采用改进的施泰格利希酯化反应，利用伯醇和仲醇合成了一系列酯类衍生物。该方法使用非卤代的绿色溶剂乙腈，无需柱层析纯化即可高收率地分离得到产物。
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摘要
摘要
Steglich酯化反应是一种广泛用于由羧酸和醇合成酯的反应。尽管该反应效率高且条件温和，但通常使用氯化物或酰胺类溶剂体系，而这些溶剂对人类健康和环境具有危害性。我们的方法采用乙腈作为更环保且危害较小的溶剂体系。该方案的反应速率和产率与传统溶剂体系相当，并通过萃取和洗涤步骤，避免了通过柱层析纯化酯产物的需要。这一通用方法可用于将多种羧酸与伯醇和仲醇脂肪醇、苄醇、烯丙醇以及酚类偶联，从而以高产率获得纯净的酯类产物。本方案的目标是为一种常见的酯化反应提供一种更环保的替代方法，该方法在学术和工业应用中的酯类合成方面均具有实用价值。
引言
酯类化合物广泛应用于香料、药物、化妆品和材料等领域。通常使用碳二亚胺偶联试剂来促进羧酸与醇之间的酯化反应1。例如，在Steglich酯化反应中，二环己基碳二亚胺（DCC）在4-二甲氨基吡啶（DMAP）存在下与羧酸反应，生成活化的酸衍生物，通常在氯化溶剂体系或二甲基甲酰胺（DMF）中进行2,3,4。该活化酸衍生物随后与醇发生亲核酰基取代反应，生成酯类产物，通常通过柱层析进行纯化。Steglich酯化反应能够实现大分子、结构复杂的羧酸与醇在温和条件下的偶联，包括空间位阻较大的仲醇和叔醇2,5,6。本研究旨在改进标准的Steglich酯化反应方案，为这一常见的酯化反应提供一种更环保的合成选择。
在设计新的合成方法时，一个重要的方面是尽量减少有害物质的使用和生成。绿色化学的十二项原则7可为开发更安全的合成路线提供指导。其中一些原则包括防止废物产生（原则1）以及使用更安全的溶剂（原则5）。特别是，在制药生产中，溶剂占非水相物料质量的80%–90%8。因此，修改实验方案以采用危害性较低的溶剂，可显著提高有机反应的绿色化程度。
Steglich 酯化反应通常使用无水氯化溶剂体系或 DMF；然而，这些溶剂对环境和人类健康均存在潜在危害。二氯甲烷（CH2Cl2）和氯仿（CHCl3）可能为人类致癌物，而 DMF 存在生殖毒性问题9。此外，CH2Cl2 会破坏臭氧层10。因此，开发一种危害更小的 Steglich 酯化反应溶剂具有重要意义。尽管目前尚无理想的绿色替代物可用于极性非质子溶剂，但乙腈被推荐作为 CH2Cl2、CHCl3 和 DMF 的更环保替代溶剂9。乙腈目前是丙烯腈生产过程中的副产物；然而，已有学术规模下从生物质绿色合成乙腈的报道11，并且针对废液中乙腈的回收与再利用方案也正在研究中12。此前，乙腈已被用作固相多肽合成中碳二亚胺偶联反应的绿色溶剂替代物，以形成酰胺键13。乙腈作为 Steglich 酯化反应溶剂体系的应用已有报道14,15,16,17,18,19,20,21；然而，这些方法并未聚焦于溶剂的绿色化特性，且仍需通过柱层析进行额外纯化。
减少柱层析作为纯化步骤的需求，也有助于最大限度地减少有害溶剂废物的产生8。除了使用危害性较低的反应溶剂外，该方法还能在无需柱层析的情况下分离得到高纯度产物。传统上使用的二环己基碳二亚胺（DCC）偶联试剂被盐酸1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC）所取代。该试剂上的碱性氨基官能团使得反应副产物及任何残留试剂可通过酸性和碱性洗涤步骤去除。
本文所介绍的方案可适用于多种酸和醇类化合物（图1）。该方法已被用于合成一系列肉桂酯衍生物，所用原料包括伯醇、仲醇、苄醇、烯丙醇以及酚类化合物22。此外，在乙腈中的酯化反应速率与氯化溶剂和DMF溶剂体系中的反应速率相当，且反应前无需对乙腈进行干燥或蒸馏处理22。目前尚未分离得到由叔醇制备的酯类产物，这是该方法相较于传统氯化溶剂中进行的Steglich酯化反应的一个局限性23。此外，其他对酸敏感的基团可能在酸洗步骤中受到影响，因此在除去乙腈后，可能需要通过柱色谱进行纯化。尽管存在这些局限性，该反应仍是一种简便且通用的方法，可利用多种醇类和羧酸组分高效地合成酯类化合物，并获得较高产率。由于采用了更环保的溶剂体系，并且无需柱色谱纯化即可获得高纯度产物，该方案成为传统Steglich酯化反应的一种理想替代方法。
图1. 通用反应路线图。 该反应的通用路线涉及羧酸与醇的偶联，该过程在乙腈中使用碳二亚胺偶联试剂（盐酸1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺，EDC）和4-二甲基氨基吡啶（DMAP）作为催化剂促进反应进行。为展示该反应的适用范围，使用多种羧酸（1–5）分别与伯醇（6）或仲醇（7）反应生成相应的酯。 请点击此处查看此图的放大版本。
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方案
注意：使用本实验方案中的化学品前，请查阅安全数据表（SDS）。许多试剂和溶剂具有腐蚀性或易燃性，因此必须佩戴适当的个人防护装备（PPE），包括防溅护目镜、实验服以及腈类或丁基手套。所有反应均应在通风橱中进行。本方案无需对玻璃器皿进行干燥，也无需使用氮气氛围。
1. 伯醇的碳二亚胺偶联反应
- 在50 mL圆底烧瓶中，加入(E)-肉桂酸（151 mg，1.02 mmol，1.2当量）、DMAP（312 mg，2.55 mmol，3当量）和EDC（244 mg，1.28 mmol，1.5当量）。向混合物中加入乙腈（15 mL）和3-甲氧基苯甲醇（98 μL，0.85 mmol，1当量），并放入搅拌子。
警告：乙腈为易燃溶剂。 - 将烧瓶固定于40 °C水浴中，搅拌反应。
注意：若反应涉及芳香醇，应通过薄层色谱法（TLC）使用1:3乙酸乙酯/正己烷体系监测醇的消耗情况。当在紫外灯照射下TLC板上不再可见醇的斑点时，反应即告完成。
2. 提取后处理
- 当薄层色谱（TLC）显示反应完成或反应进行45分钟后，使用旋转蒸发仪在减压条件下除去乙腈，得到粗品固体。
注意：有关旋转蒸发仪使用的详细信息，请参见附加资源24,25。 - 向残留物中加入乙醚（20 mL）和1 M盐酸（20 mL）。轻轻摇动烧瓶，使残留物溶解于溶剂各层中。
警告：乙醚为高度易燃溶剂。
注意：为降低溶剂危害，可用乙酸乙酯替代乙醚；但在萃取和洗涤步骤中，形成乳化的可能性会增加。 - 将溶液倒入分液漏斗中。用额外的乙醚（5 mL）冲洗蒸发烧瓶，并将洗涤液一并加入分液漏斗。
- 轻轻振荡分液漏斗，使产物萃取至乙醚层，过程中需定期排气。静置分层后，从分液漏斗底部将水相层放出，收集至锥形瓶或烧杯中。
注意：有关萃取操作及分液漏斗使用的详细信息，请参见附加资源24,25。
3. 洗涤步骤
- 向分液漏斗中残留的有机层加入 1 M 盐酸（20 mL），轻轻摇动分液漏斗，并定期排气。待两层液体分层后，将下层水相从漏斗底部放出，收集至锥形瓶或烧杯中。
- 依次用饱和碳酸氢钠溶液（2 × 20 mL）和饱和氯化钠溶液（20 mL）重复洗涤操作。
- 将有机层从分液漏斗上口倒入洁净的锥形瓶中，用硫酸镁干燥，然后通过滤纸进行重力过滤，滤液收集至已称重的蒸发瓶中。
注：有关萃取操作及硫酸镁作为干燥剂的使用方法，请参见附加资源24,25。 - 使用旋转蒸发仪在减压条件下除去乙醚溶剂。
- 取产物样品，采用 CDCl3 作为溶剂进行 1H 和 13C 核磁共振（NMR）波谱分析，并进行质谱分析。
注：有关核磁共振分析样品制备的详细信息，请参见附加资源24,25。
4. 用于仲醇和缺电子醇的碳二亚胺偶联反应
- 在50 mL圆底烧瓶中，加入(E)-肉桂酸（151 mg，1.02 mmol，1.2当量）、DMAP（312 mg，2.55 mmol，3当量）和EDC（244 mg，1.28 mmol，1.5当量）。向混合物中加入乙腈（15 mL）、二苯甲醇（157 mg，0.85 mmol，1当量）以及搅拌子。
注意：乙腈为易燃溶剂。 - 将烧瓶固定于支架上，在室温下搅拌反应24小时。将空气冷凝管插入烧瓶口，以减少溶剂挥发。
- 按照上述第2–3步所述进行萃取后处理和洗涤操作。
5. 长链或疏水性羧酸的碳二亚胺偶联反应
- 在50 mL圆底烧瓶中，加入癸酸（146 mg，0.85 mmol，1当量）、DMAP（312 mg，2.55 mmol，3当量）和EDC（244 mg，1.28 mmol，1.5当量）。向混合物中加入乙腈（15 mL）、二苯甲醇（157 mg，0.85 mmol，1当量）以及搅拌子。
注意：乙腈为易燃溶剂。 - 将烧瓶固定于支架上，在室温下搅拌反应24小时。在烧瓶口插入空气冷凝管，以减少溶剂挥发。若使用伯醇，则在40 °C水浴中搅拌反应1小时。
- 按照上述步骤2-3所述进行萃取后处理和洗涤操作。
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结果
采用乙腈中改进的施泰格利希酯化反应，随后进行酸碱萃取后处理，得到浅黄色油状的3-甲氧基苄基肉桂酸酯（8）（205 mg，产率90%），无需柱层析纯化。1H 和 13C NMR 谱图见图2，用于确认结构并表明纯度。
化合物9-17采用类似的方法合成（图3），产率为77-90%。所有化合物均通过1H和13C核磁共振波谱（NMR）以及高分辨质谱（HRMS）进行分析，NMR分析结果表明其纯度与3-甲氧基肉桂酸苄酯相当。化合物8-17的列表数据见表1。
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讨论
本文所述方法旨在通过采用更环保的溶剂体系并减少对柱层析的依赖，从而降低传统施特格利希酯化反应中与溶剂相关的危害8,9。使用乙腈替代干燥的氯化溶剂或二甲基甲酰胺（DMF），可实现相当的反应产率和反应速率22。
多个关键步骤可实现高效纯化产物，且无需使用柱层析。反应完成后，首先通过旋转蒸发除去乙腈。除去溶剂至关重要，因为乙腈与水互溶，会影响萃取和洗涤步骤中反应组分的分配。随后通过酸性洗涤步骤去除包括DMAP、EDC及尿素副产物在内的碱性杂质。任何残留的羧酸在碱性洗涤步骤中被除去。因此，所有试剂和杂质均可被去除，使酯保留在有机相中。随后进行干燥并除去溶剂，即可得到高产率的纯酯类产物。
为了提高仲醇或高度疏水性羧酸生成酯产物的收率，需要对实验方案进行调整。仲醇或缺电子醇的反应速率比伯醇慢，因此有必要提高反应温度（60 °C）或在室温下延长反应时间。此外，我们发现，如果羧酸...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究得到了西耶纳学院和本科生科研与创意活动中心的支持。我们感谢托马斯·休斯博士（Dr. Thomas Hughes）和克里斯托弗·科隆科博士（Dr. Kristopher Kolonko）提供的有益讨论，感谢阿莉西娅·巴贝拉女士（Ms. Allycia Barbera）在本方法学早期阶段所做的工作，以及西耶纳学院斯图尔特先进仪器与技术中心（Siena College Stewart's Advanced Instrumentation and Technology (SAInT) Center）提供的仪器资源支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 反式-肉桂酸 | Acros Organics | 158571000 | |
| 丁酸 | Sigma-Aldrich | B103500 | 注意：腐蚀性 |
| 己酸 | Sigma-Aldrich | 153745-100G | 注意：腐蚀性 |
| 癸酸 | Sigma-Aldrich | 21409-5G | 注意：腐蚀性 |
| 苯乙酸 | Sigma-Aldrich | P16621-5G | |
| 3-甲氧基苯甲醇 | Sigma-Aldrich | M11006-25G | |
| 二苯甲醇 | Acros Organics | 105391000 | 苯甲醇 |
| 氘代氯仿-d | Acros Organics | 166260250 | 99.8%，含1% v/v 四甲基硅烷，注意：有毒 |
| 正己烷 | BDH Chemicals | BDH1129-4LP | 注意：易燃 |
| 乙酸乙酯 | Sigma-Aldrich | 650528 | 注意：易燃 |
| 乙醚 | Fisher Scientific | E138-500 | 注意：易燃 |
| 乙腈 | Fisher Scientific | A21-1 | 符合ACS标准，>99.5%，注意：易燃 |
| 4-二甲氨基吡啶 | Acros Organics | 148270250 | 注意：有毒 |
| 硫酸镁 | Fisher Scientific | M65-3 | |
| 盐酸，1 M | Fisher Scientific | S848-4 | 注意：腐蚀性 |
| 氯化钠 | BDH Chemicals | BDH8014 | |
| 碳酸氢钠 | Fisher Scientific | S25533B | |
| 1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐 | Chem-Impex | 00050 | 注意：对皮肤和眼睛有刺激性 |
| 薄层色谱板 | EMD Millipore | 1055540001 | 铝背板 |
| 注：所有市售试剂和溶剂均直接使用，未经进一步纯化。 |
参考文献
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