檸檬醛合成紫羅蘭酮的工藝優(yōu)化

胡 鐵 王 燁 皮少鋒 孫漢洲 黎繼烈

HU Tie 1 WANG Ye 2 PI Shao－feng 2 SUN Han－zhou 2 LI Ji－lie 2

（1.廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 410208；2.經(jīng)濟(jì)林培育與保護(hù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中南林業(yè)科技大學(xué)），湖南 長沙 410004）

（1.Guangzhou Maritime Institute，Guangzhou，Guangdong 510725，China；2.Key Laboratory of Cultivation and Protection for Non－Wood Forest Trees （Central South University of Forestry and Technology），Ministry of Education，Changsha，Hunan 410004，China）

紫羅蘭酮是極其重要的調(diào)香原料，又名香堇酮，分子式為C13H20O［1］，它存在于高莖當(dāng)歸、合金歡大柱波羅尼花、西紅柿指甲花等多種植物中，因雙鍵位置不同而有α、β、γ3種同分異構(gòu)體，自然界多以α體，β體這兩種異構(gòu)的混合形式存在，γ－體較為少見。其中以α－紫羅蘭酮最具有紫羅蘭酮花香特性，香氣柔和淳厚，最為人們所喜愛，銷售價(jià)格也較高［2］；β－紫羅蘭酮?jiǎng)t是醫(yī)藥工業(yè)上合成維生素A的重要原料，也用于高檔級精細(xì)日用化妝品的調(diào)香劑和增香劑［3］。在食品行業(yè)中紫羅蘭酮常用作高檔食品、飲料的增香劑，是中國GB 2760－2011規(guī)定允許使用的食用香料，主要用以配制龍眼、樹莓、黑莓、櫻桃、柑橘等型香精。

紫羅蘭酮制備工藝多數(shù)是以檸檬醛或假紫羅蘭酮為關(guān)鍵中間體合成紫羅蘭酮［4－7］，其合成工藝根據(jù)環(huán)化時(shí)不同催化劑的選擇，歸納起來主要可以分為2種：① 無機(jī)酸催化環(huán)化法［8］，② 固體酸催化環(huán)化法［9，10］，這2種方法的紫羅蘭酮收率不高（為54%～70%［8－10］），且α－紫羅蘭酮含量較低，尚有很大的提升空間。因此本研究擬以氫氧化鈉為催化劑，通過檸檬醛與丙酮進(jìn)行羥醛縮合合成假紫羅蘭酮，再用磷酸催化環(huán)化得到紫羅蘭酮，旨在通過優(yōu)化合成反應(yīng)工藝條件，簡化處理過程，提高紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

檸檬醛：97%，湖南湘農(nóng)山香油脂香料有限責(zé)任公司；

丙酮、氫氧化鈉、冰醋酸、磷酸、碳酸氫鈉、甲苯：均為國產(chǎn)分析純試劑。

1.2 主要儀器

氣相色譜儀：Agilent 6890N型，美國安捷倫科技有限公司；

氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀：HP7890－HP 5975C型，美國安捷倫科技有限公司；

核磁共振波譜儀：Bruker Avance DRX 500型，德國布魯克公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品定量檢測 采用氣相色譜檢測，測式條件：HP－5石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25μm），程序升溫：柱初始溫度70℃，保持2 min，升溫速率3℃／min，升溫至180℃，升溫速率改為10℃／min，升溫至250℃，保持5 min，載氣為氮?dú)猓魉?5 m L／min，分流比50∶1，氣化室溫度250℃（FID）。

定量數(shù)據(jù)用峰面積歸一化法進(jìn)行計(jì)算，即：

式中：

Pi—— 組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

Ai—— 組分i的峰面積；

∑A——餾出峰的總面積。

1.3.2 樣品定性檢測 采用氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用法，測式條件：HP－5石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25μm），程序升溫：柱初始溫度70℃，保持2 min，升溫速率3℃／min，升溫至180℃，升溫速率改為10℃／min，升溫至250℃。質(zhì)譜EI源：70 eV，倍增器電壓：1 500 V，掃描范圍：33～500 m／z，全掃描方式。

1.3.3 樣品結(jié)構(gòu)鑒定 樣品結(jié)構(gòu)鑒定采用核磁共振檢測方法。核 磁 共 振 條 件 為1H NMR （500 MHz，CDCl3），13C NMR（125 MHz，CDCl3），以氘代三氯甲烷為溶劑，三甲基硅烷（TMS）為內(nèi)標(biāo)進(jìn)行測定，將樣品用氘代三氯甲烷溶解于核磁樣品管中，置于儀器中進(jìn)行掃描。

1.3.4 假紫羅蘭酮的合成 在1 000 m L的四口燒瓶中，按設(shè)定比例加入丙酮、NaOH和檸檬醛（檸檬醛30 min內(nèi)滴加完畢）。反應(yīng)完全后，反應(yīng)液用36%的冰醋酸溶液中和至p H＝6～7，回收丙酮，有機(jī)層用60 m L飽和食鹽水洗滌后減壓蒸餾，收集沸點(diǎn)為110～120℃（760 Pa）的餾分，得到假紫羅蘭酮樣品，定量定性分析試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.5 紫羅蘭酮的合成 在1 000 m L的四口燒瓶中，按設(shè)定比例加入假紫羅蘭酮、甲苯和85%H3PO4（H3PO4在60 min內(nèi)滴加完畢），控制反應(yīng)溫度反應(yīng)2 h。反應(yīng)完全后，冷卻至室溫，分出磷酸層，有機(jī)層用15%的Na HCO3溶液中和至p H＝6～7，再用60 m L飽和食鹽水洗滌，回收甲苯后，減壓蒸餾，收集沸點(diǎn)為121～129℃（1 330 Pa）的餾分，得到紫羅蘭酮樣品，定量定性分析試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 假紫羅蘭酮的合成

2.1.1 反應(yīng)溫度對假紫羅蘭酮收率的影響 按1.3.4的合成方法，考察反應(yīng)溫度對假紫羅蘭酮收率的影響，結(jié)果見圖1。當(dāng)反應(yīng)溫度低于40℃時(shí)，假紫羅蘭酮收率降低，因?yàn)榉磻?yīng)溫度較低時(shí)，催化劑的活性較低，反應(yīng)進(jìn)行得不完全。當(dāng)反應(yīng)溫度高于45℃時(shí)，由于反應(yīng)體系中反應(yīng)溫度過高，副反應(yīng)加劇，假紫羅蘭酮的收率降低。因此適宜的反應(yīng)溫度為40～45℃。

圖1 反應(yīng)溫度對假紫羅蘭酮收率的影響Figure 1 Effects of reaction temperature on the yield of pseudoionone

2.1.2 催化劑用量對假紫羅蘭酮收率的影響 按1.3.4的合成方法，考察催化劑用量對假紫羅蘭酮收率的影響，結(jié)果見圖2。當(dāng)NaOH用量為1%～3%時(shí)，假紫羅蘭酮收率隨催化劑用量的增加而增大。而當(dāng)NaOH用量高于3%時(shí)，堿濃度過高，導(dǎo)致假紫羅蘭酮進(jìn)一步縮合或發(fā)生其他副反應(yīng)產(chǎn)生高沸物，反應(yīng)收率降低。所以適宜的NaOH用量為3%。

圖2 催化劑用量對假紫羅蘭酮收率的影響Figure 2 Effects of catalyst dosage on the yield of pseudoionone

2.1.3 物料比n丙酮∶n檸檬醛對假紫羅蘭酮收率的影響 按1.3.4的合成方法，考察物料比對假紫羅蘭酮收率的影響，結(jié)果見圖3。當(dāng)n丙酮∶n檸檬醛（丙酮∶檸檬醛摩爾比）＜6時(shí)，假紫羅蘭酮收率降低，因?yàn)楸可俨蛔銜r(shí)，導(dǎo)致檸檬烯基檸檬酮、二檸檬烯基酮等副產(chǎn)物生成。此后再增加丙酮的用量，反應(yīng)收率基本保持不變。所以適宜的物料比n丙酮∶n檸檬醛為6∶1。

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對假紫羅蘭酮收率的影響 按1.3.4的合成方法，考察反應(yīng)時(shí)間對假紫羅蘭酮收率的影響，結(jié)果見圖4。假紫羅蘭酮的收率在3 h以內(nèi)，隨反應(yīng)時(shí)間的延長明顯增加，反應(yīng)3 h時(shí)，假紫羅蘭酮的收率達(dá)到最大值90.6%。繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)收率開始降低。因此適宜的反應(yīng)時(shí)間為3 h。

圖3 物料比對假紫羅蘭酮收率的影響Figure 3 Effects of material ratio on the yield of pseudoionone

圖4 反應(yīng)時(shí)間對假紫羅蘭酮收率的影響Figure 4 Effects of reaction time on the yield of pseudoionone

2.1.5 假紫羅蘭酮樣品結(jié)構(gòu)鑒定 采用核磁共振波譜儀和氣－質(zhì)聯(lián)用儀對所得的假紫羅蘭酮樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。樣品為淡黃色液體，1H NMR （500 MHz，CDCl3）δ：7.44～7.26（m，1H），6.08～6.05 （dd，J ＝15 Hz，1 H），6.02～6.98（d，J ＝7.5 Hz，1H），5.10～5.06 （m，1H），2.32～2.29（d，J＝7.5 Hz，1H），2.26～2.25（dd，J＝5Hz，3H），2.15～2.12 （d，J ＝9 Hz，4H），1.99～1.88 （dd，J ＝7 Hz，3H），1.67～1.66 （d，J ＝ 4.5 Hz，3H），1.60 （s，3H）；13C NMR （125 MHz，CDCl3）δ：151.23 （s，1C），151.17（s，1C），139.64 （s，1C），139.49 （s，1C），132.67 （s，1C），132.68 （s，1C），132.68 （s，1C），128.34 （s，1C），128.17（s，1C），124.57 （s，1C），123.65 （s，1C），123.17 （s，1C），123.09（s，1C），77.25（s，1C），77.00（s，1C），76.75（s，1C），40.38 （s，1C），32.94 （s，1C），27.45 （s，1C），27.30 （s，1C），26.79 （s，1C），26.23 （s，1C），25.64 （s，1C），24.58 （s，1C），17.66（s，1C），17.48 （s，1C）；GC－MS（E1，70 e V，m／z，圖5，圖6）：192（M＋，5），55（70），69（100），109（66）。樣品經(jīng)1H－NMR、13C NMR以及GC－MS確證該產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物假紫羅蘭酮。

2.1.6 假紫羅蘭酮組分分析 采用GC－MS法對假紫羅蘭酮試驗(yàn)樣品的組分進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5和圖6，假紫羅蘭酮樣品中主要組分為α－假紫羅蘭酮和β－假紫羅蘭酮，檸檬醛合成假紫羅蘭酮反應(yīng)的收率為90.6%。

圖5 假紫羅蘭酮的GC譜圖Figure 5 GC chromatograms of Pseudoionone

圖6 假紫羅蘭酮的質(zhì)譜圖Figure 6 MS chromatograms of Pseudoionone

2.2 紫羅蘭酮的合成

2.2.1 反應(yīng)溫度對紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性的影響 按1.3.5合成方法，考察反應(yīng)溫度對紫羅蘭酮收率的影響，結(jié)果見圖7。當(dāng)反應(yīng)溫度低于50℃時(shí)，紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性都較低，因?yàn)榉磻?yīng)溫度較低時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行得不完全。當(dāng)反應(yīng)溫度為50℃時(shí)，紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮的選擇性達(dá)到最大值。繼續(xù)升高反應(yīng)溫度反應(yīng)收率和選擇性開始下降，因?yàn)榉磻?yīng)溫度過高，反應(yīng)物或生成物發(fā)生了聚合反應(yīng)，導(dǎo)致副產(chǎn)物生成。因此適宜的反應(yīng)溫度為50℃。

圖7 反應(yīng)溫度對環(huán)化反應(yīng)的影響Figure 7 Effects of reaction temperature on Cyclization Reaction

2.2.2 催化劑用量對紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性的影響 按1.3.5的合成方法，考察催化劑用量對紫羅蘭酮收率的影響，結(jié)果見圖8。當(dāng)催化劑用量n假紫羅蘭酮∶n85%磷酸（假紫羅蘭酮∶85%磷酸摩爾比）＞1∶3時(shí)，紫羅蘭酮的反應(yīng)收率和α－紫羅蘭酮選擇性較低，因?yàn)榇呋瘎┯昧枯^少時(shí)，導(dǎo)致催化環(huán)化的反應(yīng)速率太慢，反應(yīng)不完全。當(dāng)催化劑用量n假紫羅蘭酮∶n85%磷酸＜1∶3時(shí)，紫羅蘭酮的反應(yīng)收率和α－紫羅蘭酮選擇性開始降低，因?yàn)榇呋瘎┯昧刻鄷r(shí)，導(dǎo)致副反應(yīng)發(fā)生。因此適宜的催化劑用量為n假紫羅蘭酮∶n85%磷酸＝1∶3。

圖8 催化劑用量對環(huán)化反應(yīng)的影響Figure 8 Effects of catalyst dosage on Cyclization Reaction

2.2.3 反應(yīng)時(shí)間對紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性的影響 按1.3.5的合成方法，考察反應(yīng)時(shí)間對紫羅蘭酮收率的影響，結(jié)果見圖9。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間少于2 h時(shí)，由于反應(yīng)時(shí)間不夠，導(dǎo)致反應(yīng)不充分，雖然反應(yīng)的選擇性較好，但是紫羅蘭酮收率太低；當(dāng)延長反應(yīng)時(shí)間時(shí)，由于副產(chǎn)物增多，紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性開始下降。因此適宜的反應(yīng)時(shí)間為2 h。

圖9 反應(yīng)時(shí)間對環(huán)化反應(yīng)的影響Figure 9 Effects of reaction time on Cyclization Reaction

2.2.4 紫羅蘭酮樣品結(jié)構(gòu)鑒定 采用核磁共振波譜儀和氣－質(zhì)聯(lián)用儀對所得的紫羅蘭酮樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。樣品為淺黃 色 液 體：1H NMR （400 MHz，CDCl3）δ：1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ：1.27～1.19 （m，1H），1.51～1.42（m，1H），1.57 （s，1 H），1.77 （s，1H），3.13～3.07 （m，1 H），6.68～6.58（m，1H），6.16～6.08（m，1H），6.05（d，J ＝15.82 Hz，1H），5.50（s，1 H），2.34～2.20 （m，1H），2.11～2.00（m，1H），2.16～2.11 （m，1 H），1.64 （s，1H），7.40～7.35（m，1H），7.33～7.28 （m，1H），7.28～7.23 （m，1H），0.86（s，1H），0.93 （s，1H），1.07 （d，J ＝1.81 Hz，1H）；GC－MS（E1，70 e V，圖10、11）m／z）：192（M＋，8），55（70），69（100），109（54），124（16）。樣品經(jīng)1H－NMR、GC－MS確證該產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物紫羅蘭酮。

2.2.5 紫羅蘭酮組分分析 采用GC－MS法對紫羅蘭酮試驗(yàn)樣品的組分進(jìn)行分析，結(jié)果見圖10、11，紫羅蘭酮樣品中α－紫羅蘭酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)81.4%，β－紫羅蘭酮的含量為15.6%。假紫羅蘭酮環(huán)化合成紫羅蘭酮收率89.8%，檸檬醛合成紫羅蘭酮兩步反應(yīng)的總收率為81.4%。

圖10 紫羅蘭酮的GC譜圖Figure 10 GC chromatograms of ionone

圖11 紫羅蘭酮的質(zhì)譜圖Figure 11 MS chromatograms of ionone

3 結(jié)論

以檸檬醛為原料，經(jīng)過假紫羅蘭酮中間體合成紫羅蘭酮。通過反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間，NaOH用量、丙酮與檸檬醛的物料比對假紫羅蘭酮收率的影響試驗(yàn)，獲得了以檸檬醛為原料，合成假紫羅蘭酮中間體的最適工藝條件，假紫羅蘭酮的收率為90.6%；通過反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及催化劑用量對紫羅蘭酮收率、α－紫羅蘭酮選擇性的影響試驗(yàn)，獲得了假紫羅蘭酮環(huán)化合成紫羅蘭酮最適工藝條件，紫羅蘭酮收率為89.8%，其中α－紫羅蘭酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)81.4%，β－紫羅蘭酮的含量為15.6%。檸檬醛合成紫羅蘭酮兩步反應(yīng)的總收率81.4%。

從工藝優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果來看，檸檬醛合成紫羅蘭酮兩步反應(yīng)的總收率比較高，α－紫羅蘭酮選擇性好，達(dá)到工藝簡化、產(chǎn)品質(zhì)優(yōu)、降低成本的目的，可以為生產(chǎn)過程放大提供工藝數(shù)據(jù)參考。

1 余紅霞，王植.用山蒼子油合成α－紫羅蘭酮和β－紫羅蘭酮的研究［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，18（2）：39～41.

2 陳立軍，張心亞，黃洪，等.高純度β－紫羅蘭酮的制備方法［J］.香料香精化妝品，2005（3）：29～32.

3 黃喜根，劉曉庚.由山蒼子油合成甲基紫羅蘭酮［J］.化學(xué)世界，2003，44（8）：422～425.

4 唐健.紫羅蘭酮的合成及應(yīng)用［J］.化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2007，5（1）：43～45.

5 許海紅，郭岱石，蔣淇忠，等.硫酸根促進(jìn)的純硅MCM－41催化假性紫羅蘭酮環(huán)化合成紫羅蘭酮的性能［J］.催化學(xué)報(bào)，2006，27（12）：1 084～1 086.

6 周襲非，于群，郭威.假性紫羅蘭酮合成條件［J］.遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（3）：237～240.

7 趙振華，鄒雙國.Na HSO4催化假性紫羅蘭酮合成紫羅蘭酮［J］.合成化學(xué)，2004，12（6）：589～590.

8 吳琴芬，劉燕燕，祝志武，等.紫羅蘭酮的合成研究［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（3）：221～226.

9 李春波，馬紫峰，沈旻，等.SO／Zr O2－HZSM－5固體超強(qiáng)酸催化環(huán)化制β－紫羅蘭酮［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2003，17（4）：442～446.

10 唐斯萍，向瑞軍.TiO2－Sb2O3／SO催化合成紫羅蘭酮［J］.湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，29（8）：66～67.