香兰素的合成与性质研究

本 科 生 毕 业 论 文（申请学士学位）论 文 题 目 香 兰 素 的 合 成 及 其 性 质 研 究作 者 姓 名 XX 所 学 专 业 名 称 化学工程与工艺 指 导 教 师 XXX 2014 年 5 月 28 日目 录摘要 .1Abstract.11 绪论 .21.1 选题目 的和意义 .21.2 研究现状 .31.2.1 愈 创木酚 法 .31.2.2 甲醛法 .31.2.3 三氯乙醛法 .41.2.4 木质素法 .41.2.5 对羟基 苯甲醛法 .41.2.6 香兰素合成方法比较 .51.3 研究内容 .52 实验部分 .52.1 实验试剂与仪器 .52.1.1 实验试剂 .52.1.2 实验仪器 .62.2 实验步骤 .62.2.1 合成原理 .62.2.1 生产工艺 .73 结果与讨论 .73.1 定性分析 .73.2 定量分析 .93.3 熔点法测产物的熔程 .104 香兰素的性 质研究 .104.1 物理性质 .104.2 化学性质 .104.3 毒理学性质 .115 结论 .11参考文献 .11致 谢 .12本科毕业论文- -1香兰素的合成及其性质研究摘要：香兰素作为一种重要的食品添加剂和香料产品，是人类最先合成的香料产品之一，也是当前世界上产量最大的合成香料，具有非常重要的地位。本文主要介绍了目前国内外香兰素合成的工艺现状、发展趋势及一些有研究前景的工艺路线，如乙醛酸法，木质素法等，同时尝试使用由对羟基苯甲醛进行溴化得到3-溴-4-羟基苯甲醛，然后3-溴-4-羟基苯甲醛再进行甲氧基化得到香兰，再经纯化得到95%以上的香兰素，研究的立足点突出在简单易行的工艺条件，提供了可供工业化生产参考的工艺参数。关键词：对羟基苯甲醛；3-溴-4- 羟基苯甲醛；香兰素Study on the synthesis and properties of Vanillin Abstract：Vanillin as a kind of important products, food additives and spices is one of the first synthetic spices products, is currently the worlds largest output of synthetic spices, have very important position. Of vanillin at home and abroad is mainly introduced in this paper synthesis technology present situation, development trend and some research prospects of process route, such as method of glyoxalic acid, lignin method, etc., at the same time try to use by bromination of hydroxy benzaldehyde get a 3-bromine-4- hydroxy benzaldehyde, then 3-bromine-4-hydroxy benzaldehyde to methoxyl get vanilla, then through purification by more than 95% of vanillin, the foothold is outstanding in simple process conditions, provides the reference for industrial production process parameters.Key words: p-HBA, 3-dibromo-4-hydroxybenzadlehyde, vanillin本科毕业论文- -21 绪论1.1 选题目的和意义香兰素的化学名为 4-羟基-3-甲氧基苯甲醛，别名香草醛香兰醛、香荚兰醛、香荚兰素等，分子式 ：C 8H8O3，分子量：152.15 ，熔点 82-83，结构式： OHOCH3O香兰素学名为 3-甲氧基-4- 羟基苯甲醛，也称之为香草醛。香兰素具有香荚兰豆香气与烈的奶香，广泛应用于食用、日用与烟用香精的调配，是一种重要的食品添加剂和香料产品。香兰素是人类最早合成的香料产品之一，早在 1874 年德国的德国的 M哈尔曼博士与 G泰曼博士首次成功合成了香兰素。香兰素按原料与生产方法可以分为天然香兰素与合成香兰素二种。香兰素天然存在于香荚兰豆、秘鲁香膏油、丁香花蕾油中，天然香兰素主要来自于香荚兰豆与利用天然原料通过生物技术合成二种途经。与合成香兰素相比天然香兰素的价格是合成香兰素的 50200 倍，因此，天然香兰素仅在少量有特殊需要的场合使用外，实际使用的香兰素主要是合成香兰素。香兰素的主要生产方法有亚硝基法与乙醛酸法二种，由于亚硝基法生产过程产生的三废较为严重，目前乙醛酸法已成为主要生产方法。目前只有极少数小企业还有采用亚硝基法生产香兰素，其生产量的比例小于 10%。我国目前已成为香兰素的主要生产国，实际年生产香兰素在 1 万吨左右 1。我国香兰素生产历史已有五十年历史，也是我国最重要的合成香料产品。为了控制香兰素产品的产品质量，早在 1983 年就制订了香兰素产品的国家标准（GB3861-1983），并在 2008 年完成了改版(GB3861-2008)，已于 2008 年 6 月 1 日正式使用。在原香兰素产品标准中，产品的纯度采用熔点法来表述，要求产品的熔点在 8183。采用熔点法可以保证香兰素产品的达到较纯的程度，但无法进行定量分析的目标。在新标准中采用了气相色谱法来分析产品的纯度，并要求产品的纯度达到 99.5%以上。采用气相色谱法后不但可以定量分析产品的纯度还可以分析产品中愈创木酚、邻位香兰素、5- 醛基香兰素等杂质的含量，对全面控制香兰素产品的品质十分有利 2 。香兰素有浓郁的奶香及香荚兰香气，是香料工业中最大的品种之一，是人们普遍喜爱的奶油香草香精的主要成份，是目前世界上产量最大的合成香料,广泛应用于化工、轻工、纺织印染、食品、服装、家电、烟草等行业。目前还没有香兰素对人体有害的相关报道。香兰素用途：1在食品工业上,因其具有类似香荚兰豆的香气,常作为香料添加于糕点、豆奶、清凉饮料、糖果及其他食品中,用途广泛。中国 GB2760-86 规定为允许使用的食用香料。广泛用于配制香草、巧克力、奶油等型香精,用量可达 25-30,或直接用于饼干、糕点,用量 0.1-0.4 ,冷饮 0.01-0.3,糖果 0.2-0.8,尤其是含乳制品。2在医药工业上已用于治疗皮肤病药物的抗菌配方中或合成具有杀菌作用的药物 5-氯代汞香兰素、5- 醋酸汞香兰素 ,香兰素可以作为药物赋香剂,核黄素(VB 2)的增溶剂,还用于藜芦醛、黄连素、L-甲基多巴等药物合成。3其它：在电镀业中,可用于上光剂;农业上用于增产剂和催熟剂 ;除草剂及工业上的合成革鞣剂等。目前国内香兰素消费：食品工业占 55%，饲料调味剂占 10%，医药中间体占 30%，化妆品等占 5%，因此香兰素系列产品是具有极高经济价值的精细化工产品 3。本科毕业论文- -31.2 研究现状在中国，香兰素已有多年生产历史，主要采用愈创木酚、甲醛和对亚硝基-N，N- 二甲基苯胺缩合水解路线生产香兰素。该工艺路线复杂，产率低（一般是 50%），“三废” 量大，含有较多有害物质，造成环境污染严重。另外此法生产的香兰素中含有重金属元素，国外已禁止使用此法生产的香兰素用在制药行业。目前国内主要有三家香兰素生产厂。其中，罗海（浙江）精细化工有限公司是浙江雪豹精细化工有限公司与法国罗地亚公司的合资企业，2002 年生产能力从 1000 吨增加到 1500吨，且在无锡建有香兰素原料愈创木酚生产基地；浙江嘉兴中华化工有限公司是目前国内最大香兰素生产企业，是由浙江中华精细化工集团、原上海嘉化精细化工公司、上海新华香料厂组成的联合企业，香兰素年产能力 4000 吨，正在新建 1 套 2000 吨/ 年生产装置；吉化集团公司是国内比较早的香兰素生产企业，现在年产能力大约在 1500 吨左右 4-5。在西方国家，目前多采用先进的愈创木酚和乙醛酸缩合氧化路线生产香兰素。该工艺路线简单易操作，“三废 ”量少，易处理，产率高（可达70%），劳动环境大为改善。世界香兰素生产主要集中在法国、美国、挪威。国外香兰素生产量大的厂家有法国罗地亚公司、挪威鲍利葛公司、美国孟山都化学公司、加拿大安大略造纸厂、法国罗纳一普朗克公司、挪威博列革德公司、日本盐野公司、宇部兴产公司等。罗地亚公司是全球最大的香兰素生产企业，而挪威鲍利葛公司同时拥有木质素法香兰素、愈创木酚法香兰素生产装置，香兰素生产能力为3000t/a 6。下面简要介绍一下几种主要的香兰素生产方法。1.2.1 愈创木酚法愈创木酚在碱性条件下和乙醛缩合成3-甲氧基-4- 羟基苯乙醇酸，3-甲氧基-4-羟基苯乙醇酸在碱性条件下被氧化成3-甲氧基-4-羟基苯乙酮酸（香草扁桃酸），然后在碱性条件下脱羧生成香兰素。其反应方程式如下 7：1.2.2 甲醛法(亚硝化法) 先是由甲醛和愈创木酚反应生成香兰醇，然后香兰醇与对亚硝基-N,N-二甲基苯胺氧化反应生成香兰素。为了提高香兰素的收率，在反应过程中用氯化亚铜和铜作催化剂。该法是最传统的方法，缺点是工艺路线长，操作繁杂，工艺排泄物污染环境，愈创木酚的转化率偏低，而且产物分离提纯复杂，生产成本高，国外已逐步淘汰，我国大部分厂家仍沿用此法。其反应方程式如下 8：OCH3 OH CHOCOH NaOHCHOHCOHOHOCH3O2OHOCH3COHO化化CHOOH OCH3本科毕业论文- -4OHOCH3+HOH OH OCH3OH OOHOCH31.2.3 三氯乙醛法三氯乙醛和愈创木酚进行缩合反应，生成相应的二氯甲基甲醛，用碱性水解反应得到的羟基羧酸化生物，再氧化得到香兰素。其反应方程式如下 9：OOHCH3 +ClClCl O OOHCH3OCl ClNaOHOOH CH3OONaOH CuOOOHCH3O1.2.4 木质素法以木材的木质素为原料，在加热和碱性的条件下，通入空气氧化，然后经过萃取、酸化的过程，得到香兰素。其化学反应方程式如下 10-13：OHCCH2CHSO3HOCH3OHNaOHOCH3OHCH(OH)CH2CH2OHO2CHOOCH3OH1.2.5 对羟基苯甲醛法对羟基苯甲醛溴化生成 3-溴-4-羟基苯甲醛，然后在铜化合物的催化下与甲醇钠反应生成香兰素。其反应方程式如下 14-15：本科毕业论文- -5CHOOHDMFBr2OHBrCHOCH3OHNaOCH3CHOOHOCH31.2.6 香兰素合成方法比较愈创木酚亚硝基法是最传统的方法，工艺路线长，操作繁杂，工艺排泄物非常污染环境，我国大部分厂家仍沿用此法。国外常采用愈创木酚和乙醛酸合成路线，我国也有两家企业在采用此方法，但在应用此法生产时面临很多问题，如原料不易得，技术上仍需改进，反应在总收率不高、比国外水平低10左右，且成本较高。国内对这条合成路线研究不多，但吉化集团自主研发的乙醛酸法合成甲( 乙 )基香兰素的氧化催化剂在2006年获得国家发明专利 。以木质素为原料生产香兰素，虽然成本最低，但由于产率非常低，工艺周期较长，废料非常多，环境污染严重；并且这种工艺的产品中含有较多的重金属，不能用于食品级别，在国外正被陆续淘汰。以对羟基苯甲醛为原料溴化合成香兰素是近年来提出的新工艺。工艺路线较短，反应条件较温和，三废较少，收率高，可以说是一个很好的方法，代表着绿色工艺的方向，具有一定的发展前景和应用价值，但是在我国工业上应用不多 16-17。1.3 研究内容本文比较了国内外几种常用的香兰素生产方法，同时准备对以对羟基苯甲醛为原料溴化合成香兰素的新工艺进行一些有益的探索。对羟基苯甲醛法虽然很有前景，在我国工业上应用不多，原因可能有：一是对羟基苯甲醛的来源问题，对羟基苯甲醛价格昂贵，导致原料成本过高；二是还没有人提出非常成熟的工艺参数；三是生产香兰素现有工艺已成型，不太好改造。但随着对香兰素需求的增长，一些原来设备的老化腐蚀，以及环保意识和要求的不断提高，对羟基苯甲醛法生产香兰素必将会得到很好的应用。同时对羟基苯甲醛原料价格的不断降低更加为路线的改进提出了迫切要求。所以为了这条工艺路线能够得到广泛的应用，我们有必要对对羟基苯甲醛法生产香兰素的生产工艺路线进行较为系统的研究。此外，还对香兰素的性质进行了简要的研究。2 实验部分2.1 实验试剂与仪器2.1.1 实验试剂实验中用到的试剂及其规格参数等如下表：本科毕业论文- -6表2-1 实验试剂一览表试剂名称 相对分子质量 生产厂家 规格对羟基苯甲醛溴素氧化铜甲醇钠 DMF盐酸 苯 硫酸 无水硫酸钠 乙酸乙酯 氯仿 乙醇 亚硫酸氢钠122.1 159.879.554.0273.0936.46 78.1198.08142.0488.11119.3846.07104.05江苏强盛功能化学股份有限公司国药集团化学试剂有限公司韦斯实验用品有限公司 国药集团化学试剂有限公司国药集团化学试剂有限公司上海振企化学试剂有限公司北京长海化工厂 北京化工厂 北京市化学试剂公司 北京化工厂 西陇化学股份有限公司上海振企化学试剂有限公司北京市化学试剂公司 CP（99%）CP ARCPARAR ARARARARARARAR2.1.2 实验仪器实验中用到的仪器及其规格参数等如下表：表2-2 实验过程中所用的仪器仪器名称 规格 厂家显微热熔点仪气质联用(GC/MS)傅立叶变换红外光谱(IR)恒温加热磁力搅拌器真空干燥箱电热恒温鼓风干燥箱电子天平( 精度 :+/-0.0001g)循环水式多用真空泵WRX-4Satum2100GC/MSn型Nicolet 6700型CL-2型ZKGT-6053DHG-9101-2SA型CP124S型SHB-IIIA型杭州汇尔仪器美国瓦里安(VARIAN) 公司美国Thermo 公司郑州长城科技工贸有限公司上海精宏设备有限公司上海三发科学仪器有限公司南京大学应用物理研究所监制郑州长城仪器厂2.2 实验步骤2.2.1 合成原理对羟基苯甲醛溴化生成 3-溴-4-羟基苯甲醛，然后在催化剂的催化下与甲醇钠反应生成香兰素。其反应方程式如下：本科毕业论文- -7CHOOHDMFBr2OHBrCHOCH3OHNaOCH3CHOOHOCH32.2.2 生产工艺向装有搅拌器、温度计、回流冷凝管、恒压滴液漏斗的 250mL 四口烧瓶中加入 12.2 g（0.1 mo1）对羟基苯甲醛和 150ml 氯仿，缓慢加热至对羟基苯甲醛完全溶解后，将反应器放入低温恒温水浴中，在 0缓慢滴加 5.8mL（0.105 mo1）溴素与 50ml 氯仿的混合液，约 40min 内加完，加完后保持 0左右继续反应 5h。反应结束后减压抽溶剂，残留物加水至总体积为 500ml，并用 NaOH调 PH6，后煮沸，趁热过滤，滤液冷却结晶、过滤、烘干得白色结晶 3-溴-4- 羟基苯甲醛。在 250ml 烧瓶中加入 5g（0.025mo1）3-溴-4-羟基苯甲醛、6.8g50%的甲醇钠溶液、45mLDMF及 0.6g CuO，通入氮气保护，油浴升温至 120，至溶剂回流，停止氮气保护，在回流状态下反应1.5 h。然后减压抽溶剂，残留物加水至 100ml，煮沸，趁热过滤，滤液冷却后用 18%盐酸酸化至Ph3，再用热苯多次萃取至苯层不变色，合并苯层，为黄色，往苯层中加入饱和亚硫酸氢钠溶液20ml，产生大量沉淀，再加入 50ml 水，使沉淀完全溶解水相呈淡黄色。分离苯层，水相中加入适量乙酸乙酯，调 PH0.3，再用 30ml 乙酸乙酯多次萃取，合并萃取液，蒸馏除去乙酸乙酯，得白色块状固体，再加入 100ml 水，煮沸，冷却结晶，过滤，放真空干燥箱干燥，得纯品香兰素 18-20。3 结果与讨论3.1 香兰素的定性分析用 KBr 压片法，测得产物香兰素的红外光谱图如图 2-3 所示。415.6436.3504.0547.0622.2658.2699.7741.7768.5797.9820.3880.5892.21037.31138.41175.01197.41229.61275.61312.71334