（工业催化专业论文）愈创木酚法催化合成香兰素的研究.pdf

摘要 摘要 论文通过对愈创木酚法催化合成香兰素的研究，对愈创木酚法的各种工艺 进行了比较，选定愈创木酚法之乙醛酸法催化合成香兰素作为研究课题，考察 了不同的反应工艺条件对香兰素合成的影响，并对催化反应的条件作出了探讨。 ( 1 ) 随着我国苯酚法合成愈创木酚工艺及电解还原草酸制备乙醛酸工业的 日趋成熟，愈创木酚及乙醛酸的价格下降，愈创木酚法催化合成香兰素选择愈 创木酚乙醛酸法路线更符合我国国情。 ( 2 ) 影响缩合反应的主要因素有：原料的配比、原料的加人方式、反应温 度、反应时间，反应体系碱浓度( p h 值) 等。缩合反应较佳反应条件为：反应 温度7 5 、碱浓度为2 呲5 m 、愈创木酚与乙醛酸摩尔比为1 1 5 、n a o h 总 量与乙醛酸摩尔比为2 - - 3 左右、采用部分碱液与乙醛酸溶液同时滴加的加入方 式、反应时间为3 5 8 h ；乙醛酸转化率可达8 4 0 ，m h m a 收率可达8 0 以上。 ( 3 ) 催化氧化反应的影响因素有：催化剂性质、催化剂用量、反应温度、 p h 值、搅拌程度、空气流量及其进入方式等。本研究采用自制的氢氧化铜催化 剂催化效果良好。试验确定的催化氧化反应适宜工艺条件为：催化剂用量与反 应物加入量的摩尔比为l 1 3 ，反应温度9 4 - - 9 5 ，p h 值1 2 1 2 5 ，空气流量控制 在5 7 5 l h ，搅拌速率1 2 0 0 - - 1 3 0 0 r m i n ，香兰素总收率可达7 4 ；氢氧化铜催化 剂使用寿命可达循环使用1 0 次以上。 关键词：愈创木酚；乙醛酸；香兰素；催化氧化；合成 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e s i sc o n d u c t e dar e s e a r c hl u t oc a t a l y z e ds y n t h e s i sv a n i l l i nb yt h eg u a i a c o l m e t h o d c a r r i e do i lc o m p a r i s o nb e “v e nd i f f e r e n tt e c h n o l o g i e so ft h eg u a l a c o l m e t h o d , s e l e c t e dt h em e t h o do fg l y o x y l i ca c i da st h er e s e a r c ht o p i c ，w h i c hi so n eo f t h eg u a i a c o lm e t h o d s , i n s l ) e c t e dt h ei n f l u e n c e st ot h es y n t h e s i so fv a n i l l i nu n d e r d i f f e r e n tr e s p o n s et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，a n a l y z e dt h ec o n d i t i o n so ft h ec a t a l y t i c o x i d i z a b l er e a c t i o n ( 1 ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs y n t h e s i so fg u a i a c o lb yt h ep h e n o lm e t h o da n dt h e p r e p a r a t i o no fg i y o x a l i ca c i di n d u s t r yb yd e c l r o l y t i cr e d u c t i o no fo x a l i ca c i di no n r c o u n t r y ，t h el x i c * o fg u a i a c o la n dg l y o x a l i ca c i dd r o p p e d s e l e e t i n gt h em e t h o do f g l y o x y l i ca c i dt oc a t a l y z es y n t h e s i sv a n i l l i ni sm o r ea p p r o p r i a t et oo u rn a f i o n f l c o n d i t i o n s ( 2 ) t h ep r i m a r yf a c t o r si n f l u e n c i n gc o n d e n s a t i o nr e a c t i o na r e ：t h ef o r m u l ao f m a t e r i a 、t h em e t h o do ff e e d i n gi nm a t e f i a 、t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e 、t h er e a c t i o n t i m e 、t h ec o n c e n t r a t i o no fa l k a l i ( t h ep ho fr e a c t i o n ) t h eo p t i m a lc o n d e n s a t i o n r e a c t i o nc o n d i t i o n s ：m o l er a t i oo fg u a i a c o la n dg l y o x y l i ca c i d1 o 1 5 ，n a o h ： g l y o x y l i ca c i d = 2 3 ；r e a c t i o n 7 5 ；t h e c o n c e n t r a t i o n o f a l k a l i2 m 之5 m it h e t i m e o f r e a c t i o n3 5 8 h ；t h ep e r c e n t a g eo f c o n v e r s i o n ( g i y o ) 【a i i ea c i d ) 8 4 0 ：t h ey i e l d o f m h m a ( b a s e do ng l y o x y l i ca c i d ) 8 0 ( 3 ) t h ep r i m a r yf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ec a t a l y t i co x i d a t i o nr e a c t i o na sf o l l o w s ：t h e q i l a l i t yo f c a t a l y s t 、d o s a g eo f c a t a l y s t 、t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e 、t h ep ho f r e a c t i o n 、 d e g r e eo fm i x i n g 、r a t eo fa i rf l o wa n dt h ea i re n t e r i n gw a y s t h ee f f e c to ft h i s r e s e a r c hw i t hs e l f - m a d ec u ( 0 8 ) 2 c a t a l y s ti sg o o d t h eo p t i m a lc a t a l y t i co x i d i z a b l e r e a c t i o nc o n d i t i o n s ：t h em o l er a t i oo fc a t a l y s ta n dm a t e r i ab e i n gl 1 3 ：r e a c t i o n i i i a b s t r a c t 9 4 - - 9 5 ：p h l 2 - 1 2 5 ；r a t eo f a i rf l o w 5 7 5 l h ；r a t eo f m i x i n 9 1 2 0 0 d 3 0 0 r m i n ： t h ey i e l dr a t i oo fv a n i l l i n ( b a s e do ng l y o x y l i ca c i m7 4 t h eo p e r a t i o nl i f eo f c u ( o h ) 2c a t a l y s tw a s m o r et h a n1 0t i m e s g u os o n g l i n d i r e c t e db yp r o f l i uw e n m i n g k e yw o r d s ：g u m a c o l ；g l y o x y l i ca c i d ；v a n i l l i n ；c a t a l y t i co x i d a t i o n ；s y n t h e s i s 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌太学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储鞠瑚：葬澎、沁字吼脚即月形r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壹叠娄鲎 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名c 掏：磊牡林 签字日期：孑旬年眵月z 2 日 导师签名( 手写) 签字日期：弘柳年仁月杉f ：1 第一章文献综述 引言 第一章文献综述 香兰素( v a n i l l i n ) ，俗称香草醛或香兰醛，化学名称为3 甲氧基- 4 羟基苯甲醛， 结构式为：足” 。香兰素是一种广谱型香料，熔点为8 1 8 3 c ，沸点2 8 4 ( 2 ， 屿 通常为白色或浅黄色结晶状粉末i l 】。 广泛应用于定香剂、调味剂、新型香精、 医药、食品、农业等方面。纯净的香兰素具有浓郁的奶油香气，无异味，作为 香料添加剂，以其添加量少和独有的芳香而备受国际香料界的青睐，可用于糖 果、冰淇淋、饮料、巧克力、饼干以及烟草、酒类等作定香剂并起助香作用， 还可作香皂、牙膏、香水等各类化妆品的加香调香剂以及橡胶、塑料和其它产 品的祛臭加香剂等f 2 】。同时香兰素又是一种重要的化学中间体和原料，在医药合 成中，合成治疗高血压的l 甲基多巴、合成治疗心血管的多巴酚丁胺、合成抗休 克药物多巴胺等 3 1 。在化学分析方面，香兰素可用来检验蛋白质氮杂茚、问苯三 酚及单宁酸的存在。在农业上，香兰素成腙后可用作农作物的除草剂，还可作为 甘蔗的催熟剂。此外，在农药合成、电镀中也有广泛的应用。国外较大的香兰 素生产公司为意大利恩尼肯公司和挪威博雷艾公司，年产量约2 0 0 0 t ，其它主要 生产厂家有美国孟山都公司，加拿大o n t a n i op a p e r ，挪威博列革德公司，日本盐 野公司和字部兴产公司等；我国主要有上海香科厂和吉林化学工业公司【4 】。香兰 素目前在世界上的年消费量约为2 0 0 0 0 t ，其需求量每年仍以1 5 的速度在增长； 我国是香兰素生产大国，年生产能力达1 2 5 0 0 t ，现产量6 0 出口，并逐年以1 0 增长；国内需求量以2 5 速率增长 5 1 。因此，进行香兰素的合成研究具有重要意 义。 香兰素的合成方法有多种，可分为愈创木酚法【6 】、木质素法m 、黄樟素法i s 、 丁香酚法 9 1 、对羟基苯甲醛法【m 、对甲酚法【l l 】、微生物法f 1 2 1 等，木质素法合成 路线生成废料多，在国外正被陆续淘汰；丁香酚法采用丁香酚为原料，而丁香 酚来源难有保证，且价格较高；黄樟素法虽原料来源有保障，但该法工艺复杂， 路线长，同时生成异香兰素，产品收率低；而我国的对羟基苯甲醛产量极低造 成了对羟基苯甲醛法研究难以工业化；对甲酚法的产品分离较复杂，目前国内 第一章文献综述 外尚未有采用此法大规模生产的报道；微生物法是在含有机磷酸盐的介质中， 加入阿魏酸或阿魏酸钠，放入固定培养的放线菌，通过生物转化成香兰素1 1 3 】， 此法还处研究阶段，尚未成熟。 愈创木酚法合成香兰素的研究历史最为悠久，工艺已趋于成熟，目前合成 香兰素工业7 0 以上采用此法。愈创木酚法合成香兰素已报道的方法有亚硝基 法，甲醛法、r e i m e r - t i e m a n n 法、三氯乙醛法、电解氧化法、乙醛酸法等工艺。 国外目前普遍采用乙醛酸和愈创木酚缩合法生产香兰素，但是由于乙醛酸 的价格问题和一些关键技术上的问题，该工艺在我国还没有推广开来。目前只 有吉化集团公司研究试验厂建成投产了一套2 0 0 t a 香兰素的生产设备【1 4 1 ，随着我 国电解还原草酸制备乙醛酸【1 5 】工业生产日趋成熟及苯酚法合成愈创木酚工艺【1 q 的成熟，乙醛酸和愈创木酚的价格有望下降，愈创木酚乙醛酸法将具有大力推 广的前景。 1 1 愈创木酚的性质 愈创木酚( g i l ；a i a c o l ：0 m c t h o x y p h e n 0 1 ) ，化学名邻甲氧基苯酚，分子式为 c 7 h 8 0 2 ，分子量1 2 4 。白色或微黄色晶体。有特殊芳香气味。置露空气或日光下 徐徐变成暗色。密度为1 1 1 2 1 1 4 3 ，熔点3 1 3 2 c ，沸点2 0 4 2 0 6 c ，闪点 8 2 2 ，折射率( 露；) o 8 2 8 。微溶于水和苯，易溶于甘油，混溶于乙醇和大多 数非挥发性油1 1 7 】。 愈创木酚主要来自于化学合成及天然木油中精馏提取。目前国内工业上合 成愈创木酚是由邻甲氧基苯胺的重氮化反应制得，该反应需严格控制反应条件， 产率只有3 0 0 , 6 左右；国外一般用邻苯二酚的甲基化反应直接合成。当前国内价 格为4 1 0 0 0 4 5 0 0 0 元吨l i 卅，但随着我国苯酚法合成愈创木酚工艺的成熟，这 一价格有望下降。 其用途主要用于制造香兰素、檀香、饮料、糖果、焙烤食品；还是一种难 得的医药化工原料，用于制造愈创木酚磺酸钾、麝香、肾上腺素、镇咳药、抗 菌消炎药等。 2 第一章文献综述 1 2 乙醛酸的性质 图1 1 愈创木酚结构示意图 乙醛酸( g l y o x y l i ca c i d ) ，又名二羟醋酸、甲酰甲酸，分子式为c 2 h 2 0 3 ， 分子量为7 9 0 4 ，结构式为c h o - c o o h ，是最简单的醛酸。纯品为白色晶体； 水溶液为无色透明液体；半水化合物的熔点7 0 7 5 ，无水物溶点9 8 ；溶于 水，微溶于乙醇、乙醚和苯；有毒；有腐蚀性；能刺激皮肤和粘蒯1 9 】。兼具醛 和酸的结构和性质，化学性质相当活泼，是一种重要的精细化工原料和有机中 间体，在医药、农药、香料、造纸、食品添加剂和生物化学等领域的应用中不 断扩大。可以合成香兰素、尿囊素，二苯基乙酸、苯甘氨酸、泛酸钙等重要的 下游产品伫川。 乙醛酸的生产方法很多，有马来酸臭氧化法、乙二醛氧化法、二溴乙酸水 解法、草酸电解还原法和草酸与乙二醛成对电解法。目前国内主要采用7 , - 醛 氧化法和草酸电解还原法两种路线。当前国内价格为：4 0 5 0 水溶液价位在 1 0 0 0 0 元吨1 5 0 0 0 元，吨，9 8 价位为2 0 万元吨【2 ”。随着我国电解还原草酸制 备乙醛酸工业生产日趋成熟，这一价位有望下降。 1 3 香兰素的性质 第一章文献综述 香兰素( v a n i l l i n ) ，化学名3 甲氧基- 4 羟基苯甲醛，最初来自墨西哥，又名 香草醛。分子式为c 8 h 8 0 3 ，分子量1 5 2 1 5 ，白色至微黄色针状结晶或结晶性粉 末，类似有香荚兰豆的香气。熔点为8 1 8 3 ，沸点2 8 和2 8 5 。微溶于水 ( 1 9 1 0 0 m l ，2 0 c ) ，易溶于乙醇，苯、甲基苯甲酸酯、冰醋酸、二硫化碳、吡 啶、脂肪和芳香酯等有机溶剂中，还易溶于强碱溶液中。易受光的影响，在空 气中逐渐氧化吲。 香兰素是世界上产量最大的合成香料，也是重要的有机合成原料。目前价 格已升至1 2 5 万1 3 万元吨团l 。 国内主要用于调制食用香精，而国外的应用领域很广，己将其应用于食品、 日用化工、橡胶、塑料、医药等行业，还用于烟草及酿酒行业，目前己成为具 有多种用途的有机化合物( 见表1 1 ) 渊 h a 图1 2香兰素结构示意图 4 第一章文献综述 食品行业 医药行业 香兰素是配置香草型香精的主要原料，用于乳制品、饼干、 糕点、冷饮、糖果等食品的赋香；还可用于香精和食品添加 剂的生产，如姜油酮、辣椒素、3 甲氧基- 4 羟基2 正戊基肉 桂醛；可作为含有多不饱和组分的食品的抗氧化剂等。 香兰素可用于合成藜芦醛、3 ，4 ，5 - 三甲氧基苯甲醛 ( t m b ) ；香兰素可合成l 多巴的中间体、l 甲基多巴、甲氧 卞氨基嘧啶及摇粟碱等；在哌唑、白内停、联苯双酯利喘贝 哌唑等药物的合成过程中，香兰素都是重要的中间体。还可 作为抽烟引起的口腔粗糙的防止剂。 香兰素可作为甘蔗的增产剂和催熟剂。还可用香兰素制取 除草剂和杀虫药剂的引诱剂。 化学工业香兰素可用于配制香精，用作化妆品的调香剂。还可用于 检验蛋白质氮杂茚、闽苯二酚及单宁酸的存在。可作为塑料 制品的抗硬化助剂、防臭剂、鞣革剂、电镀添加剂等，还用 于润滑油消泡剂、印制线路板导电剂等。 1 3 1 香兰素的生产 香兰素的生产主要分三类：天然萃取：生物法；化学合成方法制取。 1 3 1 1 天然萃取 香兰素广泛存在于自然界中，在香荚兰豆、秘鲁香膏、吐鲁香膏、苏合香膏、 安息香膏、爪哇香茅油、丁香花蕾油、丁子香芽油、香子兰等许多精油及植物 中均有发现，但在香荚兰豆中含量最高。香兰素是天然芳香植物香荚兰豆中的 最重要成份。香荚兰豆是兰科( o r c h i d a e e a e ) 香荚兰种( v a n i l l ap l a n i f o l i aa n d r e w s ) 的果实，香荚兰豆经发酵生香工艺处理后，具有特殊香味，可直接添加于食品 中，也可以用作进一步提取高级食用香料的材料1 2 5 1 。 第一章文献综述 全世界每年生产的天然香子兰豆( 主要产于马达加斯加、留尼旺、科摩罗群 岛等) 平均达2 0 0 0 2 4 0 0 吨，约占世界总需求量的2 【卅。 由于种植香英兰的过程需要对花朵进行人工授粉，劳动强度高，使之难于 大规模栽种。因此天然香兰素远不能满足市场需要。 1 3 1 2 生物法 1 9 7 7 年日本t a d a s ak 分离得到的棒杆菌( c o r y n e b a c = t e f i u ms 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叨。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。 生物转化法主要有微生物发酵、酶工程、细胞工程等。利用人工培养的香 荚兰植物细胞或植物服组织、原核微生物、真核微生物以及分离的酶作为生物 催化剂来进行。 、 根据目前的条件，采用微生物发酵制取香兰素更为实际，当前，通过微生 物技术制取香兰素也是国内外研究的热点，由于该法可充分利用造纸、农业废 料，且具有反应条件温和，产品杂质少，对人体无害，属“天然品”；许多细菌、 霉菌和酵母菌以及其所分泌的一些酶，以木质素酚、阿魏酸、异丁香酚、肉桂 酸、松柏醇、香草醇、香草胺、姜黄等作为底物，都可转化生产香兰素，但转 化率非常低阱l 。 但随着利用基因工程和酶工程技术直接以葡萄糖为碳源生产香兰素【2 9 l 己经 在实验室获得成功，生物转化法也就具有相当广阔的商业前景。 ( 1 ) 以丁香酚或异丁香酚为底物【刈 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 e r r a t i a s p ) 、克 雷伯氏菌( k l e b s i e l l as p ) 、肠杆菌( e n t e r o b a c t c rs 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 a c i 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 h o d o c h r o u s ) 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 0 2 7 9 l 。枯草杆菌b 2 菌株，能用异丁香酚作唯一的碳 源，并将其转化为香兰素，产量为0 6 1 9 l 一，摩尔收率( 以异丁香酚计) 为1 2 4 。紫 红红球菌m t 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5 8 。沙雷氏菌d s m 3 0 1 2 6 以丁香酚为底物 6 第一章文献综述 时，摩尔收率( 以丁香酚计) 仅为o 1 ，产量是o 0 1 8 9 l - 1 ；以异丁香酚为底物时摩 尔收率为2 0 5 。产量是3 8 9 l 1 。 ( 2 ) 以阿魏酸为底物p l j 阿魏酸，化学名称为4 羟基3 甲氧基丙烯酸，广泛存在于玉米麸、谷糠等 农副产物中。以阿魏酸为底物生产香兰素有2 种方法：一种是只需单一菌的作 用，另一种是需要多菌株的联合作用。己见报道的发酵法生产香兰素采用的单 一菌种有半知菌纲类的某种真菌、凝结芽孢杆菌( b a c i i l u s c o a g u l a n s ) 和土壤丝菌 ( a m y c o l a t o p s i ss p 1 。采用半知菌纲类的真菌菌株，仅能得到o 0 5 5 2 9 l d 的香兰 素，而使用以阿魏酸做唯一碳源的凝结芽孢杆菌b k 0 7 菌株，可经4 乙烯基愈 创木酚生产香兰素。该菌株能在7 h 内代谢9 5 以上的阿魏酸，是迄今为止报道 阿魏酸的最快代谢过程。r a b e n h o r s tj 等发明的专利方法中，利用土壤丝菌 d s m 9 9 9 2 菌株将阿魏酸转化成香兰素，产量高达1 1 5 9 l ，其作用机制尚未见 报道。l e s a g e m e e s s e n l 等提出的“两步生物转化法”是多菌株联合作用生产香兰 素的典型，该法利用黑曲菌( a s p e r g i l l u sn i g e r ) 与朱红密孔菌 ( p y c n o p o r u s c i n n a b a d n u s ) 联合完成整个转化过程。先是由黑曲菌将阿魏酸转化 成香草酸，产量为o 9 2 9 l _ 1 ，摩尔收率( 以阿魏酸计) 为8 8 ；再用朱红密孔菌将 香草酸还原为香兰素，产量为0 2 3 7 9 l 1 ，摩尔收率( 以香草酸计) 为2 2 。最近 他们以玉米麸代替阿魏酸做唯一碳源，创造出不需任何纯化措施就能得到香兰 素晶体的“两步生物转化法”。研究发现，在朱红密孔菌将香草酸还原为香兰素的 过程中，香兰素的收率会因生成副产物甲氧氢醌而降低。当培养基中香兰素的 质量浓度超过1 o g l - i 时，会对朱红密孔菌产生强烈的毒性，使其生长减慢，同时 该菌株的大量繁殖也不利于生成香兰素。若在体系中添加纤维二糖，就可以显著 地减少甲氧氢醌的生成量，使香兰素的产量提高3 3 倍，达到o 7 2 5g l 。若加 入适量的x a d - 2 树脂吸附生成的香兰素，能起到调节培养基中香兰素的质量浓 度及菌株生长速度的作用，且采用机械搅拌式生物反应器可大幅度提高传质效 果，香兰素的产量会达到1 5 7 5 9 l 1 。 ( 3 ) 以葡萄糖为底物1 2 9 1 美国研发出两步法用葡萄糖制各香兰素的技术，葡萄塘在大肠杆菌重组子 ( e s c h e r i c h i ac o l ik l 7 p k l 5 2 6 ao rk l t p k l 5 9 7 a ) 的作用下转化为香兰酸；然 后，香兰酸经粗糙脉孢菌( n e u r o s p o r a c r a s s a ) q b 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 7 第一章文献综述 稳定表达技术。 1 3 1 3 化学合成方法 化学合成生产方法以其产率高，成本低等特点一直在总产量占领着主导地 位。香兰素的化学合成最早在1 8 4 7 年由松柏苷水解，再将水解产物松拍醇氧化 得到的。 目前，香兰素的合成方法已发展到多种，可分为愈创木酚法、木质素法、 黄樟素法、丁香酚法、对羟基苯甲醛法、对甲酚法等。 ( 1 ) 愈创木酚法 愈创木酚法合成香兰素方法有乙醛酸法、亚硝基法、甲醛法、r e i m e r - t i c h n a n n 法、三氯乙醛法、电解氧化法等。 ， 乙醛酸法是愈创木酚在碱性条件下愈创木酚与乙醛酸经缩合成3 甲氧基 - 4 - 羟基苯乙醇酸( 又称扁桃酸) ，然后在催化剂作用下氧化脱羧得粗品，经提纯 得到香兰素。 亚硝基法是以愈刨木酚和乌洛托品、对亚硝基二甲苯胺为原料，经缩合 氧化水解而得香兰素。 甲醛法是由愈刨木酚和甲醛进行反应得香兰醇，再由香兰醇与对亚硝基n ， n - 二甲基苯胺氧化反应得香兰素。 r e i m e r - t i e m a n n 法是愈创木酚在碱性条件下和三氯甲烷反应生成香兰素。 三氯乙醛法是在1 0 0 碱性条件下，以愈创木酚和三氯乙醛为原料、 c u - c u o - c o c l 2 为催化剂进行反应，然后通空气氧化得到香兰素。 电解氧化法是愈创木酚和乙醛酸在碱性条件下缩合为3 甲氧基- 4 羟基苯 乙醇酸( 盐) ，再经电解氧化、脱羧得香兰素。 ( 2 ) 木质素法 木质素含于纤维材料及纸浆废液中，主要以木质素磺酸盐的形式存在。造 纸工业每吨硫酸盐纸浆副产废液约7 m 3 ，其中含木质素磺酸盐约2 0 0 k 一3 2 1 。 其合成方法是将木质素磺酸盐在碱性介质中水解，再经过氧化等反应后得 香兰素。 该方法原料来源广，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1 0 1 5 ，污染问题严重，据报道说每生产l t 香兰素产生废 水近1 5 0 t ，因此许多国家包括美国在内已陆续淘汰该路线 2 4 】。但是由于原料成 8 第一章文献综述 本低，且利用造纸废液，该法继续研究还是有潜力的。 h 写a i c 玛s o i c h ( o h ) c h o h c h 2 0 h 铷，轧吨马 。0h ( 3 ) 黄樟素法 以黄樟素( 来源于天然黄樟油) 为原料经碱处理转化为异黄樟素，氧化为胡 椒醛，然后制成原儿茶醛，最后经硫酸二甲酯甲基化得到香兰素嗍。 允产众 o h o c h 该工艺的主要问题是原料来源紧，成本高( 但比丁香酚法低) ，工艺复杂，同 时产物中生成异香兰素且较难除去。日本高砂最早使用该工艺，但目前采用该 法生产的厂家已很少。 ( 4 ) 丁香酚法【3 4 】 丁香酚在丁香油中的含量约为8 5 9 0 。其合成方法大致可分为三种： 直接氧化法、间接氧化法、电化学氧化法。工业上一般采用直接氧化法：丁香 酚与强碱共热，异构化为异丁香酚，然后将异丁香酚用臭氧或硝基苯等进行氧 化。 甲。阻c 唧。 钆巨马轧 c h o 该工艺生产的香兰素香气较好，但原料来源困难，生产成本高，产品收率 约6 0 ，目前只有少数厂家采用该工艺，且总体产量很小。国内厂家主要有中 国轻工总会上海香料研究所。电化学氧化法收率可达7 4 5 ，但成本较高嗍，目 9 旦， 一钒。 苴 西 碣骂 西 k 命强 虿f黾 第一章文献综述 前未见工业化生产的报道。 ( 5 ) 对羟基苯甲醛法 以对羟基苯甲醛为原料，经溴化，然后甲氧基化而得到香兰素。 c h o 甲基化反应过去多采用d m l e 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，可用甲醇作溶剂，总收率可达 8 5 1 。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。 ( 6 ) 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、单溴化、甲 氧基化三步，该法实际上是对羟基苯甲醛法的延伸： h i 溶翻 该路线操作简单，第一步反应收率达9 l ，且可不经过分离直接用于下一 步合成，总收率可达到8 5 姘司。 另外一种途径是甲酚氯化，然后与甲醇钠作用，最后氧化得香兰素： 卤蛔：一 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， 1 0 斗 一电 k 荸蚀 一冬一 l p a 丫傩 k 罩强 吗今一 第一章文献综述 目前国内研究比较多，但由于甲酚法分离提纯较难，至今国内外尚未有采用此 法大规模生产的报道。 1 3 2 香兰素分离提纯 1 3 2 1 超临界c 0 。萃取香兰素 联邦德国开发的香兰素回收方法是在0 1 6 0 c ，3 0 4 0 x 1 0 2 k p a 条件下，用 c 0 2 萃取含有香兰素的水溶液，然后从含有香兰素的c 0 2 中分离出香兰素，在 萃取温度下，通入n a r i s 0 3 ，k h s 0 3 ，n a 2 s 0 3 或k 2 s 0 4 水溶液，再用h 2 s 0 4 酸 化至p h = 2 4 ，游离了香兰素的c 0 2 可循环使用，香兰素回收率为9 1 4 1 。法 国的方法是在3 0 1 0 0 ，7 5 4 0 m p a ，用超临界c 0 2 萃取香兰素，收率为 9 6 8 4 1 。芬兰联合纸厂发现超临界c 0 2 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9 0 的香兰烈”。 1 3 2 2 吸附分离香兰素p 5 】 芬兰f r o s s 等人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 n a 2 s 0 4 溶液解析，此外，还见有用大孔沸石吸附氧化废液中香兰素的报道。 1 3 2 3 溶剂抽提香兰素t 3 5 1 波兰w a w r z y n i a k 提出用极性溶剂，如丙醇、丁醇等的水溶液从浓木质素磺 酸盐碱液中抽提香兰素的钠盐，收率为8 0 8 4 。 1 3 2 4 水结晶提纯香兰素【蚓 将由愈创木酚、甲醛和对亚硝基n ，n 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8 0 ) ，自然冷却至6 5 下出现不溶物时，呈淡黄色 悬浊液，温度降至4 0 5 0 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，重复三次，香兰素浓度达9 9 8 。 1 4 愈创木酚法催化合成香兰素的研究 香兰素不仅是一种名贵香料，而且也是重要的化工原料，广泛应用于农业、 医药、化工等各个行业。随着其应用范围的日益扩大，香兰素的合成方法就成 为当今研究的热点。合成方法目前主要有愈创木酚法、木质素法、黄樟素法、 丁香酚法、对羟基苯甲醛法、对甲酚法等。木质素法合成路线生成废料多，在 第一章文献综述 国外正被陆续淘汰；丁香酚法采用丁香酚为原料，而丁香酚来源难有保证，且 价格较高；黄樟素法虽原料来源有保障，但该法工艺复杂，路线长，同时生成 异香兰素，产品收率低；而我国的对羟基苯甲醛产量极低造成了对羟基苯甲醛 法研究难以工业化；对甲酚法的产品分离较复杂，目前国内外尚未有采用此法 大规模生产的报道。 愈创木酚法催化合成香兰素的研究历史较为悠久，工艺已趋于成熟，目前 合成香兰素工业7 0 以上采用此法。愈创木酚法合成香兰素已报道的方法有乙 醛酸法、亚硝基法、甲醛法、r e i m e r - t i e m a n n 法、三氯乙醛法、电解氧化法等。 1 4 1 亚硝基法 以愈创木酚和乌洛托品、对亚硝基二甲苯胺为原料，经缩合氧化水解而得， 反应式为： o h + 捌c h o + o h c h 0 一蹦( e h b h c i o h + h c l 该法分离过程复杂，反应效率低，生产收率约5 7 ，三废严重，生产lt 香兰素约产生2 0t 的废水( 含有酚类、醇及芳香胺、亚硝酸盐) ，很难进行处理， 另有1 2t 的固体渣。该工艺在国外已被淘汰，但还是我国主要的生产方法， 目前国内生产规模较大的厂家已经着手改进此法，如吉化公司、中华化工集团 等己将工艺改为乙醛酸法。 1 4 2 乙醛酸法 舢_丫邺 rq 川 一 删-n丫帅 _ 胍 一 矿舢郴 c +雌删 ： 跳人y 第一章文献综述 愈创木酚在碱性条件下与乙醛酸经缩合成3 甲氧基4 羟基苯乙醇酸( 又称 扁桃酸) ，然后在催化剂作用下氧化脱羧得粗品，经提纯得到香兰素。反应式为： 轧o h r 。警 h o 宇部公司【3 8 l 采用亚硒酸作催化剂，在3 甲氧基4 羟基苯乙醇酸的氢氧化钠 溶液中通入空气，维持压力0 2 m p a ，3 - 甲氧基- 4 羟基苯乙醇酸的转化率为8 2 。 k a l i k a rr a j e n d r ag 3 9 j 等人给出的乙醛酸、愈创木酚缩合的最佳条件为：反应时间 7 1 1 ，n l t e y a t ：啦t ：n 氢氯惴= l ：l ：2 ，采用半间歇加料方式，将碱溶液和乙醛酸一 起滴加，愈创木酚的转化率为7 4 , - - 7 7 ；氧化反应最佳条件：搅拌速度为 2 0 0 0 r r a i n ，反应温度为9 5 ，空气流量为l m l s ，氢氧化铜和3 甲氧基4 羟基苯 乙醇酸的物质的量比为0 5 ：1 ，3 - 甲氧基4 羟基苯乙醇酸的转化率为8 8 。h o d n y i v o l 4 0 l 等在碱性条件下，把愈创木酚和乙醛酸在6 0 下反应2 4 1 1 得n 3 甲氧基- 4 羟基苯乙醇酸，然后在e d t a 铜配合物的催化下，通入氧气氧化，最后在甲苯溶 液中用硫酸酸化脱羧得到香兰素，3 甲氧基- 4 羟基苯乙醇酸的转化率为8 0 。 n o b e ld o m i n i q u e l 4 1 l 采用硫酸铜、硫酸锰、高锰酸钾、氢氧化钠制得催化剂，然 后在该催化剂参与下，碱性条件通空气氧化，经酸化脱羧可得到香兰素，3 甲氧 基- 4 羟基苯乙醇酸的转化率为8 2 - - 8 6 。王建新【3 1 等人研究了当反应温度为 5 0 ，p h 值为1 2 ，愈创木酚和乙醛酸物质的量比为1 5 ：1 0 时，缩合反应中乙醛 酸的转化率可达9 0 ；以氢氧化铜为催化剂，氧气为氧化剂，在p h 值为1 2 5 和9 4 c 下反应，氧化产率为9 4 ，香兰素的总收率( 以乙醛酸为基准) 为7 0 7 2 。 魏国蜂【4 2 】等人研究了不同种类催化剂对愈创木酚乙醛酸法合成香兰素的缩合反 应的影响，乙醛酸的转化率可达9 5 以上，3 甲氧基4 羟基扁桃酸的选择性可达 8 5 。 乙醛酸法具有原料易得、设备简单、三废少且易于治理，产率较高的特点， 在催化剂制备和选择、氧化方式及提取方式等方面的研究有很大的发展前途， 是我国目前推广的生产方法。 1 4 3 甲醛法 黾 一钆傩 第一章文献综述 由愈创木酚和甲醛进行反应得香兰醇，再由香兰醇与对亚硝基_ n ，n - 二甲 基苯胺氧化反应得香兰素。为了增加香兰素的收率，在反应过程中用铜和氯化 亚铜作催化剂，反应式为： i - 1 3 + h c h o - + o n _ ( c h ，) 。 o n 吣矿棚c h ，k c h o o c h ， 据文献【4 3 】报道：愈创木酚、甲醛在酸性条件下，用铝和间硝基苯做催化剂， 香兰素收率也较高。s u n k uv 锄k a ：c a j a l l 】等人采用愈创木酚钠盐和甲醛缩合反应， 生成4 羟甲基愈创木酚混合物，再加入5 的p t c 和硫酸铋作催化剂，通入纯氧气 于5 0 * ( 2 反应。羟甲基被氧化成醛基。赵秀桢【4 5 】等人对甲醛法进行了研究，认为影 响反应收率的因素主要有反应时间和反应温度，亚硝化最好在低温下进行，反 应时间也不宜过长，否则产物会过氧化，另外对亚硝基n ，n 二甲基苯胺的滴 加速度对反应也有影响。西德开发了在铂族催化剂下，碱性水溶液中，用空气 氧化4 羟甲基愈创木酚得香兰素。瑞典b e e k e r 等人用2 ，3 二氯- 5 ，6 一氰基苯 并醌作为苄醇的氧化剂，将羟甲基愈创木酚转化成香兰素，收率为8 5 此外， 该法用沸石为催化剂也有报道。 以愈创木酚、甲醛和对亚硝基- n ，n - - - 甲基苯胺缩合、水解得香兰素，该 法工艺复杂，反应效率低，国外已逐步淘汰。 1 4 4r e i 怕r - t i e m 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； 1 4 令咖 第一章文献综述 c h + c h c l 3 + n a 0 h 。 c h o o h o c h ， 李中柱m 等在该法中用三乙胺作相转移催化剂，用工业乙醇作溶剂，香兰 素的粗品收率为7 8 。d i v a k 一4 y l 为了提高愈创木酚的转化率，降低香兰素异构 体的含量，采用b - 环糊精作相转移催化剂，结果香兰素产率比未使用环糊精提高 了3 2 。江育仁【4 8 烽采用愈创木酚和氯仿反应，用紫外灯照射，愈创木酚的转化 率为3 9 2 ，并缩短了反应时间。 r e i m e r - t i e m a n n 法反应操作简单，但是转化率较低，而且邻位产物的选择性 比对位产物要高。 1 4 5 三氯乙醛法 在1 0 0 碱性条件下，以c u c u o c o c l 2 为催化剂，通空气氧化得到香兰素， 产率达7 0 。催化剂用m n 0 2 c u o c o c l 2 或f e 2 0 3 m n 0 2 - c u o 亦可川，反应式为： o 】 n c h c h o 三氯乙醛法系印度开发，与乙醛酸法对比，不同之处是用三氯乙醛代替乙 醛酸，在合成过程中多了一步三氯甲基经水解生成相应酸。该法优点为原料易 得，三氯乙醛原料成本比乙醛酸低。但是该法三废处理较为复杂，需增加更多 三废处理设备的投资。 1 4 6 电解氧化法 o 9 伽 9 一 第一章文献综述 愈创木酚和乙醛酸在碱性条件下缩合为3 甲氧基4 羟基苯乙醇酸( 盐) 。 再经电解氧化、脱羧得香兰素。过程为： 该法不需加催化剂和氧化剂，反应生成的愈创木酚羰基羧酸( 盐) 不用分 离，加入强酸调节反应液为弱酸性时，脱羧得粗品，精制得高纯度产品，电解 氧化收率可达9 0 以上。如宇部公司用电解氧化法处理3 甲氧基4 羟基苯乙醇 酸，在6 0 下电解6 h ，然后把溶液冷却到3 0 以下，调节p h 值至3 ，可得纯度9 2 5 的香兰素。国内的沈阳药学院、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，北京理工大学采用在缩合液中加入氢氧化钠使溶液呈强碱性，以 电流密度0 3 a m 2 电解，反应完毕后直接加入强酸调节反应液为弱酸性，脱羧后 用有机溶剂提取得到香兰素。韦星船1 4 9 l 等使用无隔膜电解草酸制得的乙醛酸和 愈创木酚在碱性条件下进行缩合反应，得3 甲氧基- 4 羟基苯乙醇酸( 扁桃酸) ， 再通过电解氧化、脱羧，即得香兰素，其中缩合反应产率8 8 ，电解氧化反应产 率可达9 5 。 1 5 催化剂选择的理论依据酬 愈创木酚法( 乙醛酸法) 合成香兰素氧化反应的催化研究目的是提高香兰 素收率，降低生产成本，使之在经济上具有竞争力。而催化剂的选择又是提高 收率的关键因素之一，当前对各种催化剂的研究开发是比较多的，宇部公司采 用亚硒酸作催化剂，在3 甲氧基_ 4 羟基苯乙醇酸的氢氧化钠溶液中通入空气， 维持压力0 2 m p a ，3 - 甲氧基- 4 羟基苯乙醇酸的转化率为8 2 ；h o d n yi v o 等在碱 性条件下，选择e d t a 铜配合物催化，通入氧气氧化，最后在甲苯溶液中用硫酸 酸化脱羧得到香兰素，3 甲氧基- 4 羟基苯乙醇酸的转化率为8 0 ；n o b e l d o m i n i q u e 采用硫酸铜、硫酸锰、高锰酸钾、氢氧化钠制得催化剂，然后在该催 化剂参与下，碱性条件通空气氧化，经酸化脱羧可得到香兰素，3 甲氧基- 4 羟 1 6 洲 h h 叭 h洲人y 洲 洲o u 0-又h裂札洲 解 一 样 一 。 h 一删 黧札洲 堑 c o q 洲 第一章文献综述 基苯乙醇酸的转化率为8 2 一8 6 ；李建生等人采用电解氧化亚铜作为氧化反应 催化剂，氧化产率可达9 1 1 9 9 6 5 1 1 ；k a l i k a rr a j e n d r ag 等人以氢氧化铜为 催化剂，3 甲氧基4 羟基苯乙醇酸的转化率为8 8 ；王建新等人研究了以氢氧化 铜为催化剂，氧气