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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、 Me3SiCl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:
CH3COOH + HOC2H5
CH3COOC2H5 + H2O
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:
RCOOH HOR'RCOH HOOR'
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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(R18OH)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:
RCOOHHRCOHOHRCOHOH
RCOHOH
OH
R'
R'OH
RCOHOH
2
R'O
-H2O
RC
OH
R'O
RCOHR'ORCOOR'
-H
这个机理能够概括如下:
RCOOHR'OH+-HRCOHOH
R'O
RCOOR' H2O
+
叔醇的酯化反应经实验证明是按方式(Ⅱ)进行的:
RCOOH+HOCR'
3
RCOOCR'
3
+
H2O
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
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OHCOOH+CH3OHH2SO4OH
COOCH
3
+H2O
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( SOCl2) 、
草酰氯(C2O2Cl2)、 光气(COCl2)等。在实验室中, 比较常见的是采用SOCl2作为
酰化试剂。SOCl2酰氯酯法的优点是生成酰氯时的副产物是HCl和SO2, 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SOCl2, 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
SOCl2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]。
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CH2=CH(CH2)8COCl+ HO
Chol
*
CH2=CH(CH2)8COO
Chol
*
(a)
(b)
CH2=CH(CH2)8COOH SOCl
2
CH2=CH(CH2)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
+
HO
HOOCCH2CH2COO
(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:
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OH
*
*
*
OCH2CH2COOCH
3
*
*
*
H2SO
4
ClCH2CH2COOH
+CH3OHClCH2CH2COOCH
3
(1) Na/甲苯
ClCH2CH2COOCH
3
(2)
OCH2CH2COOCH
3
*
*
*
HOCOOH
+
OCH2CH2COO
*
*
*
COOH
在该反应中, 设想对羟基苯甲酸既作为反应物, 又提供质子, 促进反应的
发生(该方案第三步未验证)。
二、酯的合成新方法
1、Mitsunobu反应
官能团的转化在有机合成化学中占了极其重要的地位, 我们在合成中经常
需要进行官能团转化, 构建新的化学键, 如 C—O, C—N, C—S, C—C等化学键。
而Mitsunobu反应[9]是在偶氮二碳酸二乙酯(DEAD)或者偶氮二碳酸二异丙酯
(DIAD)和三苯基膦作用下, 醇类化合物和酸性化合物发生分子内或分子间脱水
反应, 形成C—O, C—N, C—S, C—C等键的反应。它最早是在1967年由
Mitsunobu 等[10]发现。Mitsunobu 反应一般是在温和的中性条件下进行的, 同时,
如果是手性醇参加反应, 醇羟基所连碳原子的绝对构型一般会发生翻转, 因此,
Mitsunobu反应广泛应用于各类天然产物的全合成或化合物的官能团转化, 是
一个应用范围较为广泛的反应。在这里我们仅仅把它作为一种羧酸缩合成酯的方
法进行介绍。
ROOH+R'OHDEAD or DIADPh3PROOR'