戊二酸單薄荷酯合成工藝的研究

陳 瑨，霍萃萌，代本才，侯大年，馬 偉，趙永德

(河南省科學(xué)院化學(xué)研究所，河南鄭州 450002)

0 引言

薄荷醇是人們最為熟悉的一種清涼劑，具有清涼、新鮮的感覺，而且價(jià)格便宜，因此在食品、醫(yī)藥、日化、煙草等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但其缺點(diǎn)也有很多:薄荷的味道十分明顯，揮發(fā)性強(qiáng)，瞬時(shí)作用強(qiáng)烈，并帶有苦味和刺激性氣味;用量低時(shí)清涼效果不明顯;幾乎不溶于水且不耐高溫，在一些需經(jīng)高溫處理的食品、香煙中使用就受到了限制。為了克服這些缺點(diǎn)，人們不斷對(duì)薄荷醇的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾而得多種新型涼味劑，應(yīng)用于不同的環(huán)境中［1］，特別是薄荷醇酯類的開發(fā)研究較多［2-6］。戊二酸單薄荷酯就是一種新型的清涼劑，單體本身幾乎無(wú)香氣，在口腔內(nèi)能產(chǎn)生清新持久的涼味，在皮膚上能產(chǎn)生清涼的感覺，無(wú)刺激性，可以用于食品、煙草及其它日化產(chǎn)品中。雖然國(guó)外對(duì)其有一些介紹［7-9］，但是目前國(guó)內(nèi)還沒有對(duì)其合成方法的文獻(xiàn)報(bào)道。戊二酸單薄荷酯的CAS號(hào)為220621-22-7，F(xiàn)EMA號(hào)為4006，已通過了美國(guó)FDA認(rèn)證，在我國(guó)也被批準(zhǔn)可以作為食品添加劑使用［10］。

戊二酸單薄荷酯是一種羧酸酯類化合物，其合成方法有以下幾種:羧酸與醇直接酯化，酯醇解，酰氯醇解，酸酐醇解及酰胺解等。本文以戊二酸酐和薄荷醇為原料，以DMAP為催化劑，直接反應(yīng)合成戊二酸單薄荷酯，并對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了篩選和優(yōu)化。

圖1 戊二酸單薄荷酯的合成

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

所用試劑均為化學(xué)純。

儀器:RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠);GC-6890A氣相色譜儀，F(xiàn)ID檢測(cè)器;FTS-60紅外光譜儀(Bio-Red);Thermo MSQ Plus電噴霧質(zhì)譜儀。

1.2 戊二酸單薄荷酯的合成方法

向100 mL三口燒瓶中加入薄荷醇7.81 g(0.05 mol)，戊二酸酐8.56 g(0.075 mol)、催化劑 0.61 g(薄荷醇的10%，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))及溶劑30 mL。磁力攪拌，油浴加熱至所需溫度，反應(yīng)10 h。反應(yīng)結(jié)束后，抽濾除去沉淀物，濾液用10%Na2CO3溶液及飽和食鹽水洗滌2次，有機(jī)層用無(wú)水Na2SO4干燥，脫溶得到淡黃色黏稠液體戊二酸單薄荷酯粗產(chǎn)品，反應(yīng)收率用氣相色譜儀進(jìn)行檢測(cè)。產(chǎn)品經(jīng)IR和MS分析，確認(rèn)為目標(biāo)產(chǎn)物。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)物物質(zhì)的量比對(duì)反應(yīng)的影響

選用薄荷醇為 0.05 mol，DMAP 0.61 g，氯仿 30 mL，溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間10 h，反應(yīng)物物質(zhì)的量比對(duì)反應(yīng)的影響見圖2。

圖2 戊二酸酐和薄荷醇物質(zhì)的量比對(duì)收率的影響

由圖2可見，反應(yīng)收率隨著戊二酸酐與薄荷醇物質(zhì)的量比的增大而增大，當(dāng)超過1.5∶1時(shí)，再增加戊二酸酐的用量，收率反而下降。因此，選擇戊二酸酐和薄荷醇的比例為1.5∶1合適。

2.2 催化劑對(duì)反應(yīng)的影響

選用薄荷醇 0.05 mol，戊二酸酐 0.075 mol，氯仿30 mL，溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間10 h，選擇不同的催化劑對(duì)反應(yīng)的影響見表1。

表1 不同催化劑對(duì)收率的影響

從表1可以看出，戊二酸酐與薄荷醇在沒有催化劑存在下也能發(fā)生反應(yīng)，只是收率很低，我們選擇了幾種堿做催化劑。使用催化劑之后，反應(yīng)收率都有較為明顯地提高，其中以DMAP的效果最好。DMAP是一種?；呋瘎绕鋵?duì)高位阻、低反應(yīng)活性的底物有較好的催化效果，且用量少，操作簡(jiǎn)便。因此，我們選擇DMAP作為反應(yīng)的催化劑。

2.3 溶劑對(duì)反應(yīng)的影響

選用薄荷醇 0.05 mol，戊二酸酐 0.075 mol，DMAP 0.61 g，溫度50 ℃，反應(yīng)時(shí)間10 h，不同溶劑對(duì)反應(yīng)的影響見表2。

表2 溶劑對(duì)收率的影響

根據(jù)反應(yīng)物戊二酸酐、薄荷醇及催化劑的溶解性，我們選擇了二氯乙烷、氯仿及甲苯三種反應(yīng)溶劑，從表2可以看出，幾種溶劑的效果差不多，相比之下甲苯做溶劑的收率要高些。

2.4 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響

選用薄荷醇 0.05 mol，戊二酸酐 0.075 mol，DMAP 0.61 g，甲苯30 mL，反應(yīng)時(shí)間 10 h，反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響見圖3。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

由圖3可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，收率不斷上升，綜合考慮，我們選擇了溶劑甲苯的回流溫度為110℃，此時(shí)反應(yīng)收率最高。

2.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

選用薄荷醇 0.05 mol，戊二酸酐 0.075 mol，DMAP 0.61 g，甲苯30 mL，溫度110 ℃，反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響見圖4。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響

由圖4可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，反應(yīng)收率也隨之升高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為10 h，收率達(dá)到最大，再增加反應(yīng)時(shí)間，收率趨于穩(wěn)定。綜合考慮我們選擇了反應(yīng)時(shí)間10 h。

2.6 催化劑用量對(duì)反應(yīng)的影響

選用薄荷醇 0.05 mol，戊二酸酐 0.075 mol，甲苯30 mL，回流反應(yīng)10 h，催化劑DMAP的用量對(duì)反應(yīng)的影響見圖5。

圖5 催化劑用量對(duì)產(chǎn)率的影響

由圖5可以看出，催化劑DMAP用量對(duì)反應(yīng)收率的影響較大，當(dāng)催化劑用量為薄荷醇的10%(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))時(shí)，反應(yīng)收率最大，之后再增加催化劑用量，反應(yīng)收率沒有太大變化，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，選擇催化劑用量為10%(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。

3 結(jié)論

戊二酸酐和薄荷醇在催化劑DMAP的作用下，以甲苯為溶劑，直接反應(yīng)生成戊二酸單薄荷酯，最佳反應(yīng)條件為:戊二酸酐和薄荷醇的物質(zhì)的量比為1.5∶1，110℃回流反應(yīng)10 h，催化劑用量為10%(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))，收率可以達(dá)到80%以上。

［1］吳奇林，李慶廷，肖友檢.涼味劑的研究進(jìn)展［J］.香精香料化妝品，2008(6):33-39.

［2］Jarboe C H.Smoking tobacco product and method of making the same:US，3111127［P］.1963-11-19.

［3］劉善宇，李浩亮，李書芳，等.微波輻射法合成單琥珀酸薄荷酯［J］.煙草科技，2012(6):48-51.

［4］Mold J D，Kallianos A G，Shelbume F A.Carbonate esters of flavorants:US，3419543［P］.1968-12-31.

［5］童志杰，鄭正春.L-乳酸薄荷酯的合成［J］.精細(xì)化工中間體，2008(3):45-46.

［6］任建新，穆曉麗，羅 嘉，等.硅酸薄荷酯的合成研究［J］.精細(xì)化工中間體，2010，40(1):37-39.

［7］Mane J M，Ponge J L.Coolant compositions:US，5725865［P］.1998-10-10.

［8］Grainger B T，Kleinhenz R J，Christensen G W.Oral sensory perception-affecting compositions containing dimethyl sulfoxide，complexes thereof and salts thereof:US，6365215［P］.2002-04-02.

［9］Dewis M L，Huber M E，Cossette M V.Menthyl half acid ester derivatives，processes for preparing same，and uses thereof for their cooling/refreshing effect in consumable materials:US，6884906［P］.2005-04-26.

［10］Erman M B，Snow J W，Lebedev M Y.Process for making monomenthyl esters:US，7247743［P］.2007-07-24.