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藥、農藥、香料、食品添加劑、感光樹脂等精細化工產品的原料中。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，產品產率低，副產物較多，分離純化比較困難，環境污染嚴重，不利于工業化生產。本文以4-氯-3-硝基苯甲醛與醋酸酐為起始物料經催化制得目標產物[1]。合成反應式如下圖：

圖1 4-氯-3-硝基肉桂酸合成反應式

實驗操作

在250mL干燥三頸燒瓶中加入一定物質的量比的新蒸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，充分反應一定時間。反應結束后，用飽和Na2CO3溶液將pH調至弱堿性。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，得無色液體，趁熱抽濾，濾液用鹽酸調至pH=3～4，此時有大量白色晶體析出。靜置一段時間后抽濾，用少量水洗滌結晶，干燥得4-氯-3-硝基肉桂酸粗產品，粗產品用水和乙醇混合液(體積比為3∶1)進行重結晶，得4-氯-3-硝基肉桂酸黃色晶體。

結果與討論

催化劑種類對產率的影響

準確稱取一定量的4-氯-3-硝基苯甲醛和醋酸酐，保持其物質的量比為1∶3，2%(摩爾分數相對于苯甲醛)的對苯二酚為阻聚劑，反應溫度為170℃，反應時間為1h，取相同質量的催化劑，考察催化劑種類對產率的影響。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，產率可達到60．23%。而氯化鋅和硫酸鋅在反應中催化效率最低。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，在反應中乙酸酐的α－H與堿性催化劑的負離子反應，生成碳負離子，再與苯甲醛反應，經消去酸化生成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。

阻聚劑種類對產率的影響

準確稱取一定量的4-氯-3-硝基苯甲醛和醋酸酐，保持其物質的量比為1∶3，以一定質量的無水碳酸鉀為催化劑，反應溫度為170℃，反應時間為1h，改變阻聚劑的種類，考察不同的阻聚劑對產率的影響。阻聚劑可以有效的提高肉桂酸的產率，其中阻聚劑對苯二酚的效果最好，產率最高為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，肉桂酸的產率明顯低于加入阻聚劑的反應。這是因為無水碳酸鉀堿性較強，反應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-硝基肉桂酸的產率。

反應物物質的量比對產率的影響

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

催化劑用量對產率的影響

準確稱取一定量的4-氯-3-硝基苯甲醛和醋酸酐，保持其物質的量比為1∶3，2%(摩爾分數相對于4-氯-3-硝基苯甲醛)的對苯二酚為阻聚劑，反應溫度為170℃，反應時間為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率的影響。實驗結果見表4。由表4可知，隨著催化劑無水碳酸鉀用量的增加，4-氯-3-硝基肉桂酸的產率逐漸升高，當無水碳酸鉀用量為4．5g時，4-氯-3-硝基肉桂酸產率最高為63．59%；繼續增加無水碳酸鉀用量，4-氯-3-硝基肉桂酸的產率呈現下降趨勢。這是因為當無水碳酸鉀用量較低時，導致乙酸酐碳負離子生成較少，且反應速度較慢，反應不完全，致使4-氯-3-硝基肉桂酸的產率降低。

結論

實驗以4-氯-3-硝基苯甲醛與醋酸酐為原料，通過Perkin反應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，反應時間為2h，反應溫度為170℃，肉桂酸的產率可達69．32%。工藝簡單，操作方便，無環境污染，產品純度高，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． 肉桂酸合成新工藝研究［J］． 四川化工，2010，13(6):1-3