吐納麝香合成及工藝優(yōu)化

吳秀芹,鄧瑞雪,劉 普,尹衛(wèi)平

(河南科技大學(xué)化工與制藥學(xué)院,河南洛陽 471003)

0 前言

吐納麝香是一種高檔的日用型調(diào)香香料[1],具有良好的麝香香氣[2],廣泛用于肥皂、化妝品[3-4]、香水和浴油中[5]。文獻(xiàn)[6-9]報道吐納麝香的合成為兩步反應(yīng)法:首先是在無水 AlCl3催化下由傘花烴(PCM)或傘花烯與六碳的烯烴或醇反應(yīng)生成中間體 1,1,3,4,4,6-六甲基四氫化萘(HMT),然后, HMT和乙酰氯通過?；磻?yīng)生成 7-乙?；?1,1,3,4,4,6-六甲基四氫化萘即吐納麝香(AHMT)[10]。在整個吐納麝香的全合成中,第一步中間體(HMT)的合成產(chǎn)率,是決定該產(chǎn)品合成的關(guān)鍵步驟[11-12]。目前關(guān)于吐納麝香的合成,有廣泛文獻(xiàn)報道[11-12],尤其在國內(nèi),吐納麝香香料的工業(yè)化生產(chǎn)仍是亟待解決的問題之一。本文基于該品種國內(nèi)外市場需求,考察了該產(chǎn)品中間體 HMT合成中的影響因素,對催化劑組成、反應(yīng)時間、溶劑化效應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化,仍然采用兩步合成法,探索出了一種成本低、收率高、易操作的吐納麝香合成方法。研究結(jié)果為我國吐納麝香的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 原料與主要儀器

對異丙基甲苯購自廈門鑫皇化工有限公司;2,3-二甲基-1-丁烯購自大連凱飛化學(xué)股份有限公司;叔丁基氯購自中山凱豐化工貿(mào)易有限公司;濃硫酸購自天津申泰化學(xué)試劑有限公司;無水三氯化鋁,環(huán)己烷,二氯甲烷,乙酰氯等。以上試劑均為分析純。

CP-3800高效氣相色譜儀購自美國Varian公司;RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀購自上海亞榮生化儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 中間體HMT的合成

在裝有恒壓滴液漏斗、溫度計的250m L三口燒瓶中加入0.3 g濃H2SO4,72 g環(huán)己烷,劇烈攪拌下將3.5 g無水AlCl3分批加入。保持反應(yīng)在2025℃,將67 g對異丙基甲苯、21 g的2,3-二甲基-1-丁烯、25 g叔丁基氯反應(yīng)原料混合均勻后,用恒壓滴液漏斗將反應(yīng)混合液在 1 h內(nèi)滴加到反應(yīng)液中,用TLC或GC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程,繼續(xù)反應(yīng)10m in即達(dá)到反應(yīng)終點。將反應(yīng)物倒入冰鹽浴中,攪拌0.5 h,用環(huán)己烷萃取后,合并有機(jī)層。有機(jī)層經(jīng)10%Na2CO3溶液、H2O洗滌至中性后,用無水Na2SO4干燥。旋蒸回收溶劑,在減壓(115120℃/35 mmHg)下蒸除未反應(yīng)的原料對異丙基甲苯后,得到中間體HMT 48 g,產(chǎn)率為86%。

1.2.2 產(chǎn)品AHMT的合成

在裝有恒壓滴液漏斗、溫度計的250mL三口燒瓶中,將50mL的CH2Cl2,35 g的無水AlCl3在劇烈攪拌下被分批加入。將上步反應(yīng)得到的中間體48 g HMT、20 g乙酰氯和50mLCH2Cl2混合攪拌至完全溶解后,用恒壓滴液漏斗緩慢滴加到反應(yīng)液中。溫度保持在 05℃,用 TLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程。至反應(yīng)終止后,將反應(yīng)液倒入冰鹽浴中,加幾滴濃鹽酸,攪拌0.5 h后,再用 CH2Cl2萃取后,合并有機(jī)層。有機(jī)層分別用飽和Na2CO3溶液,飽和NaCl溶液洗滌至中性后,無水Na2SO4干燥。旋蒸回收溶劑后得到粗品吐納麝香AHMT 45 g,產(chǎn)率為95%。

粗產(chǎn)品AHMT的純化:粗品AHMT 45 g加入無水乙醇加熱溶解后,緩慢降溫至0℃,放置24 h,析出白色固體,減壓抽濾并烘干后得到產(chǎn)品 38 g,熔點為 5556℃,純度 ＞95%,收率為 85%。

1.2.3 產(chǎn)品分析方法

氣相色譜采用Wcot Fused Silica毛細(xì)管柱(25 m×0.32mm×0.20μm),程序升溫為80℃(1min)150℃(3.5 min),面積歸一法定量,進(jìn)樣量0.2μL,不分流,氣化溫度 280℃,檢測器溫度 280℃,氮氣流速3.00mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 中間體HMT的合成

2.1.1 催化劑的選擇

合成中間體HMT多用無水AlCl3或濃H2SO4作催化劑。但單一使用一種催化劑副產(chǎn)物多,產(chǎn)率也很低(見圖1)。根據(jù)該碳正離子反應(yīng)機(jī)理,HMT合成產(chǎn)率與碳正離子中間體的穩(wěn)定性有關(guān)。本文采用了lewis酸和無機(jī)強酸混合使用,即通過改變催化劑的組成,目的是加速反應(yīng)中間體的碳正離子的形成或增大碳正離子的穩(wěn)定性,使得對異丙基甲苯與 2,3-二甲基-1-丁烯發(fā)生親電加成時,有利于加成成環(huán)反應(yīng),從而避免了碳正離子重排的副反應(yīng),有效提高了反應(yīng)主產(chǎn)物的產(chǎn)率。實驗證明:當(dāng)催化劑組成的摩爾比為n(無水AlCl3)∶n(濃H2SO4)=10∶1時,催化劑與反應(yīng)原料摩爾比為n(無水AlCl3)∶n(2,3-二甲基-1-丁烯)=0.1∶1時,產(chǎn)率最高(見圖2)。

圖1 無水AlCl3催化下的HMT合成的氣相色譜圖

2.1.2 反應(yīng)溶劑的選擇和用量

(1)反應(yīng)溶劑的選擇

付-克烷基化反應(yīng)的溶劑通常用烴類化合物和鹵化物。在反應(yīng)溫度為 2025℃時,原料比 n (2,3-二甲基-1-丁烯):n(對異丙基甲苯)∶n (叔丁基氯)=1∶2∶1.1不變的情況下,分別考察了二氯甲烷和環(huán)己烷兩種溶劑對產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明:使用環(huán)己烷作溶劑,產(chǎn)率為57%;而用二氯甲烷作溶劑時,產(chǎn)率僅為 31%,而且反應(yīng)副產(chǎn)物多,產(chǎn)品純度低。故該合成反應(yīng)溶劑選用環(huán)己烷。

圖2 無水AlCl3與H2SO4混合催化下的HMT氣相色譜圖

(2)反應(yīng)溶劑的用量

該反應(yīng)的原料對異丙基甲苯采用過量。溶劑的量對反應(yīng)產(chǎn)率也有影響。實驗表明:隨著溶劑環(huán)己烷的量的增加,產(chǎn)率會提高;然而當(dāng)溶劑與反應(yīng)物的摩爾比為n(環(huán)己烷)∶n(2,3-二甲基-1-丁烯)=3.5∶1時,產(chǎn)率達(dá)到平衡(見表1)。所以合成中確定溶劑與反應(yīng)物的摩爾比為n(環(huán)己烷)∶n(2,3-二甲基-1-丁烯)=3.5∶1。

表1 溶劑環(huán)己烷和原料2,3-二甲基-1-丁烯摩爾比對中間體HMT合成收率的影響

2.1.3 反應(yīng)時間的影響

付-克烷基化反應(yīng)中形成的碳正離子通常不穩(wěn)定,容易發(fā)生碳正離子的重排,生成重排副產(chǎn)物,而降低主產(chǎn)物的產(chǎn)率。此外,付-克烷基化反應(yīng)是個可逆反應(yīng),因此延長反應(yīng)時間會降低反應(yīng)產(chǎn)率。實驗中用薄層色譜和高相氣相色譜檢測追蹤反應(yīng)進(jìn)程,考察了反應(yīng)物滴加時間對中間體 HMT合成產(chǎn)率的影響。當(dāng)?shù)渭訒r間分別為0.5 h,1 h,1.5 h,2 h,2.5 h,3.0 h時,中間體HMT的產(chǎn)率分別為42.0%,53.6%, 44.2%,39.2%,37.8%,38.0%。隨著上述反應(yīng)時間的延長,反應(yīng)副產(chǎn)物增多,導(dǎo)致主產(chǎn)物產(chǎn)率降低,這是該合成反應(yīng)中影響產(chǎn)率的主要因素。因此實驗確定,該反應(yīng)物的滴加時間為 1 h,然后繼續(xù)反應(yīng) 10 min即達(dá)到反應(yīng)的終點。然而以往所有文獻(xiàn)報道,中間體HMT的合成都在4 h左右。

2.2 產(chǎn)品吐納麝香AHMT的合成與純化

如1.2.2中實驗步驟所示,中間體 HMT與乙酰氯發(fā)生付克酰基化反應(yīng),一步生成產(chǎn)品吐納麝香AHMT。該步反應(yīng)副產(chǎn)物少,產(chǎn)率較高。然而產(chǎn)品的純化是決定最終產(chǎn)品收率的關(guān)鍵。吐納麝香的提純一般采用減壓精餾和重結(jié)晶兩步操作,由于AHMT沸點較高(230℃),而減壓精餾需要較高的溫度和真空度,工業(yè)生產(chǎn)耗能較大,對設(shè)備的要求高。另一方面,蒸餾溫度過高,產(chǎn)物容易碳化,影響產(chǎn)品產(chǎn)率和純度。本實驗采用無水乙醇低溫結(jié)晶法,將產(chǎn)品粗品熱溶解在無水乙醇中,緩慢降溫至 0℃,待白色固體析出,抽濾烘干后得到純品,純度 ＞95%,產(chǎn)率總計達(dá) 80%。

3 結(jié)論

綜上所述,對吐納麝香的合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究,通過改變催化劑的組成,中間體HMT合成反應(yīng)時間從原來的文獻(xiàn)報道的4 h縮短到70min;最終產(chǎn)品AHMT用飽和無水乙醇低溫結(jié)晶法,取代了原有的減壓精餾和重結(jié)晶操作。因此,該合成工藝具有單元操作簡單,反應(yīng)平穩(wěn)快速,產(chǎn)品易于純化以及收率高的特點,研究結(jié)果為我國吐納麝香的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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