酯的合成方法研究样本

酯的合成方法研究

刘 聪

东北大学理学院高分子化学与物理

羧酸酯是一类重要的化工原料 ,它的用途相当广泛 ,可用作香料、 溶剂、 增塑剂及有机合成的中间体; 同时在涂料、 医药等工业中也具有重要的使用价值[1]。作为液晶化合物最基本和最重要的中心桥键之一, 酯基的合成具有十分重要的意义。在过去很长一段时间里, 酯的合成主要是采用一些经典的方法, 如酸催化、 酰氯法、 酯交化法等; 随着对各种新的催化剂和有机反应机理的研究, 出现了一些新颖的合成方法, 如Mitsunobu 反应、 Steglich 酯化法、 CAN 催化法、 Me 3SiCl 催化法、 DBU 催化法等等[2]。对这些新的合成方法进行研究, 有助

于在实验室推广采用更简单、 更有效、 更温和的方法合成羧酸酯, 并进一步实用于工业化生产。

一、经典酯化反应

1、酯化反应机理:

羧酸与醇在催化剂作用下生成酯。例如:

CH 3COOH + HOC 2H 5 CH 3COOC 2H 5 + H 2O H 酯化反应是可逆反应。为了提高酯的产率, 可采取使一种原料过量(应从易得、

价廉、 易回收等方面考虑), 或反应过程中除去一种产物(如水或酯)。工业上生产乙酸乙酯采用乙酸过量, 不断蒸出生成的乙酸乙酯和水的恒沸混合物(水

6.1%, 乙酸乙酯93.9%, 恒沸点70.4℃), 使平衡右移。同时不断加入乙酸和乙醇, 实现连续化生产[3]。

羧酸的酯化反应随着羧酸和醇的结构以及反应条件的不同, 能够按照不同的机理进行。酯化时, 羧酸和醇之间脱水能够有两种不同的方式:

R C O O H HO R'R C OH H O

O R'

R, R ’分别是烷基。(Ⅰ)是由羧酸中的羟基和醇中的氢结合成水分子, 剩余部分结合成酯。由于羧酸分子去掉羟基后剩余的是酰基, 故方式(Ⅰ)称为酰氧键断裂。(Ⅱ)是由羧酸中的氢和醇中的羟基结合成水, 剩余部分结合成酯。由于醇去掉羟基后剩下烷基, 故方式(Ⅱ)称为烷氧键断裂。

当用含有标记氧原子的醇(R 18OH)在酸催化作用下与羧酸进行酯化反应时, 发现生成的水分子中不含18O, 标记氧原子保留在酯中, 这说明酸催化酯化反应是按方式(Ⅰ)进行的。其反应机理能够表示如下:

R C O OH H R C OH OH R C OH

OH R C OH

OH

R' R C OH OH 2

R'O R C OH R'O R C OH R'O R C O OR'-H

这个机理能够概括如下:

R O OH R'OH +-H R C OH

OH

R'O R O OR' H 2O +

叔醇的酯化反应经实验证明是按方式(Ⅱ)进行的:

R C O

OH +HO

CR'3R C O OCR'3+H 2O

2、质子酸催化合成酯 在传统的酯化反应中一般采用浓硫酸作催化剂, 这是由于浓硫酸价格低廉, 催化活性高, 易于工业化、 连续化生产; 但浓硫酸易使有机物炭化、 氧化, 且选择性差, 在二级醇和三级醇的酯化反应中产率低, 副反应多, 工艺流程长, 对设备腐蚀严重, 三废处理麻烦。另外, 干燥的氯化氢、 对甲苯磺酸作为催化剂也被运用到酯的催化合成中[4]。如水杨酸甲酸的合成[5]:

(Ⅰ) (Ⅱ

OH

COOH

+CH 3OH OH COOCH 3

+H 2O

由于浓硫酸作为催化剂存在许多缺点, 自1981年黄化民等报道用无机硫酸盐作催化剂以来, 不少研究者对催化剂进行了许多研究和报道[1],开发出了一类新型酯化反应催化剂 —固体酸型催化剂, 它具有以下优点: 催化剂易分离和回收 ,不怕水, 易再生可重复使用, 它包括无机盐超强酸、 分子筛、 杂多酸、 氧化物、 高分子载体催化剂等。

3、酰氯酯化法

酰氯酯化法是合成羧酸酯应用最多的方法之一。该方法主要是先将有机酸转变为酰氯, 酰氯再醇解得到相应的酯。酰化试剂有新制的二氯亚砜( SOCl 2) 、 草酰氯(C 2O 2Cl 2)、 光气(COCl 2)等。在实验室中, 比较常见的是采用SOCl 2作为酰化试剂。SOCl 2酰氯酯法的优点是生成酰氯时的副产物是HCl 和SO 2, 均为气体,

有利于分离, 且酰氯的产率较高, 这将提高下一步反应的活性和产率。其缺点是制备酰氯时需对反应条件进行较严格的控制, 如时间、 温度等, 不易除尽过量的SOCl 2, 对设备的腐蚀较严重; 而且酰氯需要现制现用, 整体合成路线长[6]。

酰化和醇解过程中都生成大量氯化氢, 因此在反应中加入氯化氢的去除剂, 称为缚酸剂, 如吡啶、 三乙胺(TEA)、 DMAP 、 N,N ’-二甲苯胺等。酰氯遇水易发生分解, 因此反应必须在无水条件下完成。

如10-十一烯酸(a)是合成不饱和酸胆甾醇酯常见的原料。李佩瑾等[7]以 SOCl 2为酰化试剂, N,N ’-二甲苯胺作为醇解反应的缚酸剂, 75℃下回流8 h 得

到了10-十一烯酸胆甾醇酯(b)。(b)是一种介晶单体, 可与非介晶手性单体十一烯酸薄荷醇酯经过接枝共聚引入聚甲基含氢硅氧烷中, 得到具有光化学活性的胆甾相液晶聚合物[8]。

CH 2=CH(CH 2)8COCl + HO Chol *

CH 2=CH(CH 2)8COO Chol *(a)

(b)CH 2=CH(CH 2)8COOH SOCl 2

CH 2=CH(CH 2)8COCl +

4、酸酐酯化法 该方法一般用于双羧酸官能团物质与单羟基的醇或酚反应, 制得单羧酸酯, 且保留一个羧酸, 可进一步酯化或酰胺化。但由于酸酐化合物种类较少, 限制了它的更进一步应用。

利用酸酐的反应特点, 引入带羧酸官能团的柔性链, 在合成氢键自组装超分子聚合体中具有特殊的应用。如沈永涛等[9] 以胆甾醇和丁二酸酐为原料合成了丁二酸单胆甾醇酯(AC), 研究探讨了AC 自组装液晶特性。 O

O

O +

2CH 2COO

(AC)

5、低级酯交换法

酯交换反应的实质是酯的醇解。将羧酸与低级醇(如甲醇或乙醇)制备成低级 酯(如甲酯或乙酯), 然后与高级醇在酸性条件下进行醇解。该方法在某些特殊的反应中有着独特的作用, 如羧酸的保护与脱保护。但由于该法合成路线较长, 成本较高, 使得其应用范围较小。在手性中心的合成中, 需进行羧酸的保护, 设想了下列方案: