自由基引發(fā)的香茅醇和香茅醛的分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)

黃戰(zhàn)鏖,侯 峰,錢正剛

（上海萬香日化有限公司,上海 201318）

自由基也稱游離基，自1900年岡伯格（Moses Gangberg）第一次制備了穩(wěn)定的三苯甲基自由基以來，100多年以來自由基反應(yīng)獲得了很大的發(fā)展，在有機合成方面得到許多應(yīng)用，例如自由基加成聚合反應(yīng)、鹵代烴的制備以及氯化芐等芳香鹵代烴的制備等[1]；在香料合成方面也有應(yīng)用，例如丙位內(nèi)酯中丙位十一內(nèi)酯（桃醛）、丙位壬內(nèi)酯（椰子醛）等的合成，就是利用相應(yīng)的正辛醇、正己醇等在自由基引發(fā)劑作用下，產(chǎn)生與羥基相連的伯碳自由基和丙烯酸（或酯）發(fā)生自由基加成反應(yīng)產(chǎn)生γ-羥基羧酸（酯），進而發(fā)生分子內(nèi)酯化反應(yīng)得到[2]。二氫茉莉酮可以經(jīng)由2-辛醇與丙烯酸丁酯在自由基引發(fā)劑作用下發(fā)生自由基加成反應(yīng)產(chǎn)生丙位內(nèi)酯，再在PPA等酸性催化劑作用下脫水環(huán)合得到[3]。丁位壬內(nèi)酯、丁位癸內(nèi)酯等丁位內(nèi)酯的合成，可以由1-戊烯、1-庚烯等源自石油化工的端烯和環(huán)戊酮在自由基引發(fā)劑作用下發(fā)生自由基加成反應(yīng)，得到2-烷基取代環(huán)戊酮，再經(jīng)過拜爾-維利格（Baeyer-Villiger oxidation）氧化擴環(huán)得到[4]；相比傳統(tǒng)的由環(huán)戊酮和正戊醛、正庚醛等為起始原料，需要經(jīng)由羥醛縮合、脫水及催化氫化得到2-烷基取代環(huán)戊酮的方法，大大簡化了操作步驟，減少了“三廢”排放。薄荷醇、薄荷酮及其衍生物由于其天然薄荷香味及涼爽效果，廣泛應(yīng)用于食用香精、日化香精中，也可以用于牙膏、化妝品及其他日化產(chǎn)品的加香，因此作為天然存在的香料，同時又是重要的合成香料，它們的合成及有關(guān)反應(yīng)一直受到廣泛的關(guān)注[5-6]。本文是利用香茅醛及香茅醇經(jīng)由分子內(nèi)自由基環(huán)化反應(yīng)合成薄荷醇及其衍生物的探索。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

香料級合成香茅醛（BASF,97%）；過氧化二叔丁基（97%，阿拉丁）；氯苯（AR,阿拉?。幌忝┐迹ㄗ灾?，99%）；二苯醚（CP，阿拉?。?。氣相色譜分析使用Agilent 6820，Innowax色譜柱，氮氣作為載氣，氫火焰檢測器，程序升溫，100℃（保持5min），隨后以10℃/min升溫至220℃。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，Agilent Technologies 7890A/5975C inert MSD。

1.2 香茅醛分子內(nèi)自由基環(huán)化

1.2.1 反應(yīng)過程

250mL三口瓶置于電磁攪拌的油浴中，其上安裝溫度計、恒壓滴液漏斗、回流冷凝管。三口瓶加入120g氯苯，滴液漏斗中加入7.3g（50mmol）過氧化二叔丁基、30.8g香茅醛（200mmol）及20g氯苯的混合物。氮氣置換后，加熱到回流（132℃）。開始滴加上述混合物，約2h滴加完畢，加完后繼續(xù)維持此溫度攪拌反應(yīng)；期間在第3h補充4.4g過氧化二叔丁基（30mmol）。氣相色譜監(jiān)測反應(yīng)進程，約10h停止反應(yīng)，香茅醛轉(zhuǎn)化率97.2%。產(chǎn)品自然冷卻至室溫，樣品進行氣相色譜及GC/MS分析。

GC/MS檢測結(jié)果表明，除了丙酮、叔丁醇、氯苯（溶劑）外，薄荷酮（正薄荷酮及異薄荷酮）的選擇性為82.4%，主要副產(chǎn)物為1-甲基-3-異丙基環(huán)戊烷（11.8%）,其他為未確認結(jié)構(gòu)的組分。

反應(yīng)混合物經(jīng)水環(huán)真空泵減壓分餾分離出低沸點組分及氯苯；剩余物經(jīng)油泵減壓蒸餾，接收69℃～71℃/0.8kPa餾分，得到無色液體19.3g，收率62.6%。

1.2.2 結(jié)果與分析

過氧化二叔丁基是一種自由基引發(fā)劑，在80℃以上開始自加速分解，產(chǎn)生叔丁氧基自由基（或進一步裂解成甲基自由基和丙酮）；而醛基是一種容易產(chǎn)生?；杂苫幕鶊F，香茅醛I與叔丁氧基自由基作用產(chǎn)生的?；杂苫鵌I與其分子內(nèi)的碳碳雙鍵加成，產(chǎn)生的環(huán)狀叔碳自由基III再與香茅醛I反應(yīng)，生成薄荷酮IV，并產(chǎn)生一個新的香茅醛的?；杂苫鵌I，進行下一輪循環(huán)反應(yīng)。甲基-3-異丙基環(huán)戊烷VII的產(chǎn)生，推測是香茅醛的?；杂苫撊ヴ驶?得到的伯碳自由基V與分子內(nèi)的碳碳雙鍵加成得到的自由基VI，再奪取一個氫原子得到的。

1.3 香茅醇分子內(nèi)自由基環(huán)化

1.3.1 試驗1

100mL三口瓶置于電磁攪拌的油浴中，其上安裝了溫度計、恒壓分液漏斗、回流冷凝管。三口瓶加入40g二苯醚，恒壓滴液漏斗中加入4.4g（0.03mol）過氧化二叔丁基和4.68g香茅醇（0.03mol）及5g二苯醚的混合物。氮氣置換，加熱到150℃，開始滴加上述混合物，約1h滴加完畢；第3h補充滴加4.4g過氧化二叔丁基；加完繼續(xù)維持此溫度攪拌反應(yīng)3h。氣相色譜監(jiān)測反應(yīng)進程。產(chǎn)物自然冷卻至室溫，取樣，進行氣相色譜分析及GC/MS分析。色譜結(jié)果顯示，香茅醇的轉(zhuǎn)化率為81.3%。

1.3.2 結(jié)果及分析

GC/MS分析結(jié)果顯示，除去丙酮、叔丁醇、二苯醚（溶劑）外，產(chǎn)物是消旋薄荷醇及其異構(gòu)體新薄荷醇、異薄荷醇、薄荷酮及其相關(guān)衍生物的混合物，薄荷醇及其系列衍生物的總選擇性為69.49%。各組分分布情況見表1。

過氧化二叔丁基在加熱時產(chǎn)生叔丁氧基自由基，而伯醇是一種容易產(chǎn)生自由基的基團，香茅醇VIII與叔丁氧基自由基作用產(chǎn)生的伯醇碳自由基與分子內(nèi)的碳碳雙鍵加成環(huán)化，產(chǎn)生的自由基再與香茅醇反應(yīng)，生成消旋薄荷醇IX及其異構(gòu)體新薄荷醇X、異薄荷醇XI等，并產(chǎn)生一個新的香茅醇的伯碳自由基，進行下一循環(huán)的反應(yīng)。而異胡薄荷醇XII的產(chǎn)生則是叔碳自由基VII脫除一個甲基氫原子并產(chǎn)生一個碳碳雙鍵而形成的；脫去叔碳上的氫原子時，則產(chǎn)生相應(yīng)的胡薄荷醇，胡薄荷醇作為一種烯丙式醇，容易被過氧化物氧化成胡薄荷酮XV。而反應(yīng)過程中未能檢測出香茅醛的存在，也沒有檢測出香茅醛環(huán)合過程的副產(chǎn)物1-甲基-3-異丙基環(huán)戊烷VII的存在，因此認為反應(yīng)過程中香茅醇并沒有被氧化成香茅醛。

圖1 香茅醇自由基環(huán)合副產(chǎn)物VII的產(chǎn)生路徑

表1 香茅醇環(huán)合反應(yīng)產(chǎn)物分布情況

為了了解薄荷酮及異薄荷酮的產(chǎn)生過程，使用含消旋薄荷醇的二苯醚溶液，在同樣條件下與過氧化二叔丁基反應(yīng)。

1.3.3 試驗2

100mL三口瓶置于電磁攪拌的油浴中，其上安裝溫度計、恒壓滴液漏斗，回流冷凝管。三口瓶加入40g氯苯，恒壓滴液漏斗、中加入4.4g（0.03mol）過氧化二叔丁基和4.68g消旋薄荷醇（0.03mol）及5g二苯醚的混合物。氮氣保護，加熱到150℃，開始滴加上述混合物，約1h滴加完畢；第3h補充滴加4.4g過氧化物；加完繼續(xù)攪拌反應(yīng)3h，氣相色譜檢測反應(yīng)進程。產(chǎn)物自然冷卻至室溫后，取樣進行氣相色譜分析及GC/MS分析。

圖2 香茅醇自由基環(huán)合產(chǎn)物分布

色譜結(jié)果顯示，消旋薄荷醇轉(zhuǎn)化率為11.5%，其中含有5%的薄荷酮，因此可以認為薄荷酮/異薄荷酮可以由反應(yīng)過程中產(chǎn)生的消旋薄荷醇及其異構(gòu)體被過氧化物氧化產(chǎn)生。至于是不是唯一途徑，還難以確定，因為相對來說，異胡薄荷酮、胡薄荷酮產(chǎn)生更少數(shù)量，薄荷酮和異薄荷酮可能不全是相應(yīng)的仲醇氧化產(chǎn)生的。

圖3 香茅醇自由基環(huán)合產(chǎn)物生成路徑

另外,GC/MS還檢測到少量玫瑰醚XVII[2-（2-甲基-1-丙烯基）-4-甲基四氫吡喃]的存在，分析認為是香茅醇自由基VI分子內(nèi)1,5-氫遷移重排產(chǎn)生的烯丙位自由基與分子內(nèi)的羥基互相作用的結(jié)果。香茅醇烯丙位自由基也可能由香茅醇與自由基引發(fā)劑作用直接產(chǎn)生的。

圖4 玫瑰醚產(chǎn)生的路徑

少量異胡薄荷酮的產(chǎn)生可能是相應(yīng)的異胡薄荷醇的氧化過程產(chǎn)物。但總的來說，醇的氧化過程只是次要過程，薄荷醇及其異構(gòu)體醇應(yīng)是主要產(chǎn)物。

相對而言，伯醇碳自由基是一個富電子自由基，與富電子的碳碳雙鍵的加成比較困難，因為分子內(nèi)加成反應(yīng)生成穩(wěn)定的六元環(huán)而使成環(huán)反應(yīng)可以發(fā)生。又由于環(huán)狀過渡態(tài)的存在容易發(fā)生自由基的1,3-，1,4-等遷移反應(yīng)，從而由環(huán)外碳自由基生成環(huán)內(nèi)碳自由基，加上甲基、羥基的平伏鍵、直立鍵分布等因素，因此衍生出薄荷醇的各種異構(gòu)體。另外分子之間的自由基加成等反應(yīng)也使反應(yīng)變得復(fù)雜，所以產(chǎn)生薄荷醇及其異構(gòu)體衍生物總的選擇性不高。

2 結(jié)論

自由基反應(yīng)廣泛存在于自然界的各種反應(yīng)和過程中，例如燃燒過程、聚合反應(yīng)、氣體化學(xué)、生物化學(xué)及光催化廢水處理等過程和學(xué)科。在香料合成中的實際應(yīng)用并不廣泛，但由于自由基反應(yīng)的特點，使它在一些特殊反應(yīng)步驟及一些特殊香料品種的合成方面有實際的用途。而且由于自由基反應(yīng)可以由光、熱及自由基引發(fā)，它的鏈式反應(yīng)的特點，與其他反應(yīng)過程相比具有一定程度上更為簡潔、更少的“三廢”排放等特點。尤其是光、熱引發(fā)的自由基反應(yīng)，不添加（或者很少添加）化學(xué)制劑，極大地減少了“三廢”排放，深合當今綠色發(fā)展、綠色合成的理念?？梢灶A(yù)期，在合成化學(xué)及光催化廢水處理等的發(fā)展過程中會有著不斷增加的吸引力和重要性。

[1]Campaingne E,Tullar BF,Org Synth,1963,Coll Vol 4:921.

[2]Inaba Yukio,Nishi Taichiro,Murakami Hirora,et al.Preparation of High Purity Gamma-lactone[P].Japan,JP:53150653,1978-11-14.

[3]徐富杰.自由基加成反應(yīng)合成二氫茉莉酮[J].香精香料化妝品，1988（2）：11-13.

[4]劉樹文.丁位烷基內(nèi)酯及其合成方法的探討 [J].香精與香料，1982（4）：9-14.

[5]Kuhn Walter,Funk Hans-Ulrich.Method for Producing Menthol[P].United States of America,US:2006167322,2006-07-27.

[6]Ayaz I.Allakhverdiev,Natalya V.Kulkova,Dmitry Yu.Murzin,Kinetics of Thymol Hydrogenation over a Ni-Cr2O3Catalyst[J].Ind.Eng.Chem.Res.,1995,34：1539-1547.□