第12章 縮合技術(shù)

第12章縮合技術(shù)12．1概述

縮合是精細(xì)有機(jī)合成中占重要地位的一類單元反應(yīng)?？s合一般系指兩個(gè)或兩個(gè)以上分子間通過生成新的碳一碳、碳一雜原子或雜原子一雜原子鍵，從而形成較大的單一分子的反應(yīng)?？s合反應(yīng)一般往往伴隨著脫去某一種小分子化合物，如Hz0、HX、ROH等。嚴(yán)格來講這只是對(duì)縮合劃定了一個(gè)范圍，縮合包括的反應(yīng)非常廣泛，所以很難同磺化、硝化、鹵化、烷基化等反應(yīng)一樣下一個(gè)確切的定義。一般來講，縮合反應(yīng)可具有以下特征：1)在分子內(nèi)或分子間彼此不相連的兩個(gè)原子間形成新的化學(xué)鍵；2)反應(yīng)過程中伴隨有失去簡(jiǎn)單的小分子無機(jī)物或有機(jī)物；3)縮合反應(yīng)的產(chǎn)物往往具有較原始反應(yīng)物更為復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)?？s合反應(yīng)的類型繁多，一般有下列分類方法：按參與縮合反應(yīng)的分子異同；按縮合反應(yīng)發(fā)生于分子內(nèi)或分子問；按縮合反應(yīng)產(chǎn)物是否成環(huán)；按縮合反應(yīng)的歷程；按縮合反應(yīng)中脫去的小分子種類。本章將按參與反應(yīng)的分子類別，選擇精細(xì)有機(jī)合成中具有代表性的重要縮合反應(yīng)進(jìn)行討論。

縮合反應(yīng)能提供由簡(jiǎn)單的有機(jī)物合成復(fù)雜有機(jī)物的許多合成方法，包括脂肪族、芳香族和雜環(huán)化合物?？s合反應(yīng)可用于制備高級(jí)醇、醇酸樹脂、炸藥、增塑劑和乳化劑的原料，合成香料中增香劑的制備，藥物合成，在農(nóng)藥、染料等許多精細(xì)化工生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。12．2縮合反應(yīng)的基本原理12．2．1含活潑氫的化合物

碳原子上連有羰基、醛基、酰基或者是較強(qiáng)吸電子基團(tuán)時(shí)，該碳原子上連有的氫原子一般都表現(xiàn)出一定的酸性，該氫原子一般稱為活潑氫，對(duì)應(yīng)的化合物稱為含活潑氫的化合物?；顫姎涞乃嵝灾悼梢杂胮Ka表示。即酸性越強(qiáng)，pKa越小，如表12—1所示。由表12—1可以看出，各種吸電子基Y對(duì)碳原子上氫原子的活化能力次序如下而在碳原子上連有兩個(gè)吸電子基X和Y時(shí)，該碳原子上氫的酸性明顯增加。12．2．2縮合反應(yīng)常用催化劑

許多縮合反應(yīng)需在催化劑如酸、堿、鹽、金屬、醇鈉等存在下才能順利進(jìn)行，催化劑的選擇與縮合反應(yīng)中脫去的小分子有密切關(guān)系。常見重要催化劑及其應(yīng)用范圍見表12—2，表內(nèi)符號(hào)“+”表示該催化劑可以應(yīng)用。

12．2．3縮合反應(yīng)歷程

1．在堿性條件下的反應(yīng)歷程

醛、酮、羧酸酯、羧酸酐的羰基碳氧雙鍵中，氧原子的電負(fù)性比碳原子高得多，因此氧原子帶有部分負(fù)電荷，而碳原子則帶有部分正電荷。碳氧雙鍵在進(jìn)行加成反應(yīng)時(shí)，帶負(fù)電荷的氧總是要比帶正電荷的碳原子穩(wěn)定得多，因此在堿性催化劑存在下，總是帶正電荷的碳原子與帶負(fù)電的親核試劑發(fā)生反應(yīng)，即碳氧雙鍵易于發(fā)生親核加成反應(yīng)。

醛、酮、羧酸及其衍生物和亞砜等因口一碳原子連有吸電子基，使其a一氫具有一定的酸性，因此在堿(如苛性堿、醇鈉、叔丁醇鋁等)的催化作用下，可脫去質(zhì)子而形成碳負(fù)離子。碳負(fù)離子與羰基化合物容易發(fā)生親核加成反應(yīng)。

這種碳負(fù)離子即可以與醛、酮、羧酸酯、羧酸酐以及烯鍵、炔鍵和鹵烷發(fā)生親核加成反應(yīng)，形成新的碳一碳鍵而得到多種類型的產(chǎn)物。

含口一氫的醛、酮在堿的催化作用下，可脫去質(zhì)子而形成碳負(fù)離子，碳負(fù)離子很快與另一分子醛、酮的羰基發(fā)生親核加成反應(yīng)而得到產(chǎn)物p一羥基丁醛。2．在酸性條件下的反應(yīng)歷程

在酸(如鹽酸、硫酸、陽離子交換樹脂等)催化下的縮合反應(yīng)首先是醛、酮分子中的羰基質(zhì)子化成為正碳離子，然后與另一分子醛、酮發(fā)生親電加成。丙酮以酸催化的縮合反應(yīng)歷程為12．3．1醛酮縮合反應(yīng)

1．羥醛縮合

含有a一氫的醛或酮，在酸或堿的催化下生成伊羥基醛或酮類化合物的反應(yīng)稱為羥醛或醇醛(Ald01)縮合反應(yīng)。p羥基醛或酮經(jīng)脫水消除便成口，p不飽和醛或酮。羥醛縮合反應(yīng)可分為同分子醛、酮自身縮合和異分子醛(或酮)交叉縮合兩大類，在工業(yè)上都有重要用途。

(1)同分子醛、酮自身縮合羥醛自身縮合在有機(jī)合成上的特點(diǎn)是可使產(chǎn)物的碳鏈長(zhǎng)度增加1倍，工業(yè)上可利用這種縮合反應(yīng)來制備高級(jí)醇。這類反應(yīng)的重要實(shí)例是乙醛的自縮脫水得口，J9一丁烯醛，然后催化加氫得正丁醛或正丁醇。接著，正丁醛自縮、脫水、加氫可制得2乙基己醇(異辛醇)，它在工業(yè)上大量用于合成鄰苯二甲酸二異辛酯，作為聚氯乙烯的增塑劑。(2)異分子醛、酮交叉縮合

羥醛交叉縮合反應(yīng)的典型代表是用一個(gè)芳香族醛和一個(gè)脂肪族醛、酮反應(yīng)，在氫氧化鈉的水或乙醇溶液中進(jìn)行。得到產(chǎn)率很高的a，．|9一不飽和醛或酮，這種反應(yīng)稱為克萊森一斯密特(Claisen-Schimidt)縮合反應(yīng)。例如苯甲醛和乙醛在低溫和稀堿液中縮合得到兩種羥醛，一種是乙醛自身縮合的產(chǎn)物，另一種是混合縮合產(chǎn)物。但這兩種產(chǎn)物經(jīng)過一段時(shí)間后，能形成一平衡體系，而且混合縮合產(chǎn)物的羥基同時(shí)受苯基和醛基的作用，容易生成由苯環(huán)、烯鍵和羰基組成共扼體系的穩(wěn)定產(chǎn)物，因平衡常數(shù)k?！窇vz，所以最終生成的全是肉桂醛。肉桂醛是合成香料的重要產(chǎn)品之一，具有似肉桂、桂皮油氣息，香氣強(qiáng)烈持久。2．Mannich縮合

甲醛與含有活潑氫的化合物及氨、仲胺或伯胺同時(shí)進(jìn)行縮合反應(yīng)，活潑氫被氨甲基或取代氨甲基所取代，稱為氨甲基化反應(yīng)，又稱為曼尼希(Mannich)反應(yīng)，其通式12．3．2醛酮與羧酸及其衍生物的縮合反應(yīng)1.鉑金反應(yīng)

芳香族醛(或不含口一氫的脂肪醛)與脂肪酸酐在堿性催化劑作用下，生成p一芳基丙烯酸類化合物的反應(yīng)成為珀金(Perkin)反應(yīng)。堿性催化劑一般使用與脂肪酸酐相應(yīng)的脂肪酸的鈉鹽(或鉀鹽)，有時(shí)使用三乙胺可獲得更好的收率。2．Knoevenagel—Doebner反應(yīng)

醛、酮與含活潑亞甲基的化合物(如丙二酸、丙二酸酯、氰乙酸酯等)在緩和的條件下且lJn--I發(fā)生縮合反應(yīng)，生成口，盧一不飽和化合物。對(duì)于醛、酮發(fā)生的這類反應(yīng)，作為反應(yīng)物之一的活潑氫化合物若為丙二酸(酯)，并以吡啶和少量哌啶的混合物為催化劑，稱為諾文葛耳一多布納(Knoevenagel—Doebner)反應(yīng)。該縮合反應(yīng)通式為3.Darzers反應(yīng)

醛、酮在強(qiáng)堿催化作用下和口一鹵代羧酸酯反應(yīng)，縮合生成口，p一環(huán)氧羧酸酯的反應(yīng)稱為達(dá)村斯(Darzers)縮水甘油酸酯縮合反應(yīng)，其反應(yīng)通式如下12．3．3醛酮與醇的縮合反應(yīng)

醛、酮在酸性催化劑作用下，很容易和兩分子醇縮合，并失水變?yōu)榭s醛或縮酮類化合物，其反府通式如下當(dāng)R’一H時(shí)，為縮醛；當(dāng)R’一R時(shí)，為縮酮；當(dāng)兩個(gè)R=R一起共同構(gòu)成--CH。CH。一時(shí)，為茂烷類；構(gòu)成--CH2CH2CHz一時(shí)，為嗯類。這種縮合反應(yīng)需用無水醇類和無水酸作催化劑，常用的是干燥氯化氫氣體或?qū)妆交撬?，也有采用草酸、檸檬酸、磷酸或陽離子交換樹脂等。

縮醛和縮酮化合物主要用于制備縮羰基化合物，這類化合物多為香料，這類香料化學(xué)穩(wěn)定性好，香氣溫和，多具有花香、木香、薄荷香或杏仁香，可增加香精的天然感。1．單一醇縮醛的制備

醛和一元醇縮合，反應(yīng)生成的縮醛稱為單一醇縮醛。產(chǎn)物1，1一二甲氧基乙烷為香料，俗稱乙醛二甲縮醛。2．混合縮醛醛

與兩種不同的一元醇縮合，反應(yīng)生成的縮醛稱為混合縮醛?？s合產(chǎn)物1一甲氧基一1一苯乙氧基乙烷為香料，俗稱乙醛甲醇苯乙醇縮醛。3．醛和酮的二醇縮合

醛和酮的二醇縮合在工業(yè)上有重要用途。如性能優(yōu)良的維尼綸合成纖維，就是利用上述縮合原理，使水溶性聚乙烯醇在硫酸催化下與甲醛反應(yīng)，生成縮醛，變?yōu)椴蝗苡谒?。精?xì)有機(jī)合成中也常用此類反應(yīng)來制備縮羰基類化合物，這是一類合成香料。例如，檸檬醛和原甲酸三乙酯在對(duì)甲苯磺酸催化下可以縮合成二乙縮檸檬醛。12．3．4酯的縮合反應(yīng)

酯縮合反應(yīng)是指以羧酸酯為親電試劑，在堿性催化劑作用下，與含活潑氫羰基化合物的負(fù)碳離子縮合而生成盧一羰基類化合物的反應(yīng)，總稱為克萊森(Claisen)縮合反應(yīng)。其反應(yīng)通式如下式中R,R可以是氫、脂肪族基、芳香族基或雜環(huán)基，R，可以是任意一種有機(jī)基。由此可見酯是以?；问竭M(jìn)入反應(yīng)產(chǎn)物的分子。該縮合反應(yīng)需用RONa、NaNH2：、NaH等強(qiáng)堿催化劑?？巳R森縮合是制取一酮酸酯和

一二酮的重要方法。1．酯一酯縮合

參與反應(yīng)的酯可以是相同的酯，也可以是不同的酯。相同酯之間的縮合稱為酯的自身縮合，不同酯之間的縮合稱為酯的交叉縮合。

(1)酯的自身縮合最簡(jiǎn)單的典型實(shí)例是2分子乙酸乙酯在無水乙醇鈉的催化作用下，生成乙酰乙酸乙酯。(2)酯的交叉縮合

異酯縮合時(shí)，如果兩種酯都有活潑a一氫，則理論上就可得到四種不同的產(chǎn)物，沒有實(shí)用價(jià)值。如果其中一種酯不含口一氫，則縮合時(shí)有可能只生成單一產(chǎn)物。常用的不含a一氫的酯有甲酸酯、苯甲酸酯、乙二酸酯和碳酸二乙酯等。芳香酸酯中的羰基不夠活潑，縮合時(shí)要用較強(qiáng)的堿如Nail，才有足夠濃度的負(fù)碳離子，以保證縮合反應(yīng)順利進(jìn)行，如苯甲酸甲酯與丙酸乙酯在NaH催化下的縮合。2．酯一酮縮合

如果反應(yīng)物酯和酮都含有口一氫，則酮的活性大，強(qiáng)堿性催化劑使酮優(yōu)先脫質(zhì)子形成碳負(fù)離子，然后與羰基碳原子發(fā)生親核加成反應(yīng)和脫烷氧基負(fù)離子反應(yīng)而生成p二羰基化合物。例如，丙酮在甲醇鈉的催化下與甲氧基乙酸甲酯縮合可制得1一甲氧基2，4一戊二酮。12．4香料合成應(yīng)用實(shí)例

1．甲基壬基乙醛的合成

分子式為C12H240

結(jié)構(gòu)式

即2一甲基十一醛，制備方法如下所示。

將甲基壬酮與烷基氯代醋酸酯(如氯代乙酸酯)在乙醇鈉溶液中反應(yīng)，生成縮水甘油酯，再經(jīng)皂化和脫羧等反應(yīng)制取。甲基壬基乙醛尚未發(fā)現(xiàn)其天然存在，是一種帶有熏香及些許龍涎香香韻的無色或淡黃色液體，不溶于水。作為頭香劑，在各種化妝品、香水香精中的使用量相當(dāng)大，而且經(jīng)常被用作幻想型香精的香料組分。2．紫羅蘭酮(ionone)的合成分子式為C13H2O結(jié)構(gòu)式紫羅蘭酮的合成有半合成和全合成兩種方法。(1)半合成法制備紫羅蘭酮以檸檬醛為原料。

其反應(yīng)式為我國(guó)山蒼子油來源廣泛，內(nèi)含68％左右的檸檬醛，是人工合成紫羅蘭酮的主要原料。

因口一紫羅蘭酮較盧一紫羅蘭酮香氣更加幽雅，下面簡(jiǎn)要介紹口一紫羅蘭酮為主要產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。第一步，縮合反應(yīng)。

原料比為山蒼子油：丙酮：氫氧化鈉一1：2：2

操作：將上述原料按比例加一定量水投入反應(yīng)釜中，連續(xù)攪拌升溫至50'c并保溫2h，后升溫至60。C，保持3．5h。靜置分層，除去下層堿水，于攪拌下加入稀醋酸中和呈酸性。靜置分層，所得油狀物先常壓蒸餾，除去低沸點(diǎn)組分，然后減壓分餾于145～155。C／(1．60kPa)下收集淡黃色油狀假性紫羅蘭酮。收率約為原料油的65％。第二步：環(huán)化重排

原料比為假性紫羅蘭酮：62％硫酸：苯一1：1．5：1．23

操作：將62％的硫酸置于反應(yīng)釜中，加入苯，混合后冷卻至20。C，緩慢加入假性紫蘭酮，控制溫度低于30。C，當(dāng)反應(yīng)物呈黃色時(shí)，在30~35℃下保溫0．5h，迅速加入冰塊，當(dāng)冰塊溶解后即分為兩層。上層水相用苯萃取數(shù)次后與油相混合，用純堿中和至弱堿性，除去水層即用醋酸中和至微酸性，常壓蒸餾回收苯，然后在120～130℃／(1．60kPa)下收集口一異構(gòu)體為主的產(chǎn)品。(2)全合成法制備紫羅蘭酮

合成路線以乙炔、丙酮為基本原料，經(jīng)一系列反應(yīng)制成脫氫芳樟醇，脫氫芳樟醇再與乙酸乙酯或雙乙烯酮反應(yīng)生成乙酸乙酯脫氫芳樟酯，經(jīng)脫去二氧化碳經(jīng)分子重排反應(yīng)生成假性紫羅蘭酮。假性紫羅蘭酮再經(jīng)環(huán)化重排制得紫羅蘭酮。

自然界中存在的紫羅蘭酮極少，它是最重要的人工合成香料之一。其中7瀠羅蘭酮難以人工合成，市售品為口一及p一異構(gòu)體的混合物，為淡黃色油狀液體。有紫羅蘭香氣，是紫羅蘭香精的主體香料，廣泛用于化妝品、食品中。