CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯合成1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯

王小淑，朱守記

(1.廣西科技師范學院食品與生化工程學院 廣西高校制糖工程綜合技術重點實驗室，廣西 來賓 546199；2.韓山師范學院化學與環(huán)境工程學院，廣東 潮州 521041)

檸檬烯又稱苧烯，是一種重要的單萜烯類化合物，廣泛存在于柑橘類植物精油中，被FDA鑒定為安全的化合物[1-3]。檸檬烯有兩個C=C，分別位于環(huán)內和環(huán)外，化學性質活潑，通過化學改性得到的含對孟烷結構的衍生物具有良好的生物活性，如除草活性、抑菌活性等[4-9]，已成為研究者的關注熱點。但在化學改性過程中會有較多副產物產生，導致目標產物選擇性低，分離提純難度大。如Bortnick[10]通過Ritter反應將檸檬烯轉化為N,N-二甲?；?1,8-對孟烷二胺，并進一步水解制備1,8-對孟烷二胺，產率僅為37%；Bambagiotti等[11]利用檸檬烯在醋酸汞作用下進行羥汞化反應，并通過硼氫化鈉進一步還原制備桉葉油素(含對孟烷結構單元)，產率不足30%。檸檬烯結構中的兩個C=C反應活性有差異，環(huán)外C=C活性官能團空間位阻較小，更易被還原。因此，可先通過加氫選擇性還原環(huán)外C=C不飽和鍵合成中間體1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯，再進一步通過化學改性合成含對孟烷結構的衍生物，以提高目標產物產率。

路易斯酸和NaBH4協(xié)同催化還原不飽和雙鍵是制備飽和化合物的一種常見方法[12-13]。在DMF等介質中，NaBH4在過渡金屬氯化物的協(xié)同作用下是一種溫和的加氫試劑，在常溫條件下即可將C=C加氫還原[14-15]。基于此，作者以DMF為溶劑，對常溫條件下CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯合成1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯進行研究，以期為提高含對孟烷結構衍生物產率提供幫助。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

檸檬烯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、六水合氯化鈷(CoCl2·6H2O)、硼氫化鈉(NaBH4)等均為分析純。

Agilent 6890N/5973N型氣質聯(lián)用儀，美國Agilent公司；GC-2014AF型氣相色譜儀，日本Shimadzu公司。

1.2 方法

1.2.1 合成方法

常溫條件下，以DMF為溶劑，通過CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯(Ⅰ)合成1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯(Ⅱa)，化合物Ⅱa通過異構化后可轉變?yōu)?-甲基-4-異丙基環(huán)己-3-烯(Ⅱb)，也可進一步被還原為順-1,8-對孟烷(Ⅱc)和反-1,8-對孟烷，以順-1,8-對孟烷(Ⅱc)為主。合成路線如圖1所示。

圖1 CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯的路線

稱取檸檬烯(Ⅰ)1.36 g(10 mmol)和一定量CoCl2·6H2O(其物質的量約為NaBH4物質的量的88%)，置于100 mL單口圓底燒瓶中，磁力攪拌下加入20 mL二氯甲烷及20 mL DMF；稱取一定量NaBH4加入到15 mL DMF中，超聲溶解后再緩慢滴加至圓底燒瓶中，常溫下進行檸檬烯還原反應。反應結束后，對反應液進行分析。

1.2.2 分析方法

采用氣質聯(lián)用儀對化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc進行GC-MS分析，采用氣相色譜儀對反應液中各組分含量進行分析。

色譜條件：FDI檢測器，HP-5型石英毛細管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)，以N2為載氣，檢查器和進樣口溫度均為270 ℃。升溫程序：初溫70 ℃，保持2 min；以3 ℃·min-1升溫至100 ℃；再以10 ℃·min-1升溫至270 ℃，保持2 min。

2 結果與討論

2.1 還原產物的組成與結構表征

在常溫條件下，以DMF為溶劑，CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯的產物有3種：Ⅱa、Ⅱb和Ⅱc。反應液的氣相色譜圖如圖2所示，化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc的GC-MS圖譜如圖3所示。

圖2 反應液的氣相色譜圖(反應時間1.5 h)

從圖3可知，化合物Ⅱa的GC-MS圖譜與1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯的標準圖譜的匹配度為95；化合物Ⅱb的GC-MS圖譜與1-甲基-4-異丙基環(huán)己-3-烯的標準圖譜的匹配度為96；化合物Ⅱc的GC-MS圖譜與順-1,8-對孟烷的標準圖譜的匹配度為96。據此可推斷，CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯的產物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc分別為1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯、1-甲基-4-異丙基環(huán)己-3-烯和順-1,8-對孟烷，其主要質譜碎片如下：Ⅱa，EI-MS,m/z:138.2[M]+,123.1[M-CH3]+,95.1[M-CH(CH3)2]+；Ⅱb，EI-MS,m/z:138.2[M]+,123.1[M-CH3]+,95.1[M-CH(CH3)2]+；Ⅱc，EI-MS,m/z:140.2[M]+,125.2[M-CH3]+,97.1[M-CH(CH3)2]+。

圖3 化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc的GC-MS圖譜(a、b、c)及對應的標準圖譜(d、e、f)

2.2 合成條件優(yōu)化

2.2.1 反應時間對產率的影響

在NaBH4與檸檬烯物質的量比為1∶1時，反應時間對化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc產率的影響如圖4所示。

從圖4可知，反應不同時間，目標化合物Ⅱa的產率最高(57%～70%)；在1.0～2.5 h范圍內，隨著反應時間的延長，目標化合物Ⅱa和化合物Ⅱb的產率逐漸降低，化合物Ⅱc的產率逐漸升高。實驗發(fā)現(xiàn)，當NaBH4與檸檬烯物質的量比為1∶1、反應1.0 h時，原料檸檬烯已被完全還原，轉化率為100%，目標化合物Ⅱa的產率和選擇性均達到70%。隨著反應時間的延長，目標化合物Ⅱa會被進一步還原為化合物Ⅱc，所以反應時間不宜過長；但反應時間過短(<1.0 h)，原料檸檬烯尚未被完全還原。因此，反應時間以1.0 h較合適。

圖4 反應時間對化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc產率的影響

2.2.2 NaBH4與檸檬烯物質的量比對產率的影響

催化劑與原料物質的量比是影響原料轉化率和目標化合物產率的重要因素之一。在反應時間為1.0 h時，NaBH4與檸檬烯物質的量比對產率的影響如圖5所示。

從圖5可知，隨著NaBH4與檸檬烯物質的量比的增大，目標化合物Ⅱa的產率先快速升高后趨于穩(wěn)定，在NaBH4與檸檬烯物質的量比為1∶1時，產率達到最高。這是因為，當NaBH4與檸檬烯物質的量比較小(0.5∶1)時，催化劑NaBH4的用量不足，不能提供足夠的氫還原檸檬烯，導致目標化合物Ⅱa的產率較低；隨著NaBH4用量的增加，有助于原料和催化劑的充分接觸，促使檸檬烯被還原得更加徹底，目標化合物Ⅱa的產率相應升高。實驗發(fā)現(xiàn)，NaBH4與檸檬烯物質的量比對化合物Ⅱb的產率影響不大，而化合物Ⅱc的產率隨著NaBH4與檸檬烯物質的量比的增大而緩慢升高。綜合考慮，NaBH4與檸檬烯物質的量比以1∶1較合適。

圖5 NaBH4與檸檬烯物質的量比對化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc產率的影響

3 結論

在常溫條件下，以DMF為溶劑，CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4能夠快速催化還原檸檬烯合成1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯，副產物為1-甲基-4-異丙基環(huán)己-3-烯和順-1,8-對孟烷等。在NaBH4與檸檬烯物質的量比為1∶1、反應時間為1.0 h的優(yōu)化條件下，檸檬烯的轉化率達到100%，1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯的產率達到70%。該方法具有反應條件溫和、產率高等優(yōu)點，對具有生物活性的含對孟烷結構衍生物的開發(fā)具有積極意義，為豐富農藥和醫(yī)藥產品奠定了良好的基礎。