愛德萬甜中間體3-羥基-4-甲氧基肉桂醛的合成

方聰，劉怡雪，黎四芳

（廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門 361005）

3-羥基-4-甲氧基肉桂醛（HMCA）是一種重要的精細(xì)化工中間體，主要用來合成在低糖和無糖食品以及飲料中具有很好應(yīng)用前景的新型二肽超高甜度甜味劑愛德萬甜[1-11]。早期Nagashima 等[12]使用3-羥基-4-甲氧基肉桂酸為原料，在四氫呋喃中進(jìn)行催化氫化反應(yīng)得到HMCA，但原料及催化劑較為昂貴，不易工業(yè)化。目前HMCA 通常由異香蘭素與乙醛在強(qiáng)堿性條件下進(jìn)行羥醛縮合反應(yīng)而得到[13]，反應(yīng)式見圖1。Mori 等[13]最早將異香蘭素溶解于10 倍物質(zhì)的量的NaOH 水溶液中，在反應(yīng)溫度-10℃下連續(xù)滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%的乙醛水溶液進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間需要45h以上。陳博儒等[14]在雙層玻璃反應(yīng)釜中使用恒流泵慢慢通入25%～30%乙醛水溶液與異香蘭素的堿溶液發(fā)生反應(yīng)，收率最高為61.28%±1.37%，后續(xù)通過柱層析對所得粗產(chǎn)品進(jìn)行了分離純化[15]。

上述反應(yīng)條件比較苛刻。為此，吳美紅等[16]采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鉀溶液，同時(shí)加入總量2%的聚乙二醇200，在常溫常壓下反應(yīng)4h，HMCA收率為49.8%。劉怡雪[17]使用十六烷基三甲基溴化銨有效降低了NaOH用量，合成收率達(dá)到64.9%。

在該羥醛縮合反應(yīng)中具有活性α-H 的乙醛易發(fā)生自身縮合反應(yīng)，雖然反應(yīng)需要在較低的溫度和大大過量的強(qiáng)堿存在的條件下進(jìn)行以減少副反應(yīng)，但是副反應(yīng)始終無法避免，因此HMCA 收率難以提高[18]。為解決這一問題，本文研究用乙酸乙烯代替乙醛與異香蘭素發(fā)生反應(yīng)合成HMCA，反應(yīng)式見圖2。該合成方法相較于羧酸催化氫化法[12]不僅反應(yīng)原料更為經(jīng)濟(jì)，且無須使用昂貴的催化劑。而相比于異香蘭素-乙醛合成法[13-17]，乙酸乙烯不會像乙醛那樣發(fā)生自身縮合反應(yīng)，因此反應(yīng)可在溫和的條件下進(jìn)行，副產(chǎn)物少、產(chǎn)物的收率和純度較高。本文用單因素試驗(yàn)分別研究反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、氫氧化鈉濃度和異香蘭素與乙酸乙烯反應(yīng)配比對該反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和HMCA 收率的影響，并進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，還探索了在反應(yīng)體系中添加相轉(zhuǎn)移催化劑以進(jìn)一步強(qiáng)化反應(yīng)過程。

圖2 異香蘭素與乙酸乙烯合成HMCA的反應(yīng)式

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試劑

異香蘭素（工業(yè)級，99%）；乙酸乙烯（AR）；氫氧化鈉（AR）；鹽酸（AR）；乙醇（AR）；十二烷基硫酸鈉（AR）；十二烷基苯磺酸鈉（AR）；十六烷基三甲基溴化銨（AR）；聚乙烯吡咯烷酮K30（PVP K30，AR）；乙二醇（EG，AR）；聚乙二醇200（PEG-200，AR）；聚乙二醇300（PEG-300，AR）；聚乙二醇400（PEG-400，AR）。

1.2 儀器

DC-2006低溫恒溫槽，無錫沃信實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；顯微熔點(diǎn)儀，上海儀電物理光化學(xué)儀器有限公司；HPLC 高效液相色譜儀A1200，美國Agilent公司；Nicolet iS50 紅外光譜儀，Thermo Fisher；Thermo共聚焦顯微激光拉曼光譜儀，Raman；液質(zhì)聯(lián)用儀LCMS-2020，島津；400M 核磁共振波譜儀，瑞士Bruker公司。

1.3 合成方法

在插有溫度計(jì)、電動攪拌器并置入低溫恒溫槽內(nèi)的100mL 三口燒瓶中投加50mL 去離子水，依次投加一定質(zhì)量的氫氧化鈉和異香蘭素，充分?jǐn)嚢?，待全部溶解后，控制一定的溫度，用恒壓漏斗緩慢滴加一定質(zhì)量的乙酸乙烯開始反應(yīng)，在一定時(shí)間內(nèi)全部滴完，而后再持續(xù)攪拌反應(yīng)30min。向反應(yīng)混合物中滴加36% HCl 調(diào)整pH 為2，靜置12h 后抽濾，用500mL 去離子水多次沖洗濾餅，所得粗產(chǎn)品于60℃空干燥24h。粗產(chǎn)品在乙醇中重結(jié)晶即得HMCA精品。

1.4 單因素實(shí)驗(yàn)

按照上述合成方法，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，分別研究各工藝條件對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和HMCA 收率的影響。固定異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比1∶2、氫氧化鈉濃度4.5mol/L 和反應(yīng)時(shí)間12h，探究改變反應(yīng)溫度（0℃、5℃、10℃、15℃和20℃）對異香蘭素轉(zhuǎn)化率和HMCA 收率的影響；固定反應(yīng)溫度為10℃、異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比1∶2 和氫氧化鈉濃度4.5mol/L，探究改變反應(yīng)時(shí)間（4h、8h、12h、16h和20h）對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和HMCA收率的影響；固定異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比1∶2、反應(yīng)溫度10℃和反應(yīng)時(shí)間12h，探究改變氫氧化鈉濃度（2.5mol/L、3.5mol/L、4.5mol/L、5.5mol/L 和6.5mol/L）對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和HMCA 收率的影響；固定氫氧化鈉濃度4.5mol/L、反應(yīng)溫度10℃和反應(yīng)時(shí)間12h，探究改變異香蘭素和乙酸乙烯摩爾比（1.5∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5和1∶3）對異香蘭素轉(zhuǎn)化率和HMCA收率的影響。

1.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步探究上述實(shí)驗(yàn)因素對合成HMCA 的影響程度，根據(jù)上述單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果選擇最佳反應(yīng)條件兩側(cè)的水平，設(shè)計(jì)了4 因素3 水平的Box-Behnken響應(yīng)面中心組合實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)

1.6 相轉(zhuǎn)移催化

在異香蘭素和乙酸乙烯反應(yīng)摩爾比1∶2、NaOH濃度4.5mol/L、反應(yīng)溫度10℃、反應(yīng)時(shí)間12h的條件下，分別加入各種相轉(zhuǎn)移催化劑（PEG-200、PEG-300、PEG-400、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和PVP K30）進(jìn)行反應(yīng)，研究相轉(zhuǎn)移催化劑對異香蘭素轉(zhuǎn)化率和HMCA收率的影響。

1.7 異香蘭素和3-羥基-4-甲氧基肉桂醛含量的分析方法

使用1200 Agilent 型液相色譜儀檢測異香蘭素和HMCA 的含量， 色譜柱為Agilent C18ODS（250mm×46mm，5μm），柱溫為35℃，流動相為乙腈和水（體積比為30∶70），流速為1.0mL/min，紫外檢測波長為338nm，進(jìn)樣量20μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素變量對反應(yīng)結(jié)果的影響

分別研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、NaOH 濃度和異香蘭素與乙酸乙烯的反應(yīng)投料比對異香蘭素轉(zhuǎn)化率與HMCA收率的影響。

2.1.1 反應(yīng)溫度的影響

異香蘭素轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)溫度的不斷上升而逐漸提高，說明升高溫度能夠促進(jìn)該反應(yīng)的進(jìn)行，而HMCA收率在10℃時(shí)達(dá)到最大，為73.21%（圖3）。隨后進(jìn)一步升溫，HMCA收率則明顯降低，這可能是由于乙酸乙烯在較高的溫度和堿性條件下發(fā)生水解，水解產(chǎn)生的乙烯醇迅速發(fā)生重排生成乙醛，而乙醛易于自身縮合。因此，本反應(yīng)對溫度的控制要求較高。

圖3 反應(yīng)溫度對異香蘭素轉(zhuǎn)化率和HMCA收率的影響

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

反應(yīng)時(shí)間對異香蘭素轉(zhuǎn)化率和HMCA 收率的影響見圖4。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間從4h延長至12h時(shí)，異香蘭素轉(zhuǎn)化率和HMCA 收率均逐漸增加。反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，兩者反應(yīng)不充分，逐漸延長反應(yīng)時(shí)間能夠促進(jìn)該反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為12h 時(shí)，HMCA收率最高，為71.25%。反應(yīng)時(shí)間超過12h后，異香蘭素轉(zhuǎn)化率不再增加，而HMCA 收率則下降，這可能是部分生成的HMCA進(jìn)一步發(fā)生副反應(yīng)了。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對異香蘭素轉(zhuǎn)化率和HMCA收率的影響

2.1.3 氫氧化鈉濃度的影響

如圖5 所示，當(dāng)氫氧化鈉濃度從2.5mol/L 提高到4.5mol/L時(shí)，異香蘭素轉(zhuǎn)化率和HMCA收率均增加，并在氫氧化鈉濃度為4.5mol/L 時(shí)達(dá)到最大值；而當(dāng)繼續(xù)提高氫氧化鈉濃度時(shí)，異香蘭素轉(zhuǎn)化率略有下降，HMCA收率則明顯降低。氫氧化鈉在反應(yīng)中充當(dāng)催化劑以促進(jìn)烯醇離子的生成，但堿性過高加快異香蘭素發(fā)生Cannizzaro 反應(yīng)[19]，造成HMCA收率明顯降低。

圖5 NaOH濃度對異香蘭素轉(zhuǎn)化率和HMCA收率的影響

2.1.4 異香蘭素和乙酸乙烯反應(yīng)投料比的影響

如圖6所示，乙酸乙烯的量較少，不利于反應(yīng)進(jìn)行完全。乙酸乙烯的量過多，導(dǎo)致水解副反應(yīng)增加，也會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利影響。因此，每次反應(yīng)選取異香蘭素和乙酸乙烯的投料比為1∶2 時(shí)較為合適。

圖6 異香蘭素和乙酸乙烯反應(yīng)投料比對實(shí)驗(yàn)的影響

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，以A為反應(yīng)時(shí)間，B為反應(yīng)溫度，C為氫氧化鈉濃度，D為異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比，HMCA收率為響應(yīng)值，開展4因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

以HMCA的收率為響應(yīng)值，經(jīng)擬合得到如式（1）的二次多項(xiàng)式回歸方程。

該方程R2=0.9956，說明擬合結(jié)果良好。P<0.0001（表3），顯示該方程具有極其顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。方差分析表明，反應(yīng)溫度（B）、反應(yīng)時(shí)間二次項(xiàng)（A2）、反應(yīng)溫度二次項(xiàng)（B2）、氫氧化鈉濃度二次項(xiàng)（C2）、異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比二次項(xiàng)（D2）對產(chǎn)品收率的影響非常顯著（P<0.0001），氫氧化鈉濃度（C）對產(chǎn)品收率的影響較為顯著（P<0.05）。由統(tǒng)計(jì)檢定值F的大小可以判斷，反應(yīng)溫度對HMCA 收率的影響最大，其次為氫氧化鈉濃度，反應(yīng)時(shí)間次之，異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比的影響排在最后。

表3 方差分析

圖7～圖12繪出了反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、NaOH濃度和異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比之間的交互作用的響應(yīng)面圖?？梢?，各曲面在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)均具有最大值，反應(yīng)溫度與NaOH濃度的交互作用的響應(yīng)面圖形最為陡峭，對HMCA 收率影響最大；而反應(yīng)時(shí)間和異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比的交互作用的響應(yīng)面圖形較為平緩，對HMCA收率影響程度最小。

圖7 反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)溫度的交互影響響應(yīng)面

圖8 反應(yīng)時(shí)間與NaOH濃度的交互影響響應(yīng)面

圖9 反應(yīng)溫度與NaOH濃度的交互影響響應(yīng)面

圖10 反應(yīng)時(shí)間與異香蘭素和乙酸乙烯摩爾比的交互影響響應(yīng)面

圖11 反應(yīng)溫度與異香蘭素和乙酸乙烯摩爾比的交互影響響應(yīng)面

圖12 NaOH濃度與異香蘭素和乙酸乙烯摩爾比的交互影響響應(yīng)面

采用Design Expert 8.0 求得最優(yōu)解：反應(yīng)時(shí)間為12.15h，反應(yīng)溫度為9.68℃，NaOH 濃度為4.5mol/L，異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比為1∶2.01，在此條件下產(chǎn)品收率為71.61%。在實(shí)際操作過程中，以反應(yīng)溫度10℃、反應(yīng)時(shí)間12h、NaOH 濃度4.5mol/L 和異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比1∶2 的條件，進(jìn)行5 次平行反應(yīng)驗(yàn)證，結(jié)果HMCA 收率為71.44%±2.21%，與理論值較為接近。

2.3 相轉(zhuǎn)移催化

為了進(jìn)一步提高HMCA 的收率，分別在反應(yīng)體系中加入相轉(zhuǎn)移催化劑PEG-200、PEG-300、PEG-400、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和PVP K30進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)果表明，十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和PVP K30對異香蘭素與乙酸乙烯的反應(yīng)沒有明顯的催化作用，雖然這些物質(zhì)對其他的一些羥醛縮合反應(yīng)起到了相轉(zhuǎn)移催化作用[20-24]。只有PEG 顯示了明顯的催化作用，其中PEG-200 強(qiáng)化反應(yīng)最為顯著。這可能是分子量更小的PEG-200 螺旋形結(jié)構(gòu)的孔穴大小更加適中，與金屬Na+比較匹配。從反應(yīng)機(jī)理分析，OH-與乙酸乙烯形成烯醇碳負(fù)離子是控制步驟，而OH-在水相，乙酸乙烯在有機(jī)相。PEG-200攜帶OH-使其從水相轉(zhuǎn)移到有機(jī)相中，促進(jìn)了OH-與乙酸乙烯形成烯醇碳負(fù)離子。在10℃、NaOH 濃度4.5mol/L 和反應(yīng)12h的條件下，探究了PEG-200的用量對異香蘭素轉(zhuǎn)化率和HMCA 收率的影響，結(jié)果見圖13。PEG-200 用量為1.5g 時(shí)，HMCA 收率最高，為83.12%±2.18%。

圖13 PEG-200用量對異香蘭素轉(zhuǎn)化率和HMCA收率的影響

2.4 產(chǎn)品鑒定

首先使用顯微熔點(diǎn)儀對產(chǎn)物進(jìn)行熔點(diǎn)測定，設(shè)置加熱速度為10℃/min，待溫度升至100℃后再將加熱速度調(diào)整為1℃/min。測得熔點(diǎn)為145.4～146.7℃（文獻(xiàn)值為147℃[13]）。

對重結(jié)晶后的產(chǎn)物進(jìn)行研磨，添加產(chǎn)物到KBr中進(jìn)行壓片處理，在400～4000cm-1區(qū)間經(jīng)傅里葉紅外光譜儀掃描，結(jié)果見圖14。繼續(xù)對該產(chǎn)物在700～4000cm-1區(qū)間進(jìn)行拉曼光譜掃描，結(jié)果見圖15。紅外光譜中峰值在1610cm-1、1507cm-1和1447cm-1及拉曼圖譜中1570cm-1處的峰由產(chǎn)物的苯環(huán)結(jié)構(gòu)伸縮振動引起。紅外譜圖中3210cm-1處寬而強(qiáng)的峰表示在苯環(huán)上羥基的振動，而在拉曼光譜中，3088cm-1處的弱峰則代表苯環(huán)上羥基的存在。紅外光譜中2984cm-1處為甲基的伸縮振動峰，同時(shí)吸收峰1284cm-1為苯環(huán)上的C—O 鍵伸縮振動引起的，1135cm-1處為甲基C—O鍵的伸縮振動吸收峰；拉曼光譜中1118cm-1處由C—O—C 的反對稱振動引起，表明有甲氧基存在。產(chǎn)物的紅外光譜1675～1640cm-1區(qū)域有一個顯著的C==C 鍵峰，峰值在1655cm-1，同樣對應(yīng)拉曼光譜中1602cm-1的強(qiáng)伸縮振動。紅外光譜在2842cm-1和1655cm-1處是醛基的典型吸收，而拉曼光譜中1650cm-1處的C==O 振動則較弱，表明—CHO存在。

圖14 產(chǎn)物的紅外光譜圖

圖15 產(chǎn)物的拉曼光譜圖

取適量樣品鋪滿整個玻璃凹槽，在2θ=5°～80°范圍內(nèi)進(jìn)行XRD 掃描，結(jié)果如圖16 所示。在2θ=10°～30°范圍內(nèi)具有明顯而尖銳的衍射峰。在2θ=13.74°、16.48°、24.38°和27.70°處出現(xiàn)四個明顯的衍射峰，與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道一致[13]。

圖16 產(chǎn)物的XRD衍射圖

產(chǎn)物的質(zhì)譜測試采用電噴霧離子源(ESI)，以正離子模式運(yùn)行，溶劑為乙腈，結(jié)果見圖17。3-羥基-4-甲氧基肉桂醛分子式為C10H10O3，分子量為178。質(zhì)譜峰中m/z=179.20 的[M+H]+為基峰。有碎片m/z=146.25的[M—OCH3]+生成，表明有甲氧基存在。m/z=129.35是m/z=146.25失去質(zhì)量為17的碎片（—OH）產(chǎn)生的，m/z=101.35 是失去—CHO 后得到的離子峰。m/z=74.50 則為斷裂側(cè)鏈雙鍵后苯環(huán)的特征峰。可判斷產(chǎn)物為3-羥基-4-甲氧基肉桂醛。

圖17 產(chǎn)物的質(zhì)譜圖

最后使用核磁共振氫譜和碳譜對重結(jié)晶后的產(chǎn)物進(jìn)行了鑒定。1H NMR 和13C NMR 譜在AVANCEⅢHD 400 譜儀（Bruker Biospin Gmbh）上進(jìn)行，工作頻率為400mHz，結(jié)果如圖18 和圖19 所示。

圖18 產(chǎn)物的核磁共振氫譜圖

圖19 產(chǎn)物的核磁共振碳譜圖

1H NMR (CDCl3－d)δ：9.72～9.65 (dd，J=7.8Hz，0.9Hz，1H)，7.45～7.37 (d，J=15.8Hz，1H)，7.22～7.17 (d，J=2.1Hz，1H)，7.16～7.09 (dd，J=8.3Hz，2.1Hz，1H)，6.95～6.89(d，J=8.3Hz，1H)，6.67～6.57(ddd，J=15.8Hz，7.8Hz，0.9Hz，1H)，5.81～5.76 (s，1H)，4.04～3.96 (d，J=0.9Hz，3H)。13C NMR (CDCl3—d)δ：193.75 (C—12)，152.90(C—5)，149.39 (C—3)，146.12 (C—6)，127.78 (C—11)，127.11 (C—10)，122.44 (C—)，113.60 (C—1)，110.73(C—4)，56.13(C—9)。

3 結(jié)論

對于3-羥基-4-甲氧基肉桂醛的制備，以乙酸乙烯代替乙醛，經(jīng)過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度對收率的影響最大，其次為NaOH濃度，而反應(yīng)時(shí)間的影響最小。最優(yōu)操作參數(shù)為反應(yīng)溫度10℃、反應(yīng)時(shí)間12h、NaOH 濃度4.5mol/L、異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比1∶2，此時(shí)3-羥基-4-甲氧基肉桂醛收率可達(dá)71.44%±2.21%。相轉(zhuǎn)移催化劑PEG-200 對異香蘭素與乙酸乙烯反應(yīng)合成3-羥基-4-甲氧基肉桂醛的過程具有明顯的催化作用，可使3-羥基-4-甲氧基肉桂醛收率從71.44%±2.21%提升到83.12%±2.18%。所得產(chǎn)品經(jīng)熔點(diǎn)測定、紅外光譜、拉曼光譜、質(zhì)譜、X射線衍射、1H NMR和13C NMR進(jìn)行了表征和確認(rèn)。