新型潛香化合物2,3-吡嗪二羧酸薄荷醇酯的熱裂解分析

來 苗，趙博亞，姬小明，付培培，包曉容，趙銘欽

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030024)

吡嗪類化合物作為重要的精細(xì)化工原料，主要用于醫(yī)藥[1-3]、農(nóng)藥[4]、合成材料[5]、食品添加劑[6-9]和煙用香料[10-12]等領(lǐng)域。早在1984年，就已從天然食品中，或者食品在發(fā)酵、煮、炒過程中檢測(cè)出近百種吡嗪類化合物。其中，大多數(shù)化合物具有強(qiáng)烈的特征性香味，如乙酰基吡嗪、烷基吡嗪和甲氧基吡嗪[13]等，但這些低分子吡嗪類化合物都存在香氣揮發(fā)性強(qiáng)、閾值低和留香不持久等問題。具有薄荷清涼感的食用調(diào)料薄荷醇[14]也存在同樣的問題，所以它們都不能很好地運(yùn)用到煙草配方中。

熱裂解-氣相色譜/質(zhì)譜(Py-GC/MS)法具有樣品用量少、分離效能高和重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)[15-16]，能有效地模擬卷煙的真實(shí)燃燒過程。孫川等[17]利用該方法對(duì)麻漿卷煙紙的熱解產(chǎn)物進(jìn)行了定性和半定量分析，為開發(fā)低焦油、低危害的煙草制品提供了可靠的依據(jù)；另外，該方法也可用于預(yù)測(cè)卷煙燃燒產(chǎn)物的裂解轉(zhuǎn)移規(guī)律和熱裂解機(jī)理[18-22]。

本研究以2,3-吡嗪二羧酸和薄荷醇為原料，在N,N′-二環(huán)己基碳酰亞胺(DCC)/4-二甲氨基吡啶(DMAP)的條件下，將具有焦烤香、堅(jiān)果香和巧克力香味特征的吡嗪環(huán)骨架引入薄荷醇分子中，合成潛香化合物2,3-吡嗪二羧酸薄荷酯，并采用Py-GC/MS法對(duì)2,3-吡嗪二甲酸薄荷醇酯在300、600、900 ℃下產(chǎn)生的裂解產(chǎn)物進(jìn)行分析，探討其裂解機(jī)理，以期為2,3-吡嗪二甲酸薄荷醇酯在卷煙加香中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

1290LC-6540 Accurate Mass Q-TOF質(zhì)譜儀、7890A/5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、Gemini E雙光源X射線單晶衍射儀：均為美國Agilent公司產(chǎn)品；Nicolet IR200傅里葉變換紅外光譜儀：美國Thermo-Fisher公司產(chǎn)品；WC-1型顯微熔點(diǎn)儀(溫度計(jì)未校正)：瑞士Büchi公司產(chǎn)品； DPX-400型超導(dǎo)核磁共振儀：瑞士Bruker公司產(chǎn)品；CDS Pyrobe5000熱裂解儀：美國CDS公司產(chǎn)品；STA409PC同步熱分析儀：德國Netzsch公司產(chǎn)品；JA2003N電子天平(感量0.000 1 g)：上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 材料與試劑

2,3-吡嗪二羧酸(分析純)：成都格雷西亞化學(xué)技術(shù)有限公司產(chǎn)品；薄荷醇(分析純)：河南省新鄭金葉香料有限公司產(chǎn)品；無水乙醚(分析純)：洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；四氫呋喃(分析純)：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；DCC、DMAP(化學(xué)純)：上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1目標(biāo)化合物的制備 稱取0.252 g化合物a和0.619 g DCC于50 mL圓底燒瓶中，以四氫呋喃為溶劑，常溫?cái)嚢? h；然后加入0.491 g化合物b和183 mg DMAP，反應(yīng)12 h后，靜置，抽濾；濾液濃縮后加入無水乙醚去除雜質(zhì)(2次)，抽濾除去DCC的副產(chǎn)物，濾液濃縮；粗產(chǎn)物經(jīng)石油醚-乙酸乙酯(25∶1，V/V)硅膠柱層析分離，重結(jié)晶得目標(biāo)化合物c(2,3-吡嗪二羧酸薄荷酯，無色晶體)，產(chǎn)率為46%。目標(biāo)化合物的合成路線示于圖1。

圖1 目標(biāo)化合物的合成路線Fig.1 Synthesis route of the target compound

1.3.2同步熱穩(wěn)定性分析條件 稱取約10 mg目標(biāo)化合物，在以光譜純Al2O3為參考物質(zhì)，靜態(tài)空氣氣氛，流速為60 mL/min，加熱速率為10 ℃/min，Al2O3坩堝，溫度范圍為30～900 ℃的條件下，同步測(cè)定目標(biāo)化合物的熱重分析(TG)曲線、差示掃描量熱分析曲線(DSC)和微分熱重分析曲線(DTG)。

1.3.3實(shí)驗(yàn)條件 熱裂解條件：稱取約0.1 mg合成的目標(biāo)化合物，放入專用石英裂解管中，兩端塞入適量的石英棉，將石英裂解管放入熱解頭中，再置于已調(diào)節(jié)好預(yù)定溫度的裂解爐中旋緊螺栓，然后在設(shè)定好的系列溫度下進(jìn)行瞬間裂解，裂解產(chǎn)物由氦氣直接導(dǎo)入GC/MS儀中分離和鑒定。裂解溫度分別為300、600和900 ℃，保持10 s，裂解爐壓力為1.03×106Pa，裂解氛圍為空氣。

色譜條件：DB-5MS石英毛細(xì)管色譜柱(50 m×250 μm×0.25 μm)；進(jìn)樣口溫度250 ℃；升溫程序?yàn)橹鶞?0 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升至250 ℃，保持10 min；載氣(He)流速1 mL/min；分流比50∶1。

質(zhì)譜條件：電子轟擊(EI)離子源，電子能量70 eV，傳輸線溫度280 ℃，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，質(zhì)量掃描范圍m/z30～400，溶劑延遲3.6 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定

圖2 目標(biāo)化合物的晶體結(jié)構(gòu)Fig.2 Crystal structure of the target compound

經(jīng)X射線單晶衍射分析確定目標(biāo)化合物屬斜方晶系(或稱正交晶系)，晶體結(jié)構(gòu)示于圖2。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)為：m.p.140.1～143 ℃；1H NMR(400 MHz，CDCl3)，δ：0.83(d，6H，J=6.92 Hz，2CH3)，0.90～0.93(m，8H，2CH3—CH)，0.95(d，6H，J=6.05 Hz，2CH3)，1.09～1.26(m，4H，2CH2)，1.52～1.61(m，4H，2CH2)，1.71～1.77(m，4H，2CH2)，1.98～2.05(m，2H，2CH)，2.20～2.24(m，2H，2CH)，5.02～5.09(m，2H，2CH)，8.74(s，2H，2CH—N)；13C NMR(100 MHz，CDCl3)，δ：16.25，20.79(CH3)，22.01(CH2)，23.34，26.01(CH)，31.54，34.18(CH2)，40.38，46.94(CH)，145.11(N=C)，145.61(CH=N)，164.10(COOR)；IR(KBr)，v/cm-1； 2 959(v(C-H)： —CH3，—CH2—)，2 871(v(C-H)：—CH3，—CH2—)，1 738(v(O=C-OR))，1 457(v(Py環(huán)))，1 292(v(Py環(huán)))，1 150(v(Py環(huán)))，1 088(v(Py環(huán)))；HRMS：[M+Na]+467.288 7(calcd. 467.288 0)。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果與預(yù)期的目標(biāo)化合物理論數(shù)據(jù)一致，因此可以確定所得的化合物c為目標(biāo)化合物。

2.2 目標(biāo)化合物的同步熱穩(wěn)定性分析

目標(biāo)化合物的TG-DTG-DSC曲線示于圖3。從圖中可以看出，目標(biāo)化合物有兩次明顯的吸熱階段，即在143.9 ℃時(shí)出現(xiàn)第一次吸熱過程，同時(shí)TG-DTG曲線顯示其質(zhì)量并未發(fā)生明顯的變化，由此判斷這是發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的相變過程；在315.9 ℃時(shí)出現(xiàn)第二次吸熱過程，并且吸熱峰的峰形較寬，在268.5～334.9 ℃溫度范圍內(nèi)的失重率最大，隨后曲線趨于平穩(wěn)，說明目標(biāo)化合物基本分解完全。由此推斷，在主要熱失重區(qū)間的目標(biāo)化合物發(fā)生熱裂解和揮發(fā)失重[23]，并且伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程；從兩次吸熱過程可以判定，目標(biāo)化合物的熔融溫度為140.9 ℃，裂解溫度為315.9 ℃。

2.3 目標(biāo)化合物的熱裂解產(chǎn)物分析

對(duì)于一個(gè)典型的卷煙燃燒過程，其燃燒錐中心處于無氧裂解狀態(tài)，溫度通常在700～900 ℃之間，裂解區(qū)的周圍溫度在400～700 ℃之間，靠近抽吸端的蒸餾區(qū)溫度一般低于400 ℃[24]。在裂解過程中設(shè)定不同溫度可在一定程度上模擬卷煙燃燒過程，為此，選取具有代表性的300、600和900 ℃卷煙燃燒溫度進(jìn)行分析，以模擬目標(biāo)化合物在卷煙中的燃燒裂解過程，3個(gè)溫度分別代表揮發(fā)性物質(zhì)開始進(jìn)入煙氣、煙草開始燃燒和抽吸時(shí)最高溫度[25]。通過NIST05a.L質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫，采用面積歸一化法對(duì)其熱裂解產(chǎn)物進(jìn)行定性和半定量分析，結(jié)果列于表1。

由表1可知，裂解共得到了46種產(chǎn)物，在3個(gè)裂解溫度下，目標(biāo)化合物可能發(fā)生了酯鍵斷裂、取代、環(huán)化、芳構(gòu)化、氧化和重排反應(yīng)等，并且裂解產(chǎn)物也可能隨著溫度的升高而發(fā)生進(jìn)一步的反應(yīng)。在300 ℃下，裂解主要產(chǎn)生乙酸、苯甲醛、環(huán)己烯和薄荷醇等16種物質(zhì)，其中乙酸占總含量的21.64%，苯甲醛占13.08%，薄荷醇占6.43%；在600 ℃下，裂解主要產(chǎn)生吡嗪、異松油烯、薄荷烯和薄荷醇等28種物質(zhì)，其中吡嗪占總含量的16.31%，薄荷烯占50.65%，異松油烯占4.15%；在900 ℃下，裂解主要產(chǎn)生吡嗪、2-甲基吡嗪、薄荷烯和薄荷醇等19種物質(zhì)，其中吡嗪占總含量的15.05%，薄荷烯占58.88%。

由此可見，在3個(gè)裂解溫度下，主要形成了苯甲醛、薄荷烯、薄荷醇、異松油烯和吡嗪等有香味特征的物質(zhì)。其中，薄荷醇存在于3個(gè)裂解溫度下，說明在300 ℃時(shí)酯鍵已經(jīng)開始斷裂形成薄荷醇，但隨著裂解溫度的升高，薄荷醇的相對(duì)百分含量呈下降的趨勢(shì)，而薄荷烯的相對(duì)百分含量呈上升的趨勢(shì)。薄荷烯有微弱的麝香味，吡嗪有爆米花香味，異松油烯有檸檬氣味，它們都存在于烤煙煙葉中；薄荷醇具有清涼止癢、治愈頭疼咽喉炎癥的作用，也大量用于香煙中。這些香味物質(zhì)能調(diào)和卷煙煙香、緩和刺激性，對(duì)卷煙主流煙氣有修飾和改善的作用。

圖3 目標(biāo)化合物的TG-DTG-DSC曲線Fig.3 TG-DTG-DSC curves of the target compound

序號(hào)tR/min裂解產(chǎn)物匹配度/%相對(duì)百分含量/%300℃600℃900℃139687乙酸Aceticacid8620454808957241334乙酸乙酯Ethylacetate88060805056347751環(huán)己烯Cyclohexene93133939450265三甲基亞甲基環(huán)丙烷Trimethylmethylene?cyclopropane9102982552823吡嗪Pyrazine911575841279976533嘧啶1，3?Diazine861713702458754644吡啶Pyridine8714092857158甲苯Toluene945668470957961147己醛Hexanal802322410630542?甲氧基嘧啶2?Methoxy?pyrimidine810128511650492?甲基吡嗪2?Methyl?pyrazine900349412662622?庚炔2?Heptyne890461113675631，4?二亞甲基環(huán)己烷1，4?bis(Methylene)?cyclohexane90014781470945乙苯Ethylbenzene930235809051572419對(duì)二甲苯p?Xylene970435408763167593蘇合香烯Styrene960386825821776494環(huán)己酮Cyclohexanone95137133027871881046枯烯(1?Methylethyl)?benzene90153470775619826932?環(huán)己烯?1?酮2?Cyclohexen?1?one91329292087896苯甲醛Benzaldehyde971236422188503異松油烯1?Methyl?4?(1?methylethylidene)?cyclohexene974011122894563?亞乙基環(huán)庚烯3?Ethylidenecycloheptene902611507123911911?甲基?4?異亞丙基?環(huán)己烷96708381?Methyl?4?(1?methylethylidene)?cyclohexane2491494薄荷烯4?Methyl?1?(1?methylethyl)?cyclohexene954894335007462592968(R)?4?甲基?1?異丙基?環(huán)己烯8613803(R)?4?Methyl?1?(1?methylethyl)?cyclohexene2693271辛醛Octanal90136782793879間乙烯基甲苯1?Ethenyl?3?methyl?benzene87129552896567α?萜品烯1?Methyl?4?(1?methylethyl)?1，3?cyclohexadiene970770229978231?甲基?2?異丙基苯1?Methyl?2?(1?methylethyl)?benzene97476853097824鄰異丙基甲苯1?Methyl?2?(1?methylethyl)?benzene951233331986041?甲基?3?異丙基苯1?Methyl?3?(1?methylethyl)?benzene87049473298648(1α，3α，6α)?3，7，7?三甲基?二環(huán)[410]庚烷9604078(1α，3α，6α)?3，7，7?Trimethyl?bicyclo[410]heptane

續(xù)表1

2.4 目標(biāo)化合物可能的裂解機(jī)理

結(jié)合Py-GC/MS分析，初步探討了目標(biāo)化合物的裂解機(jī)理，其可能的裂解途徑示于圖4。

圖4 目標(biāo)化合物可能的裂解機(jī)理Fig.4 Possible fragmentation mechanism of the target compound

3 結(jié)論

本研究以2,3-吡嗪二羧酸和薄荷醇為原料，經(jīng)過酯化反應(yīng)合成了新型潛香化合物2,3-吡嗪二羧酸薄荷醇酯，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了確證，所得產(chǎn)物即為目標(biāo)化合物。同步熱穩(wěn)定性分析表明，在主要熱失重區(qū)間268.5～334.9 ℃范圍內(nèi)，目標(biāo)化合物基本分解完全，熔融溫度為140.9 ℃，裂解溫度為315.9 ℃。采用Py-GC/MS法模擬了目標(biāo)化合物在卷煙中的燃燒裂解過程，并初步推測(cè)了其可能的裂解機(jī)理。熱裂解結(jié)果表明，目標(biāo)化合物共裂解形成46種產(chǎn)物，主要的裂解產(chǎn)物薄荷烯、薄荷醇和吡嗪均為致香成分，可以調(diào)和卷煙煙氣、增添薄荷清涼感。該研究可為目標(biāo)化合物在卷煙中的加香應(yīng)用提供理論依據(jù)，同時(shí)也可為煙草行業(yè)進(jìn)一步開發(fā)新型高溫釋放型原料提供參考。

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