3-氰基苯甲酸甲酯的绿色合成

阮华屹，张旺喜，徐保明，唐 强

（湖北工业大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430068）

3-氰基苯甲酸甲酯是一种白色粉末固体，熔点为59～61 ℃，微溶于水，易溶于有机溶剂，是一种合成医药、农药的重要中间体，也是合成液晶材料［1-2］的主要原料。随着当前液晶材料市场需求的增加，3-氰基苯甲酸甲酯的应用前景非常广阔。

3-氰基苯甲酸甲酯的合成方法主要有：1）3-氰基苯甲酸酯化法。该方法以3-氰基苯甲酸或3-氰基苯甲酰氯为原料，与甲醇［3-5］或三甲基硅烷化重氮甲烷［6-7］在适当条件下反应。该方法的收率最高可达97%，但反应条件苛刻，且3-氰基苯甲酸和3-氰基苯甲酰氯的来源少，价格贵，不适宜工业化生产。2）卤代苯甲酸甲酯的氰基化。该方法以3-氯苯甲酸甲酯或3-溴苯甲酸甲酯为原料，与Zn（CN）2［8-9］，KCN［9］，CuCN［10-11］等金属氰化物在催化剂作用下反应。该方法是目前工业生产含氰基芳香族化合物的主要方法，收率一般在70%左右。但该方法使用剧毒的金属氰化物，在生产中存在很大隐患，同时反应产生的废水较难治理，已不能适应当前的绿色化工的要求。

针对目前3-氰基苯甲酸甲酯合成中所存在的问题，在参考相关文献［12-16］后，本课题组提出了先以3-氯甲基苯甲酸甲酯为原料合成3-醛基苯甲酸甲酯，再以3-醛基苯甲酸甲酯为原料制得3-氰基苯甲酸甲酯的工艺。其中，3-醛基苯甲酸甲酯的合成工艺已在文献［17］中进行了讨论。该两步反应合成3-氰基苯甲酸甲酯的工艺路线原料价廉易得，操作简单，反应条件温和，总收率高，符合绿色化学合成的基本要求。

本工作以3-醛基苯甲酸甲酯为原料，与盐酸羟胺反应生成3-甲氧羰基苯甲醛肟中间体，中间体经脱水制得3-氰基苯甲酸甲酯；并对合成条件进行了考察；同时对合成产物进行了FTIR和1H NMR表征。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

3-醛基苯甲酸甲酯：纯度98%（w），自制；盐酸羟胺：工业级，山东兴辉化工有限公司；甲醇、乙醇、NaOH、乙酸酐、三氯化磷、浓硫酸：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

LC-15C型液相色谱仪：岛津（中国）有限公司；WRA-2S型熔点仪：上海精密科学仪器有限公司；R-3型旋转蒸发仪：瑞士步琦有限公司；Nexus-470型傅里叶变换红外光谱 仪：Thermo Nicolet仪器公司；MERCURY-PLUS400型核磁共振仪：瓦里安公司。

1.2 实验方法

3-醛基苯甲酸甲酯合成3-氰基苯甲酸甲酯的反应方程式如下：

室温下，向装有NaOH的四口烧瓶中加入盐酸羟胺水溶液，搅拌均匀，然后边搅拌边滴加3-醛基苯甲酸甲酯的乙醇溶液，有固体析出，继续搅拌反应。反应过程中每隔一段时间用液相色谱仪测定烧瓶中3-醛基苯甲酸甲酯的含量。当前后两次试样检测的3-醛基苯甲酸甲酯的含量不变时，停止反应。去除料液中的溶剂得到粗产品，粗产品经水洗、抽滤、干燥即得中间体3-甲氧羰基苯甲醛肟。

在装有分水器和温度计的三口烧瓶中，加入中间体3-甲氧羰基苯甲醛肟和脱水剂乙酸酐，加热脱水得到油状物，经水洗、抽滤、干燥得3-氰基苯甲酸甲酯固体。用甲醇重结晶得到黄色砂状晶体，熔点为59.4～60.3 ℃。经HPLC分析，产品纯度大于98%（w）。根据HPLC测得的3-氰基苯甲酸甲酯含量计算产品收率［18］。

2 结果与讨论

2.1 产物表征

合成产物的FTIR谱图和1H NMR谱图分别见图1和图2。

图1 合成产物的FTIR谱图Fig.1 FTIR spectrum of the synthesized product.

图2 合成产物的1H NMR谱图Fig.2 1H NMR spectrum of the synthesized product.

由图1可知，2 228 cm-1处的吸收峰归属于键的伸缩振动；1 719 cm-1处的吸收峰归属于酯基中键的伸缩振动；1 608，1 580，1 447 cm-1处的吸收峰归属于苯环上键的骨架内振动；1 287 cm-1处的吸收峰归属于酯基中C—O键的伸缩振动。由图2可知，1H NMR （CDCl3）的表征结果（化学位移，δ）为：8.35 （s，1H，苯环b位氢）；8.28（d，1H，苯环e位氢）；7.87（d，1H，苯环d位氢）；7.61（d，1H，苯环c位氢）；3.99（s，3H，甲基氢）。由此可见，合成的产物为3-氰基苯甲酸甲酯。

2.2 NaOH用量的影响

肟化反应是亲核加成-消除反应，反应体系中要有一定浓度的H+使羰基活化，选用NaOH为碱试剂调节反应体系的pH，在相同反应条件下，改变3-醛基苯甲酸甲酯与NaOH的配比，考察NaOH用量对产品收率的影响，实验结果见表1。由表1可见，随NaOH用量的增加，3-氰基苯甲酸甲酯的收率呈现先增大后减小的趋势。当n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（NaOH）=1.0∶1.8时，收率最大。这是因为在肟化反应中，NaOH用量控制着溶液中H+的浓度，当NaOH用量过多时，游离羟胺的浓度减小， 导致反应减慢，单位时间内的产品收率降低。因此，选择n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（NaOH）=1.0∶1.8较适宜。

表1 NaOH用量对产品收率的影响Table 1 Effect of NaOH dosage on the product yield

2.3 乙醇用量的影响

乙醇用量对产品收率的影响见表2。由表2可见，随乙醇用量的增加，3-氰基苯甲酸甲酯的收率逐渐增大；但当n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（乙醇）＜ 1.0∶6.0时，收率的增幅不明显。综合考虑产品收率和能耗，选择n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（乙醇）= 1.0∶6.0较适宜。

表2 乙醇用量对产品收率的影响Table 2 Effect of ethanol dosage on the product yield

2.4 盐酸羟胺用量的影响

盐酸羟胺是肟化反应中的重要试剂，直接影响产品的收率。盐酸羟胺用量对产品收率的影响见表3。由表3可见，当盐酸羟胺用量较少时，随盐酸羟胺用量的增加，3-氰基苯甲酸甲酯的收率呈增大趋势。这是因为盐酸羟胺容易水解，增加盐酸羟胺用量会提高溶液中参与反应的有效成分，迫使肟化反应的平衡向生产肟的方向移动，从而提高3-氰基苯甲酸甲酯的收率。但当n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（盐酸羟胺）＜1.0∶1.5时，3-氰基苯甲酸甲酯的收率基本不变。考虑成本因素，选择n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（盐酸羟胺）=1.0∶1.5较适宜。

表3 盐酸羟胺用量对产品收率的影响Table 3 Effect of hydroxylamine hydrochloride dosage on the product yield

2.5 脱水剂的选择

在制得3-甲氧羰基苯甲醛肟中间体后，分别以乙酸酐、三氯化磷、浓硫酸为脱水剂进行脱水反应，在相同反应条件下，考察脱水剂种类对产品收率的影响，实验结果见图3。由图3可见，乙酸酐的脱水效果较好，且与三氯化磷和浓硫酸相比，乙酸酐使用方便，用分馏装置脱水即可脱除，促使反应正向移动。因此，选择乙酸酐为脱水剂较合适。

图3 脱水剂种类对产品收率的影响Fig.3 Effect of dehydration reagent types on the product yield.

2.6 乙酸酐用量的影响

以乙酸酐为脱水剂，考察乙酸酐用量对产品收率的影响，实验结果见表4。乙酸酐在反应过程中既是溶剂又是脱水剂，增加乙酸酐用量可以使得3-醛基苯甲酸甲酯溶解得更充分，受热均匀，有利于反应的进行。由表4可见，随乙酸酐用量的增加，3-氰基苯甲酸甲酯的收率增大，但当n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（乙酸酐）＜1.0∶1.5时，产品收率基本不变。因此，选择n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（乙酸酐）=1.0∶1.5较适宜。

表4 乙酸酐用量对产品收率的影响Table 4 Effect of acetic anhydride dosage on the product yield

2.7 脱水温度的影响

脱水温度对产品收率的影响见表5。由表5可见，随脱水温度的升高，3-氰基苯甲酸甲酯的收率增大。当脱水温度低于130 ℃时，可将水和乙酸分出，但部分过量的乙酸酐未能完全分出，水洗过程有损失，降低了产品收率；当脱水温度超过140 ℃后，虽然产品收率略微增加，但实验过程中发现，产品颜色加深，有焦化的趋势，同时脱水温度的升高会增加能耗。因此，选择脱水温度为130～140 ℃较适宜。

表5 脱水温度对产品收率的影响Table 5 Effect of dehydration temperature on the product yield

3 结论

1）以3-醛基苯甲酸甲酯为原料，经肟化反应和脱水反应制得了3-氰基苯甲酸甲酯。该反应的优化条件为：n（3-醛基苯甲酸甲酯）∶n（盐酸羟胺）∶n（NaOH）∶n（乙醇）∶n（乙酸酐）=1.0∶1.5∶1.8∶6.0∶1.5，脱水温度130～140 ℃。粗品重结晶后产品纯度可达98%（w），3-氰基苯甲酸甲酯的收率达95.1%。

2）该工艺以3-氯甲基苯甲酸甲酯为原料，价格便宜，来源广泛。在3-氰基苯甲酸甲酯的制备过程中，采用醛基肟化脱水工艺，反应收率高，工艺简单，降低了反应毒性，减少了环境危害，对进一步放大应用于工业生产具有指导意义。

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