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蒜头果油直接臭氧化及其环十五酮合成的研究 摘要 本文以蒜头果油为原料，探索合成环十五酮的新方法。主要研究内容 和取得成果有如下几个方面： ( 1 ) 研究了两条蒜头果油合成环十五酮的路线( i ) 和( i i ) ，( i ) 的方法是 蒜头果油经过臭氧化、氧化后用s o c l 2 或p c i 5 进行酰氯化，再与甲醇进行甲 酯化反应，最后通过酮醇缩合和还原反应得到环十五酮，总得率为1 2 5 9 。 ( i i ) 的方法是蒜头果油经过臭氧化、氧化后进行酯化得到含1 ，1 5 十五二酸二 酯的混合物，然后通过酮醇缩合和还原反应得到环十五酮，总得率为 3 8 4 5 。实现了蒜头果油直接臭氧化切断双键，不经过提取分离二十四碳 1 5 一烯酸合成环十五酮的新方法。 ( 2 ) 采用碘量法通过检测、计算反应中臭氧的消耗量跟踪臭氧化反应过 程。在臭氧流速为0 0 6m 3 h ，0 下臭氧化反应2 5h ，臭氧的利用率为 8 9 4 9 ，蒜头果油中双键反应率为8 4 7 8 。 ( 3 ) 探索了安全、高转化率的臭氧化物裂解方法。用h 2 0 2 作为氧化剂， 在5 5 下对蒜头果油臭氧化物进行裂解反应2h ，然后甲酯化得到1 ，1 5 十五 二酸二甲酯的得率达n 8 0 5 1 。该法反应条件温和，避免了蒜头果油臭氧 化物在高温下产生热分解，可能导致发生爆炸的危险。 ( 4 ) 对路线( i ) 中重要反应条件进行了优化。结果表明，空气湿度对环 十五酮的得率具有很大的影响；最佳酮醇缩合和还原反应温度均为1 1 0 。 环十五酮粗品经减压蒸馏和乙醇重结晶，得至1 j 9 7 4 的环十五酮。 ( 5 ) 考察了1 ，1 5 十五二酸二酯类化合物的环化效应，结果表明，l ，1 5 十 五二酸二乙酯生成0 【一羟基环十五酮的得率高于1 ，1 5 十五二酸二甲酯和1 ，1 5 十五二酸二丁酯。l ，1 5 十五二酸二乙酯环化得率达n 8 8 9 5 。另外采用尿 素包合法和层析色谱法结合分离0 【，二烷酸二甲酯的混合物，分离后1 ，1 5 十五二酸二乙酯纯度为9 3 7 。 关键词：蒜头果油合成大环麝香环十五酮酮醇缩合 i i d i r e c to z o n i z a t i o no fm a l a n i ao l c e i f e r ac h u mo i l a n ds y s t h e s i so fc y c l o p e n t a d e c a n o n e a b s t r a c t t h en e wm e t h o d so fs y n t h e s i so f c y c l o p e n t a d e c a n o n ef r o mm a l a n i ao l c e i f e r a c h u mo i lw a si n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r t h ef o l l o w i n ga s p e c t sw e r et h em a i n c o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t s ： ( 1 ) t w om e t h o d so fo b t a i n i n gc y c l o p e n t a d e c a n o n ef r o mm a l a n i ao l c e i f e r a c h u mo i lw e r es t u d i e d i nm e t h o d ( i ) ，a f t e rm a l a n i ao l c e i f e r ac h u mo i lw a s o z o n i z e da n d o x i d i z e d ，t h e n r e a c t e dw i t h t h i o n y lc h l o r i d e ，a n dm e t h y l e s t e r i f y i e d w i t hm e t h a n o l a f t e r w a r d s ，f i n a l l y i tw a st r a n s f o r m e di n t o c y c l o p e n t a d e c a n o n ev i aa c y l o i n c o n d e n s a t i o na n dr e d u c t i o n t h ey i e l dw a s 12 5 9 i nm e t h o d ( i i ) ，m a l a n i ao l c e i f e r ac h u mo i lw a st h r a n s f o r m e di n t o d i e t h y l1 ，15 - p e n t a d e c a n e d i o a t e v i a o z o n i z a t i o n ， o x i d a t i o na n d e t h y l e s t e r i f i c a t i o n c a t a l y z e db ya c i d ，f i n a l l yc y c l o p e n t a d e c a n o n ew a sa l s o s y n t h e s i z e dv i aa c y l o i nc o n d e n s a t i o na n dr e d u c t i o n t h ey i e l dw a s3 8 4 5 t h e n e wm e t h o d so fs y n t h e s i sc y c l o p e n t a d e c a n o n ef r o mm a l a n i ao l c e i f e r ac h u mo i l w e r ea c h i e v e d i nt h e s em e t h o d s ，t h ec a r b o n c a r b o nd o u b l eb o n do fm a l a n i a o l c e i f e r ac h u mo i lw a sc u tv i ad i r e c to z o n i z a t i o nb u tn o tn e e dt op r e p a r ea n d p u r i f y15 - t e t r a c o s e n o i ca c i d ( 2 ) t h ep r o c e s so fo z o n e z a t i o nw a si n v e s t i g a t e dv i at e s ta n dc a l c u l a t et h e i i i w a s t a g eo f o z o n ew i t hi o d i m e t r y w h e nt h eo z o n e z a t i o nc o n t i n u e dh a l fa n dt w o h o u r sa t0 * ca n df l o wv e l o c i t yo fo z o n ew a s0 0 6m 3 h ，t h eu s er a t i oo fo z o n e w a s8 9 4 9 ，a n dr e a c t i o nr a t eo fc a r b o n - c a r b o nd o u b l eb o n do fm a l a n i a o l c e i f e r ac h u mo i lw a s8 4 7 8 ( 3 ) t h es a f e a n d h i g hy i e l df r a g m e n t a t i o nm e t h o d so fo z o n i d ew a s i n v e s t i g a t e d w h e nt h er e a c t i o no ff r a g m e n t a t i o nc o n t i n u e d2h o u r sa t5 5 。ca n d w i t h h y d r o g e np e r o x i d e a so x i d a n t ，t h e y i e l d o f d i m e t h y l 1 ，15 - p e n t a d e c a n e d i o a t ec a nc o m et o8 0 51 t h i sm e t h o dh a sm i dr e a c t i o n c o n d i t i o n ，i ta v e r t e dt h eo z o n i d eo fm a l a n i ao l c e i f e r ac h u mo i lt op y r o g e n i c d e c o m p o s e i nh i g ht e m p e r a t u r e ，s oa v e r t e dd a n g e ro fb l a s t ( 4 ) i nt h em e t h o d ( i ) ，t h em a i nr e a c t i o nc o n d i t i o nw e r eo p t i m i z e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a ta i rh u m i d i t yo nt h ey i e l do fc y c l o p e n t a d e c a n o n ew i t ha g r e a t i m p a c t ，t h eb e s tr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo fa c y l o i nc o n d e n s a t i o na n dr e d u c t i o nw a s 1io * c t h em i x t u r eo f c y c l o p e n t a d e c a n o n e w a s s e p a r a t e d v i av a c u u m d i s t i l l a t i o na n dr e c r y s t a l l i z a t i o nw i t he t h a n o l ，t h ep u r i t yo fe x a l t o n ew a s9 7 4 ( 5 ) e f f e c to fc y c l i z a t i o no fd i a l k y ll ，15 - p e n t a d e c a n e d i o a t ew a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ey i e l do fa h y d r o x y c y c l o p e n t a d e c a n o n ef r o md i e t h y l l ，15 一p e n t a d e c a n e d i o a t ew a st h eh i g h e s ta m o n gc y c l i z a t i o no fd i m e t h y l l ，15 一p e n t a d e c a n e d i o a t ea n dd i e t h y ll ，15 一p e n t a d e c a n e d i o a t ea n dd i b u t y l 1 ，15 - p e n t a d e c a n e d i o a t e ，t h e y i e l do fa h y d r o x y c y l o p e n t a d e c a n o n ef r o m d i e t h y ll ，15 - p e n t a d e c a n e d i o a t ew a s8 8 9 5 i na d d i t i o n ，d i e t h y l 1 ，15 一p e n t a d e c a n e d i o a t ew a ss e p a r a t e df r o mm i x t u r eo fa ，0 3 - d i c a r b o x y l i ca c i d i v d i e t h y le s t e rv i au r e ac o m p l e x a t i o na n dt h i nl a y e rc h r o m a t o g r a p h ya n dc o l u m n c h r o m a t o g r a p h y ，i t sp u r i t yw a s9 3 7 k e yw o r d s ：m a l a n i ao l c e i f e r ac h u mo i l ；s y n t h e s i z e ；m a c r o c y c l i cm u s k ； c y c l o p e n t a d e c a n o n e ；a c y l o i nc o n d e n s a t i o n v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 弓艮闺 学位论文使用授权说明 例7 年月坫日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 团即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：纭麦涝事导师签 矽哆年石月矽日 广西大掌硕士掌位论文蒜头果油直接臭氧化及其环十五酮合成的研究 1 1 麝香概述 第一章绪论 麝香是一种香料化合物，与龙涎香、灵描香和海狸香号称世界最名贵、最珍奇的四 大动物性香料【1j 。麝香具有很好的定香能力和提香作用，具有特殊的柔和而优雅的香气， 因此，它与玫瑰、茉莉花精油一样成为世界知名的香料【2 一。在香料香精的调配中，麝 香主要起到定香、烘托、圆润与平衡整个香气的作用。除了特殊的香味之外，麝香也具 有很高的药用价值。本草纲目记载：麝香“辛温无毒”，有“通诸窍，开经络透肌 骨”等功能 5 - 7 。麝香与牛黄、羚羊角、犀牛角号称四大动物名药。麝香性味辛温，具 有开窍醒神、活血通经、消肿止痛的功效，对热病神昏、中风痰厥、气郁暴厥、中恶昏 迷、经闭、难产死胎、咽喉肿病、跌打伤痛、痹痛麻木等疾病有很好的疗效【3 j 1 1 。近年 来的研究表明，麝香在治疗肝病、癌症和心肌梗死等方面有明显的作用【1 2 j5 1 。由于麝香 的疗效迅速，是目前临床上惟一可用作急救药的中药。 麝香包括3 甲基环十三酮、环十四酮、灵猫酮、3 甲基环十五酮、环十五酮、环十 六酮和环十七酮等各种大环麝香酮以及环十五内酯、环十三内酯和环十七内酯等大环内 酯化合物。其中，麝香酮、环十五酮、灵猫酮和环十五内酯是具有代表性的麝香化合物。 麝香香气部分的有效成分主要是3 甲基环十五酮，也叫麝香酮【1 6 ， 】。最早的麝香酮是从 麝的香囊中萃取分离得到，捕杀上万只麝才只能得到一公斤的纯麝香酮，所以它非常珍 贵。随着物质水平发展，社会对麝香酮的需求逐年增加，对麝的乱捕乱猎，使麝大幅度 减少，以致麝香酮的价格更加快速地上升，目前，其价格已超过黄金【1 8 - 2 0 1 。人们曾试图 通过人工饲养麝鹿，采用活体取香的方法来获得麝香，由于雄性麝鹿的性格暴躁，香囊 又是它们的必备之物，雄麝往往在取香之后死亡。因此，采用人工饲养活体取香并未收 到理想的效果【2 1 , 2 2 。 由于麝香的天然品来源十分有限，价格昂贵，远不能满足人们对其日益增长的需求， 这就促使人们对其进行长期研究和开发，在世界上形成了合成麝香工业，以合成的麝香 化合物来代替天然品。合成麝香香料可分为3 种类型【2 3 2 5 】：硝基麝香、多环麝香和大环 麝香。硝基麝香被怀疑有致癌性，许多国家已禁止将其用于化妆品及与皮肤接触的产品 中，多环麝香合成困难，大环麝香是天然麝香的主要成分，加之性能稳定、无毒，因此， 对大环麝香的合成很快成为人们重点研究的对象，具有很大的市场潜力。 1 2 环十五酮简介 环十五酮的分子结构如下： 广西大掌硕士掌位论文考襄头果油直接- i g 车l 化及其环- i - 五酮合成的研究 = = o h 环十五酮又称黄蜀葵酮，无色或白色针状晶体，熔点6 3 ，沸点3 4 4 ，相对密度 d 4 2 0 为0 9 2 4 ，折光率n d 2 0 为1 4 6 3 7 ，不溶于水，溶于乙醇和油类。 环十五酮被广泛用于高档香水、香粉、香皂等日用香精和食品香精中【2 6 1 ；此外，环 十五酮还是合成其他麝香类化合物的重要中间体，用于制药行业。 最早的天然环十五酮是通过浸取麝猫和麝鼠的腺体分泌物得到的，到1 9 2 6 年才由瑞 士的苏黎世工科大学的r u z i k a 教授首次用人工方法合成得到【27 1 。此后研究工作者发展了 多种环十五酮的合成路线，但由于受到原料来源少及合成条件苛刻的限制，至今无法大 规模生产。 1 3 蒜头果油简介 蒜头果( m a l a n i ao l c e i f e r ac h u me tl e e ) 又名猴头果、山桐果、马兰后、野桐子，铁 青树科马兰木属植物，是国家保护的珍稀濒危植物之一【2 8 】，树干挺直，树高1 0 一- 2 0 米， 有樟树气味，树皮淡黄色，叶片揉碎有桃仁气味；树上长有蒜头状的圆形果实，因此把 它叫做蒜头果。它主要分布在广西的西北和和云南西南等地。蒜头果仁油脂的含量为5 0 6 0 ，主要以不饱和脂肪酸三甘油酯的形式存在，脂肪酸中以碳c 1 8 c 2 4 的化合物 为主，其中十八碳9 烯酸的含量为3 0 - - 4 0 ；二十二碳1 3 烯酸的含量为1 0 1 5 ， 二十四碳1 5 烯酸的含量达到4 0 6 0 【2 9 ，3 0 1 。它是合成环十五内脂、麝香酮和环十五 酮等名贵香料的理想原料【3 卜3 引，具有很高的应用价值。 蒜头果油的结构如下： c h 2 0 0 c 一( c h 2 ) m c h = c h ( c h 2 ) 7 c h 3 c h o o c 一( c h 2 ) n c h = c h ( c h 2 ) 7 c h 3 c h 2 0 0 c 一( c h 2 ) i c h = c h ( c h 2 ) 7 c h 3 其中m ，n ，i 为7 、11 和1 3 等 实验所用蒜头果油中脂肪酸的主要成分如表1 1 表1 1 蒜头果油中脂肪酸组分 t a b l el - 1c o m p o n e n to ff a t t ya c i do fm a l a n i ao l e i f e r ac h u n e to i l 2 广西大掌硕士掌位论文蒜头果油直接臭氧化及其环十五酮合成的研究 1 4 环十五酮的合成研究进展 环十五酮作为一种合成香料，属于大环麝香酮。由于天然存在的麝香酮很少，价格 非常昂贵，随着社会需求的不断增大，合成环十五酮的原料和技术不断被开发，现将合 成环十五酮的一些主要方法和主要原料陈述如下： 1 4 1 合成方法 大环酮类麝香的合成方法大致可分为两类【3 5 】：一是将环扩大或收缩；二是无环a ， 二官能团化合物的分子内闭环【3 引，因为大环化合物原料不容易得到，单链大环开环后 断链很困难且难以控制，所以由大环收缩制取小一级大环酮的方法极少。 ( 1 )由分子内闭环法合成大环酮 由分子内闭环法合成大环酮一般使用含1 3 个碳以上的脂肪族的0 【，一二元羧酸或者其 羧酸衍生物作为反应物【3 9 越】，在一定条件下进行关环得到环十五酮，该路线从脂肪族的 a ，二元羧酸到目标产物环十五酮的步骤较短，但由于关环反应不容易控制，副产物较 多，最终环十五酮的得率并不高。合成方法主要包括羟醛缩合闭环法、醇酮缩合闭环法、 d i e c l ( m a n 缩合闭环法、极度稀释法、烯酮二聚法以及分子内酰化闭环法和自由基加成闭 环法等4 3 朋】。 最初制造大环酮的方法是将脂肪族的q ，二元羧酸先制成金属盐类。r u z i c l ( a 等人 发现：将周期表中的第1 i i 和族元素钍、钇或铈的二元羧酸盐在真空下进行热解，可进 行关环得到比原来的酸少一个碳原子的大环酮类化合物和其他副产物【4 5 斯】。 c o o m i ( c h 2 ) 1 4 l c o o m n h 2 ) 1 4 i 丫 i 一j 环十五酮 广l 午m c c l h ， | i h 3h ， ( c 臣h 2 ) c 1 4 ( c h 2 ) 1 4 + 酗： = o + l r j l 一 暮 厂 + ( c h 2 ) 1 2 仁o l o c h 3 l ( c h 2 ) 1 3 l c o c h 3 a ，一二腈的极度稀释闭环法【4 7 】：在极度稀释的醚溶液中，利用l ，1 5 二腈为原料， 用二乙胺锂为催化剂进行环化反应，可以得到收率为5 0 的环十五酮。 3 广西大掌硕士学位论文蒜头果油直接臭辜l 化及其环十五酮合成的研究 ( f h 2 ) l l c h 2 c 兰n c h 2l i n ( c 2 h s ) 2 i 1 面一 c h 2 c = n 。 一c r h 2l l 一广 i i l il c h 2 c = o ( c h 田2 ) 1 4 一。 6 = o u 。 环十五酮 d i e c k m a n n 缩合法：十六烷酸二酯类化合物，在碱性介质中发生d i e c k m a n n 缩合得 到p 羧酸酯环十五酮，再水解脱羧得到环十五酮【4 8 4 9 1 。 厂一下眦0 0 明3 厂 h 3 c o o c h 2 h 4 c o o c h 3 一 芒当o 一幽一。 环十五酮 酮醇( a c y l o i n ) 缩合法：直链十五二酸二酯在甲苯中用与金属钠反应得到q 一羟 基环十五酮，再将其还原便得到环十五酮。 蝎0 0 0 0 【毗。吣旦 一1 厂哑z nh c i ， i r _ i ，i g 一a _ 一0 h | l o o 环化十面蛹环十五酮 ( 2 ) 环扩大法合成大环酮 由环十二酮扩环合成环十五酮： 扩环法主要是指三碳扩环和二碳扩环。三碳扩环是由f i r m e n i c h 实验室发展起来的方 法。它是通过环十二酮形成的二环 1 0 3 o 】十五烷( 或十五烯) 化合物的桥键断裂形成的。 环十二酮是石油工业副的产品，并且价廉易得，所以它成为扩环法合成麝香酮的首选原 料之一 5 1 , 5 2 】。合成反应如下： 瑞士z u e r i c h 大学的n a g e l m a t t h i a s 等人在乙烯基大环醇中以环十一酮为原料，经过 两次扩环得到环十五酮【5 3 】。 4 n h 孙 瑚 c = 眦 j l 、a i i c 一 一 曲 一 鼢 2 卜 叫 飓 ，、iyic “i g i c 广西大掌硕士掌位论文蒜头- j l t - 油直接臭氧化及其环- t - 五酮合成的研究 以1 ，5 ，9 一环十二碳三烯可以合成环十五酮【5 4 1 ： o i i 等父 7 叫尸( c h 2 ) 1 1 o r o 沁o c h 3 ( c h 2 ) 7 c h 2 c h ( c h 2 ) 1 3 c o o r 呻c h 3 ( c h 2 h 叫尸h ( c h 2 ) 1 3 o r d 2 3 脂肪酸的酯化方法及其机理 脂肪酸的酯化方法很多，其中采用酰氯化的转化方法值得关注。酰氯分子中，卤素 原子直接与羰基碳原子相连，氯原子具有较强的电负性，碳一氯键上电子云偏向氯原子， 在进行亲核取代反应时，氯原子容易以负电荷形式离去，从而使得酰氯具有很强的活性， 在低温下与醇反应生成羧酸酯。 羧酸的羰基和羟基直接相连，它们相互影响的结果使得羧酸具有独特的化学性质。 羰基中由于7 c 键的极化，氧原子带部分负电荷，碳原子带部分正电荷，由于氧原子可以 形成稳定的氧负离子，有较大容纳负电荷的能力，所以碳氧双键中反应活性中心是带正 电的碳原子，羰基碳原子容易受到较强亲核试剂的进攻使得与羰基碳相连的羟基容易被 取代而生成羧酸的衍生物 8 7 , 8 8 。 无机酰氯如s o c l 2 ，p c i 3 ，p c i 5 等可与羧酸反应使卤素取代羧酸的羟基生成酰氯【8 9 】。 反应一般是先生成混酐，然后进行加成一消去反应。羧酸与酰氯化剂s o c l 2 的反应 。一r - - - _ , o h c l押 胃o r 一一h + c 1 一s ，一c i _ 翌生r 亡一。一- - c i 一g 彳o i i l r 一6 色冬一c t 一r c o c i + s 0 2 + c i 广西大掌硕士掌位论文蒜头果油直接臭氧化及其环- p 五酮合成的研究 羧酸酯与亚硫酰氯反应的能力远不如羧酸，分子中同时含有羧基和羧酸酯基时，主 要是羧基跟亚硫酰氯反应生成酰氯，而羧酸酯基位能反应而保留下来。例如：丁二酸酐 合成丁二酸一甲酯一酰氯【叫的反应式如下： i c h 2 c o 、。堡蔓3 q h - c ih 2 c 0 2 c h 3 皇旦竺垦- c i h 2 c 0 2 c h 3 二h 2 c o c 。h 2 c 0 2 h3 0 4 0 0 c 。 三h c o c l 9 0 9 3 羧酸衍生物的酰基容易发生亲核取代反应。羰基碳是用。键和其他三个原子相连接 的，由于这些键所利用的是s p 2 轨道，所以，它们处于同一个平面中，间隔为1 2 0 。；碳原 子所剩下的p 轨道与氧的p 轨道重叠而形成一个兀键，这样，碳和氧就以双键连接起来。 分子中紧靠羰基的周围部分是平的，氧、羰基碳和直接连接在