在温和的反应条件下，使用固体酸催化剂将邻苯二甲酚（Guaiacol）与乙酸（Acetic Acid）进行C-酰基化反应

《ChemCatChem》：C-Acylation of Guaiacol with Acetic Acid Over Solid Acid Catalysts Under Mild Reaction Conditions

液相酰化反应中Aquivion PW87催化剂高效催化香草酚生成高选择性对羟基苯乙酮，机制涉及分子间酯转移而非Fries重排，水去除促进反应，催化剂可硝酸再生。

　　本研究探讨了在温和条件下，利用商业化的Aquivion PW87树脂作为催化剂，将木质素衍生的芳香化合物——愈疮木酚（Guaiacol，简称G）与乙酸（Acetic Acid，简称AA）进行直接酰化反应，从而生成高附加值的精细化学品。该反应的产物包括2-甲氧基苯基乙酸酯（MPA）和4-羟基-3-甲氧基乙酰苯酮（p-HMAP），其中p-HMAP具有显著的对位选择性，其对/邻位的摩尔比达到了26:1。相较于传统方法中使用更具危险性和高环境影响的酰化试剂，如酸酐或酰氯，本研究采用乙酸作为酰化试剂，不仅减少了有害物质的使用，还提升了反应的可持续性。通过结合实验与理论分析，我们揭示了该反应中酰化过程的机理，并进一步验证了其在绿色化学中的应用潜力。

### 反应的背景与意义

木质素是木质纤维素生物质的主要组成部分，其丰富的芳香化合物为合成燃料、聚合物和精细化学品提供了重要的原料来源。近年来，随着对可再生资源的重视，木质素的解聚技术得到了快速发展，包括热解、氢解和氧化裂解等方法。这些技术能够选择性地裂解木质素中的β-O-4键，从而得到含有多种酚类化合物的生物油，如愈疮木酚、愈疮木醇和香草醛等。其中，愈疮木酚因其高产量、化学多样性和广泛应用，成为木质素高值化研究的重点对象。

传统的酰化反应通常依赖于高活性的试剂，如酸酐或酰氯，并需要强酸催化剂，例如AlCl?、ZnCl?或H?SO?。然而，这些试剂的使用往往伴随着较高的资源消耗和环境风险，因此开发一种在温和条件下高效、可回收的异相催化剂显得尤为重要。虽然已有研究报道了使用酸酐对愈疮木酚进行酰化反应，但利用乙酸作为酰化试剂的研究仍较为有限。特别是，在温和条件下，乙酸通常被认为难以形成酰基阳离子，从而限制了其在酰化反应中的直接应用。然而，本研究通过设计特定的反应体系，实现了乙酸在液相中的有效利用，为木质素衍生芳香化合物的高值化提供了新的思路。

### 实验与催化性能分析

实验中，采用Aquivion PW87树脂作为催化剂，在120°C和常压下对愈疮木酚进行液相酰化反应。在未去除反应体系中水分的情况下，反应进行6小时后，愈疮木酚的转化率达到了13%，而主要产物MPA的产率达到了86%。然而，随着反应时间的延长，MPA的产率逐渐下降，同时p-HMAP的产率增加，这表明反应路径存在一定的顺序性。通过进一步去除反应中产生的水分，反应效率显著提升。例如，在100°C下，即使不使用脱水装置，愈疮木酚的转化率也达到了13%，而使用脱水装置后，MPA的产率进一步提高至89%，同时p-HMAP的产率略有上升。

此外，研究还探讨了催化剂用量、乙酸与愈疮木酚的摩尔比等因素对反应结果的影响。实验发现，减少催化剂用量能够显著提高MPA的产率，而增加乙酸的用量则有助于提高愈疮木酚的转化率。然而，过量的乙酸可能导致其他副产物的生成，如多元酰化化合物和碳损失，这在一定程度上限制了反应的选择性。因此，通过合理调控反应条件，可以在一定程度上优化产物分布，减少副产物的生成。

为了评估催化剂的性能，研究还进行了催化剂的再生测试。实验表明，经过硝酸溶液处理后的Aquivion PW87树脂能够有效恢复其催化活性，其再生后的p-HMAP产率稳定在6%左右，并且能够维持至少三个反应循环的活性。这一发现进一步证明了该催化剂的可回收性和环境友好性。

### 机理研究与理论分析

从机理角度来看，本研究发现，p-HMAP的形成并非源于传统的分子内重排（如Fries重排），而是通过分子间机制实现的。这意味着，MPA作为中间体，在反应中充当了有效的酰化试剂，通过与愈疮木酚之间的相互作用，促进了p-HMAP的形成。这一结论得到了电子结构计算的支持，表明MPA的酯基在酸性条件下能够与芳香环发生反应，从而形成具有更高选择性的p-HMAP。

通过比较不同反应条件下的产物分布，研究发现，MPA的形成路径与p-HMAP的生成路径存在显著的能量差异。具体而言，形成p-HMAP的过渡态能量比形成o-HMAP的更低，这解释了为何在相同反应条件下，p-HMAP的产率远高于o-HMAP。此外，研究还利用了密度泛函理论（DFT）进行模拟，以进一步探讨反应路径和能量变化。模拟结果表明，分子间反应机制能够更有效地稳定过渡态，并促进对位产物的形成。

### 副产物与反应的可持续性

在反应过程中，除了主要产物MPA和p-HMAP外，还检测到了一些副产物，如邻苯二酚及其衍生物。这些副产物的生成可能与愈疮木酚的脱甲基化或歧化反应有关。值得注意的是，随着反应时间的延长，副产物的生成比例逐渐增加，这可能与催化剂的失活有关。因此，通过去除反应体系中的水分，可以有效抑制副产物的形成，同时提高主产物的产率。

此外，研究还探讨了反应中碳损失的现象。在某些反应条件下，碳损失可达9%，这可能与催化剂表面的碳沉积有关。通过电子结构计算，研究发现，MPA在反应中可能通过形成碳化层而导致催化剂的失活。因此，优化反应条件，如控制催化剂用量和反应时间，是减少碳损失、提高催化剂稳定性的重要手段。

### 反应的扩展性与适用性

本研究不仅关注愈疮木酚的酰化反应，还探讨了该催化体系在其他芳香化合物上的应用。例如，通过将1,2-二甲氧基苯（作为木质素衍生化合物的模型）作为反应底物，研究发现，该体系同样能够实现高效的C-酰化反应，生成相应的对位酰化产物。这表明，Aquivion PW87催化剂具有良好的通用性，适用于多种芳香化合物的酰化反应。

然而，当使用1,2-二羟基苯作为底物时，反应主要倾向于O-酰化路径，这可能与底物的结构特性有关。因此，不同的底物结构对反应路径的选择性具有重要影响，这为未来设计更具选择性的催化体系提供了理论依据。

### 结论与展望

本研究的结果表明，通过使用Aquivion PW87树脂作为催化剂，可以在温和条件下实现愈疮木酚的高效酰化反应，并获得高选择性的p-HMAP产物。这一发现不仅为木质素衍生芳香化合物的高值化提供了新的方法，还为绿色化学的发展提供了重要的技术支持。此外，通过结合实验与理论分析，研究揭示了分子间反应机制在该过程中的关键作用，这为理解芳香化合物的酰化反应提供了新的视角。

未来的研究可以进一步优化反应条件，以提高催化剂的循环使用效率，并探索其在其他木质素衍生化合物中的应用潜力。此外，针对反应中副产物的形成机制，以及催化剂失活的原因，仍需进行更深入的分析，以期开发出更高效的催化体系。同时，可以考虑将该方法应用于工业生产，以实现更高规模的绿色化学反应。总之，本研究为木质素的高值化利用提供了新的思路，并展示了酸性催化剂在有机合成中的重要价值。