（应用化学专业论文）愈创木酚甲酰化反应研究.pdf

南京理工大学硕士论文愈创木阶的甲酸化反应研究 a b s t r a c t s yn击 e t i cm e l h o ds of o-vaml lln，t 七 en 均 口 u fa c t 班 eof v ani l 血 阴d 卜 v ; 双 ” l lin 丘 o m fo m l y l ation ofg i l a i 抑 i v l a rehae r- 下e r n a nandd u ffre a c t l o ns、 ， a s ir lv e stig a t e din面， p a p er.t h e e fl 殆 c t s ofdi fl 免 r e nir e a c t l o n conditionson扒 el d a n d r a t io ofi so s u c h as re actio n t i ln e ， re 留 ti onte m p e r al 泊 r e and amo uj l l s ofth e re a c t 别 时 s weredes crib ed. o p l 汕al re a c t l on conditi ons 、 v e r e d et e n n l n 七 d . at o ta l yi el d of79%ofv aj 旧 ll in、 v a s o b ta in ed y 扭 reu n e r . 五 即l a nr e a c 石 。 几t b eratiob e t w e e n 卜 v a n l l l inand y 别 肚 l lln w a sabo ut o. 2 7 . d u ff 托 a c t l ona 月 b r d e d a t o 以yi e ldof51%ofv 即 叮 n 飒u 姆m 巨 。 b e t w een 少 v 田 u li in明d y 即 叮 l ha w a s a bouto. 4 ke y 、 军 b rds: v 出 山 1 奴 小 v aj 吐 11 in，即a l aco l ， rel m e r- 毛 e m 田 氏 d u ff ii 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中 作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 南京理工大学硕士论文愈创木酚的甲酸化反应研究 1 绪论 1 . 1 概述 香兰素(v anlllin)，化学名称为3 一 甲 氧基一 小经基苯甲醛，是白色至微黄色 针状结晶或结晶性粉末， 呈香英兰豆特有的香气， 微甜，易受光的影响。 在潮湿 的空气中缓慢氧化为香兰酸。微溶于水，溶于乙醉、乙醚、氛仿、冰醋酸、 化碳、 碱溶剂和毗睫等有机溶剂中。 根据结晶用溶剂的不同， 存在q 一 、p 一 、 二硫 丫一、 6 一 四种不同晶体。香兰素既是芳醚、芳醛、也是酚类。可以进行醛基反应、酚轻 基反应、芳环反应。由 于各官能团的相互制约， 存在一些特殊性能。与大多数醛 基物质相比， 香兰素比 较稳定。 广泛用于食品、化妆品、烟草、医药等行业:同 时它也是全球产量最大的合成香料，广泛用作定香剂、调味剂，用于香精香料化 妆品及食品、饮料、烟草工业，也是合成药物和其他香料的重要中间体。 1 . 1 . 1 香兰素的主要用途 香兰素在国外的 应用领域很广，大量用于生产医药中间体， 还用作植物生长 促进剂、杀菌剂、润滑油消泡剂、电镀光亮剂、印制线路板，生产导电剂等。而 国内香兰素主要用于食品添加剂，近几年在医药领域的应用不断拓宽，己 成为香 兰素最有潜力的市场。目 前国内 香兰素消费领域中食品工业占55%、医药中间体 占 3 0 %、饲料调味剂占10%、 化妆品等占 5 %。目 前我国对香兰素的需求如下: ( 1)食品添加剂。 香兰素是生产食品 添加剂不可缺少的重要原料，国内 在生产 不同档次的食品、巧克力、 奶油糖果以 及冰淇淋等产品中， 香兰素的使用量有所 不同。食品工业具有很大的发展潜力，根据食品工业发展规划，“ 十五”期间食 品工业产值将以每年10%的速度递增，预计2 0 05年产值将达到1 3 8 00亿元。因此， 食品添加剂的市场潜力巨大， 相应将带动国内香兰素的消费。 (2 ) 制药。香兰素在医药工业中是重要的原料或中间体，可用来生产治疗高血 压、 心脏病、皮肤病及消除口 臭、利尿的常用药物。 近年香兰素作为医药中间体 发展很快，国内年均增长率在20%以 上，成为香兰素最有前景的应用领域。 香兰 素作为合成医药中间体的原料，可生产多种下游产品: 3 ，4 ，宁三甲 氧基苯甲醛t m b 是合成磺胺增效剂t m p ( 国内总产能2 5 o 0t/a， 年产量约为巧00t)、镇咳药喘速宁及抗瘫痛病药3 ，4 ，宁三甲 氧基肉桂酸异丙胺 等的 重要中间 体。 t 从 b 有多 种合成路线， 其中 对甲 酚法、 香兰素法、 对经基苯甲 醛 法较有竞争力。香兰素法总收率可达75%，随着国内香兰素技术的进步及价格的 南京理工大学硕士论文 愈创木酚的甲酸化反应研究 降 低。 该法更具工业化意义， t m b 总生产能力约为z 0 0 0 t/a ， 年产量巧 00z o o 0t， 出口 形势较好。由于成本原因，目 前有20%的 t mb采用香兰素法生产， 每年需香兰 素4 0 0 t 。 葬芦醛。琴芦醛化学名称为3 ， 4-二甲氧基苯甲醛，目 前基本上由香兰素法 合成，即以香兰素与硫酸二甲醋为原料，在有机溶剂及碱性条件下一步制得该产 品。葬芦醛可用于香料、电镀以 及合成薄芦酸系列产品， 制药工业用它合成抗高 血压药甲基多巴、心血管药物1 一 受体阻滞剂如呱哇嚓( 脉宁平) 、磺胺增效剂敌菌 净( ovl) 等，目前国内价格约1 2 万元/ 吨。该领域年消耗香兰素约巧ot。随着湖州 华晶精细化工厂1 2 0 t/a 蓉芦酸装置投产，香兰素在这方面的用量会有所增加。 儿茶酸。 儿茶酸 化学名称为 3 ， 4 二 二经基苯甲 酸， 现价格约为30方元/ 吨. 以 香兰素、 氢氧化钾、盐酸等为原料两步反应制得，主要用于合成医药和染料， 年消耗香兰素约100t。 多巴系列产品。多巴系列产品有左旋多巴、甲基多巴、卡比多巴、多巴 胺、 多巴酚丁胺等，都可以香兰素为原料制得。左旋多巴用于治疗肝昏迷及震颤麻痹 等症，近年前景较好。国内多巴系列产品年消耗香兰素不足i o 0t。 其它。 香兰素还可制备除草剂香草醛腺、硫化抑制剂二硫代香草酸锌、眼 药白内停、肝胆药联苯双酷、利胆药利胆酸、镇咳药曲 尼司特( 利喘贝) 、医药中 间 体5 一 硝基香兰酸、 香料香兰酸乙 醋、 浓郁香料3 一 甲 氧基经基一 2 一 正戊基肉 桂醛以 及食品添加剂姜酮等，国内在这些产品方面的开发力度不够. (3 ) 饲料行业。香兰素是饲料调味剂生产的主要原料， 它能改善饲料的口 感。 国内 生产饲料调味剂的厂家有40家左右。 年需求香兰素约2 5 0t。饲料产量将以 年 均10%的 速率递增， 对香兰素的需求也会不断增长。 (4 ) 其它行业。日 化行业中香兰素在配制高档香水、香皂、日 用护肤品中 起增 香和定香作用:在农业生产中香兰素可作为甜菜的增甜剂:香兰素还是电镀的增 亮剂，目 前国内应用很少。 1 . 1 . 2香兰素市场分析及预测 目 前世界香兰素生产能力为2 . 20万t/a ，我国香兰素生产能力为1 . 24万t /a， 占 世界香兰素生产能力的56. 3 %。我国香兰素己有50多年的生产历史，目 前地亚 公司与浙江雪豹精细化工有限公司的合资企业， 2 0 02年生产能力从1 0 0 0t扩至 巧oot ，且在无锡建有香兰素原料一 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 原上海嘉化精强 化工公司、 浙江中 华精 细化工集团、 上海新华香料厂组成的联合企业，香兰素年产能力4 0 0 0 t :吉化基团 公司是国内 较早的香兰素生产企业， 现年生产能力巧o ot。目 前国内香兰素消费: 2 南京理工大学硕士论文愈创木酚的甲酞化反应研究 食品工业占 55%，医药中间体占 30%， 饲料调味剂占 10%， 化妆品 等占5 %。 近几 年在医药领域的应用不断拓宽，己 成为香兰素应用最有潜力的领域。我国香兰素 在北美、欧洲、东南亚等地市场享有良 好信誉。1 9 93一2 0 02年，我国香兰素出口 量年均增长率为12%。 从目 前来看，世界香兰素生产能力已经过剩， 但由于生产工艺路线不同，成 本相差很大，因此竞争将更加激烈。同时，欧盟专家委员会称经多年试验研究发 现，大剂量使用香兰素可以导致头痛、恶心、呕吐、呼吸困难，甚至能够损伤肝、 肾，对人体有较大危险，因此决定重新制定香兰素的使用标准，进一步降低允许 剂量，这将会影响世界香兰素需求量的增长。， 全球最大的香精和香料供应商罗地亚集团合资的偌海精细化学公司可年产高 品质香兰素1 0 o 0t，主要在国内 和亚洲市场销售。偌海精细化学公司生产香兰素所 用的愈创木酚，由罗地亚集团在华的另一家合资企业一 玉石精细化工( 无锡) 有限公 司提供。罗地亚集团在法国和美国各有一家现代化的香兰素生产厂。偌海精细化 学公司的建立，是为了 抢占 潜力巨大的中国市场，显示了罗地亚在香精和香料市 场加强自身地位的战略意图，未来香兰素竟争将会更为激烈。 1 ， 2香兰素的合成方法 目 前研究的香兰素的合成方法主要有松柏普法、丁香酚法、木质素法、黄樟 素法、对经基苯甲 醛法、4 一 甲 基愈创木酚法、对甲 酚法、愈创木酚法等方法。 现 具体介绍如下: 1 . 2 . 1松柏昔法 香兰素的化学合成最早在1 8 47年由 松柏昔水解，再将水解产物松柏醉氧化得 到的l 川 . 因为原料松柏昔的 来源问 题， 该反 应在目 前的 工业化生产中己 很少采 用. 0( 卿1 105)oh钾 呱 犷 产飞 0 叫 一抽卜 ocha 工 厂飞 och3 犷 尹飞 ch=c h c h 刃h c l 】 0 1 。 2 . 2丁香酚法 丁香酚在丁香油中的含量约为85%90%。其合成方法大致可分为两种:直 南京理工大学硕士论文愈创木酚的甲酸化反应研究 接氧化法、 间接氧化法冈。 ( 1) 直接氧化法 工艺过程:在碱( n a0h 或k oh) 的存在下， 盐，将异丁香酚盐氧化( 氧化剂有氏 、比 仇 、 盐，再经酸化即得游离出的香兰素。 将丁香酚与碱共热异构化成异丁香酚 k 石 r o 尹 略氏 或硝基苯等) ，得到香兰素 班犯 一 ， - 目 -月 一 白， 优h 3 0 1 一一一一月卜 hc l chs 秘亘 o n a (2 ) 间接氧化法 工艺过程:先在碱性条件下， 将丁香酚异构化，生成异丁香酚，异丁香酚再 与(c h 石 0 2 ) 0 反应生成异丁香酚乙酸醋，最后用哪r o ， + h 全 5 认 氧化，在酸性介质中水 解成香兰素。 斌娜逻 仁 h zch = chz h 一c hch 3 k o h 一翻 卜 优h 台 决尹|叽 、护 戊h a kzc r 飞+hz 呱 工业上生产香兰素一般采用直接氧化法，该工艺生产的香兰素香气较好， 但 原料来源困难，生产成本商，产品收率约 60%，目 前只有少数厂家采用该工艺， 且总体产量很小.国内的生产厂家主要有中国轻工总会上海香料研究所。除此之 外还有电 化学氧化法， 收率 可达 7 4 . 5 %， 但成本较高t1 ，目 前未见工业化生产的 南京理工大学硕士论文 愈创木酚的甲酥化反应研究 报道。 1 . 2 . 3木质素法 直接以 木材的木质素( 如亚硫酸纸浆废液及木屑等) 为原料生产香兰素， 是目 前生产香兰素的 重要方法阔。 木质素广 泛存在于 废木材、 秸秆、 泥炭、 纸浆废液 和酒糟中，它主要以 木质素磺酸盐的形式存在。造纸废液生产香兰素的路线:首 先在加热和碱性条件下， 通入空气氧化， 然后经过萃取、酸化等过程， 精制得到 香兰素。 也有用硝基苯氧化木质素，使用相转移催化剂， 提高氧化选择性的 报道。 挪威b orreg a r d 公司采用超过滤技术由木质素生产香兰素， 其主要特点是采用超过 滤膜分离出发酵纸浆废液中不能被氧化成香兰素的低分子量的物质，从而提高香 兰素生产能力，降低原料消耗。 加、 ch( oh) c h z c h zc h 拯 )h 碱 一， 卜 0 一1卜 了0h 戊h a 戊h 3 扩 一一刁卜 卿 戊h 3 翔气 决矛 戊h 3 、子 o n a 该法原料来源广，生产历史较长，原料成本低，充分利用了 废料， 但产品收 率低， 只有10%巧%， 污染问 题严重， 据报道说每生产it香兰素产生废水近1 5 o t， 因此许多国家包括美国 在内已 陆续淘汰该路线。 但是由 于原料成本低， 且利用造 纸废液，该法继续研究还是有潜力的。 1 . 2 ， 4 黄樟素法 方法一是将黄樟素在碱性条件下异构化，再氧化成胡椒醛，与五氛化磷作用 得原儿 茶醛。 再经( 讯) 多 氏 甲 基化可得香 兰素侧 。 方法二是在碱性条件下， 将异构化开环混合物用硝基苯氧化， 混合物中的4 - o h 基异构物不发生反应。可将之分离前者用稀酸分解得原儿茶醛，后者甲 基化后用 稀酸处理回收异丁香酚。改进之处是将4 -0h 基异构物单独用硝基苯氧化，原儿茶 醛的分离用硫酸氢钠， 或在异构化开环混合物的甲 醇溶液中加入稀硫酸， 得丙烯 基焦几茶酚，再用碱和硝基苯氧化得香兰素。 南京理工大学硕士论文 愈创木助的甲峨化反应研究 方法三是将胡椒醛溶于硝基苯溶液中，加入a 旧 3 和alc b ， 在小20氧化得原 儿茶醛，收率83%，然后甲基化得香兰素。 几ch” c h z h =田田2 k ol王 -一 ，一-勿卜 .义 溉 办 0 一-刁卜 吻/ 决矛 j 0h cho电呱 十 ochs 姗气产。. 姗|、了oh 1 . 2 . 5对经基苯甲 醛法 以 对经基苯甲 醛为原料，经澳化， 然后甲 氧基化而得到香兰素tg . 鱼塑争 c a t. f b 伽气产、 cho戈了oh 甲 基化反应过去多采用d mf为溶剂， 其价格昂贵且不易回收，但目 前已改进为 在碱式碳酸铜为催化剂及少量d m f 存在下， 可用甲醉作溶剂，总收率可达8 5 %侧。 该工艺路线原料易得，操作简单，步骤少，产率高;但原料价格偏高。按目 前合 成香兰素的价格，该工艺目前没有投产的实际意义。国内没有直接采用该工艺生 产香兰素的厂家的相关报道。 但是我国的对轻基苯甲醛产量逐年上升， 价格逐年 下降，因此该法仍有利用的价值。 南京理工大学硕士论文愈创木酚的甲酷化反应研究 1 ， 2 ， 64-甲 基愈创木酚法 4 一 甲基愈创木酚存在于林化副产物松焦油轻组分中，学名对甲 基邻甲 氧基苯 酚。其生产方法是:4-甲基愈创木酚溶于溶剂中，直接氧化得到香兰素。 知、 肠、 该工艺反应步骤只有一步，反应转化率可达%，工艺路线短，总收率高 0 75%)， 后处理简单， 产生的三废极少，it 产品产生废水约3t，处理量小。 产品香气纯正，出口 欧美。该工艺是近年来新开发的工艺，并申 请了国 家发明专 利111， 存在的 缺点是原料来源渠道少。国内目 前仅有福建永安 林业股份有限 公司 采用本工艺路线生产。 1 . 2 . 7对甲 酚法 对甲 酚法一般有两种途径，一种是以 对甲 酚为原料， 经氧化、单澳化、甲 氧 基化三步，该法实际上是对轻基苯甲 醛法的延伸: c h0 场产 与 br 。 产 一叹岁一气 优h 台 厂冷oh 严办丫。 该法路线操作简单， 第一步反应收率达9 1%，且可不经过分离直接用于下一步 合 成， 总收 率可达到85% 闭 . 另外一种途径是甲 酚氛化，然后与甲 醉钠作用， 最后氧化得香兰素: 南京理工大学硕士论文 愈创木酚的甲曦化反应研究 二匕) 优h 台 恤1、厂oh 也 丝 纵 它l 叽.气了oh 讥1、了oh 该路线反应收率不如前一种。甲酚法合成路线是比 较新的一种合成方法，目 前国内 研究比 较多，我国有丰富的甲酚资源，因此该法有较好的发展前景。目 前 国内外尚未有采用此法大规模生产的报道。 1 ， 2 . 8邻苯二酚法 该法以 邻苯二酚为原料，以 聚乙醉、 叔胺作相转移催化剂， 过甲 基化， r ei脱r 一 布 i e man n 反应，即得香兰素叫。 此法原料易得， 工艺路线短，但操作复杂，收率相对较低， 再碱性条件下经 仅为60%左右。 1 . 2 . 9李经基一 3-甲 氧基节醇法 该法直接氧化4 ee 轻基一 3 一 甲 氧基节醇制得香兰素洲。反应式如下: 氧化 戊h a 娜、人 ch卜气夕|oh 工艺过程:在反应釜中，向 氢氧化钠水溶液中 加入4 一 经基弓一 甲 氧基节醇，再 加入硝酸铅溶液( 1 助1 4 一 径基一 3 一 甲 氧基节醇对应铅相当于2 . s xl o -in0 1 ) 和1 % pt/c催化剂， 在30、1 01. 3pa ， 激烈搅拌下， 通氧进行氧化反 应。 停止吸 氧后， 过滤催化剂， 滤液用硫酸酸化， 过滤、干燥得产品香兰素，收率77. 6 % 。 1 . 2 . 10 愈创木酚法 以 愈创木酚为底物合成香兰素ls-困 ， 其反 应路线主要有以 下几种: ( 1)与甲 醛反应l 喇 南京理工大学硕士论文愈创木酚的甲酞化反应研究 方法一，第一步愈创木酚与甲醛( 或乌洛托品) 反应得香兰醉。再由香兰醉与 对亚硝基二甲苯胺( 由 n ， n-二甲 基苯胺与亚硝酸反应制得) 氧化反应而得香兰素。 为了 增加香兰素的收率， 在反应过程中 用铜和氯化亚铜做催化剂。 该法工艺复杂， 反应效率低，污染大，国外已淘汰. 方法二， 美国gmd eff 等报道 愈创木酚钠盐与甲醛反应，生成4 we 经甲 基愈创木 酚混合物再加入5 %的pt/c和b i : (s0. ) : 为催化剂，通人纯氧，50反应轻甲基氧化 生成醛。近年来，西德开发了在铂催化剂下碱性水溶液中，用空气氧化4 一 经甲基 愈创木酚得香兰素。 瑞典b e c k er等人用2 ， 3 一 二氛一 5 ， 6 一 氰基苯并酿作为节醉的氧化 剂， 将经甲 基愈创木酚转化成香兰素，收率85%。另外， 也见用沸石为催化剂进 行氧化的报道。 丫 朋， 。 c ho_ 名 一 优日 3 匆仪 气 、 瑚 一 沪 飞 卜 。 旧 】 ， 洲 一 一 一月一旋 矛 一一知 田试 肚 日c一 n 口幻 n (ch a 卜， z h c i 此方法中对亚硝基二甲 苯胺可由 对硝基苯磺酸所代替， 这样可使工艺缩短， 产率有所 提高， 因而有一定的开发前景叫， 黝 ochs cho粼。 切 -目 1， (2 )与乙 醛酸缩合 愈创木酚在碱性条件下和乙 醛酸缩合生成3 一 甲 氧基一 4 se 经基苯乙醇酸， 在碱性 条件下被铜离子氧化生成3 一 甲 氧基一 4 一 经基苯乙酮酸( 香草扁桃膨 ， 然后在酸性条 件下脱狡生成香兰素，反应式为 南京理工大学硕士论文愈创木阶的甲跳化反应研究 七优h ， 、夕/ c l 们 i 以刀h n a 以1 优 h 3 飞 cu( oh) 2 洲从沪 该工艺原料易得、设备简单、三废少且易于治理，产率较高，近年来还开发 出电化学氧化扁桃酸的 方法，有很大的发展前途。从技术角度看用愈创木酚生产 香兰素， 仍是一种可行的生产方法。国内目 前已由 沈阳药学院、北京理工大学成 功开发了电 解氧化法合成香兰素的新工艺。随着电解还原草酸制备乙醛酸工业生 产日 趋成熟， 直接利用草酸电 解液与愈创木酚反应合成阳pa，进一步经电 解氧化 合成香兰素，具有大力推广前景。 ( 3 )r e i 功 e r ee -t 1 咖a n n 法 愈创木酚在碱性条件下可以 和三氯甲 烷反应生成香兰素，反应式为: 0h 场ochs一 夕 +狱 地 优h 3 叱妈 )h、矛 )h、矛 c 日 c 1 2c h0 (4 )印 度开发了 用愈创木酚与三氛乙 醛反 应阅 在1 00 碱性条件下，以 cuu o-c o cl: ，为催化剂，通空气氧化得到香兰素， 产 率 达 70琴 。 催 化 剂 也 可 用 mn0 2-c u 只ocl : 或 fe 刃 厂 m n 0 2 u o ， 反 应 式为: k0l 诬 一一一加 卜 优h 台 、护 工氛 c 卿 c h0 该法和乙醛酸法相似，不同之处是用三氯乙 醛代替乙醛酸，整个过程中只多 l 0 南京理工大学硕士论文愈创木酚的甲酸化反应研究 了一步三氯甲基水解生成相应酸。由于三氛乙醛易得，价格比乙醛酸低，所以成 本比乙醛酸法低，但三废处理要增加设备。 (5 )与乙酸乙酷作用 愈创木酚在硫酸催化下，与乙 酸乙酷作用生成愈创木酚醋酸酷，后者在a l cl: 存在下， 转化为乙酞香草酮，再用硝基苯氧化，得到香草酞甲 酸. 最后在n ， 卜二 甲基对甲苯胺溶液中脱梭得到香兰素. 以 芜h 3 一些鲤 些些. 珑阳弓 优h a 、了 :h0气 优h 3 、护 1 . 2 . n 微生物法 ( 1) 微生物发酵法 1 9 7 7 年日 本t a das ak 分离得到的棒杆菌( c o 耳n e b a c t e r i 咖 s p . ) 菌株，能够将 丁香酚转化为香兰素， 开辟出生物法制备香兰素的新途径。随后又发现许多细菌、 霉菌都能将丁香酚、异丁香酚、阿魏酸、葡萄糖等化合物转化为香兰素，即可利 用多种底物进行微生物发酵法合成香兰素。 以 丁香酚或异丁香酚为底物 以丁香酚或其同分异构体异丁香酚为原料， 采用真菌将其转化成香兰素。能 够将丁香酚 转化成香兰素的 菌种除了 棒杆菌 外还有沙雷氏 菌( s errat i asp . ) 、 克雷 伯氏菌( k l e b s i e l l as 卜) 、肠杆菌( ent e r ， oba c t er s p . ) 以 及半知菌纲类的某种 真菌。 而且沙雷氏 菌、克雷伯氏 菌、 肠杆菌也能将异丁香酚转化为香兰素，枯草 杆菌( b aci l l u ss u b t i l i s ) 和紫红红球菌( r h o d o c o c c u sr hodoc hrous ) 也具备将异 丁香酚转化为香兰素的能力。 半知菌纲类的真菌菌株转化丁香酚合成香兰素时，产量不是很高，最高的仅 有0 . 027 9 /l。枯草杆菌bz菌株，能用异丁香酚作唯一的碳源，并将其转化为香兰 南京理工大学硕士论文 愈创木酚的甲酸化反应研究 素，产量为 0 . 6 1 9 /l， 摩尔收率( 以 异丁香酚讯 为12， 4 %。 紫红红球菌解c c 2 8 9 菌 株以 异丁香酚为底物时， 在实验室最佳培养条件下， 香兰素的 摩尔收率( 以异丁香 酚计) 可高 达58%。 沙雷氏菌dsm 3 o 1 26以丁香酚为底物时， 摩尔收率( 以丁香酚计) 仅为0 . 1 %， 产量是0 . 0 1 8 9 /l;以异丁香酚为底物时摩尔收率为20. 5 %， 产量是 3 . 8 9 /l. 以阿魏酸为底物 a利用担子菌发酵合成香兰素 阿 魏 酸 与 香 兰 素 的 分 子 结 构 相 似 ， 价曰 泛 存 在 于 谷 糠 、 甜 菜 等 作 物 中 ， 利 用 酶解、 酸化 等方法从中 提取阿魏酸发 酵产生香兰素 可提高其利用率， 九十年代初 就有许多 人致力于此项技术的研究。1 9 92年l a u r once等人研究了 用一种担子菌对 甜菜浆等农业废料中的阿魏酸进行生物转化制取天然香兰素， 摩尔 产率达27. 5 躺. 1 9 9 4 年fal conni er等人也利用该菌以阿魏酸为前体物质发酵产生香兰素，产量只 达到6 4 mg/l。为了 提高 产量，1 9 99年， o d d ou等人研究了 菌体高密度培养基， 选择 出 使菌体生物量最高的 最佳碳源为葡萄糖和磷脂馄合作为碳源， 它的干重是以 麦 芽糖为碳源的4 倍。 培养巧天可得香兰素5 耐 1 / lo b利用两种菌两步发酵合成香兰素 1 996 年， l aurence 等人研究了两步法， 第一步 中国食品添加剂c hinapood a dditi ves 200 4no. 6 用黑曲 霉将阿魏酸转化为香兰酸， 转化率为 88%: 第二步用 担子菌将香兰酸转化为香兰素， 最高产量为2 37呢/l，转化率为22%。 人们又对提 高香兰素的 产量做了 进一步的研究，据报导纤维二搪可以良 好的阻止香兰酸向 着 邻甲 氧基对苯二酚方向 代谢， 使它向 着产生香兰素和香草醇的 代谢途径进行。 b o n nin 等人利用甜菜作为发酵底物，将甜菜汁作为产生阿魏酸的原料， 甜菜渣子 作为纤维二糖的原料，可使产量提高到764 口 9 / l 。培养基中的阿魏酸和香兰素过量 都会限制菌体的生长与代谢。 林d z -树脂对香兰素有吸附作用，加入触d z 一树脂 有利于产生并积累香兰 素。单独利用一种菌和两种菌生产香兰素虽然取得了 一定 的成绩，但是发酵周期长，发酵过程复杂，生化代谢途径难以 控制，产量低， 还 不能进行工业 c利用链霉菌合成香兰素 1 999 年， 物h eim 等人利用西唐氏 链霉菌，以 阿 魏酸 代替有毒的丁香酚作为前 体物质成功的获得香兰素 6 . 4 9 / l 。香兰素作为菌的次生代谢产物对于多数菌都有 毒害作用， 西唐氏 链霉菌可以很好地抵抗高浓度的香兰素。 此高产量标准为工业 上利用微生物法生产香兰素奠定了基础。但由于它是胞内酶降解阿魏酸，儒要进 行酶的 提取和纯化， 工艺需要 进一步改 进. 具体生产步 骤如下: 西唐氏 链霉菌在 基本培养中 摇床培养1 6h 以 后加入阿魏酸继续培养一离心收集菌体一破壁一提 南京理工大学硕士论文 愈创木酚的甲酸化反应研究 取酶一加入阿魏酸反应处理培养基样品一h p l c 法测定样品中的香兰素的含量。 以 葡萄糖为底物 葡萄搪在大肠杆菌重组子( e s c h e r i c h i a c o l i 孔7 / pkl s ， 2 6 a o r kl7 / p k l s . 9 7 a ) 的作用下转化为香兰酸; 然后，香兰酸经粗糙脉抱菌( n euro即ora c rassa)中 分离 得到的芳醛脱氢酶还原并生成香兰素。要想使该技术成为工业化的使用技术，必 须要解决大肠杆菌重组子的稳定表达技术， 综上所述， 葡萄糖虽然价廉，但如何实现大肠杆菌重组子的稳定表达是实用 的 关键。 从我国的 原 料资源以 及生 物技术现状来 看，以 异丁香酚 和阿魏酸为 底物 的生物转化法生产香兰索的技术更具发展前景。 (2 )植物细胞培养法 随着现代生物工程技术的发展，人们开始利用细胞培养生产香兰素。第一个 是香荚 兰细胞( v a n i l lap l ani foli acen ) 的 人工培养技术， 利用的是香英兰向 外 分泌香兰素的特性， 但是单位体积产量不高， 仅为。 . 019 / l 左右。2 o 05年又找到了 灌木状辣椒细胞(c apsie um f rut esc enss e1d 等将特定添加物转化为香兰素的新 方法。 曹孟德等在香英兰细胞悬浮培养过程中发现，添加不同种类或浓度的 植物激 素( 禁乙酸、6 一 节基腺嗦吟) ，对细胞的生长没有影响，但对香兰素产量的影响却 很明显， 禁乙酸和6 一 节基腺嗦吟相结合使用可产生更多的香兰素。香兰素的生成 与细胞的生长呈负相关，因此可以考虑采用两步培养法来培养香英兰细胞生产香 兰素。 除 此之外， 灌木状辣椒细胞、 雨生红球藻( ha咖 t o s o s s u s p l u v i a l i s c e l l ) 也能将添加剂( 异丁香酚、原儿茶醛、咖啡酸等) 转化为香兰素。 综上所述， 现在的植物细胞培养法生产香兰素的效率都比较低，离工业化应 用还有较大的距离。 ( 3 )酶法 所有的生物代谢反应都是酶促反应，上述各种方法虽然其作用机制目 前尚 不 明 确， 但可以确定是受到某一种或几种酶的 作用而产生的。如果能分离得到这些 酶， 利用酶促反应， 则可直接得到香兰素。 荷兰 ， a g e n i n g e n 大学的 v and e nh e u v e l r o b e rt hh 等 研究发 现， 利 用香 草 醇 氧化酶( v a n i l l y l a l t o hol o x i d a s e ， v a o ) 可 通过 2 种途径生产香兰素. 一种是 木 焦油醇在yao 的作用下， 经香草醇然后生成香兰素; 另一种是，香草胺在碱性条件 下， 经vao 的作用被转化成某一中间产物， 再经水解而得产品香兰素。 有专利报道 名为 c h ir az y 扣 e 卜2 ， c-f ， c21y。 的脂肪酶能 够将异丁香酚和松柏醛转化成香兰 素， 得到的 香 兰素 质量 分数 分 别 为30 . 4 % 和83 . 1 % 。 酶促反应具有高效、 专一、反应条件温和和产物易纯化，能耗低，污染小， 南京理工大学硕士论文 愈创木酚的甲酸化反应研究 操作简单易控制等特点，因而有着不可比拟的优越性。但是如何利用酶学理论、 化学工程以 及现代生物技术， 对现有酶进行定向改进、修饰， 研究其固定化技术 以 及研制适合的多酶反应器， 将是人们采用酶法生成香兰素所面临的主要工作。 含有机磷酸盐的介质中， 加入阿魏酸或阿魏酸钠，放人固定培养的放线菌， 通过生物转化成香兰素。美国研发出两步法用葡萄糖制备香兰素的技术， 不久可 望实现工业化生产。罗地亚公司在生物发酵技术的研究方面投入巨资，开发生产 香兰素的新工艺，以取代化学法生产香兰素。 1 . 3香兰素的分离提取 香兰素的各种合成方法， 存在多种副产物，而且香兰素的含量较低， 必须经 过分离、提纯、精制等一系列工序，才能获得纯净的香兰素。近几年来国内 外研 究香兰素的 萃取分离技术进展主要有以 下几方面伽 侧。 ( 1) 超临界coz 萃取香兰素因 联邦德国 开发的香兰素回收 方法是在0 1 6 0 ，( 3 0 4 0 ) x 1 0 2 k p a 条件下， 用c 02萃取含有香兰素的水溶液， 然后从含有香兰素的 c 仇 流中 分离出香兰素， 在萃 取温度下， 通n ahs 伪 、 洲5 氏 、 n 咕氏 或kls。 ; 水溶液，再用h 拓 认 酸化p h 二 2 4 ， 游离 了香兰素的c 压 可循环使用。香兰素回收率为91%。法国的方法是在301 00， 7 . 5 一4 0 m p a ， 用超临界c 氏 萃取香兰素，收率为%. 8 %。芬兰联合纸厂发现超临界 co: 通过氧化液( 在碱性条件下， 用空气氧化纸浆或酒精废液中的木质素磺酸盐含有 香兰素溶液) 时，香兰素会溶解于c 0 2 流中，用超临界c 0 2 萃取，可定量得到纯度90 %的香兰素，二氧化碳萃取法避免使用大量的酸碱及有机溶剂，萃取度高、产品 纯度高、无残留、成本低、 经济有效， 应予以 推广。超临界气体萃取分离香兰素 工艺的开发，将是今后开发研究的一个重要课题。 (2 )吸附分离香兰素 芬兰 f orss冈等用钠阳离 子交换树脂吸附 氧化 废液中的香兰素， 然后用水或 钠 盐 溶液( 如n 嘟氏 或n 昧氏 . 溶液) 解析分离香兰素。 吴学135等用树脂吸附分离酸法 制浆氧化液中的香兰素。结果表明，香兰素的回收率达96. 3 %。而且吸附树脂的 再生循环使用性能良 好。该法与传统的 溶剂萃取方法相比，可以 减少有机溶剂的 用量，降低成本， 提高生产安全性。大孔吸附树脂dx具有极大的表面积( 比表面大 于1 000 . 夕 9 ) ， 而且主要通过分子间的 范德华力吸附富集香兰素。 因 此， 吸附能力 强，同时在特定的解释剂下容易解释。在其结构中主要含有苯环，对氧化液的腐 蚀稳定。 而且 对香兰 素的结构具有 特殊的 吸附力。 大孔吸附 树脂相对于离子交换 树脂， 无论在吸附性能还是再生效果方面，都具有非常明显的优势， 选用dx吸附 树脂的各项性能指标基本满足实际应用需要。 chs0h沸点低，是比 较理想的吸附树 南京理工大学硕士论文愈创木酚的甲队化反应研究 脂的脱吸剂和再生剂. (3 )溶剂抽提香兰素 波兰w awr ”nia k 提出用极性溶剂，如丙醉、丁醉等从浓木质素磺酸盐碱液中 抽提香兰素的 钠盐， 收率为 80% 一 84%。 贺五海国 等发明了 碱性溶液中萃取香兰 素钠盐的萃取剂。它是由三五碳醇和一三碳醇配制成的一种混合溶剂，其配 比是根据被萃取料液中固形物浓度的不同而变化。 经萃取香兰素钠盐的应用表明， 该萃取剂具有良 好的 萃取性能，分配系数大;传质速度快， 有较好的选择性;分 层速度快，便于生产操作， 特别是当料液中固形物浓度很高，难于萃取的条件下， 仍可通过调节萃取剂组成比例获得上述优点。 (4 )水结晶 提纯香兰素浏 将由愈创木酚、甲 醛和对亚硝基一 n ，n 一 二甲苯胺生成的香兰素粗品溶于6 倍量 水中加热至全溶( 约80) ，自 然冷却至65以下出现不溶物时，呈淡黄色悬浊液， 温度降至4050时，有棕红杂质液体出现， 用吸管将杂质吸出，然后升温、冷 却、吸杂， 重复3 次， 香兰素浓度达的. 8 %， 并且清除了苯和甲苯的毒性。 (5 )大孔沸石提取香兰素图 常压下，0 1 00， 用n(s i 仇 ) : n(a1: 叼， 1 0 : 1 00的大孔沸石提取氧化液中的香 兰素， 然后在高于20时用乙醇解析。 沸石的孔径大于0 . 7 nlu。 低钠含量， 低极性。 实际中常用的沸石有b eta 沸石、zsm-20沸石和脱铝的沸石yo (6)用于液一 液和液一 固萃取的反应器萃取香兰素 f . g . zhu 侧 等发明 了 利 用高 频 和低 振幅 转 动的 专 用往复 层 状萃取香 兰素的 反 应器.该反应器能达到95%的萃取率，具有亲油、 僧水和抗腐蚀等特性，能够从 含有粘性颗粒的酸性溶液中提取香兰素。试验表明使用这种反应器能获得高萃取 率、高产量，能节约分离时间，并能有效阻止固体在反应柱沉积，具有长期抗腐 蚀等特性。这个液- 液、液一 固萃取器能在同一个柱中连续吸收香兰素，得到88. 6 %的粗香兰素。纯化过程产量从66. 5 % 上升到86. 5 %。 1 ， 4邻位香兰素的合成方法 关于邻位香兰素合成方法的文献较少，主要是在制取粗品香兰素后通过水燕 气蒸 馏， 精馏等方法分离出 邻位香兰素。 如e . g . ruk h adze网等在愈创木酚的甲 酥 化产物中 加入铜盐， 氨水经过滤，水蒸气蒸馏， 苯萃取后精馏获得邻位香兰素。 u m emura s u 沈 d 泊 洲等在愈创木酚的甲 酞化产物中先加入一定量的碱溶液， 分离出的 有 机 层 进 行 分 馏从 而 得 到 邻 位 香 兰 素。 k . a ， b og d an ov 阅 提出 愈 创木酚 的 亚 硝 化生 成香兰素的产物经分馏后获得三个组分，一个是香兰素，一个是愈创木酚，一个 是高沸点组分 ( 含邻位香兰素)，在高沸点组分中加入乙酸酥和浓硫酸加热到80 l ， 南京理工大学硕士论文 愈创木酚的甲酸化反应研究 ，过夜。 然后过滤， 用热甲醇洗，滤液挥发冷却后再加入碳酸钠溶液，煮沸反 应zh， 冷却，酸化等到黑色液体，水洗至中 性后减压蒸馏，用热水重结晶后得到 纯品邻位香兰素。 1 . 5本文的主要目 的、内容 香兰素作为一种重要的香料和化学中间体， 其生产工艺己日 渐成熟。 其合成 方法主要有愈创木酚法、木质素法、黄樟素法、丁香酚法、对羚基苯甲 醛法、 4- 甲基愈创木酚法、对甲酚法、微生物法。相比之下关于邻位香兰素的合成方法报 道很少， 主要是在制取粗品香兰素后通过水蒸气蒸馏，精馏等方法分离出 邻位香 兰素。随着邻位香兰素的应用日 益广泛， 需要深入探索其合成方法。本实验主要 研究对愈创木酚进行甲酞化合成香兰素和邻位香兰素。首先探索了通过赖默一梯 曼反应对愈创木酚进行甲酸化得到香兰素和邻位香兰素，研究了工艺条件对反应 的影响，以求提高邻位香兰素的得率，通过分离获取邻位香兰素纯品。并首次尝 试通过达夫反应对愈创木酚进行甲酞化，研究了反应条件对得率和异构体比例的 影响 2愈创木酚甲酞化合成香兰素和邻香兰素 2 . 1常用的甲酞化方法 芳烃可发生多种按亲电历程进行的甲酞化反应，它们是合成芳醛的主要方法。 芳烃用一氧化碳或氰化氢的甲 酞化， 均是仍被应用的经典的芳醛合成方法。芳烃 或烯用甲 酞胺的甲 酞化是广有用途的合成方法。二抓甲 醚、六亚甲 基四胺均可作 芳烃的甲 酞化试剂， 六亚甲基四胺作甲 酞化试剂的经典方法产率不高，新近获得 显著改进。 酚可用氯仿甲酞化是合成酚醛的常用方法。重氮盐亦可被甲 酞基取代， 但其历程却与上述诸反应不同， 它应属亲核取代反应。有机金属化合物可被多种 试剂甲 酞化，它们均是发展较为迅速的醛的合成方法。卤代烃用金属拨基化合物 是合成醛的新方法。烯烃可按不同的历程进行氢甲 酷化反应。烯烃与一氧化碳、 氢的氢甲 酞化是醛的工业合成法。 烯烃借转变成三烷基硼烷，再与一氧化碳反应， 这是烯烃氢甲酞化的另一新途径。 2 . 1 . 1 芳烃用一氧化碳甲酞化 ( g att e r man 介 一 长 。 ch反应) 一氧化碳甲 酞化反应是由阮t t er二nn和koch首次报道。此法是由 苯直接一 南京理工大学硕士论文愈创木酚的甲酞化反应研究 步合成苯甲醛。具体方法:在三氛化铝及氛化亚铜作为催化剂存在下， 将一氧化 碳及氯化氢通入到芳醛的硝基苯或醚的溶液中，即可形成芳醛。为了缩短反应诱 导时间，往往需要加入少量水或盐酸，或者加入少量醛与三氯化铝的配合物。一 般反应在常压下进行， 产率为30一50%。 若在加压下进行反应， 产率可提高到80 90%。此法特别适用烷基苯的甲酞化。一元烷基苯甲酞化时;几乎全部在对位发 生，而当对位有取代基时一般会发生取代基迁移。此法的缺点是反应要在高压下 进行对设备要求高，并且该法不适用于酚及芳醚的甲酞化。 ch0 犷 产飞 声 尹、 ” +m +hcl 盗入 2 / 2 . 1 . 2芳烃用氰化氢甲酞化 ( catte r . 日 n n反应) 氰化氢甲 酞化是g att e rlnan n 提出的，此法是在gat ter m a n n 一k o ch反应基础 上改进，用氰化氢代替一氧化碳。产生亚胺盐中间产物随后水解得到醛。具体方 法:在氯化锌存在下，氰化氢及氯化氢可与芳烃反应形成醛亚胺，水解后得芳醛。 若芳环上连有一个一 oh 或一 or 基， 需用三氯化铝作催化剂;若连有二个以 上的 一 oh 或 一 or基， 则氯化锌即可作催化剂， 甚至不需催化剂。 此法不同于g atternla n n 一 k o ch 反应，适用于酚及芳醚的甲酸化。此法的缺点是反应要使用剧毒的氰化氢气体。 因此在本法基础上adams 对gat t erlnarm反应进行改进。 改良 方法是用氰化锌代替 氛化氢， 而纯的氰化锌活性不高，反应过程中需加入少量氯化钾或氛化钠来提高 反应活性，改良 方法操作简便，产率提高. 尹产 、 !+ hcn 十 hcl 诀 尧 、2 / 众c 1 2 ch= 即 .hc 1 尹飞 2 . 1 ， 3芳烃或烯用甲酞胺甲酞化 ( v il瓣 ier 反应) v i l s mei e r 反 应时由v i l s m e i e r 和h aa c k 首次 报道。 该法 是在l ，1 5 酸、 三氛 氧磷或亚硫酞氛的存在下， 二甲 基甲 酞胺可使多种芳香族化合物甲酞化，此法广 泛用于碳环芳醛及杂环芳醛的合成。 当芳环分子中有一 oh， 一 or、 一( 讯) ， 、 h ( o r ) : 取代基存在时均无影响。 若反应物为非均相时， 可用二氛乙 烷或邻二氛苯作溶剂. 南京理工大学硕士论文愈创木酚的甲联化反应研究 此法有一定的局限性，苯和禁不反应。除了三氛氧磷，草酞氛、亚硫酞氛和碳酞 氛均可作为催化剂。 1 气 芜1 3 2 . 1 . 4芳烃用二抓甲 基烷基醚甲酞化 (r1 .he反应) ， 在四氯化钦存在下，芳烃可与二氯甲 基烷基醚缩合，继而水解，以3792% 的产率生成芳醛。二氯甲 基烷基醚易由 相应的甲 酸酩及五氛化磷反应制得。最常 用的是二氯甲 基甲醚、二抓甲 基丁醚。 本法亦可用于酚、酚醚、杂环芳香化合物 的甲酷化。 十clzcl l 戊h 3 t i c 1 4 一一 一一 -门卜 c h 那1 2 尹 、一c h o 1+c h 多1+hci 、 、 /尸 、矛 2 . 1 ， 5 芳烃用六亚甲 基四胺甲 酞化 ( duff反应) 活泼的芳香族化合物如酚与六亚甲 基四胺进行缩合反应，反应生成亚胺中间 体，继而水解成醛。此反应一般生成邻位和邻对位双取代物。 此法的优点反应产 物 较 纯， 并 且 反 应时 间 较r e i me r 一i e