草酸葑醇酯的合成及其表征

袁曉敏， 趙振東,2*， 徐士超,2， 盧言菊,2， 朱守記

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042； 2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

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草酸葑醇酯的合成及其表征

袁曉敏1， 趙振東1,2*， 徐士超1,2， 盧言菊1,2， 朱守記1

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042； 2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

摘要：以α-葑醇和草酰氯為原料合成草酸葑醇酯，考察了反應(yīng)條件對(duì)葑醇酯化反應(yīng)的影響，確定了葑醇酯化反應(yīng)的較佳條件：草酰氯與葑醇的物質(zhì)的量之比為0.6∶1.0，反應(yīng)溫度為55 ℃，反應(yīng)時(shí)間10 h，最佳條件下目標(biāo)產(chǎn)物收率為93.9 %，重結(jié)晶后純度可達(dá)99.9 %。采用GC-MS、IR、1H NMR、13C NMR等對(duì)合成的草酸葑醇酯進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。

關(guān)鍵詞：葑醇；草酰氯；草酸葑醇酯；表征

草酸葑醇酯，也叫乙二酸二葑醇酯，化學(xué)名稱(chēng)為1,2-二[1,3,3-三甲基二環(huán)[2.2.1]庚-2-醇]乙二酸酯，是合成冰片生產(chǎn)過(guò)程中的主要副產(chǎn)物中間體之一[1-4]。在科研和生產(chǎn)實(shí)踐中，由于缺乏草酸葑醇酯的市場(chǎng)供應(yīng)，對(duì)于評(píng)價(jià)松節(jié)油合成草酸冰片酯的反應(yīng)、定性和定量測(cè)定中間體化學(xué)組成、優(yōu)化合成反應(yīng)工藝、提升合成冰片品質(zhì)等重要工作難于進(jìn)行。目前，有關(guān)草酸葑醇酯合成及應(yīng)用方面的研究報(bào)道很少：MaGee等[5]在研究Grignard試劑與對(duì)稱(chēng)草酸酯反應(yīng)合成手性的不對(duì)稱(chēng)α-酮酸酯時(shí)，用到并合成了草酸葑醇酯；Huckel等[6]在研究α/β-葑醇的對(duì)甲苯磺酸酯醇解反應(yīng)時(shí)，為了得到光學(xué)純的葑醇，合成并應(yīng)用了α/β-葑醇的草酸酯，但都沒(méi)有對(duì)草酸葑醇酯的結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行表征。與草酸葑醇酯類(lèi)似的乙酸葑醇酯或草酸龍腦酯和草酸異龍腦酯的研究工作也不多：何春茂等[7]以葑醇與乙酸酐為原料在硫酸的催化下合成乙酸葑醇酯；張平輝等[8-11]在硼酐或偏鈦酸的催化作用下將龍腦或異龍腦與草酸反應(yīng)合成了草酸龍腦酯和草酸異龍腦酯。由于葑醇結(jié)構(gòu)中的羥基比龍腦及異龍腦具有更大的空間位阻效應(yīng)，不易與草酸直接酯化，本研究采用草酰氯作為間接酯化試劑合成草酸葑醇酯，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，以期作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或?qū)φ諛悠窇?yīng)用于工業(yè)合成冰片生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)草酸酯中間體進(jìn)行跟蹤分析或檢驗(yàn)，同時(shí)也為進(jìn)一步探討其在醫(yī)藥及香料方面的應(yīng)用價(jià)值提供依據(jù)。

1實(shí) 驗(yàn)

1.1原料、試劑和儀器

WRS-1B數(shù)字熔點(diǎn)儀，上海申光儀器儀表有限公司；WZZ-2S自動(dòng)旋光儀，上海申光儀器儀表有限公司；GC2014AF型氣相色譜儀，日本島津公司；Thermo Nicolte IS10紅外光譜儀，美國(guó)Thermo公司；6890N型氣相色譜儀及5973型質(zhì)譜儀，美國(guó)Agilent公司；Bruker AV-500型核磁共振儀，德國(guó)Bruker公司；Flash 2000元素分析儀，美國(guó)Thermo公司。

1.2草酸葑醇酯的合成

采用α-葑醇為原料、以草酰氯為酯化劑的間接酯化反應(yīng)方式合成草酸葑醇酯，見(jiàn)圖1。

圖 1　草酸葑醇酯合成示意圖Fig. 1　Scheme for synthesis of fenchyl oxalate

在150 mL圓底燒瓶中加入0.05 molα-葑醇及30 g正己烷，攪拌至完全溶解，于一定溫度下緩慢滴加一定量的草酰氯， 0.5 h內(nèi)滴加完畢，反應(yīng)一段時(shí)間后減壓蒸餾除去部分草酰氯，濃縮液用正己烷溶解，依次用2 % 的碳酸鈉溶液洗滌4～5次、稀鹽水洗滌4～5次至中性，收集有機(jī)相并再次減壓蒸餾除去溶劑，得到粗產(chǎn)品，用乙醇重結(jié)晶得到無(wú)色透明針狀晶體。

1.3分析方法

1.3.1熔點(diǎn)的測(cè)定于WRS-1B數(shù)字熔點(diǎn)儀上測(cè)定，采用一端封口的標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管(外徑1.4 mm，內(nèi)徑1.0 mm)，裝樣3 mm，初始溫度106 ℃，線性升溫速率1 ℃/min，測(cè)定5次取平均值。

1.3.2比旋光度的測(cè)定以無(wú)水乙醇作為空白對(duì)照，將樣品用無(wú)水乙醇溶解，配制成0.1 mol/L的乙醇溶液，測(cè)定6次取平均值。

1.3.3GC分析采用氣相色譜儀，F(xiàn)ID檢測(cè)器，Rtx-5型毛細(xì)管色譜柱(長(zhǎng)度30 m， 內(nèi)徑0.25 mm，膜厚0.25 μm)，進(jìn)樣量1 μL，載氣N2，檢測(cè)器溫度及進(jìn)樣器溫度280 ℃，試樣溶解于正己烷，用面積歸一化法計(jì)算草酸葑醇酯產(chǎn)率，采用程序升溫方法進(jìn)行組分的分離，即70 ℃保持2 min，以3 ℃/min的升溫速率升至115 ℃，再以5 ℃/min的升溫速率升至180 ℃，以2 ℃/min的升溫速率升至250 ℃，最后以10 ℃/min的升溫速率升至270 ℃，測(cè)試結(jié)束。

1.3.4FT-IR分析于紅外光譜儀上采用壓片法測(cè)定，掃描范圍400～4000 cm-1。

1.3.5GC-MS聯(lián)用分析色譜柱采用HP-5型毛細(xì)管柱，氣相色譜方法同1.3.3節(jié)。

1.3.61H NMR和13C NMR分析核磁共振儀上進(jìn)行，CDCl3為溶劑，以四甲基硅烷(TMS)為內(nèi)標(biāo)。

2結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)條件對(duì)草酸葑醇酯收率的影響

2.1.1反應(yīng)時(shí)間在草酰氯和葑醇的物質(zhì)的量之比為0.6∶1.0時(shí)，于55 ℃下反應(yīng)24 h，間隔取樣，研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖2 (a)所示。由圖2 (a)可知，草酸葑醇酯的收率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增加，反應(yīng)2 h時(shí)，由于草酰氯的活性較大，產(chǎn)物的收率已達(dá)90 %， 2～10 h增加速率相對(duì)較大，10 h以后反應(yīng)基本平衡，收率增加緩慢，為了得到相對(duì)較高收率的草酸葑醇酯，選擇適宜反應(yīng)時(shí)間為10 h，此時(shí)產(chǎn)物收率為94 %。

a.反應(yīng)時(shí)間 reaction time；b.反應(yīng)溫度 reaction temperature；c.物料比值 molar ratio of oxalyl chloride and fenchyl alcohol圖 2　反應(yīng)條件對(duì)草酸葑醇酯收率的影響Fig. 2　Effects of reaction conditions on the yield of fenchyl oxalate

2.1.2反應(yīng)溫度在草酰氯和葑醇的物質(zhì)的量之比為0.6∶1.0時(shí)，分別在不同的溫度下反應(yīng)10 h，研究反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖2 (b)所示。由圖2 (b)可知，草酸葑醇酯的收率隨反應(yīng)溫度的增加而增加，當(dāng)反應(yīng)溫度大于55 ℃時(shí)，產(chǎn)物收率的增加速率減慢，當(dāng)反應(yīng)溫度為65 ℃時(shí)，產(chǎn)物收率僅比55 ℃時(shí)增加0.7 %，并且由于此溫度接近正己烷的沸點(diǎn)，溶劑揮發(fā)較快。因此，反應(yīng)的適宜溫度為55 ℃。

2.1.3原料物質(zhì)的量比在反應(yīng)溫度為55 ℃時(shí)，分別加入不同的物質(zhì)的量比的原料反應(yīng)10 h，研究原料物質(zhì)的量比對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖2 (c)所示。由圖2 (c)可知，原料物質(zhì)的量比對(duì)草酸葑醇酯的收率影響很大，隨著草酰氯的增加，目標(biāo)產(chǎn)物的收率先升高后降低，當(dāng)n(草酰氯)∶n(葑醇)=0.7∶1.0時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)物收率最大，原料比大于0.7∶1.0后，副反應(yīng)增多，產(chǎn)物收率有所降低，原料比為0.6∶1.0與0.7∶1.0時(shí)目標(biāo)產(chǎn)物收率相差不大，且對(duì)過(guò)多的草酰氯的處理會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)率降低，因此，原料適宜的物質(zhì)的量比選為0.6∶1.0。

2.1.4驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)由以上單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定較佳反應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件為：n(草酰氯)∶n(葑醇)=0.6∶1.0，反應(yīng)溫度55 ℃，反應(yīng)時(shí)間10 h。在此條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，草酸葑醇酯的收率分別為94.3 %、93.5 %、93.9 %，平均值為93.9 %，實(shí)驗(yàn)重復(fù)穩(wěn)定性好。

2.2產(chǎn)物性質(zhì)及結(jié)構(gòu)表征

2.2.2氣相色譜-質(zhì)譜分析 圖3是草酸葑醇酯的氣相色譜-質(zhì)譜圖。

1. α-葑醇α-fenchyl alcohol; 2. 草酸葑醇酯fenchyl oxalate a. GC; b. MS圖 3　草酸葑醇酯氣相色譜-質(zhì)譜圖Fig. 3　GC-MS spectra of fenchyl oxalate

圖3(a)為葑醇酯化前后氣相色譜圖，其中10.4 min為葑醇吸收峰， 46.5 min為目標(biāo)產(chǎn)物的吸收峰，由圖中可以看出，葑醇已轉(zhuǎn)化為草酸葑醇酯，且通過(guò)純化可獲得高純度的產(chǎn)品。3(b)為草酸葑醇酯質(zhì)譜圖，其中m/z362.2為草酸葑醇酯的分子離子峰，主要的碎片離子峰分析如圖4所示。

圖 4　草酸葑醇酯的質(zhì)譜碎片離子Fig. 4　The fragment ions of fenchyl oxalate

2.2.3紅外譜圖分析草酸葑醇酯的紅外譜圖如圖5所示。從紅外光譜圖中可以看出，2966、2874和2935 cm-1分別為甲基和亞甲基的伸縮振動(dòng)吸收峰，1737 cm-1為羰基強(qiáng)吸收峰，1459、1384和1365 cm-1為甲基、亞甲基的變形振動(dòng)吸收峰，其中1365 cm-1為典型的偕二甲基彎曲振動(dòng)峰，1181和1158 cm-1為C—O—C對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰，760 cm-1為亞甲基的平面搖擺振動(dòng)吸收峰。紅外光譜特征吸收峰與草酸葑醇酯的結(jié)構(gòu)一致。

圖 5　草酸葑醇酯紅外譜圖Fig. 5　IR spectrum of fenchyl oxalate

2.2.4氫譜分析草酸葑醇酯的氫譜和碳譜圖如圖6所示。1H NMR (500 MHz, CDCl3，化合物碳原子編號(hào)見(jiàn)圖1)δ：4.52(s，2H，H-2，H-2′)，1.71～1.81(m，6H，He-5，He-5′，H-4，H-4′，He-6，He-6′)，1.62～1.64(d，2H，He-7，He-7′，J=10.2 Hz)，1.48～1.52(m，2H，Ha-6，Ha-6′)，1.24～1.26(d，2H，Ha-7，Ha-7′，J=10.4 Hz)，1.17(m，2H，Ha-5，Ha-5′)，1.15(s，6H，CH3-9，CH3-9′)，1.09(s，6H，CH3-10，CH3-10′)，0.84(s，6H，CH3-8，CH3-8′)。

圖 6　草酸葑醇酯的 1H NMR(a)和13C NMR(b)譜圖Fig. 6　1H NMR(a) and 13C NMR(b) spectra of fenchyl oxalate

化學(xué)位移(δ)在5.04處的單峰屬于酯基α-位(圖1中2和2′-位)氫，δ1.71～1.81處的多重峰分別屬于4,4′-位的氫，5,5′及6,6′-平伏鍵He，δ1.62～1.64處的雙峰屬于7,7′-位平伏鍵He，δ1.48～1.52處的多重峰屬于6,6′-位直立鍵Ha，δ1.24～1.26處的雙峰屬于7,7′-位直立鍵Ha，δ1.17處的多重峰屬于5,5′-位直立鍵Ha，δ1.15、1.09以及0.84處的單峰則屬于9,9′、 10,10′以及8,8′-位甲基氫，與草酸葑醇酯的結(jié)構(gòu)相吻合。

2.2.5碳譜分析從草酸葑醇酯的碳譜圖可以看出：不同碳原子(序號(hào)見(jiàn)圖1)的13C NMR化學(xué)位移值見(jiàn)表1。在13C NMR中，酯基碳C11和C11′處于最低場(chǎng)，化學(xué)位移δ為159；受酯基吸電子效應(yīng)的影響C2和C2′移向低場(chǎng)，化學(xué)位移為88.88和88.83；處于高場(chǎng)的6個(gè)甲基碳C8、 C8′、 C9、 C9′、 C10和C10′，化學(xué)位移較?。欢鳦5、 C5′、 C6、 C6′化學(xué)環(huán)境接近，化學(xué)位移相近，C6和C6′離甲基近，化學(xué)移位向高場(chǎng)移動(dòng)，比C5和C5′??；C1、 C1′、 C3、C3′、 C4、 C4′、 C7和C7′由于電子云密度的關(guān)系，化學(xué)位移處于中間。13C NMR分析結(jié)果表明，草酸葑醇酯中左右兩側(cè)的2個(gè)葑醇基上的碳原子所處的化學(xué)環(huán)境有微小差別，即通過(guò)葑醇合成的草酸葑醇酯不是一個(gè)完全對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。其中1和1′、 3和3′、 11和11′這3組碳原子表現(xiàn)為單峰， 2和2′、 4和4′這2組碳原子表現(xiàn)為二重峰， 5和5′、 6和6′這2組碳原子表現(xiàn)為多重峰， 7和7′這組碳原子表現(xiàn)為三重峰， 8和8′、 9和9′、 10和10′這3組碳原子表現(xiàn)為四重峰。

表 1　草酸葑醇酯中各碳原子13C NMR歸屬

3結(jié) 論

以α-葑醇和草酰氯為原料合成了草酸葑醇酯，用IR、GC-MS、1H NMR、13C NMR等對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討了反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度及原料物質(zhì)的量之比對(duì)產(chǎn)物收率的影響，確定了較佳合成反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度55 ℃、反應(yīng)時(shí)間10 h、草酰氯與葑醇的物質(zhì)的量之比為0.6∶1.0，此條件下草酸葑醇酯的收率為93.9 %。對(duì)制備的草酸葑醇酯經(jīng)重結(jié)晶后純度可達(dá)99.9 %。

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doi:10.3969/j.issn.1673-5854.2016.04.001

收稿日期：2015-12-18

基金項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2013GB24320604)

作者簡(jiǎn)介：袁曉敏(1990— )，女，河南安陽(yáng)人，碩士生，主要從事應(yīng)用化學(xué)研究；E-mail:yxmcfu@163.com *通訊作者：趙振東，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事萜類(lèi)化學(xué)、天然產(chǎn)物化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、松樹(shù)病蟲(chóng)害化學(xué)等方面的研究與利用；E-mail:zdzhao@189.cn。

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ351.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5854(2016)04-0001-05

Synthesis and Characterization of Fenchyl Oxalate

YUAN Xiao-min1, ZHAO Zhen-dong1,2, XU Shi-chao1,2, LU Yan-ju1,2, ZHU Shou-ji1

(1. Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF；National Engineering Lab. for Biomass Chemical Utilization；Key and Open Lab. of Forest Chemical Engineering,SFA；Key Lab. of Biomass Energy and Material，Jiangsu Province， Nanjing 210042， China； 2. Research Institute of Forestry New Technology,CAF， Beijing 100091， China)

Abstract:Fenchyl oxalate was synthesized by the reaction of α-fenchyl alcohol and oxalyl chloride.The influences of reaction conditions on the esterification were studied.The optimum conditions of the esterification were the molar ratio of oxalyl chloride and fenchyl alcohol 0.6∶1.0,reaction temperature 55 ℃ and reaction time 10 h.Under these conditions,the yield of fenchyl oxalate was 93.9 %.After recrystallization,the purity could be 99.9 %.And the structure of fenchyl oxalate was characterized by GC-MS,IR,1H NMR and13C NMR.

Key words:fenchyl alcohol;oxalyl chloride;fenchyl oxalate;characterization

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