香蘭素1，2-辛二醇縮醛的合成

武振峰，周翔，2，丁鳳美，2，邢志奇

(1.東華大學 化學化工與生物工程學院，上海 201620;2.東華大學 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，上海 201620)

醛或酮與醇縮合生成縮醛或縮酮的反應，常被用來保護醛基或羥基，或合成化工產(chǎn)品中間體。縮醛在酸性條件下易水解成為原來的醛和醇，利用這一性質(zhì)，可以合成可分解型化學品。

香蘭素是一種廣泛使用的可食用香料，作為香料、定香劑和矯味劑，用于食品、日化、煙草等行業(yè)。香蘭素分子結(jié)構(gòu)中含有醛基，與醇反應生成縮醛，可作為香料，也可作為化工產(chǎn)品的中間體。文獻報道將香蘭素與二元醇通過縮醛反應合成香蘭素縮醛。香蘭素與短鏈二元醇縮醛的合成有較多報道，如香蘭素1，2-丙二醇縮醛［1-3］。關(guān)于香蘭素與長鏈二元醇縮合的報道較少，有美國專利［4］提出用香蘭素與C3～C12二元醇反應能生成具溫熱感和辛辣味的物質(zhì)，用于香精香料和食品等行業(yè)。本研究擬采用香蘭素與長鏈二元醇1，2-辛二醇縮合制備香蘭素1，2-辛二醇縮醛，作為紡織印染化學品的中間體。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

香蘭素、對甲苯磺酸、磷鉬酸、正己烷、辛二醇(98%)、85%磷酸、環(huán)己烷均為分析純。

DF-101s 集熱式攪拌器;R213B 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀;BS 2202S 電子天平;SHB-3 循環(huán)水泵;HSGF 254 薄層色譜硅膠板;Avance 400 核磁共振儀;LC-20A 高效液相色譜儀。

1.2 實驗方法

將香蘭素、1，2-辛二醇、85%磷酸和帶水劑加入三口燒瓶，裝上溫度計、分水器和三通接頭。向分水器中加入少量帶水劑至分水器支管處，裝上蛇形回流冷凝管。用循環(huán)水泵抽真空并通入氮氣置換，重復3 次。磁力攪拌下，油浴加熱并保持反應體系回流，反應至不再有水分出。反應式見圖1。反應液為淡黃色，稍冷，加入飽和碳酸氫鉀溶液中和磷酸。分液得到有機相，用飽和食鹽水洗滌3 次，加入無水硫酸鈉過夜脫水。旋蒸回收帶水劑，得黃色黏稠液體粗品。用薄層色譜法，以正庚烷/乙酸乙酯(1∶2)為展開劑，紫外燈下觀察除未反應的香蘭素外，有新物質(zhì)生成。將粗品移至燒杯，攪拌滴加飽和亞硫酸氫鈉溶液使香蘭素析出，過濾，分液，收集有機相旋蒸去除水分得淡黃色黏稠液體。

圖1 香蘭素與1，2-辛二醇縮醛反應Fig.1 The reaction of vanillin and 1，2-octanediol

1.3 香蘭素1，2-辛二醇縮醛的結(jié)構(gòu)表征

采用柱層析色譜法，以乙酸乙酯/正庚烷=1∶10為流動相，分離出無色透明粘稠液體，采用1H NMR和13C NMR 對其結(jié)構(gòu)進行表征，氘代丙酮為溶劑。

1.4 產(chǎn)物收率測定

對黃色粘稠液體粗品，用1H NMR 內(nèi)標法測定其中縮醛含量。不需引進任何校正因子，可直接根據(jù)各共振峰的積分值推算所代表的自旋核的數(shù)量，計算進樣中的縮醛含量［5］。取質(zhì)量為W 的粗品和質(zhì)量為Ws的內(nèi)標物吡嗪溶于氘代丙酮溶液中，比較樣品中縮醛特定基團上質(zhì)子(1H NMR 譜圖中8位氫原子)引起的共振峰面積與內(nèi)標物的質(zhì)子共振峰面積，從內(nèi)標物的質(zhì)量，可計算縮醛的質(zhì)量(Wx)，由式Wx=Ws×(Ax/As)×(E/Es)求得。Ws為內(nèi)標物質(zhì)量;Ax為縮醛峰面積(δ1=5 ～6);As為內(nèi)標物峰面積(δ2=8.6);E 為δ1處質(zhì)子當量，即E =縮醛分子量/δ1基團中的質(zhì)子數(shù);Es為δ2處質(zhì)子當量，即Es=內(nèi)標物分子量/δ2基團中的質(zhì)子數(shù)。則縮醛含量ω=Wx/W×100%，產(chǎn)物收率=ω×粗品產(chǎn)物質(zhì)量/理論縮醛產(chǎn)量。

1.5 HPLC 法測定產(chǎn)物純度

高效液相色譜采用PDA 檢測器，面積歸一法定量，進樣量1 μL。色譜柱:Waters Xbridge C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)，流動相A:0.1% NH3·H2O 水溶液，v/v，B:乙腈，梯度洗脫;檢測波長220 nm，柱溫40 ℃，流速1.0 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征和提純

2.1.1 香蘭素1，2-辛二醇縮醛產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征 柱層析分離出的無色粘稠液體的1H NMR 和13C NMR譜見數(shù)據(jù)如下。(C＊表示手性碳原子)。

1H NMR(400 MHz，CD3COCD3，δ):0.90 ～0.94(3H，t，CH3，1);1.33 ～1.37(6H，m，CH2，3);1.48～1.51(2H，m，CH2，2);1.64 ～1.71(2H，m，CH2，4);2.02 ～2.06(溶劑峰);3.54 ～3.58，3.63 ～3.67(1H，t，t，C＊H，5);3.85(3H，s，OCH3，7);4. 03 ～4.27(2H，m，CH2，6);5.69，5.81(1H，s，s，C＊H，8);6.85 ～7.08(3H，m，Ar-H);7.66(1H，s，OH，12)。

13C NMR(400 MHz，CD3COCD3，δ):13. 62(CH3，1);22. 46(CH2，2);25. 67(CH2，5);29. 08(溶劑峰，CH3);31. 72(CH2，4);33. 32(CH2，6);33. 58(CH2，3);55. 39(OCH3，16);69. 7，70. 43(CH2，8);76.19，76.87(C＊H，7);102.97，103.91(C＊H，9);110. 1(Ar-C，12);114. 39(Ar-H，13);119.93(Ar-C，11);130.06(Ar-C，10);130.59(Ar-C，14);147.16(Ar-C，15);205.6(溶劑峰，CO)。

由1H NMR 譜可看到5 位氫原子出現(xiàn)兩個三重峰，化學位移3.54 ～3.58，3.63 ～3.67，兩峰積分面積之和為1(以CH3振動峰積分面積為3)，即該相鄰兩峰所代表氫原子數(shù)目為1;8 位氫原子出現(xiàn)兩個單峰，化學位移5.69，5.81，兩個峰的積分面積值之和也為1。對應地，在13C NMR 譜圖中，7 位與9 位碳原子同樣各出現(xiàn)兩個很近的振動峰，7 位碳原子位于76.19，76.87，9 位碳原子位于102.97，103.91。這些是由于1，4-二氧戊環(huán)中兩個次亞甲基均為手性碳原子形成非對映異構(gòu)所致。

2.1.2 產(chǎn)物提純 文獻中報道香蘭素1，2-丙二醇合成中以減壓蒸餾分離提純縮醛產(chǎn)物，條件為156～159 ℃/400 Pa［6］。本實驗用亞硫酸氫鈉去除未反應的香蘭素，1H NMR 顯示，香蘭素基本除盡。HPLC 測定亞硫酸氫鈉處理后產(chǎn)物純度為95.2%。處理后產(chǎn)物顏色變淡，放置半年以上，顏色保持不變。

2.2 合成工藝條件確定

本研究試用了對甲苯磺酸和磷酸兩種催化劑，探究所選定催化劑的用量、反應物料摩爾比、帶水劑種類和反應時間對反應收率的影響，確定合成工藝。2.2.1 催化劑選擇和用量 香蘭素用量為45.6 g(0.3 mol)，辛二醇用量為65.7 g(0.45 mol)，正己烷用量為120 mL，催化劑用量為1.5 g。按1.2 節(jié)步驟進行，觀察兩種催化劑對反應液顏色的影響，結(jié)果見表1。

表1 催化劑對反應液顏色影響Table 1 Effect of catalyst on the color of reaction liquid

由表1 可知，當以磷酸為催化劑時，反應液呈淡黃色;當以對甲苯磺酸為催化劑時，反應液呈黑褐色。為此，將正己烷和對甲苯磺酸混合加熱至回流，混合物也呈黑褐色。這說明溶液變黑是由對甲苯磺酸造成的，原因可能是對甲苯磺酸加熱時與空氣中的氧發(fā)生化學反應導致黑色色變。因此，從外觀考慮，選擇磷酸作為催化劑。

香蘭素用量45.6 g(0.3 mol)、辛二醇65.7 g(0.45 mol)、正己烷120 mL，按1. 2 節(jié)步驟進行，85%磷酸用量分別為香蘭素的1. 54%，2. 41%，3.29%，3.95%，對反應收率的影響，結(jié)果見表2。

表2 磷酸用量對反應收率的影響Table 2 Effect of the amount of catalyst on the yield

由表2 可知，當85%磷酸用量為3.29%時收率最高，如磷酸用量進一步增加，收率下降?？赡苁且驗榱姿嵊昧吭龃蠛蠓磻核嵝栽鰪?，使平衡向反向移動，導致收率下降。

2.2.2 醛醇摩爾比 從化學反應平衡角度看，增大1，2-辛二醇用量，有利于提高香蘭素的轉(zhuǎn)化率，但同時考慮到原料的浪費及后處理等因素，需要選擇合適的摩爾比。香蘭素用量為45.6 g(0.3 mol)，磷酸用量為1.5 g，正己烷用量為120 mL，改變1，2-辛二醇加入量，使醛醇摩爾比分別為1∶1.3，1∶1.5，1∶1.7，研究其對反應收率的影響，結(jié)果見表3。由表3 可知，當醛醇摩爾比為1∶1.5 時，收率達最大值81.3%，繼續(xù)增加1，2-辛二醇用量，產(chǎn)品收率反而降低。這可能是由于1，2-辛二醇有一定的親水性，1，2-辛二醇用量較大時，增加了水在體系中的停留傾向，不利于反應的正向進行。因此，選擇香蘭素與1，2-辛二醇摩爾比為1∶1.5。

表3 醛醇摩爾比對反應收率的影響Table 3 Effect of molar ratio of vanillin and 1，2-octanediol on the yield

2. 2. 3 帶 水 劑 種 類 香 蘭 素 用 量 為45. 6 g(0.3 mol)，辛二醇用量為65.7 g(0.45 mol)，磷酸用量為1.5 g，帶水劑分別選用正己烷、環(huán)己烷、甲苯，用量均為120 mL。按1.2 節(jié)步驟進行，研究帶水劑對反應收率的影響，結(jié)果見表4。由表4 可知，帶水劑效果，正己烷＞環(huán)己烷＞甲苯。三種帶水劑的回流溫度為甲苯(118 ℃左右)＞環(huán)己烷(90 ℃左右)＞正己烷(78 ℃左右)。帶水劑為正己烷的反應收率最高，能耗最低，選擇正己烷為該反應的帶水劑。

表4 帶水劑對反應收率的影響Table 4 Effect of water-carrying agent on the yield

2.2. 4 反應時間對收率影響 香蘭素用量為45.6 g(0.3 mol)，辛二醇用量為65.7 g(0.45 mol)，正己烷用量為120 mL，磷酸用量為1.5 g，按1.2 節(jié)步驟進行，研究反應時間對反應收率的影響，結(jié)果見表5。

表5 反應時間對反應收率的影響Table 5 Effect of reaction time on the yield

由表5 可知，反應時間8 ～10 h 收率較高，超過10 h 后收率變化不大。從生產(chǎn)成本和收率方面考慮，反應時間以8 h 為宜。

2.3 較佳工藝條件下反應收率

根據(jù)以上實驗確定較佳工藝條件:香蘭素用量0.3 mol，n(香蘭素)∶n(1，2-辛二醇)=1∶1.5，磷酸用量為香蘭素的3. 29%，帶水劑正己烷120 mL，78 ℃左右回流8 h。按此工藝條件進行了3 次平行實驗，反應收率分別為82.2%，82.3%，83.4%，反應重現(xiàn)性較好。經(jīng)提純，縮醛產(chǎn)物為淡黃色黏稠液體，HPLC 測定產(chǎn)物純度為95.2%。

3 結(jié)論

(1)以長碳鏈二元醇1，2-辛二醇與香蘭素在磷酸催化下合成縮醛，通過柱層析色譜分離得到無色透明液體，用1H NMR 和13C NMR 確認了香蘭素1，2-辛二醇縮醛產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，該產(chǎn)物包含非對映異構(gòu)體。

(2)研究得到合成的較佳工藝條件為:n(香蘭素)∶n(1，2-辛二醇)=1∶1.5，催化劑85%磷酸用量為香蘭素的3.29%，帶水劑正己烷體積與香蘭素質(zhì)量比為2.63 mL/g，78 ℃左右回流8 h。收率最高達83.4%，反應重現(xiàn)性較好。

(3)提純工藝，用亞硫酸氫鈉飽和溶液去除未反應的香蘭素，代替常用的減壓蒸餾法，可降低能源消耗。產(chǎn)物為淡黃色黏稠液體，顏色較處理前淡，HPLC 測定縮醛產(chǎn)物純度為95.2%。

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