天然檸檬醛的合成

蔣歷輝 余杰坤 劉娟娟 伍小波 丁嘉昕 夏 雨

1.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院湖南 長沙 410083

2.江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心江西 南昌 330096

3.湖南工業(yè)大學(xué)冶金與材料工程學(xué)院湖南 株洲 412007

1 研究背景

天然檸檬醛，別名3, 7-二甲基-2, 6-辛二烯醛，為無色或微黃色液體，具有濃郁檸檬香味，是一種重要的單離香料。天然檸檬醛是兩種幾何異構(gòu)體組成的混合物，分為香葉醛（E-citral）和橙花醛（Z-citral），其結(jié)構(gòu)式如圖1所示。天然檸檬醛存在于檸檬草油（約占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的70%～80%）、山蒼子油（約70%）等天然精油中，其可以直接作為食品香料用于軟飲料、冰淇淋、糖果、口香糖和烘烤食品等，也可以作為日化香料用了日化產(chǎn)品中[1]。天然檸檬醛也是重要的合成原料，合成傳統(tǒng)的香料產(chǎn)品（如紫羅蘭酮、甲基庚烯酮、鳶尾酮）[2]。目前，天然檸檬醛的主要生產(chǎn)方式是從天然的山蒼子油中提取，提取方法主要有水蒸氣蒸餾法[3]、亞硫酸氫鈉化學(xué)提取法[4]、減壓精餾法[5-7]和分子蒸餾提取法[8-12]。

圖1 天然檸檬醛主要成分的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structures of the main components of natural citral

我國是山蒼子油的生產(chǎn)大國，山蒼子油、天然檸檬醛年出口量分別為 1000～1200 t、300～400 t，它們主要銷往歐洲美國等地，用于配制高檔的天然香料。隨著生活水平的提高，人們對天然香料的追求日益增強(qiáng)[13]?！疤烊幌懔稀毙枰纤趪虻貐^(qū)對“天然”的定義。一般情況下，利用物理和發(fā)酵法制備天然香料的工藝復(fù)雜，加之天然原料有限，導(dǎo)致天然香料的年產(chǎn)量不高，供不應(yīng)求，市場價(jià)格昂貴，一般的消費(fèi)者難以承受。但天然原料經(jīng)過簡單的化學(xué)合成，可以得到符合相關(guān)檢測及所在國或地區(qū)對“天然”定義的香料，此種香料供應(yīng)量較大，品質(zhì)穩(wěn)定，價(jià)格適中，更加受到市場的青睞[14]。14C測試是檢驗(yàn)產(chǎn)品天然度的常用方法，通過測量產(chǎn)品中的14C水平，可辨別食品中的碳元素是來自于現(xiàn)代生物，還是來自于化石原料，或者二者的混合。

目前，合成檸檬醛的方式較多，工藝較成熟，但幾乎都是采用石油化工原料作為基礎(chǔ)原料，未見使用天然的生物質(zhì)原料。合成的芳樟醇則因?yàn)槭褂玫幕ぴ希ɑぴ祥L期掩埋于地底，其14C會(huì)隨時(shí)間而衰變，最終14C衰變完全），不能夠通過天然產(chǎn)物的14C檢測。因此，本研究采用天然的芳樟醇作為基礎(chǔ)原料，該原料來自于當(dāng)年或近幾年的芳樟樹中提取出的天然生物質(zhì)原料，在其碳鏈骨架中，14C的含量是符合天然產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)。天然的芳樟醇在氯鉻酸吡啶鹽（pyridinium chlorochromate，PCC）氧化下，以濃鹽酸為助劑，脫氫制備檸檬醛（見圖2），并探討PCC試劑用量、反應(yīng)溶劑及反應(yīng)助劑對反應(yīng)的影響，以優(yōu)化制備工藝。反應(yīng)過程中并未對芳樟醇的基礎(chǔ)碳鏈骨架進(jìn)行拆解，因此能夠保持其天然性。

圖2 芳樟醇氧化制備檸檬醛Fig.2 Preparation of citral by oxidation of linalool

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

1）實(shí)驗(yàn)試劑

天然芳樟醇（食品級），大地生物科技有限公司；三氧化鉻（分析純），上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；吡啶（分析純），安耐吉化學(xué)；濃鹽酸（體積分?jǐn)?shù)為37%）、乙酸乙酯、二氯甲烷、甲苯、環(huán)己烷、丙酮、氘代氯仿（CDCl3）、N, N-二甲基甲酰胺、四氫呋喃等均為分析純，天津恒興化學(xué)試劑制造有限公司。

2）實(shí)驗(yàn)儀器

電子分析天平，ME-204E型，瑞士Mettler-Toledo公司；超純水儀，Milli-Q型，美國Millipore公司；氣質(zhì)聯(lián)用儀（gas chromatograph-mass spectrometer，GC-MS），Agilent 7890A-5975型，美國Agilent公司；超導(dǎo)核磁共振波譜儀，Bruker DMX-400MHz型，德國Bruker公司；真空干燥箱，DZF-6050型，鞏義宏華儀器設(shè)備工貿(mào)有限公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，Hei-VAP Core ML/G3型，德國Heidolph公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 PCC試劑的制備

搭好冷凝回流裝置，在250 mL三口燒瓶中加入三氧化鉻（30.0 g，0.3 mol）、去離子水（30.0 g，1.7 mol），開始攪拌，待三氧化鉻固體全部溶解形成暗紅色溶液時(shí)，將體系轉(zhuǎn)至低溫恒溫槽中冷卻，使燒瓶內(nèi)溫度降為20 ℃；而后慢慢滴加濃鹽酸（33.4 mL，0.3 mol），并不斷攪拌，控制燒瓶內(nèi)溫度不超過25 ℃；濃鹽酸滴加完畢后，將吡啶（24.0 g，0.3 mol）緩緩滴加至燒瓶內(nèi)，控制滴加速度，攪拌，約2 h滴加完畢，同樣控制溫度不超過25 ℃；最后，開啟高低溫恒溫槽制冷，將體系冷卻至0 ℃，持續(xù)0.5 h，反應(yīng)結(jié)束，將反應(yīng)液過濾，得橘黃色固體，再將產(chǎn)物用環(huán)己烷沖洗2次，烘干，得橘黃色晶狀固體。

2.2.2 檸檬醛的合成

在500 mL三口燒瓶中加入適量的PCC試劑，溶于100 mL溶劑中，攪拌并升溫至40 ℃，而后按照PCC試劑與芳樟醇的物質(zhì)的量之比（nPCC:n芳樟醇）量取適量的芳樟醇并慢慢滴加至燒瓶中；同時(shí)量取一定量的濃鹽酸，待芳樟醇滴加約1/3后，開始滴加濃鹽酸，調(diào)節(jié)滴加速度使兩者同時(shí)滴加完畢，保持40 ℃繼續(xù)攪拌，并利用氣相色譜監(jiān)測原料反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)結(jié)束后，體系降至常溫，抽濾，濾液分層后收集有機(jī)相，濾紙上的固體用50 mL乙酸乙酯洗滌，抽濾后并入有機(jī)層，再使用飽和碳酸鈉水洗固體3次，合并有機(jī)相并旋干溶劑，得到檸檬醛粗品。粗品經(jīng)精餾提純，得到天然檸檬醛。

2.3 測定與表征

1）1H、13C NMR表征

利用超導(dǎo)核磁共振波譜儀，以四甲基硅烷（tetramethylsilane，TMS）作為內(nèi)標(biāo)，CDCl3為溶劑，對實(shí)驗(yàn)制備的檸檬醛進(jìn)行氫譜、碳譜（1H、13C NMR）測定。

2）GC-MS測試

檢測條件設(shè)置為：色譜柱采用HP-5MS毛細(xì)管柱，尺寸30 m×0.25 μm×0.25 μm，柱溫250 ℃，汽化室溫度260 ℃，氫火焰檢測室溫度280 ℃，載氣N2，分流比100:1。

檸檬醛存在橙花醛和香葉醛的同分異構(gòu)體，兩者的沸點(diǎn)僅相差2 ℃，以普通的分析條件難以將兩者分開，故采用程序升溫模式。升溫程序設(shè)置為：50 ℃維持2 min，再以1 ℃/min的升溫速度升至80 ℃維持5 min，90 ℃維持5 min，100℃維持5 min，最后，以10 ℃/min的升溫速度升至240 ℃維持5 min。香葉醛的出峰時(shí)間為35.9 min，橙花醛的出峰時(shí)間為40.8 min。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)分析

在共振頻率為 400 MHz、測試溶劑為 CDCl3，檸檬醛的標(biāo)準(zhǔn)1H NMR 中，化學(xué)位移δ分別為9.95(dd,J=38.5, 8.1 Hz, 1H), 5.88 (d,J=8.0 Hz, 1H), 5.10(dd,J=13.5, 6.4 Hz, 1H), 2.59 (s, 1H), 2.22 (d,J=6.8 Hz,3H), 2.17 (s, 2H), 1.98 (d,J=0.9 Hz, 1H), 1.69 (s, 3H),1.60 (d,J=6.3 Hz, 3H)。在共振頻率為101 MHz、測試溶劑為 CDCl3，檸檬醛的標(biāo)準(zhǔn)13C NMR 中，δ分別為191.29 (s), 190.78 (s), 163.80 (s), 133.69 (s), 132.93(s), 128.65 (s), 127.42 (s), 122.57 (s), 122.27 (s), 40.61(s), 32.59 (s), 27.05 (s), 25.69 (d,J=11.9 Hz), 25.04 (s),17.64 (d,J=13.2 Hz)。

本研究利用1H NMR對合成檸檬醛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果如圖3所示。

圖3 檸檬醛氫譜Fig.3 1H NMR spectrum of natural citral

從圖3可以看出，合成的檸檬醛核磁氫譜中氫原子數(shù)目與檸檬醛標(biāo)準(zhǔn)1H NMR所含氫原子數(shù)目一致，醛基氫（—CHO）化學(xué)位移δ為9.95，這是由于醛基中的羰基對醛基氫有去屏蔽效應(yīng)，故醛基氫化學(xué)位移高。化學(xué)位移5.88, 5.10處分別為檸檬醛的兩個(gè)C==C雙鍵上的氫原子信號峰，而化學(xué)位移2.22, 1.69,1.60處分別為檸檬醛中—CH3上3個(gè)氫原子的信號峰。雖然檸檬醛中有兩個(gè)與C==C雙鍵相連的端甲基（C==C—(CH3)2），但兩者的化學(xué)位移值并不相同，由此表明兩個(gè)甲基化學(xué)環(huán)境也不相同。

圖4為合成檸檬醛的GC-MS圖譜。由圖可知，天然檸檬醛相對分子質(zhì)量是152.1，橙花醛和香葉醛為順反異構(gòu)體，因此兩個(gè)質(zhì)譜圖幾乎沒有差別。其中質(zhì)荷比m/z=152.1是其分子離子峰；m/z=41.1是H2C+CHO的離子峰；m/z=69.1是CH3C+==CHCHO的離子峰；m/z=84.1是CH3CH2C+==CHCHO的離子峰；m/z=94.1是(CH3)2C==CHCH2CH==C+H的離子峰；m/z=109.1是(CH3)2C==CHCH2CH==C+CH3的離子峰。此外，采用面積歸一化法計(jì)算檸檬醛含量，合成檸檬醛保留時(shí)間35.9 min和40.8 min兩個(gè)色譜峰面積加起來為色譜峰總面積的98%，由此表明檸檬醛的含量達(dá)到了98%。

圖4 檸檬醛的GC-MS圖譜Fig.4 GC-MS spectrum of citral

3.2 PCC試劑用量對氧化反應(yīng)的影響

芳樟醇分子中的羥基連接在季碳原子上，不能直接氧化為羰基，但酸性條件下，芳樟醇的羥基與質(zhì)子結(jié)合脫去H2O，碳正離子與端位的雙鍵形成較為穩(wěn)定的p-π共軛體系，這是一個(gè)三中心二電子大π鍵，電子得以離域而穩(wěn)定，而后通過氧化完成由芳樟醇到檸檬醛的轉(zhuǎn)變。Corey反應(yīng)機(jī)理如圖5所示。PCC試劑在溶劑化的過程中，既會(huì)釋放出H+提供酸性，高價(jià)金屬鉻又能夠提供氧化性，所以該氧化反應(yīng)才能夠一步進(jìn)行。

圖5 芳樟醇氧化制備檸檬醛反應(yīng)機(jī)理Fig.5 Reaction mechanism of oxidation of linalool to citral

為考察PCC試劑用量對氧化反應(yīng)的影響，本文以二氯甲烷為溶劑，反應(yīng)溫度設(shè)為40 ℃，通過調(diào)整nPCC:n芳樟醇分別為1:1, 1.5:1, 2:1, 2.5:1, 3:1，得到不同條件下芳樟醇的轉(zhuǎn)化率和檸檬醛的產(chǎn)率隨反應(yīng)時(shí)間變化，結(jié)果如圖6所示。

圖6 PCC試劑用量對氧化反應(yīng)的影響Fig.6 Effect of PCC reagent dosage on oxidation reaction

由圖6可知：1）隨著nPCC:n芳樟醇逐漸增大，檸檬醛的產(chǎn)率和芳樟醇的轉(zhuǎn)化率逐漸提高，但隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，PCC試劑消耗完畢后，氧化反應(yīng)停止，檸檬醛產(chǎn)率緩緩降低，表明醛基有可能被空氣氧化。因此，在反應(yīng)完成后，應(yīng)盡快加入滅活試劑，及時(shí)處理反應(yīng)液。2）各組實(shí)驗(yàn)在1 h時(shí)檸檬醛產(chǎn)率和芳樟醇的轉(zhuǎn)化率差異不大，而在nPCC:n芳樟醇=2:1, 2.5:1,3:1時(shí)，2 h和3 h的檸檬醛產(chǎn)率和芳樟醇的轉(zhuǎn)化率也是相近的。這可以說明在反應(yīng)初期，PCC試劑的使用量對反應(yīng)速度影響并不大，控制反應(yīng)速度的并不是氧化劑濃度。3）雖然天然芳樟醇的轉(zhuǎn)化率隨著PCC試劑的用量增加而增大，但該氧化反應(yīng)在添加過量的PCC試劑后（nPCC:n芳樟醇=3:1），芳樟醇仍然不能夠完全轉(zhuǎn)化，仍然還有19.7%芳樟醇原料殘留。

3.3 反應(yīng)溶劑對氧化反應(yīng)的影響

考慮到Corey氧化反應(yīng)不僅能適應(yīng)二氯甲烷的反應(yīng)體系，其它有機(jī)溶劑也可以作為反應(yīng)溶劑，因此本研究設(shè)計(jì)改變氧化反應(yīng)的溶劑來優(yōu)化氧化反應(yīng)工藝。保持其它反應(yīng)條件不變，反應(yīng)溫度設(shè)定為40 ℃，反應(yīng)原料按nPCC:n芳樟醇=3:1投加，討論不同的反應(yīng)溶劑對氧化反應(yīng)的影響。反應(yīng)5 h檸檬醛的產(chǎn)率和芳樟醇的轉(zhuǎn)化率如表1所示。

表1 反應(yīng)溶劑對氧化反應(yīng)的影響Table 1 Effect of reaction solvent on oxidation reaction

從表1可以看出，即使PCC試劑氧化當(dāng)量過量，也沒有使氧化反應(yīng)完全；乙酸乙酯作為溶劑的效應(yīng)和二氯甲烷相似，但其產(chǎn)率比二氯甲烷的更高。因此，最佳反應(yīng)溶劑為乙酸乙酯。

3.4 反應(yīng)助劑對氧化反應(yīng)的影響

本研究通過考察PCC試劑與芳樟醇物質(zhì)的量比、反應(yīng)溶劑對產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率的影響，發(fā)現(xiàn)氧化反應(yīng)的結(jié)果都不理想，即氧化反應(yīng)完成后，反應(yīng)液中黑色固體較多，難以在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)濾紙過濾，推斷該黑色固體是PCC氧化結(jié)束后生成的三氧化二鉻、未反應(yīng)的PCC試劑，以及部分氫氧化鉻和氯化鉻的混合物，該混合物是酸溶性的。另一方面，在芳樟醇氧化為檸檬醛的過程中，溶解在有機(jī)溶劑內(nèi)的PCC試劑會(huì)先電離出H+用于芳樟醇異構(gòu)，生成的芳樟醇異構(gòu)體再經(jīng)PCC試劑氧化得到檸檬醛。在氧化過程中，PCC試劑提供酸性的消耗量大于氧化的消耗量，導(dǎo)致最終過量的氧化劑不能氧化芳樟醇。因此，本研究提出添加適量反應(yīng)助劑（濃鹽酸），再分析氧化反應(yīng)的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，圖7a為當(dāng)nPCC:n芳樟醇=2:1時(shí)，添加濃鹽酸的物質(zhì)的量（n鹽酸）對氧化反應(yīng)的影響；圖7b為當(dāng)n鹽酸:n芳樟醇=3:1時(shí)，PCC氧化劑用量對氧化反應(yīng)的影響。

圖7 添加反應(yīng)助劑濃鹽酸后各物質(zhì)比例對氧化反應(yīng)的影響Fig.7 Effect of the ratio of reactants on the oxidation reaction with adding hydrochloric acid

由圖7a可知，隨著反應(yīng)助劑的添加，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率先明顯提高，芳香醇幾乎全部轉(zhuǎn)化，檸檬醛的產(chǎn)率高達(dá)84.2%，但添加的濃鹽酸過量時(shí)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率出現(xiàn)小幅下降，反應(yīng)產(chǎn)率卻顯著降低，這是由于芳樟醇氧化為檸檬醛后，過量的酸導(dǎo)致檸檬醛自身發(fā)生異構(gòu)，生成長葉薄荷酮（5-甲基-2-(1-甲基亞乙基)環(huán)己酮）和2-異丙基-5-甲基環(huán)己-2-烯酮，其反應(yīng)機(jī)理如圖8所示。因此，濃鹽酸最佳的添加量為n鹽酸:n芳樟醇=3:1。

圖8 檸檬醛異構(gòu)機(jī)理圖Fig.8 Citral isomerization mechanism

通過對比圖6與圖7b可知，添加適量的濃鹽酸后，PCC氧化劑的氧化效率提升顯著。未添加濃鹽酸時(shí)，即使反應(yīng)原料nPCC:n芳樟醇=3:1，芳樟醇原料仍有19.7%的殘留；加入濃鹽酸后，nPCC:n芳樟醇=2:1時(shí)，反應(yīng)4 h，芳樟醇則幾乎全部轉(zhuǎn)化。

3.5 反應(yīng)時(shí)間對氧化反應(yīng)的影響

為深入探討濃鹽酸對反應(yīng)速率以及氧化效率的提升效果，設(shè)計(jì)了對比實(shí)驗(yàn)，控制其他條件不變，反應(yīng)溫度設(shè)定為40 ℃，nPCC:n芳樟醇=2:1。添加反應(yīng)助劑（濃鹽酸添加量n鹽酸:n芳樟醇=3:1）前后，反應(yīng)產(chǎn)率及轉(zhuǎn)化率與時(shí)間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 濃鹽酸對氧化反應(yīng)的影響Fig.9 Effect of concentrated hydrochloric acid on oxidation reaction

由圖9可知，添加反應(yīng)助劑后，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，檸檬醛的產(chǎn)率明顯提升，由52.5%提升到的80.2%；原料芳樟醇的轉(zhuǎn)化率也顯著增大，在反應(yīng)時(shí)間為4 h時(shí)，芳樟醇幾乎全部轉(zhuǎn)化。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過4 h，反應(yīng)產(chǎn)物與過量的氧化劑和濃鹽酸繼續(xù)反應(yīng)，使得反應(yīng)生成的檸檬醛發(fā)生異構(gòu)，產(chǎn)率降低。

4 結(jié)語

本研究以產(chǎn)量高且供應(yīng)穩(wěn)定的天然芳樟醇為原料，采用PCC試劑對其進(jìn)行氧化，制備了符合14C同位素檢測且色譜含量高于98%的天然檸檬醛。通過研究反應(yīng)機(jī)理，探討了反應(yīng)時(shí)間、溶劑、投料比例、添加反應(yīng)助劑等條件對氧化反應(yīng)的影響，得出了最佳合成工藝參數(shù)：以天然芳樟醇為起始原料，乙酸乙酯為溶劑，nPCC:n芳樟醇:n鹽酸=2:1:3的投料比，反應(yīng)溫度為40 ℃，控制檸檬醛滴加完畢后反應(yīng)4 h結(jié)束反應(yīng)，并以亞硫酸鈉為淬滅氧化劑，最終產(chǎn)物經(jīng)分離和精餾，得到了含量98%的天然檸檬醛，產(chǎn)率達(dá)80.2%。