（应用化学专业论文）三类香料化合物的聚焦微波合成.pdf

北京工商大学硕十学位论文 摘要 以对甲基苯磺酸作催化剂，巯基乙醇和丁酮在单模聚焦微波辐射下合成2 一 甲基2 乙基1 ，3 一氧硫杂环戊烷。通过正交试验，确定优化反应条件为：反应时间 1 5 m i n ，微波功率9 w ，对甲基苯磺酸与丁酮摩尔比0 0 6 ，丁酮与巯基乙醇摩尔 比1 4 ：1 。在此优化条件下，分别用戊酮和己酮与巯基乙醇反应合成2 甲基2 一丙 基一1 ，3 一氧硫杂环戊烷和2 一甲基一2 丁基一1 ，3 氧硫杂坏戊烷。三种1 ，3 一氧硫杂环戊烷 化合物的产率分别为6 7 3 、7 1 9 和6 5 6 。利用g c m s 、f t i r 及元素分析对 三种目标产物进行了结构表征。初步评香结果表明，合成的三种1 ，3 氧硫杂环戊 烷化合物具有大蒜、洋葱、肉香、韭菜香气，橡胶等气味。 以对甲基苯磺酸作催化剂，1 ，3 丙二硫醇和丁酮在类似条件下反应合成2 甲 基2 乙基1 ，3 二噻烷。通过f 交试验，确定优化反应条件为：反应时间1 5 m i n ， 微波功率9 w ，对甲基苯磺酸与丁酮摩尔比0 0 6 ，丁酮与1 ，3 一丙二硫醇摩尔比 1 4 ：1 。在此优化条件下，分别用戊酮和己酮与1 ，3 一丙二硫醇反应合成2 一甲基2 丙基1 ，3 二噻烷和2 甲基一2 一丁基1 ，3 一二噻烷。三种1 , 3 二噻烷化合物的产率分别 为7 4 8 、6 7 4 和7 6 8 。利用g c m s 、f t i r 及1 hn m r 谱图对三种目标产 物进行了结构表征。初步评香结果表明，合成的三种1 ，3 一二噻烷化合物具有略刺 激的蘑菇味、大蒜味、橡胶等气味。 以无水乙酸钠为催化剂，乙酸酐和乙基麦芽酚在单模聚焦微波辐射下加压反 应合成乙酸乙基麦芽酚酯。通过正交试验和温度单因素试验，确定优化反应条件 为：2 m i n 内从室温升至6 0 、在6 0 下继续反应8 m i n ，最大微波功率2 0 0 w ， 无水乙酸钠与乙基麦芽酚的摩尔比为0 1 ，乙酸酐与乙基麦芽酚的摩尔比为l 5 ：1 ， 乙酸乙基麦芽酚酯产率为7 8 5 。在类似条件f ，合成了丙酸乙基麦芽酚酯、乙 酸麦芽酚酯和丙酸麦芽酚酯，产率分别为7 6 6 、7 6 7 和7 3 9 。利用g c m s 、 f h r 及1 hn m r 对四种目标产物进行了结构表征。初步评香结果表明，合成的 四种麦芽n n 矛t l 已基麦芽酚酯化合物具有甜的果酱味、果昧、焦糖咪、覆笳子的 甜味，甜的热带水果香等气味。 对四种麦芽酚酯和乙基麦芽酚酯合成中温度、：强、功率的变化进行了豁测， 埘监测结果进行了初步分析。 三类香料化合物的聚焦微波合成 关键词：单模聚焦微波辐射；1 , 3 氧硫杂环戊烷；1 ，3 二噻烷；麦芽酚酯；乙基 麦芽酚酯；合成；香料 北京工商大学硕士学位论文 a b s t r a c t 2 - e t h y l - 2 一m e t h y l - 1 ，3 - o x a t h i o l a n e w a s s y n t h e s i z e db y t h er e a c t i o no f m e r c a p t o e t h a n o l a n d2 - b u t a n o n e c a t a l y z e db yp t o l u e n e s u l f o n i c a c i du n d e r s i n g l e m o d ef o c u s e dm i c r o w a v ei r r a d i a t i o n t h eo p t i m u ms y n t h e s i sc o n d i t i o n sw e r e o b t a i n e db yo r t h o g o n a lt e s t s ，w h i c hw e r ea sf o l l o w s ：r e a c t i o nt i m ew a s1 5 m i n , m i c r o w a v ep o w e rw a s9w ；m o l er a t i oo fc a t a l y s tt o2 - b u t a n o n ew a s0 0 6 ，a n dm o l a r r a t i oo f2 - b u t a n o n et om e r c a p t o e t h a n o lw a s 1 4 ：1 2 - m e t h y l 一2 - p r o p y l - 1 ，3 - o x a t h i o l a n e a n d2 - b u t y l - 2 - m e t h y l - 1 ，3 - o x a t h i o l a n ew a ss y n t h e s i z e db yr e a c t i o no fm e r c a p t o e t h a n o l w i t h2 - p e n t a n o n ea n d2 - h e x a n o n eu n d e rt h es i m i l a rc o n d i t i o n s t h ey i e l d so f 2 - e t h y l 2 - m e t h y l - 1 ，3 - o x a t h i o l a n e ，2 - m e t h y l 一2 - p r o p y l 1 ，3 - o x a t h i o l a n e a n d 2 - b u t y l 2 m e t h y l - 1 ，3 - o x a t h i o l a n ew e r e6 7 3 ，7 1 9 a n d6 5 6 r e s p e c t i v e l y s t r u c t u r e so fa b o v ec o m p o u n d sw e r ei d e n t i f i e d b yd a t ao fg c - m s ，f t i ra n d e l e m e n t a la n a l y s i s f u n d a m e n t a lo r g a n o l e p t i ce v a l u a t i o ns h o w e dt h r e ep r o d u c t so f 1 , 3 - o x a t h i o l a n eh a dg a r l i c ，o n i o n s ，m e a t ，c h i n e s ec h i v e s ，m b b e ra r o m ae t c 2 - e t h y l - 2 一m e t h y l 1 3 - d i t h i a n ew a ss y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o no f1 , 3 - d i t h i o l - p r o p a n ea n d 2 - b u t a n o n e c a t a l y z e db yp - t o l u e n e s u l f o n i c a c i du n d e rf o c u s e d m i c r o w a v ei r r a d i a t i o n t h e o p t i m u ms y n t h e s i s c o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d b y o r t h o g o n a lt e s t s ，w h i c hw e 坤a sf o l l o w s ：r e a c t i o nt i m ew a s1 5 m i n ，m i c r o w a v ep o w e r w a s9w ：m o l er a t i oo fc a t a l y s tt o2 - b u t a n o n ew a s0 0 6 ，a n dm o l a rr a t i oo f2 - b u t a n o n e t o 1 3 d i t h i o l p r o p a n e w a s1 4 ：1 2 - m e t h y l - 2 一p r o p y l 一1 3 一d i t h i a n e a n d 2 - b u t y l 一2 m e t h y l 一1 3 - d i t h i a n ew a ss y n t h e z e db yt h er e a c t i o no f1 , 3 一d i t h i o l p r o p a n e w i t h2 - p e n t a n o n ea n d2 - h e x a n o n ew i t hl o c a lc o n d i t i o ni nt u r n t h ey i e l d so f 2 - e t h y l - 2 一m e t h y l 1 ，3 d i t h i a n e ，2 - m e t h y l - 2 一p r o p y l - 1 ，3 - d i t h i a n ea n d2 - b u t y l 一2 一m e t h y l 一 1 , 3 d i t h i a n ew e r e7 4 8 6 7 4 a n d7 6 8 r e s p e c t i v e l y s t r u c t u r e so fa b o v e c o m p o u n d sw e r ei d e n t i f i e db yd a t ao fg c m s ，f t i ra n d1 hn m r f u n d a m e n t a l o r g a n o l e p t i ce v a l u a t i o ns h o w e dt h r e ep r o d u c t sh a ds l i g i l t l ye x c i t i n gm u s h r o o mf l a v o r , g a r l i cf l a v o ra n dr o b b e rf l a v o re t c e t h y lm a l t o la c e t a t ew a ss y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o no fa c e t i ca n h y d r i d ea n d e t h y lm a l t o lc a t a l y z e db ys o d i u m a c e t a t eu n d e rp r e s s u r ea n df o c u s e dm i c r o w a v e l 三类香料化合物的聚焦微波合成 i r r a d i a t i o n t h eo p t i m u ms y n t h e s i sc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e db yo r t h o g o n a lt e s t s ， w h i c hw e r ea sf o l l o w s ：t h es y s t e mt e m p e r a t u r er a i s e df r o mr o o mt e m p e r a t u r et o6 0 i n2m i n , r e a c t i o nt i m ew a s8m i n , m i c r o w a v ep o w e rw a s2 0 0w ：m o l a rr a t i oo f c a t a l y s tt oe t h y lm a l t o lw a s0 1 ，a n dm o l a rr a t i oo fa c e t i ca n h y d r i d et oe t h y lm a i t o l w a s1 5 ：1 e t h y lm a l t o lp r o p i o n a t e ，m a l t o la c e t a t ea n dm a l t o l p r o p i o n a t ew e r e s y n t h e s i z e dw i t hl o c a lc o n d i t i o n s ，w h o s ey i e l d sw e r e7 6 6 。7 6 7 a n d7 3 9 r e s p e c t i v e l y s t r u c t u r eo fa b o v ef o u rp r o d u c t sw a si d e n t i f i e db yd a t ao fg c m s ，f h r a n d1 hn m r t h ep r o d u c t sh a v es w e e tj a mf l a v o r , f r u i tf l a v o r ，c a r a m e lf l a v o r , r a s p b e r r yf l a v o r , t h es w e e tt r o p i c a lf r u i tf l a v o re t c t h ev a r i e t i e so ft e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n dm i c r o w a v ep o w e ro ft h es y n t h e s i so f e s t e r so fe t h y lm a l t o la n dm a l t o lw e r cm o n i t o r e d t h em o n i t o r i n gr e s u l t sw e r e a n a l y s i z e df u n d a m e n t a l l y k e yw o r d s ：s i n g l e m o d e f o c u s e dm i c r o w a v e i r r a d i a t i o n ；1 , 3 o x a t h i o l a n e ； 1 , 3 - d i t h i a n e ；e t h y lm a l t o la c e t a t e ；m a l t o la c e t a t e ；s y n t h e s i s ；f l a v o r i v 北京工商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位论文作者签名： 孑 日期：如1 年石月日 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京工商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于口当年口一年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学位论文作者签名： 堡鱼 导师签名：日期：加1 年，肘日 北京工商大学硕士学位论文 第一章前言 本论文研究工作是国家自然科学基金资助项目“含硫香料分子结构与肉香味关系规律 的研究”( n o 2 0 3 7 6 0 0 3 ) 的一部分。 1 。1 微波有机化学简介 微波又称超高频电磁波，是波长l m l m m 、频率3 0 0 m h z 3 0 0 g h z ( g = k m ) 的电磁波。 由调速管、磁控管和行波振荡器等组成的微波发生器中产生；输出功率为几微瓦到数千千 瓦，广泛用于雷达和电讯中。国际公约规定下列频率：( 9 1 5 _ 2 5 ) m h z 、( 2 4 5 0 + 1 3 ) m h z 、 ( 5 8 0 0 + 7 5 ) m h z 、( 2 2 1 2 5 1 2 5 ) m i q z 用于工业、民用及科学研究中加热和干燥。其中 2 4 5 0 m n z ( 相当于波长为1 2 1 2 c m ) 的微波最为常用。目前，微波辐射技术已经被广泛地应用 于化学的各分支领域，包括等离子体化学、无机配合物的合成与嵌入反应、纳米粒子的制 备、干燥条件下的有机反应、分子筛制备、分析化学中的样品预处理等【”。 微波有机合成化学开始的标志是1 9 8 6 年g e d y e 及其同事将密闭的反应器置于微波炉 中，首先研究了苯甲酸和醇的酯化反应，并与传统的加热方法进行了对比，结果见表1 - 1 。 表1 - 1 传统方法和微波方法下的苯甲酸酯化反应 注：t d t m 为传统方法与微波方法的反应时间之比，下同。 g e d y e 发现微波对酯化反应有明显加速作用，反应在几分钟内完成，并注意到随着甲 醇到戊醇沸点的不断升高，微波酯化与传统加热酯化有着不同的规律，微波酯化对沸点较 低的甲醇相当的成功，是传统加热法反应速率的9 6 倍【2 1 。此后，引起了化学界的极大兴趣， 有关微波促进有机反应速度的报道呈指数关系迅速增加，成为有机化学领域中迅速发展的 一个热点。不到十年的时间已逐步形成了有机化学的新的分支学科微波辅助有机化学 ， ( m i c r o w a v ea s s i s t e do r g a n i cc h e m i s t r y , m a o c ) 1 ”。 1 1 1 微波加热的原理及特点 根据物质对微波的吸收程度，可将物质分成导体、绝缘体和介质。微波只能在导体表 面反射，绝缘体可透过微波而对微波吸收很少，介质通常为极性分子组成，介质可透过并 吸收微波。在微波场中，介质分子在电场的作用下两极排列，电场震荡，迫使极性分子旋 1 三类香料化合物的聚焦微波合成 转、移动，碰撞摩擦生热【4 】。 对于微波的作用原理，有两种不同的观点。一种认为微波诱导有机合成反应速率或产 率的提高在于微波的致热作用和过热作用 5 l ；另一种观点则认为在微波作用下存在着其独 特的非至热效应1 6 】。 前者认为微波加热和传统加热有着本质的区别：微波加热的本质在于材料的介电位移 或材料内部不同电荷的极化以及这种极化不具备迅速跟上交变电场的能力。微波中的电磁 场以每秒数亿次甚至数十亿次的频率转换方向，极性电介质分子中的偶极距的的转向运动 来不及跟上如此快速的交变电场，引起极化滞后于电场并且极化产生的电流有一与电场相 同的相位分量，导致材料内部摩擦而发热，即所谓的“内加热”。可见微波加热是电场能 量深入到物料内部，直接作用于物质分子使之运动而发热，有可能在某些物质( 如催化剂) 上形成比周围温度更高的“热点”，造成速率加快。化学反应所涉及的样品中通常含有像 水份、油脂、糖及蛋白质等各种极性分子，在通常情况下，这些分子呈杂乱无章的运动状 态，当微波炉磁控管辐射出频率极高的微波时，微波能量场迅速的变换正负极性，分子运 动发生了巨变，分子排列起来并高速运动，互相碰撞摩擦、挤压，从而使微波能转化为热 能。由于此种能量来自样品内部，本身不需要传热媒体，不靠对流，样品温度便可以很快 上升，从而可以全面、快速、均匀地加热样品。可见，微波辐射具有反应时间短、产率高 等特点。而普通加热方式是靠对流和传导来实现，存在明显的温度梯度，加热效率也不如 微波加热l ”。 后者认为微波加热还具有特殊效应，或者说是“非热效应”。他们认为微波的辐射能 量大约为0 0 1 0 0 ) j m o l ，而一般的化学键的键能为0 0 0 6 0 0 ) k j m o l ，氢键的键能为( 8 5 0 ) k j t o o l ，因此不足以激发分子进入高能级，不会造成化学键的断裂。但由于其频率与分 子的转动频率相近，微波被极性分子吸收时，可以通过在分子中储存微波能量与分子平动 能量发生自由交换，即通过改变分子排列等焓或熵效应来降低反应活化能，从而改变了反 应的动力学，同时微波场的存在会对分子运动造成取向效应，使反应物分子在连心线上的 分运动相对加强，造成有效碰撞频率增加，从而促进反应进程1 8 , 9 1 。 微波对介质具有即时深层加热作用，既无温度梯度加热，并且微波可以使试样与实际 的接触界面不断快速更新，离子间发生的局部内加热，引起试剂与试样间产生较大的热对 流，因此微波加热具有快速高效、能耗低的特点【1 0 l 。 另外，物质吸收微波的能力与温度有关。介质在微波场中的极化，表现为对电场电流 密度的损耗，介质的复介电常数为： 2 北京工商大学硕士学位论文 6 - - 2 占 - - i 占” ( 1 - 1 ) 式中，一为复介电常数的实部，其太小反映了介质束缚电荷的能力，一为复介电常数的虚 部，它反映了介质的损耗情况，故也称为介电损耗因子。损耗角t 9 6 ： o t g & = ；( 1 - 2 ) 占 介质的复介电常数实部一、复介电常数虚部和损耗角t 9 8 ，这三个参数可作为溶剂 吸收微波能量的量度。对这三个参数有影响的参数是温度，随着温度的升高，大多数的化 合物介电常数和损耗角都下降，图1 1 、图1 - 2 和图1 3 中是1 7 种常用溶剂的复介电常数 实部、复介电常数虚部、损耗角t 9 8 随温度的变化曲线图。 图1 - 1 损耗角t g # 随温度变化图 三类香料化合物的聚焦微波合成 图1 - 2 复介电常数实部随温度变化图 图1 3 复介电常数虚部一随温度变化图 由图可见，大多数的化合物在低温更易将微波能量转化为热能，即低温有利于微波反 应进行【1 。 1 1 2 微波辐射技术在有机合成中的应用 微波作用下的有机反应的速率较传统方法快数倍甚至上千倍。文献报道，微波可用于 氧化反应、缩合反应、还原反应、酯化反应、烃烷基化反应、烯烃加成反应、羰基加成 4 北京工商大学硕士学位论文 消除反应、重排反应、环化与开环反应、d i e l s - a l d e r 成环反应、取代反应、脱保护基反应 等很多有机反应，表1 2 中列举了1 5 种类型的反应，明显显示出微波合成比传统合成方法 的优势。 表1 2 传统方法与微波方法合成的比较【1 “j 反应类型反应举例 酯化反应口洲+ 喁0 h 娑口蝴 重捧反应 k n o e v e n a g e l 反应 d h l f m w l + 卿c 0 d 2 塑 4 8 07 4 57 69 6 4 3 2 08 7l o8 74 3 2 3 6 08 569 26 0 1 4 4 0 4 4 57 82 8 8 晰害反籼+ c o 坍- 阶i ：一 z s s ohz ts t 脚 苯偶姻缩 a 2f h c h o d e c k m a n 反应 m w i v b 1 1 璺! ! ! 竺 o h o 卧上一p h 9 04 354 31 8 1 4 4 06 41 5 06 49 6 开环反应。睦二- 一-枷z。sph a g b f 4 a 1 2 0 3 $ p h m w i o - 烷基化 反应 n 一烷基化 反应 o + 卧三悄 + r x 垂查坚堡 m w l r w c a h , a 、c o c o 一- n n c o 7 2 07 24 t 51 4 4 9 31 8 0 3 0 08 01 69 01 9 n a o h h + 水解反应p h c 0 0 c i 3 - + p h c o o h 6 08 0i9 8 6 0 m w l 5 如 馘触辫撇触响雠撇烨僦施响 1 洲占 目 三类香料化合物的聚焦微波合成 以往的微波合成大多使用改装的家用微波炉，微波场强的均匀性差，微波场强密度低， 时间不易精确控制，所以，以往的微波反应可控性不强，重现性差。 1 1 3 聚焦微波合成仪的技术特点 。 美国c e m 公司生产的d i s c o v e r 微波合成仪属于单模聚焦微波有机，药物合成系统。该 系统采用自动耦合聚焦( a u t of o c u s e dc o u p l i n g ，a f c ) 技术，从而保证反应腔体中的微波均 匀。d i s c o v e r 微波合成仪是专门用于微波反应的化学仪器，可使用敞口容器、加压管进行 反应。它通过内置系统软件控制反应模式、时间、功率、温度、压强等系统参数，微波功 率范围1 - 3 0 0 w ，步进值l w ，压强范围( 0 - 3 0 0 p s i ) ，微波场强度密度最高可达9 0 0 w l ，性 能远远优于改装的微波炉。 d i s c o v e r 微波合成仪有两种反应模式：功率时间模式( p o w e r - t i m em o d e ) 、标准模式 ( s t a n d a r dm o d e ) a 功率时问模式( p o w e r - t i m em o d e ) 是指在0 - 3 0 0 w 范围内设定恒定微波功率a ，在 0 - 5 0 0 r a i n 范围设定反应时间b ，在0 - 3 0 0 c 范围内设定反应温度上限c ，0 - 3 0 0 p s i 范围内设 定压强上限d 。反应开始后，微波合成仪以恒定功率a 输出微波，体系升温。如果反应体 系温度不超过设定反应温度上限c ，并且体系压强不超过设定压强上限d ，则可以连续反 应b 分钟。如果设定微波功率a 过大，导致反应体系温度超过设定反应温度上限c ，或压 强超过设定压强上限d ，系统自动停止发射微波。 标准模式( s t a n d a r d m o d e ) 是指在0 3 0 0 w 范围内设定微波最大输出功率a ，在0 - 5 0 0 r a i n 6 北京工商大学硕士学位论文 范围内设定升温时间b l ( 反应体系由室温升高至设定温度c 所需时间) 和反应时间b 2 ， 在0 - 3 0 0 c 范围内设定反应温度c ，在0 - 3 0 0 p s i 范围内设定压强上限d 。反应开始后，微波 合成仪以最大输出功率a ，在时间b 1 内升到设定温度c ；在温度c 反应时间b 2 后结束。 反应过程中，当温度或压强l 临近设定值时，微波合成仪自动降低微波输出功率，保证温度 和压强均不超过临界值。 为使反应物能持续吸收微波，而且反应温度和压力又不超过设定上限，必须对反应器 进行散热。d i s c o v e r 微波合成仪可配备大流量压缩空气泵( 流量大于7 0 i m i n ) 或超低温 反应附件( c o o lm a t e ) 进行同步冷却。压缩空气同步冷却是利用大流量压缩空气吹扫反应瓶 底部对反应降温。c o o lm a t e 冷却技术是应用液氮作为低温源，反应在专用的带加套反应 管中进行；使用对微波无吸收的冷媒作为传热媒介在低温源与反应管间热交换，使反应体 系保持低温。具有c o o lm a t e 冷却技术的d i s c o v e r 微波合成仪可以完成那些对温度敏感的 化学反应，包括糖化反应、负碳离子构成以及其他活性中间体反应。在该系统中还可以进 行那些在普通微波系统中不能进行的剧烈反应。如目标产物为顺式异构体的顺1 , 4 - 一- - 氯2 丁烯和一个苯酚阴离子的取代反应，传统方法这个反应需要2 1 h ，先在o c 下反应6 h ，再 加热到2 0 反应1 5 h ，产率是7 5 。使用带有c o o lm a t e 冷却技术的d i s c o v e r 微波合成仪， 可以在3 0 c 下将反应时间缩短到3 5 m i n ，产率达8 7 1 3 5 。d i s c o v e r 微波合成仪的反应速度 比传统的加热方式可提高1 0 1 0 0 0 倍，产率比传统方法产率平均提高5 0 1 0 0 ，减少了 副反应。 1 21 ，3 氧硫杂环戊烷类化合物的研究进展 含硫化合物在高浓度时有很难闻的气味1 3 6 ，稀释到m g k g , u g k g 就会有葱、蒜、水 果、肉的香味。目前，已经有很多含硫的化合物被检测出来了。肉类食品中含硫香料的种 类及分布见表1 3 【明。 表1 - 3 各种肉类食品中含硫香料的种类 随着现代分析手段的不断提高，越来越多的含硫化合物被检测出来，如：菠萝中含有 甲硫醇、2 - 甲硫基乙酸甲酯等m i ，焙炒过的咖啡中含有4 0 多种含硫化合物【3 9 l ，洋葱中含 有硫醚类化合物三十多种，牛肉挥发性香成分中有含硫化合物1 6 0 多种f 删。 三类香料化台物的聚焦微波合成 国际上对于1 烷基1 烷氧基1 烷硫基甲烷类化合物的研究主要集中在二十世纪七十 年代至九十年代，反应所用催化剂及反应条件大多比较苛刻，实用性不强。二十世纪九十 年代初，美国做过类似的研究，并且这一项目还得到了美国国家科学基金与国家健康研究 基金的支持1 3 6 1 。1 , 3 氧硫杂环戊( 己) 烷类香料化合物在食品、1 2 1 香糖、牙膏、糖浆、1 2 1 嚼药 片等产品的香精中具有广泛的应用前景。其中，2 - 甲基4 丙基1 ，3 氧硫杂环己烷已在西番 莲果的香味组分中检测出，其具有强烈的天然水果香气，并稍带青叶香气和焦味【4 1 删， f e m a 批准使用号3 5 7 8 。研究这类化合物的合成有重要的意义。 1 , 3 氧硫杂环戊烷类化合物的合成方法如下刚： ( 1 ) 醛或酮- q 巯基醇在催化剂的存在下反应，见式( 1 3 ) ： r l r 2 r a o + 码以& 芳码取m ，r 1 c r 2 + r 3 厶r 4 万r ，k 人r 。 m 3 1 仍= o ，1 ) ( n - - - o , 1 ) 以三异丙基硅三氟甲烷基磺酸盐为催化剂，缺点是催化剂价格昂贵。 以高岭土为催化剂，缺点是高岭土难以和产物分离。 以对甲基苯磺酸为催化剂，二氯甲烷、环己烷、苯为携水溶剂，产率较高，但反 ( 2 ) 缩醛或缩酮- q3 - 巯基醇反应，见式( 1 - 4 ) ： r 町1 义o 毗c h 3 + 三h 一氛) c - 哪 ( 3 ) 通过丁基锂合成2 烷基1 ，3 氧硫杂环己烷，见式( 1 5 ) ： 兰u 告r m s ， 该反应要求隔水进行，并且1 ，3 氧硫杂环戊烷需提前制备。 本课题组曾选用第一种方法，以对甲基苯磺酸为催化剂、苯为携水溶剂，对1 3 氧硫 杂环戊烷类化合物的合成作了系统研究，合成了2 2 种l ，3 一氧硫杂环戊烷类化合物【4 5 】，见表 1 - 4 。 8 北京工商大学硕士学位论文 1 1 , 3 - 氧硫杂环戊烷 2 2 - 甲基1 3 氧硫杂环戊烷 3 2 - 7 _ , 基一1 , 3 - 氧硫杂环戊烷 卜 c 9 0 s 8 2 9 0 0 雾霆篙萋藿 ， 3 3 2 6 0 0 篙皇黧霉墨 丙烯基t 氧硫杂环戊烷 8 ：- c h a 。 5 2 正丙基一1 , 3 - 氧硫杂环戊烷l ， 葱蒜香气和 烤肉香气 7 3 2 ，0 0 籍薯耸鬈是 烤肉、葱蒜 和辛香气 s 。z 正丁基- 1 , 3 - 氧硫杂环戊烷 t 舶 9 2 2 8 0 0 雾宴纛喜乏 ，啪势蚺辙椰戊 烷l u 8 2 - 苯基- 1 3 氧硫杂环戊烷 ，二正己基- j 氧硫杂环戊烷 ： 、 。 z 正庚基t ，氧硫杂环戊烷 ， 一， 1 1 2 , 2 - _ - 甲基一1 ，3 一氧硫杂环戊烷 1 2 复毳基。2 乙基d 3 - 氧硫杂环 ， 2 甲基一2 一正丙基- 1 ，3 一氧硫杂 环戊烷 x k 冷 ，s s - 2 4 3 7 0 0 萎翥嚣孳呈 ，砸 - 螂咖蓑喜昙霹 1 7 4 - 居t 0 0 誉，i 蓁喜 s s - ，7 2 8 0 0 嚣宴；喜耄 1 1 8 1 4 6 们z 0 0 黧篙萎茎 贷届s 0 0 淼 s 2 3 5 0 0 絮雾 9 三类香料化合物的聚焦微波合成 1 31 ，3 - 二噻烷类化合物的研究进展 1 ，3 二噻烷类化合物即1 ，3 二硫杂环己烷，是环状硫缩醛( 酮) 类化合物，常常被用作羰 基的保护基，它们能够容易地形成和离去，在许多反应条件下也能够稳定存在，常常被用 作有机中间体，从羰基到硫缩醛和硫缩酮的转化是许多有机合成转化的重要部分在有机合 成中有重要的作用【蛔。 含硫杂环戊烷类化合物是一类重要的香料，往往具有浓郁的大蒜香气或洋葱香气，并 稍带有金属底韵的焦味，其中1 ，3 二硫杂环戊烷、2 甲基1 ，3 二硫杂环戊烷、2 丙基1 ，3 二硫杂环戊烷已经在肉汤中检测出来1 4 7 - 4 9 1 。1 , 3 二硫杂环戊烷类化合物可用于肉类、汤料、 方便食品、饮料、甜品、蔬菜、干果、点心、牙膏、药用糖浆等的香精中。一些1 ，3 二硫 杂环戊烷类化合物具有生物活性，可以作为杀虫剂和杀真菌剂等。1 , 3 二硫杂坏类化合物 的香气特征见表1 5 。1 ，3 二噻烷类化合物研究较少，其结构与1 ，3 二硫杂环戊烷具有相似 性，研究这类化合物的合成并考查其香气具有重要意义。 1 0 北京工商大学硕士学位论文 1 1 , 3 一二硫杂环戊烷 2 2 - 甲基一1 3 一二硫杂环戊烷 3 2 小二甲基1 , 3 二硫杂环戊烷 4 4 - 甲基一1 3 二硫杂环戊烷 5 2 , 2 - - - 基1 3 二硫杂环 62 - 丙基- 1 3 氧硫杂环戊烷 72 异丁基1 ，3 氧硫杂环戊烷 8 2 - 丁基一2 甲基- 1 3 - 氧硫杂环戊烷 9 1 ，4 二硫螺【4 ，4 l 壬烷 吼 毗 x 卜 l 广s , c h 2 。挚 x h 。 p 1 0 1 , 3 - 二( 1 ，3 一氧硫杂环戊烷) - 丙烷 l 一一 洋葱，烤大蒜牛肉香气 烤洋葱，蔬菜香气，烤肉香 类洋葱，轻金属特征的菜香气 洋葱，类菜根的味道牛肉香气 肉香 花香，新鲜的肉汤香气 葱、蒜、烤肉、金属样香气 微弱的热带水果香气。似菠 萝、西番莲香气 微弱的葱、蒜香气 微弱的果香、肉味 1 , 3 二噻烷的合成方法文献报道较少，可借鉴1 , 3 二硫杂环戊烷的合成方法。1 , 3 二硫 杂环戊烷类化合物的合成方法如下： ( 1 ) 醛或酮与邻二硫醇在催化剂的存在下反应【5 m 4 1 ，见式( 1 6 ) ： 8一+育sh舀sh一型巴：34，丫-sr2r1-r2 r 3 r 4+ h 2 。( 1 6 ) c 一+ 一异一舀一“。i k + h 2 0 ( 1 6 ) ( r ，r ：，r ，为h 、烃基、芳香基或杂环取代基等) 以三氯化异氰尿酸、对甲苯磺酸等质子酸为催化剂，方法简便，产率较高。 1 1 三类香料化合物的聚焦微波合成 以氯化钨、氯化镧、氯化钛等为催化剂，催化剂价格昂贵，需通氮气保护。 以吸附着溴化镧、溴化钴等的硅藻土、分子筛等硅酸盐为催化剂，对醛酮的选择 性不高。 以对甲苯磺酸为催化剂，以二氯甲烷，三氯甲烷等为溶剂，共沸效果不好，反应时 间长。 以硝酸铵铈、c u ( o t f ) 2 s i 0 2 、l i b f 、磷钨酸等金属杂多酸为催化剂，催化剂制备 比较复杂。 ( 2 ) 以三氯化铟等为催化剂，缩醛或缩酮与乙二硫醇在1 ，2 二氯乙烷中回流嗍，见式 ( 1 7 ) ： 罢圣凳娑 ，s 玛 ( 1 - 7 ) 1 面i 面产l r 2 u 叫j ( r 1 ，r 2 为h 或c l c 5 的烃基) 该法产率7 0 9 0 ，反应时间l o 2 0 m i n ，但所用原料缩醛或缩酮需要预先制备。 ( 3 ) 必对甲基苯磺酸为催化剂，乙二硫醇钠和二氯代烃在苯中共沸脱水，见式( 1 - 8 ) ： p舢+a硭，竺掌旦；磁+2naci(1-8)ch2 s n a 。 c 1 9 r 2苯 一。n 2 ( r t ，r 2 为h 或c l - c 4 的烃基) 乙二硫醇钠需要预先制备，二氯代烃也不太容易得到【5 3 】。 ( 4 ) 以二氯化汞为催化剂，2 乙氧基1 ，3 二硫杂环戊烷类化合物与醛或者酮在二氯甲 烷中回流，见式( 1 9 ) ： 0 c 2 h 。+ r z c o r 2 上l 吖i - - s ) 9 9 ；1 , 3 丙二硫醇由启东市三利 化工有限公司提供，质量分数 9 9 ；麦芽酚和乙基麦芽酚由北京天利海化工有限公司提供， 质量分数 9 9 。其余试剂均为市售分析纯试剂。 2 1 2 主要仪器 b r u k e rv e c t o r2 2 型傅立叶变换红外光谱仪，e l e m e n t a rv a r i oe li i i 型元素分析仪， v a r i a n0 3 8 0 0 型气相色谱仪，a g i l e n t6 8 9 0 n - 5 9 7 3 i 型气相色谱质谱联用仪，b r u k e rd m x 3 0 0 型核磁共振光谱仪，c e md i s c o v e r 型单模聚焦微波合成仪，淄博宏润工贸有限公司 h y g - 7 0 型无噪音空气压缩机。 2 2 三种1 ，3 氧硫杂环戊烷类化合物的微波合成 以对甲基苯磺酸为催化剂，巯基乙醇分别与丁酮、戊酮、己酮在d i s c o v e r 微波合成仪 中反应，合成出3 种2 - 甲基2 烷基- 1 ，3 氧硫杂环戊烷香料化合物，见式但1 ) ： s h 弋h + 汉r 微波 对甲基苯磺酸 x ( 2 - 1 ) ( r 为c 2 h 5 ，n - c 3 h 7 ，n c 4 h 9 ) 2 2 1 2 - 甲基2 乙基一1 ，3 氧硫杂环戊烷的合成方法 向装有回流冷凝管的1 0 0 m l 圆底烧瓶中加入巯基乙醇0 7 8 9 ( 0 o l o m 0 1 ) 和一定量对 甲基苯磺酸、丁酮，把圆底瓶放入d i s c o v e r 微波反应器中，用p o w e r - t i m e 模式反应，设定 最高温度8 0 ，设定微波功率，用压缩空气吹扫反应瓶，压缩空气流量设定为7 0 l r a i n 。 反应一定时间后取出反应瓶，冷却后，加适量w ( n a 2 c 0 3 ) = 5 的n a 2 c 0 3 水溶液将反应 液p h 调至7 8 ，分出有机层，各用l m l 水洗涤3 次，用无水n a 2 s 0 4 干燥，倾析得到淡 黄色透明的油状液体，即为2 甲基2 乙基1 ，3 氧硫杂环戊烷粗产品，用气相色谱法确定主 组分质量分数( 面积归一化法) 。 2 2 22 甲基一2 乙基1 ，3 氧硫杂环戊烷的合成正交试验 选取反应时间( a ，单位m i n ) 、丁酮与巯基乙醇投料摩尔比( b ) 、微波功率( c ，单位w ) 、 催化剂与丁酮的摩尔比( d ) 作为四个因素，对各个因素设计三个水平( 见表2 - 1 ) ，以2 甲 基- 2 乙基1 ，3 ，氧硫杂环戊烷产率作为指标，选用b ( 3 4 ) 正交表进行正交试验，正交试验结 1 5 三类香料化合物的聚焦微波合成 注：g c 面积归一化法确定纯度 在优化条件下，将反应投料量和反应时间均增加为五倍，进行2 甲基2 乙基1 ，3 氧硫 杂环戊烷合成，后处理相同，粗产品减压蒸馏，收集2 7 - 2 8 1 2 3 9 0 p a 的馏分，为淡黄色油 状液体，进行g c 、f t i r 、元素分析和g c m s 分析。 2 2 32 一甲基2 - 丙基1 。3 一氧硫杂环戊烷的合成 在实验2 2 2 优化条件下，用2 戊酮代替丁酮进行反应，得1 1 6 7 9 淡黄色油状液体， 为2 甲基2 丙基1 ，3 氧硫杂环戊烷粗产品，纯度为8 9 9 8 ( 气相色谱面积归一化法) ，转 化率为7 1 9 ( 以巯基乙醇计) 。 将反应投料量和反应时间均增加为五倍，后处理相同，粗产品减压蒸馏，收集4 2 - 4 3 3 9 0 p a 的馏分，得淡黄色油状液体，进行g c 、f t i r 、元素分析和g c m s 分析。 2 2 4 2 甲基2 一丁基1 ，3 - 氧硫杂环戊烷的合成 在实验2 2 2 优化条件下，用2 己酮代替丁酮进行反应，得1 2 6 5 9 淡黄色油状液体， 为2 甲基2 - 丁基1 ，3 氧硫杂环戊烷粗产品，纯度为8 2 9 4 ( 气相色谱面积归一化法) ，转 化率为6 5 6 ( 以毓基乙醇计) 。 将反应投料量和反应时间均增加为五倍，后处理相同，粗产品减压蒸馏，收集5 8 6 0 c 3 9 0 p a 的馏分，得淡黄色油状液体，进行g c 、f t i r 、元素分析和g c m s 分析。 1 6 北京工商大学硕士学位论文 2 3 三种1 ，3 - 二噻烷类化合物的微波合成 以对甲基苯磺酸为催化剂，1 ，3 - 丙二硫醇分别与丁酮、戊酮、己酮在d i s c o v e r