羅漢柏木烯合成羅漢柏木二醇研究

張 勝， 朱 凱,2*， 毛 萍

(1.南京林業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省林業(yè)資源高效加工 利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210037；3.南京歐亞香精香料有限公司，江蘇 南京 210037)

柏木二醇系列化合物是一種具有木香和可貴的動(dòng)物香氣息的柏木香料[1]，主要由α，β-柏木烯為原料制備得到[2-3]。其中羅漢柏木二醇是一種具有淡淡木香香氣且留香時(shí)間較長的柏木系香料，可用于日用香精的調(diào)配[4]。羅漢柏木二醇是以羅漢柏木烯為原料通過雙羥基化反應(yīng)得到的[5]，但相關(guān)研究國內(nèi)尚未有報(bào)道，國外的相關(guān)報(bào)道也比較少。羅漢柏木烯和α,β-柏木烯均來源于柏木油[6-7]。其中羅漢柏木烯可直接用于調(diào)香[8-10]，也可進(jìn)行深加工合成附加值更高的天然等同香料[11-13]。但相比較而言，α,β-柏木烯在高端柏木系香料合成方面研究的較多[14]，而羅漢柏木烯沒有被很好利用。因此，以羅漢柏木烯為原料合成羅漢柏木二醇的研究具有重要價(jià)值和工業(yè)化應(yīng)用前景。羅漢柏木二醇大都以羅漢柏木烯為原料，四氧化鋨為氧化劑合成得到[15]，但鋨是貴金屬，價(jià)格昂貴，且四氧化鋨為管制品，有劇毒，因此，在實(shí)際使用中會(huì)受到一定限制。也有研究采用高錳酸鉀為氧化劑[16]，在低溫條件下，以丙酮為溶劑，用堿性的高錳酸鉀水溶液緩慢滴加氧化羅漢柏木烯得到羅漢柏木二醇，但此條件下反應(yīng)得到的副產(chǎn)物多，二醇得率只有25%，另有27%的羅漢柏木烯未參與反應(yīng)，這可能是由于羅漢柏木烯不溶于水，以丙酮為溶劑無法做到KMnO4水溶液與羅漢柏木烯完全反應(yīng)。本研究采用叔丁醇/水為溶劑，KMnO4為氧化劑，將低濃度的高錳酸鉀水溶液滴入堿性的羅漢柏木烯中，在NaOH存在下進(jìn)行雙羥基化反應(yīng)合成羅漢柏木二醇，并對(duì)其合成工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

羅漢柏木烯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%)，三明市梅列香料廠；KMnO4、NaOH，市售分析純；叔丁醇(純度≥99%)。Trace ISQ-LT氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)儀，F(xiàn)INNIGAN公司；Nicolet- 6700型紅外光譜(FT-IR)儀，美國Thermo Electron公司；AV- 600 MHz核磁共振波譜(1H NMR)儀，瑞士Bruker Biospin公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將一定量的羅漢柏木烯、叔丁醇(38 mL)、H2O(19 mL)、NaOH(0.627 g)加入四口燒瓶中，攪拌下加熱到一定溫度，緩慢滴加60 mL的KMnO4水溶液，反應(yīng)若干小時(shí)。反應(yīng)完畢后，靜置冷卻至室溫，減壓抽濾，在濾液中加入乙酸乙酯進(jìn)行萃取，分離出有機(jī)相，依次用10% Na2CO3溶液、蒸餾水洗滌有機(jī)相至中性，然后加入飽和NaCl溶液進(jìn)行洗滌，用無水硫酸鎂干燥，旋蒸除去溶劑得到粗產(chǎn)物，采用石油醚重結(jié)晶得到羅漢柏木二醇。

1.3 分析方法

1.3.1GC-MS分析 GC-MS分析條件：DB-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 μm×0.25 μm)；初溫100 ℃(保持3 min)，一階升溫速率5 ℃/min，終溫200 ℃，二階升溫升溫速率10 ℃/min，終溫280 ℃(保留5 min)，氣化室溫度280 ℃，進(jìn)樣量為0.4 μL。EI離子源，質(zhì)量范圍35～460 u。

1.3.2FT-IR測定 采用紅外光譜儀對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征，測定范圍為500～4000 cm-1。

1.3.31H NMR測定 采用核磁共振波譜儀對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征，溶劑為CDCl3。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1反應(yīng)時(shí)間 以羅漢柏木烯為原料，叔丁醇/水(體積比2 ∶1，下同)為溶劑，KMnO4為氧化劑，在n(KMnO4) ∶n(羅漢柏木烯)=1.2 ∶1，反應(yīng)溫度0 ℃，60 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%的KMnO4水溶液條件下，考察了不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)羅漢柏木烯雙羥基化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖1(a)。

由圖可知，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間從1 h增加到3 h時(shí)，羅漢柏木烯的轉(zhuǎn)化率和羅漢柏木二醇的得率都有明顯提高；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到3 h時(shí)，羅漢柏木二醇的得率達(dá)到最高，為81.8%；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過3 h，羅漢柏木二醇的得率有較明顯的下降趨勢。這可能是由于隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，在反應(yīng)過程中有副產(chǎn)物產(chǎn)生，從而降低了羅漢柏木二醇的得率。因此，反應(yīng)時(shí)間選擇3 h最為合適。

2.1.2反應(yīng)溫度 以羅漢柏木烯為原料，叔丁醇/水為溶劑，KMnO4為氧化劑，在n(KMnO4) ∶n(羅漢柏木烯)=1.2 ∶1，60 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%KMnO4水溶液，反應(yīng)時(shí)間3 h的條件下，考察了不同反應(yīng)溫度對(duì)羅漢柏木烯雙羥基化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖1(b)所示。

由圖可知，當(dāng)溫度從10 ℃升至40 ℃時(shí)，羅漢柏木烯的轉(zhuǎn)化率和羅漢柏木二醇的得率都有明顯提高，這可能是由于隨著溫度的升高，反應(yīng)體系的活性增加，進(jìn)而提高了催化效率；反應(yīng)溫度為40 ℃時(shí)，羅漢柏木二醇的得率達(dá)到最高，為84.7%。當(dāng)溫度高于40 ℃時(shí)，羅漢柏木二醇的得率開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢，可能是因?yàn)闇囟冗^高，出現(xiàn)了副反應(yīng)。因此，反應(yīng)溫度為40 ℃最為合適。

2.1.3KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù) 以羅漢柏木烯為原料，叔丁醇/水為溶劑，KMnO4為氧化劑，在n(KMnO4) ∶n(羅漢柏木烯)=1.2 ∶1，反應(yīng)時(shí)間3 h，反應(yīng)溫度40 ℃，KMnO4水溶液體積60 mL的條件下，考察了不同KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)羅漢柏木烯雙羥基化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖1(c)所示。

由圖可知，當(dāng)KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%時(shí)，隨著KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，羅漢柏木烯的轉(zhuǎn)化率和羅漢柏木二醇的得率也隨之增加；當(dāng)KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，羅漢柏木烯轉(zhuǎn)化率和羅漢柏木二醇得率達(dá)到最大，分別為98.6%、 85.7%；當(dāng)KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%時(shí)，羅漢柏木二醇得率開始下降，可能是因?yàn)殡S著KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，反應(yīng)體系中會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物，影響羅漢柏木二醇得率。因此，KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)最為合適。

2.1.4物料物質(zhì)的量比 以羅漢柏木烯為原料，叔丁醇/水為溶劑，KMnO4為氧化劑，在反應(yīng)溫度40 ℃，60 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%KMnO4水溶液，反應(yīng)時(shí)間3 h的條件下，考察了不同物料物質(zhì)的量比對(duì)羅漢柏木烯雙羥基化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖1(d)所示。

a.反應(yīng)時(shí)間reaction time; b.反應(yīng)溫度reaction temperature; c.KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)mass fraction of KMnO4 aqueous solution；d.KMnO4與羅漢柏木烯物質(zhì)的量比值molar ratio of KMnO4 and thujopsene圖1 反應(yīng)條件對(duì)羅漢柏木烯雙羥基化反應(yīng)的影響Fig.1 Effects of reaction conditions on the dihydroxylation reaction of thujopsene

由圖可知，當(dāng)KMnO4與羅漢柏木烯物質(zhì)的量比小于1.6 ∶1時(shí)，隨著KMnO4用量的增多，羅漢柏木烯的轉(zhuǎn)化率和羅漢柏木二醇的得率也隨之增加，二者物質(zhì)的量比為1.6 ∶1時(shí)，羅漢柏木烯轉(zhuǎn)化率和羅漢柏木二醇得率達(dá)到最大，分別為98.8%、 87.2%；當(dāng)二者物質(zhì)的量比大于1.6 ∶1時(shí)，羅漢柏木二醇得率開始下降，可能是因?yàn)殡S著KMnO4的用量增加，反應(yīng)體系無法做到完全活化全部的KMnO4。因此，n(KMnO4) ∶n(羅漢柏木烯)=1.6 ∶1最為合適。

2.2 正交試驗(yàn)

以羅漢柏木二醇的得率作為考察指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選定反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和物料物質(zhì)的量比4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，尋求最佳條件，結(jié)果見表1。

通過表1可知，各個(gè)因素對(duì)羅漢柏木二醇得率影響的大小次序?yàn)椋何锪媳萵(KMnO4) ∶n(羅漢柏木烯)>反應(yīng)溫度>KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>反應(yīng)時(shí)間。最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案：反應(yīng)時(shí)間3 h，反應(yīng)溫度40 ℃，KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%，物料比n(KMnO4) ∶n(羅漢柏木烯)=1.8 ∶1。在此條件下，羅漢柏木二醇的收率為88.7%，羅漢柏木烯的轉(zhuǎn)化率為98.3%，羅漢柏木二醇的選擇性為90.2%。在最佳工藝條件下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，羅漢柏木二醇得率分別為88.2%、 88.9%和89.2%，說明該實(shí)驗(yàn)條件穩(wěn)定。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of orthogonal experiment

2.3 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

2.3.1GC-MS分析 圖2(a)為羅漢柏木二醇的質(zhì)譜圖。由圖2(a)可知，m/z238為產(chǎn)物的分子離子峰，與目標(biāo)產(chǎn)物羅漢柏木二醇的相對(duì)分子質(zhì)量相符；m/z223處的峰為產(chǎn)物分子失去一個(gè)—CH3后的碎片離子峰；m/z205、 177處的峰為碎片離子峰m/z223依次失去H2O、CO后的碎片離子峰；m/z151處的峰為碎片離子峰m/z177 失去C2H2后的碎片離子峰。剩下的低m/z對(duì)應(yīng)的是一些不飽和碳?xì)渌槠澹约安伙柡秃跛槠濉?/p>

2.3.2FT-IR分析 圖2(b)為羅漢柏木二醇紅外光譜圖。由圖2(b)可知，3405和3307 cm-1處為鄰位羥基的特征吸收峰；3062 cm-1為環(huán)烷烴的吸收峰；3002、 2929和2869 cm-1為CH3和CH2的C—H伸縮振動(dòng)吸收峰；1461和1365 cm-1為CH3和CH2的C—H彎曲振動(dòng)吸收峰，1037 cm-1處為C—O的伸縮振動(dòng)吸收峰。這些峰與羅漢柏木二醇的主要特征峰相符。

2.3.31H NMR分析 圖2(c)為羅漢柏木二醇的核磁共振譜圖。

圖2 羅漢柏木二醇的質(zhì)譜圖(a),紅外光譜(b)和1H NMR譜圖(c)Fig.2 MS(a),FT-IR(b) and 1H NMR(c) of thujopsane-8,9-diol

由圖2(c)可知，在δ0.44處為1號(hào)位亞甲基氫；δ0.56處為2號(hào)位甲基氫；δ0.79和0.84處分別為3、4號(hào)位甲基氫；δ1.02處為5號(hào)位氫；δ1.06處為6號(hào)位甲基氫；δ1.12～1.45處為7、 8、 9和10號(hào)位亞甲基氫；δ2.13處為11號(hào)位氫；δ4.14和3.72處分別為2個(gè)羥基氫。由此可判定該化合物為羅漢柏木二醇。

2.4 討論

對(duì)原有的高錳酸鉀雙羥基化羅漢柏木烯方法進(jìn)行改進(jìn)，將原來的低濃度堿性KMnO4滴入羅漢柏木烯改為低濃度KMnO4滴入堿性羅漢柏木烯，不僅將反應(yīng)時(shí)間由12 h縮減到了3 h，二醇得率由25%提高到了88.7%，還無需低溫反應(yīng)，操作更簡捷方便[16]。

3 結(jié) 論

3.1以KMnO4為氧化劑，叔丁醇/水(體積比2 ∶1)為溶劑，對(duì)羅漢柏木烯雙羥基化合成羅漢柏木二醇的工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳工藝條件為：反應(yīng)溫度40 ℃，n(KMnO4) ∶n(羅漢柏木烯)1.8 ∶1，反應(yīng)時(shí)間3 h，KMnO4水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。在此條件下，羅漢柏木二醇的收率為88.7%，羅漢柏木烯的轉(zhuǎn)化率為98.3%，羅漢柏木二醇的選擇性為90.2%。

3.2通過FT-IR、和1H NMR等對(duì)合成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，確定產(chǎn)物為羅漢柏木二醇。