( 1 a c t o n e ) 是重要的有机化合物和中间体，在香料香精和药物合成领域具有 广阔的应用发展前景。如y 和6 内酯已经应用于高级化妆品、食品和烟草工业等， 并且由于内酯是天然奶油香味的主要成分，而天然奶油中含大量动物性脂肪，过分吸 收易引起心血管系统疾病，一些国家用植物油添加奶油香料作为人造奶油用于食品工 业中，风味几乎与天然奶油相同。使用这种新型高质量的奶油香精，减少食品中奶油 用量，在保障人们的健康方面起着重要作用i l “。因此，探讨y 和6 _ 内酯的化学合成 方法和合成工艺具有重要的意义。 1 1 合成进展 y 和6 内酯系列中，典型的代表性化合物是y 壬内酯和8 癸内酯，综合国内 外的文献对其合成研究的报道，其合成方法主要有下列几类： 1 1 1y 壬内醅的合成 近年来，对于y 壬内酯合成方法的报道主要有下面几种： ( 1 ) 不饱和酸的直接环化反应：由b ，y 不饱和酸在硫酸等酸催化剂的存在下 加热制得： 明，( c h ：) 4 c h - - = - c h c h 2 c o o h 型吟。人c h 2 ( c h ：) 3 c h 。( 1 1 ) 研究发现采用高氯酸和浓硫酸组成的混酸作催化剂，较单纯使用浓硫酸作催化剂 的反应时间大大缩短【2 ，4 1 ，产品收率为4 7 o 。专利文献1 5 1 报道了4 壬烯酸在聚磷 酸、酸性离子交换树脂和固体磷酸等酸性催化剂的存在下，经环化反应制备y 壬内酯的方法，收率为5 2 3 。此法合成路线短，反应条件简单，但是由于浓硫 酸的强氧化性，使得副产物较多，产品产量和质量不高，不具有环境经济行为。 ( 2 ) 以醛为起始原料，在吡啶( 或三乙胺) 催化剂存在下，醛与丙二酸进行加 热缩合、脱二氧化碳，制得中间产品烯酸，然后在h y 型分子筛的存在下进行分 子内环化，最终生成相应的y 壬内酯【2 ，6 ，7 1 ，产品收率最高为5 8 8 。 q o o h c h 3 ( c h 2 ) 5 c h o + 6 h 2 笪型避c h 3 ( c h 2 ) 5 午h c h ( c o o h ) 2 南京理工大学硕士学位论文 y 和6 内酣的合成 二二_ 旦c i i 3 ( c 2 ) 5 c i _ = c h c o o h ，c h 3 ( c h 2 ) 4 c 胆c h c h 2 c o o h 。c 0 2 又c 邸一 ：， ( 3 ) 文献i 研报道了以y 羟基炔为起始原料，在n 盯溶剂中，7 8 c t - 与- - 氧化碳作 用，经催化加氢得到y 羟基羧酸，然后在酸的作用下，分子内酯化得到y 壬内酯， 产品收率为6 4 3 ，反应方程式如下： c 5 h i 广c h - - 偿c h 坐些生丝c s h ll - - c h _ 仨c - c o o h h 2 c 0 2 h 詈c 5 h 1 广f 0 h 2 叫h 2 _ c 0 0 h l 乒 c s h i1 ，h 0 7 u ( 4 ) 利用醇类与不饱和酸( 酯) 的自由基加成反应合成y 壬内酯【2 】。醇类在自由 基引发剂的存在下形成自由基，然后与不饱和羧酸( 酯) 进行加成反应，专利文献 报道公开了1 r 一壬内酯的制备方法o 】，除了过氧化物外，还加入了h 3 8 0 4 和对甲苯 磺酸等，产率分别为8 0 5 和7 9 8 。另一份日本专利【1 i 】公开了以含水丙烯酸或丙 烯酸甲酯为原料合成y 壬内酯的方法，文献 1 2 - 1 4 】也报道了反应体系中用含氮化合 物作催化剂的方法，并以含氮化合物来抑带e l g , j 反应的发生，产率最高达7 8 4 。在 国内文献报道中 1 5 - 1 8 ，以此类方法对y 癸内酯和y 十一内酯的合成进行了研究； 因此，该课题对y 内酯系列化合物的研究提供了参考。 目前，_ r - 壬内酯合成方法的探讨多集中于这一类利用醇和烯酸酯的反应，此 种方法的优点是：成本较低，反应时间短，后处理简单，得到产品的香气较为纯正； 但是由于烯酸酯极易聚合，因而该反应的产率较低，所以如何控制烯酸酯的聚合来 提高反应的收率及选择适宜的溶剂减少醇的投入量是这类反应所必须解决的问 题。 1 1 26 癸内醅的合成进展 综合国内外的文献报道，对于6 癸内酯的合成主要有以下方法： 国外文献中对6 癸内酯的报道较型1 9 - 2 3 1 ，其中t a k a s h i 以环戊酮为原料，在n ， n 一二甲基肼作用及三氟乙酸的催化下经过一系列的脱质子化，及溴代烷的水解得到 2 一烷基环戊酮，然后在m m p p ( m a g n e s i u mm o n o p e r p h t h a l a t eh e x a h y d r a t e ) 的作用下 经b a e y e r - v i u i g e r 重排反应得到6 内酯的系列化合物【2 4 1 。这一反应总的产率较高， 南京理工大学顾士学位论文 y ，和6 内酯的合成 在b a e y e r - v i l l i g e r 重排反应中收率最高达9 4 o ，但此法的氧化剂m m p p 的制备过程 中使用了高浓度的双氧水。 ( c h 3 ) 2 n n h 2 - - - ，一 3 h i ) n - b u l l 2 ) a l l ( y lb r o m i d e - - 二- - - - - - 3 ) h + ：( c h 2 ) 3 c h ，巡b 厂1( 1 4 ) u k - o j c h 2 ( c h 2 ) 3 c h 3 国内研究的方法中，文献报道了由己二酸出发，经酯化、缩合、烃化、水解脱羧 及b a e y e r - v i l l i g e r 氧化等五步反应合成6 。癸内酯的方法【2 5 1 ，反应过程如下： c ih z - - c h 2 一c o o h + 2 c 2 h s 0 h 至i 二+ c h 2 - - c h 2 - - c o o c 2 h 5 c 。h 2 - - c h 2 - - c o o h 。 c h 2 - - c h 2 - - - c o o c z h s n a - - - 一c h 3 h 十 一c o ， c o o c 2 h 5 c h b ( c h 2 ) b r o c h 2 ) 4 c h 3n h j g n h 2 h 2 0 2 9 c o o c 2 h 5 u ( c h 2 ) 4 c h 3 c h 2 ) 4 c h 3 ( 1 _ 5 ) 反应的总收率为4 1 5 。另一文献【2 6 1 也对此反应进行了研究。并将产率提高到 4 8 0 。 目前，对于6 癸内酯的合成讨论主要集中于b a e y e r - v i l l i g e r 氧化反应这一步， b a e y c r - v i l l i g e r 反应是非常经典的氧化重排反应，自从这一反应被发现以来，它为由 酮合成酯及内酯类化合物带来了极大的方便并且b a e y e r - v i l l i g e r 反应还有下列优点： ( 【) 当分子中有其它官能团存在时，这些官能团不受影响，如：用过酸作氧化荆氧 化酮的b a e y e r - v i l l i g e r 反应中，氧化只发生在羰基基团上，而碳碳双键( 与羰基不共 轭的) 不受影响：( 2 ) 根据不同迁移基团的迁移特性可以有效的控制反应的立体化学； ( 3 ) 如果发生迁移的碳原子有手性，那么在迁移前后其绝对手性保持不变。 对于b a e y c r - v i l l i g e r 氧化反应，氧化剂和催化剂的选择是非常重要的。国内外许 1 厶 一 南京理工大学硕士学位论文y 和6 一内醑的合成 多学者对此也做了大量的研究并取得了一些进展。在合成6 癸内酯的反应中，国内 文献报道了采用双氧水和尿素的加成物作为氧化剂，以冰乙酸做溶剂，总收率为6 5 5 。国外文献对此也作了大量报道 2 7 - 2 9 1 ，其中b e r k e s s e l 【2 8 】等报道了以酸作催化剂、 双氧水作氧化荆的b a e y e r - v i l l i g e r 反应，同时选择用1 ，1 ，l ，3 ，3 ，3 六氟2 - 丙醇 ( h f i p ) 作溶剂，转化率最高达8 5 0 。另外一些学者研究了利用过渡金属氧化物， 如：三氧化二铁、二氧化锰、二氧化硒等来催化b a e y e r - v i l l i g e r 反应；另外，三氧化 甲基铼( m t o ) 也可以催化用双氧水作氧化剂的b a e y e r - v i l l i g e r 反应，b e r n i n i 3 0 1 等还 在三氧化甲基铼上负载聚4 一乙烯基吡啶，在丁醇溶剂中用双氧水作氧化剂进行 b a e y e r - v i l l i g e r 反应。这些反应的收率虽然很高，但是所用的催化剂都比较昂贵，并 且双氧水的浓度也要求很高。 对于反应中常用的氧化剂，国内文献也曾作过比较系统的综述 3 h ”，其中以双氧 水和氧气使用最为普遍，主要是它们易于环境保护。不过以氧气为氧化剂的 b a e y e r - v i l l i g e r 反应选择性和转化率通常较低，因此对双氧水的利用显的尤为重要。 双氧水氧化法是目前发展的较好的氧化方法之一，具有清洁、安全、后处理简单、 转化率高等优点。i u p a c 绿色化学会议关于清洁氧化剂种类的选择中，h 2 0 2 是一种 积极的氧化剂，为此我们探讨这一氧化剂在烷基环戊酮发生b a e y e r v i l l i g e r 氧化时的 特性。 另外，文献以正戊醛和环戊酮为起始原料，经缩合、还原、氧化等单元反应全合 成6 癸内酯m j 6 1 ，具有一定的实际意义。在此基础上建立一种具有应用f 景的有效 方法，讨论解决羟醛缩合、b a c y e r - v i l l i g e r 氧化等单元反应中存在的问题，对6 癸内 酯合成工艺满足环境和经济双重发展需求具有指导性。 1 2 本论文的主要研究内容 本论文主要是围绕y 一和6 呐酯的合成展开研究工作，通过大量的实验和分析， 对其合成的方法及影响因素进行探讨，并探讨其反应机理。 ( 1 ) 探讨以正己醇和丙烯酸甲酯为原料合成y 壬内酯的方法，并对其反应机理进行 研究。 ( 2 ) 以环戊酮和正戊醛为原料经缩舍、脱水、氢化及b a e y c r - v i l l i g e r 氧化反应全合 成6 癸内酯；探索新的氧化方法，并研究其反应机理。 南京理工大学硕士学位论文y - 和6 一内酯的合成 2 实验部分 2 1y 壬内酯的合成 y 壬内酯( y n o n a l a c t o n e ) 又称十八醛或椰子醛，是一种不溶于水，可溶于乙 醇、甲苯等有机溶剂的无色或淡黄色液体 3 7 - 4 1 1 ，沸点1 2 1 1 2 2 * c 6 m m h g ，闪点1 3 2 ( 2 ， 相对密度0 9 6 5 0 9 7 0 ( 2 0 c ) 。 2 1 i 所用药品和主要仪器 正己醇、丙烯酸甲酯、过氧化二叔丁基等试剂均为化学纯以上。z f 1 三用紫外 分析仪，g c l 2 2 气相色谱仪和b r u k e r t e n s o r2 7 型红外光谱仪。 2 。l ，2 实验方法 结合文献 1 7 , 1 8 】中对y 癸内酯合成方法的报道，以同样的原理对y 壬内酯的合成 进行探索。 在带有温度计、回流冷凝管和恒压滴液漏斗的2 5 0m l 的反应瓶中，加入1 0 0m l 正己醇，加热搅拌，在氮气保护下，滴加2 1m l 丙烯酸甲酯、5 0m l 正己醇、7 m l 过氧化二叔丁基的混合液，滴加过程中温度控制在1 5 0 1 5 4 ，滴加时间8h ，滴加完 毕后继续反应1h ；常压蒸除正己醇，然后经减压蒸馏得产品质量为1 6 8g ，得率为 4 6 4 ，沸点为1 2 1 1 2 2 c 6 m m h g 。比较标准样品，精馏后g c 分析其纯度为9 7 8 。 2 26 癸内酯的合成 2 2 12 - 戊叉环戊酮的合成 2 - 戊叉环戊酮为无色或淡黄色液体，沸点9 8 1 0 0 c 3 m m i - i g ，不溶于水，易溶于 乙醇、甲苯等有机溶剂。 2 2 1 1 所用药品和主要仪器 催化剂自制，正戊醛、环戊酮、氢氧化钠、聚乙二醇4 0 0 等均为市售化学纯以 上试剂。z f - 1 三用紫外分析仪，g c l 2 2 气相色谱仪和b r u k e rt e n s o r2 7 型红外光谱 仪。 南京理工大学硕士学位论文y 和6 冉醴的合成 2 2 1 2 实验方法 根据文献0 , 3 5 1 报道，对2 一戊叉环戊酮的合成方法如下： 将1 5m l 一定浓度的氢氧化钠水溶液、1 5 _ 2g 环戊酮和一定量的相转移催化剂加 入三口烧瓶中，在3 0 c 下滴加8 6g 正戊醛，滴加完毕后保持反应体系温度为3 0 c ， t l c 跟踪反应结束。然后加入冰乙酸，调节p h = 5 6 ，冷却静止分层，水层用甲苯 萃取，将萃取液与有机相合并，依次用5 n a h c 0 3 和饱和n a c l 水溶液洗涤两次，转 入另一带有分水器的烧瓶中，加入一定量的催化剂b 和甲苯，加热搅拌直至不再有 水生成。冷却后，经饱和n a c l 溶液和5 n a h c 0 3 溶液洗涤，无水n a 2 s 0 4 干燥后常 压蒸除甲苯，减压蒸馏，收集9 8 1 0 0 c 3 m m h g 馏分，产率为8 5 6 ，比较标准样 品，精馏后g c 分析其纯度为9 9 7 。 2 2 22 - 戊基环戊酮的合成 2 一戊基环戊酮( 商品名：d e l p h o n e ) 为不溶于水，易溶于乙醇、甲苯等有机溶剂 的无色或淡黄色液体【4 2 】，沸点8 2 8 3 c 2 m m h g ，相对密度为0 8 8 7 0 8 9 1 ( 2 0 c ) ， 折光率1 4 4 5 1 4 5 2 。 2 2 2 1 所用药品和主要仪器 2 戊叉环戊酮自制，其它均为化学纯以上。z f 1 三用紫外分析仪，g c1 2 2 气相 色谱仪和b r u k e rt e n s o r2 7 型红外光谱仪。 2 2 2 2 实验方法 在n 2 气氛的反应器中加入2 - 戊叉环戊酮，蒋加入p d c 催化剂及4 0 m l 无水甲 醇，通入h 2 ，4h 后停止反应，过滤，用无水甲醇洗涤催化剂两次。旋转蒸发除去甲 醇。减压蒸馏，收集8 2 8 3 c 2 m m h g 的馏分呻卯，产率为9 5 0 ，比较标准样品， 精馏后g c 分析其纯度为9 9 7 。 2 2 36 癸内酯的合成 6 癸内酯( 6 d e e a l a c t o n e ) 为不溶于水，可溶于乙醇、甲苯等有机溶剂的无色 液体【3 7 4 。相对密度0 9 7 2 0 9 7 8 ( 2 0 ( 2 ) ，沸点1 8 2 1 8 5 c 1 0 m m h g ，闪点1 4 8 c 。 6 南京理工大学硕士学位论文y 和5 内醵的合成 2 2 3 1 所甩药品和主要仪器 2 戊基环戊酮自制，双氧水，甲醇均为工业品，z f - 1 三用紫外分析仪，g c l 2 2 气相色谱仪和b r u k e rt e n s o r2 7 型红外光谱仪。 2 2 3 2 实验方法 文献l i j 叫中对由2 戊基环戊酮合成6 癸内酯的报道，以乙酸和甲酸作溶剂，尿素 和双氧水加成物的作用下进行反应的，不满足环境和经济需求，根据b a e y e r - v i l l i g e r 反应的机理，确定了一种新的氧化反应体系，实验方法如下： 向三口烧瓶中加入适量的甲醇作溶剂，再加入l o g2 - 戊基环戊酮和1 0m l 酸促 进剂，5 0 c 下，搅拌下滴加3 2g 双氧水，滴加完毕，恒温5 0 c ，t l c 跟踪反应结束 ( 展开剂：v 己烷：v 乙酸乙酯= 2 0 ：1 ) ，加入5 0m l 水继续搅拌lh ，水洗，用5 n a h c 0 3 中和，甲苯洗涤水层，合并甲苯和有机相，减压蒸馏，收集1 8 2 1 8 5 1 0 m m h g 馏分。产品质量6 8g ，产率6 3 9 ，比较标准样品，精馏后g c 分析其纯度为9 8 7 。 7 南京理工大学硕士学位论文y 和8 内酯的合成 3 结果与讨论 3 1y 壬内酯的合成 3 1 1 合成反应原理 利用正己醇与丙烯酸甲酯在自由基引发剂过氧化二叔丁基的存在下，经自由基加 成，反应合成y 一壬内酯。正己醇在自由基引发剂存在下形成自由基，然后进攻丙烯 酸甲酯的双键，醇自由基加成到烯烃含氢多的碳原子上【4 3 】。碳自由基对烯烃的加成中， 新形成的c c 键( 键能3 6 8 1 0 t o o l 1 ) 的能量足以补偿双键( 键能2 2 6 k j t o o l o ) 断 裂的能量。因此，这是一个十分有利的放热反应，通常是不可逆的【。 生成的y 羟基羧酸酯在加热的条件下脱去一分子的甲醇，环化得到y 壬内酯， 其反应历程见下式： ( c h 3 ) 3 c o o c ( c i - i 3 h 羔o2 ( c h 3 ) c o c s h i1 c h 2 0 h + ( c h 3 ) 3 c o + c s h l l ( ! h o h + ( c h 3 ) 3 c o h c 5 h 1 1 c h o h + c h 2 _ 。c h c o o c h 3 c s h i i f h c h 2 c h c o o c h 3 o h 呲姆c 5 h 吓o h c h h2 c h 2 c o o c h 3 驾c h b l o 人o ( 3 1 ) 。 由合成反应的原理可以看出，反应受原料投入比、温度、自由基等各种因素的影 响，因此，对反应的影响因素进行了讨论，结果如下。 3 1 2 原料投入比对反应的影响 由于丙烯酸甲酯极易发生聚合，因此在反应过程中，正己醇既作为反应物，又作 为溶剂：增加正己醇的用量，降低反应体系中丙烯酸甲酯的浓度，丙烯酸甲酯与自由 基的碰撞几率就会减少，副反应与副产物同时减少：所以，合适的原料投入比对反应 的产率及纯度都有很大的意义。为了研究原料投入比对反应的影响进行了下列实验： 固定反应温度为1 5 5 ，丙烯酸甲酯2 1m l ，过氧化二叔丁基的用量为丙烯酸甲 酯质量的l ，改变正己醇的用量，考察不同的原料投入比对反应结果的影响，实验 结果见表3 1 。 南京理工大学硕士学位论文 y 一和6 内酯的台成 表3 1 原料投入比对反应的影响 注：原料投入比指的是n ( i e 己醇) ：n ( 丙烯酸甲酯) 由表3 1 可以看出，随着正己醇用量的增加，产品的得率逐步增大，当正己醇与 丙烯酸甲酯的物质的量之比达到5 ：l 时，产率基本稳定，再增加正己醇的量对反应 的得率影响不大，因此，选择投料比为5 ：1 作为其反应条件之一。从节约原料方面 考虑，对于过量的己醇可以继续回收再利用。 3 1 3 不同引发剂对反应的影响 y 壬内酯的合成属于自由基加成反应，由于不同的自由基引发剂，其裂解温度 是有差异的，所以选择适宜的自由基引发剂是非常重要的。常用的自由基引发荆如： 偶氮二异丁腈( a i b n ) 在4 0 8 0 时有适当的半衰期，在这一温度范围内反应可以 达到自由基引发的目的：过氧化苯甲酰( b p o ) 的裂解温度在5 0 1 0 0 c ；过氧化二叔丁 基( d t b p ) 在1 1 0 1 5 0 时才开始裂解。根据不同引发剂的特性，进行了下列实验： 固定正己醇与丙烯酸甲酯的摩尔比为5 ：1 ，选择不同的自由基引发剂，在其裂解 温度下，考察不同引发剂对反应的影响，实验结果见表3 2 。 表3 2 不同引发荆对反应的影响 南京理工大学硕士学位论文y - 和5 - 内酯的合成 表3 2 的结果显示，a i b n 在坻温及高温下都没有产物；以b p o 作引发剂虽然有 产物生成，但产品的得率和纯度都不高；在d t b p 作用下，反应的得率和纯度都较好， 并且由于笼蔽效应的影响，温度较高时产率也较好；因此，选择d t b p 作为合适的自 由基引发剂。 3 1 4 引发剂用量对反应的影响 在一定的温度下，正己醇与丙烯酸甲酯的摩尔比为5 烯酸甲酯的质量百分比，考察引发剂用量对反应的影响， 表3 3 引发剂用量对反应的影响 1 ，改变引化剂d t b p 与丙 实验结果见表3 3 。 反应过程中引发剂d t b p 的用量要适当，引发剂用量少，整个自由基加成反应速 度则慢，产品收率低；如果引发剂用量过多，虽然可以提高反应速度，但是同时加大 了自由基与丙烯酸甲酯的碰撞而生成聚合物的几率。由表3 _ 3 当质量比为1 时，产 品得率达到最大值。因此，准确是使用引发剂用量为丙烯酸甲酯质量的1 ，对提高 反应的得率具有极大的意义。 3 1 5 温度对反应的影响 有机引发剂都需要一定的温度才能释放自由基，引发链反应，但是过高的温度也 会加快丙烯酸甲酯的聚合。因此，在自由基反应中，必须选择适宜的温度以保证反应 的产率。 从自由基反应的机理上来讲，自由基的裂解是一个吸热过程，温度升高有利于自 由基的加成反应，促使反应的速度加快：但温度过高，在整个反应过程中将会出现 些有机物质的碳化现象，增加高沸物，产品的纯度明显受到影响。另外，过高的温度 会使自由基自身碰撞机会增加，自由基终止的速度也增加，使产品的得率下降。因此， 选择一个合理的反应温度是十分重要的。 南京理工大学硕士学位论文 y 和6 内醣的合擅 固定正己醇与丙烯酸甲酯的摩尔比为5 ：1 ，自由基引发剂d t b p 的用量为丙烯酸 甲酯质量的1 ，改变反应体系的温度，考察不同温度对反应的影响，实验结果见表 3 4 。 表3 4 温度对反应的影响 由表3 4 可见，随着反应温度的升高，产品的得率逐步上升；当反应温度达到 1 5 0 。c 时，产品得率达到最高( 4 6 4 ) ，继续增加反应的温度，反应过程中将会出现 一些有机物质的碳化现象，增加高沸物，得率下降；因此，选择反应温度为1 5 0 c 作 为合理的反应条件之一。 3 1 6 y - 壬内酯合成中的副反应分析 丙烯酸甲酯在自由基的作用下，经过链的引发、链的增长、链的终止聚合生成丙 烯酸甲酯的聚合物【4 5 1 。 首先由引发剂裂解产生的自由基( c h 3 ) 3 c o 成为活性中心与单体作用；然后由链 引发生成的自由基，继续和单体作用，使链增长，形成高分子链。其反应的作用机制 见下式： ( c h 3 ) 3 c 一0 一o c ( c h 3 ) 3 兰斗 2 ( c h 3 ) c o ( c h 3 ) c o + ( n + 1 ) c h 2 - m - 一h 尘4 ( c h 3 ) c 七h 广午h 壬c h 2 一 f of o 0 c h 3o c h 3 o b曲i 屠 南京理工大学硕士学位论文y 和6 内酯的台应 2 ( c h 3 ) c o - l c h 2 - - 午卜= 妊h 2 一严+ i 盛意 ( c h 3 ) c o 七h 广甲h 舌h 2 一h 一卜c h 七h 厂f h p c ( c h 3 ) 3 ( 3 2 ) 一o c h ，畸o c h 3o 疑c h o p c h 3 33 3 1 7 产物结构表征 善 墨 定量方法及测定条件如下： 气相色谱仪为g c l 2 2 气相色谱； 检测条件为：f i d ( 氢火焰离子化) 检测器 载气为高纯氮气： 检测器温度：2 5 0 ； 进样口温度：2 5 0 ； 柱温：1 9 0 ； ! 9 l】 ： 图3 1y 壬内酯的气相色谱图 气相色谱分析精馏后产品的纯度为9 7 8 。 南京理工大学硕士学位论文y - 和6 - 内酿的合成 匿 誊嗣 墨 苎 呈嚣 习 实验得到的产物y 壬内酯的瓜分析结果见下图： 图3 2y 壬内酯的红外谱图 谱图中主要峰的分析： 2 9 3 2 1 8e m 1 和2 8 6 0 9 4 c m ，一c 硒、- - c h 2 的特征吸收 1 7 6 9 0 4e m 一，c = o 的特征吸收： 1 0 1 7 8 8c m ， c o 的特征吸收： 3 2 6 一癸内酯的合成 3 2 12 - 戊叉环戊酮的合成 3 2 1 1 合成反应原理 环戊酮与戊醛在碱性条件下，首先经过羟醛缩和反应，得到b 羟基羰基化合物， 然后在酸的催化下脱水生成2 戊叉环戊酮 4 7 1 53 1 ，反应机理如下： 首先稀碱夺取环戊酮的a 氢原子，形成一个碳负离子( 或烯醇负离子) ，碳负离 子作为亲核试剂，加到另一分子醛的羰基上，形成加成的负氧离子，负氧离子与水作 用夺取氢，生成b 一羟基羰基化合物：然后在酸的催化作用下，脱水生成2 戊叉环戊 酮。 1 3 南京理工大学硕士学位论文y - 和8 - 内酯的台成 甲一当 甲一一甲 oo 6 一 ，、 c h 3 ( c h 2 ) 3 之。 h o o c h 2 ) 3 c h 3 c h 出c h 3 + o h 一 0 c h ( c h 2 ) 3 c h 3 ( 3 3 ) 通过对合成反应原理的研究，由于反应在两相间进行，因此，相转移催化剂的使 用对促进反应的进行有一定的作用，另外，碱的浓度、不同的投料比、反应温度、脱 水反应的酸催化剂等也影响着反应的进行，对各影响因素的讨论结果如下。 3 2 。1 2 相转移催化剂对反应的影响 相转移催化( p t c ) 反应的基本原理就是利用既具有一定亲油性并且具有一定亲 水性的阳离子表面活性剂( 季铵盐或季磷盐) ，它可以分布于两相之中，而富集于两 相的界面。这样，它的阳离子就可以携带水相中的亲核阴离子进入有机相，与有机原 料进行亲核取代反应，反应后释放出表面活性剂原有的阳离子，这种阳离子又立即返 回到水相中，再一次把水相中的亲核阴离子带入有机相中进行反应，如此循环不已， 结果就在有机相中生成了所要的产物【4 6 j 。 常用的相转移催化剂除季铵盐和季磷盐外，还有冠醚和聚乙二醇。冠醚的相转移 作用机理与季铵盐的不同，它能螯合电解质中的阳离子，生成稳定的络合物而溶解于 有机溶剂中，同时将电解质中的阴离子带入有机相中并将其活化，从而增强了阴离子 的亲核反应能力。聚乙二醇的相转移作用机理与冠醚的相似，聚乙二醇的分子链中存 在着亚乙氧基( 一c h 2 一c h 2 o 一) ，同一分子链中或不同分子链之间的几个亚乙氧基单元 4 臣 甲。 一 甲伊甲。 州h 甲。 舌_ 妇 甲 南京理工大学硕士学位论文y 和6 - 内酮的合成 能与试剂中的阳离子络合，并把试剂中的阴离子带入有机相中，使其与有机相中的原 料发生亲核反应。s t a r k s 将液液两相p t c 反应原理概括成下式： q 岬一+ r x _ r y + q + r f皈应相铲锄i 。， 有机相 l v 1 一f - - 一一中一 q 十y 一+ x 一= = = = = = = y - -+ q + x ( 反应物) ( 催化剂) 水相 式中，r x 为有机相中的反应物；y 为水相中反应试剂的阴离子；r y 为有机相中 的产物：q x 为催化剂，q + x 为其离解生成的离子对；q + y - 为催化剂的阳离子与水相 试剂的阴离子形成的离子对。 蚧戊酮与正戊醛在氢氧化钠水溶液中缩合时，相转移催化剂先与o h 。结合，氢 氧根负离子以离子对的形式被萃取到有机相，有利于夺取环戊酮的a 质子，进而发生 分子间的亲核取代反应。为探索不同的相转移催化剂对反应的影响，进行了下列实验： 1 5m l 含量为1 ( 质量分数) 的氢氧化钠水溶液中，加入1 5 2g 环戊酮，8 6 g 正戊醛，保持反应温度在3 0 c ，选择不同的相转移催化剂，考察不同的相转移催化 剂对反应的影响，实验结果见表3 5 。 表3 5 不同的相转移催化剂对反应的影响 由表3 5 可以知道，相转移催化剂的加入明显的缩短了反应的时间，但不同的相 转移催化剂对反应影响是不同的，从反应的得率、纯度及反应时间综合考虑，催化棚 p e g 4 0 0 的效果较为显著，因此选择p e g 4 0 0 作为合适的相转移催化剂。 南京理工大学硕士学位论文 yt 和5 内酶的台成 3 2 1 3 相转移催化剂甩量对反应影晴 表3 6 列出了相转移催化剂用量对反应收率的影响，实验条件：1 5 2g 环戊酮， 8 6g 正戊醛，保持温度在3 0 c ，l sm l 含量为1 ( 质量分数) 自辱氢氧化钠水溶液。 表3 6 相转移催化荆用量对反应影响 由表3 6 可见，少量的p e g - 4 0 0 对反应有明显的催化作用。因为反应属于液液 两相反应，当加入p e g _ 4 0 0 后，氢氧根负离子以离子对的形式被萃取到有机相，有 利于夺取环戊酮的h ，进而发生亲核取代反应。当p e g - 4 0 0 用量低于o 5g ( 正戊 醛质量的6 ) 时，增加用量有利于相转移，故产率提高，但继续增加p e g 4 0 0 的用量 会增加副反应，使得率降低，而且在分离、萃取过程中易使溶液乳化，增加萃取的困 难。因此，控制p e g - 4 0 0 的用量为0 5g ( 正戊醛质量的6 ) 作为合理的反应条件。 3 2 1 4 温度对反应的影响 温度是分子运动紊乱程度的宏观表现，它是影响化学反应方向和反应速度的重要 因素。 固定环戊酮1 5 2g ，戊醛8 6g 和一定量的相转移催化荆，1 5m l 质量分数为1 的氢氧化钠水溶液，改变体系的温度，考察温度对反应的影响，实验结果见表3 7 。 表3 7 温度对反应的影响 南京理工大学硕士学位论文y 和6 内醣的台成 表3 7 的数据表明，正戊醛和环戊酮在碱的催化下，常温下就可反应；当温度在 0 2 0 c 时，反应时间较长，得率偏低；温度在3 0 c 时产物的纯度和产率都有比较好 的结果；当反应温度升至4 0 5 0 c 时，反应时间缩短( 约lh 左右) ，虽然产品得率 相差不大，但是因为温度过高会加快正戊醛、环戊酮的交叉缩合，使副产物明显增多， 产物的纯度也相应下降；因此，在缩合反应过程中选取温度为3 0 c 作为合理的工艺 条件之一。 3 215 氢氧化钠的含量对反应的影响 动力学研究表明，碱催化的羟醛缩合在水溶液中为二级反应，对于醛和碱均为一 级【4 7 1 。 速率。c 醛 o r 由上式可以看出，氢氧化钠水溶液的浓度决定着反应的速率，因此，进行了下列 实验以考察氢氧化钠的含量对反应的影响。 3 0 c 下，环戊酮1 5 2g ，戊醛8 6g 和一定量的相转移催化剂，改变反应体系中 氢氧化钠水溶液的质量百分数，考察氢氧化钠水溶液质量分数的变化对反应的影响， 实验结果见表3 8 。 表3 8 氢氧化钠水溶液的质量分数对反应的影响 由表3 8 的结果可以看出：氢氧化钠的含量对该反应的影响很大，在氢氧化钠含 量偏低时，产物的纯度较高，反应时间较长，并且质量分数在1 时，产率达到最大值 ( 8 5 6 ) ，继续增加氢氧化钠的含量，虽然反应时间缩短，但产品得率同时下降；这 可能是因为随着氢氧化钠水溶液质量分数的增大，反应的速率加快，但同时副反应的 速率也提高了，可能会引起正戊醛的自身缩合反应发生，环戊酮自身缩合的几率也大 大增加；另外，在强碱情况下，生成的产物可能会进一步缩合生成多缩醛酮化合物， 使反应体系复杂化从而影响了产物的得率1 4 射。因此，最终采用含量为1 ( 质量分数) 的氢氧化钠水溶液作为合理反应条件之一。 7 南京理工大学硕士学位论文y 和6 柏酶的台成 3 , 2 1 6 原料投入比对反应的影响 影响化学平衡的因素有很多，如温度、压力、浓度等。增加某一反应物的浓度是 促进化学平衡朝正方向进行的主要因素之一，为研究物料比对反应得率的影响进行了 下列实验。 3 0 c 下，1 5m l 含量为l ( 质量分数) 的氢氧化钠水溶液、8 6g 正戊醛、一定 量的相转移催化剂，改变环戊酮的投入量，考察原料投入比对反应的影响，实验结果 见表3 9 。 表3 9 原料投入比对反应的影响 注：原料投入比是指n ( 环戊酮) ：1 1 ( 正戊醛) 由表3 9 可以看出，当n ( 环戊酮) ：n ( 正戊醛) 小于1 8 时，随着反应物的投料比 的加大，其得率也相应提高；因为，环戊酮在反应体系中既作为反应物，又可以作为 溶剂，增加环戊酮的用量，不仅增大了环戊酮与正戊醛分子碰撞的几率，同时也减少 了正戊醛自身缩合的几率，由表3 9 ，当n ( 环戊酮) ：n ( 正戊醛) = 1 8 时，产品得率达 到最大值( 8 5 6 ) ；继续增加环戊酮的用量，反应的得率已基本趋于稳定，不再随 着环戊酮与正戊醛的物质的量比的增大而提高。所以，为了降低成本，减少原料的用 量，在由环戊酮与戊醛进行缩合反应时，选择环戊酮与戊醛的物质的量比为1 8 ：l ， 此时产物的得率最高，纯度也较好。 3 217 不同的酸催化剂对反应的影响 醇的脱水反应需要酸作催化剂，其作用在于形成质子化的醇，因为，与o h 比较 水是一个更好的离去基团，所以，质子化的醇更易脱水生成碳正离子，碳正离子不稳 定很快从相邻碳上消去质子而形成烯烃。 固定反应温度为3 0 ( 2 ，1 5m l 含量为1 ( 质量分数) 的氢氧化钠水溶液，环戊 南京理工大学硕士学位论文y 和6 内醋的台成 酮与正戊醛物质的量比为l ，8 ：1 ，缩合反应结束后，选取不同的酸作催化剂，考察不 同的酸对脱水反应的影响，实验结果见表3 1 0 。 表3 1 0 不同的酸催化剂对反应的影响 由表3 1 0 可知，反应在强酸的作用下，如硫酸、对甲苯磺酸等，产品的得率比 较低：而在a 和b 这些比较温和的酸的作用下却有比较满意的结果；原因可能是硫 酸、对甲苯磺酸等除了强酸性之外还具有一定的氧化性，会引起一些副反应，降低反 应的收率。园此，在反应过程中选择酸b 作为眈较合理的脱水催化剂。 3 2 1 8 催化剂b 用量对反应的影响 固定反应温度为3 0 ，1 5m l 含量为1 ( 质量分数) 的氢氧化钠水溶液，环戊 酮与戊醛物质的量比为1 8 ：1 ，缩合反应结束后，选取以酸b 作催化剂，改变其用量， 考察不同的酸用量对反应结果的影响，实验结果见表3 1 1 。 表3 1 1 催化剂b 用量对反应的影响 表3 1 1 中的实验数据显示，当酸b 的用量小于o 1 5g ( 正戊醛质量的1 7 ) 时， 随着酸b 用量的增加，产品得率逐步提高，此时产品的纯度也较好，但是其反应时 间比较长；