（工业催化专业论文）由山苍子油合成高纯度β紫罗兰酮研究.pdf

摘要 摘要 高纯度6 一紫罗兰酮作为特殊香料和重要的医药中间体得到了广泛的应用。 高纯度的b 一紫罗兰酮的制备方法主要有：化学合成法、间接转化法和物理分离 法等；本文介绍了高纯度d 一紫罗兰酮的化学合成制备方法，分两步反应：( 1 ) 以柠檬醛和丙酮为起始原料，在碱催化剂存在下进行羟醛缩合反应，生成假性紫 罗兰酮；( 2 ) 假性紫罗兰酮在酸催化剂作用下，关环异构化合成紫罗兰酮。 以k o h a 12 0 3 为催化剂，由柠檬醛与丙酮缩合在季铵碱存在下合成了假性紫罗 兰酮。通过正交实验得到影响反应的4 种重要因素，其大小顺序为：原料配比 催化剂用量 反应温度 柠檬醛的滴加时间：通过实验得到提高合成假性紫罗兰酮 收率的较佳反应条件，最佳工艺条件：n ( 丙酮) ：i 1 ( 柠檬醛) 为4 t o o l ：l m o l ，催化 剂用量为反应物质量的1 2 ，反应温度4 0 c ，滴加时间3 0 h ，反应时间4 h ，收率 可达8 8 2 ，催化剂可重复使用。 以固载强酸s 毡2 - z r 砚一t i 现催化剂，用假性紫罗兰酮合成b 一紫罗兰酮， 提高了紫罗兰酮的收率，获得了最佳反应条件：投料比n ( 假性紫罗兰酮) ：1 1 ( 二 甲苯) ：n ( 硫酸) = 1 ：3 5 ：0 0 5 ，控制反应温度1 5 2 5 ，反应时间1 5 h 。该 优化条件下，合成收率为9 2 埘3 ，产物中b 一紫罗兰酮质量分数为7 7 左右。 关键词：假性紫罗兰酮固载强酸催化剂p 一紫罗兰酮环化反应 i l a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep i o n o n ew i t hh i 【g hp u r i t ya ss p e c i a lp e r f u m ea n dm e d i c a lp h a r m a c e u t i c a l i n t e r m e d i a t eh a sb e e nw i d e l yu s e d p r e p a r a t i o nm e t h o d so fp - i o n o n ew i t hh i g hp u r i t y a r ec h e m i c a l s y n t h e s i s ， m d i r e e tc o n v e r s i o n ，p h y s i c a l s e p a r a t i o n a n ds o o n c h e m i c a ls y n t h e s i sm e t h o d so fl b - i o n o n e 、) l ，i ml l i g hp u r i t ya r ei n t r o d u c e d ，w h i c h h a v et w os t e p s p s e u d o i o n o n e sw a ss y n t h e s i z e df r o mc i t r a la n da c e t o n e u s i n gp o t a s s i u m k o h a h 0 3a sc a t a l y s t t h es e q u e n c eo ft h ee f f e c t so nr e a c t i o ni st h er a t i oo f m a t e r i a l s t h ea m o u n to fc a t a l y s t r e a c t i o nt e m p e r t u r e t h ed r o p p i n gt i m eo fc i t r a l t h e o p t i m u mp r o d u c t i o nc o n d i t i o n sa l ea sf o l l o w ：a c c t o n e ：c i t r a li s4m o l ：l m o l ；t h em a s s f r a c t i o no f c a t a l y s ti s1 2 ；t h er e a c t i o nt e m p e r t u r ci s4 0 * ( 3 ，t h ed r o p p i n gt i m eo f c i t r a l i s3 o h t h er e a c t i o nt i m ei s1 5 h u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s t h ey i e l do f p s e u d o i o n o n e sc a nr e a c h9 2 6 a n dt h ec a t a l y s tc o u l db eu s e dr e p e t i t i v e l y an e wm e t h o dw a ss t u d i e do nt h ec y c l i z a t i o nr e a c t i o no fp s e u d o i o n o n ei ni o n o n e s y n t h e s i su n d e rt h ec a t a l y s i so fs u p p o r t e ds t r o n ga c i d - - s 0 4 27z r 0 2 - t i 0 2 m ey i e l do f 3 - i o n o n ew a si m p r o v e d 1 1 坨b e s tt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t ew e r ea sf o l l o w ：m o l a rr a t i o n ( p s e u d o i o n o n e ) ：n ( x y l e n e ) ：n ( s u l f u r i ca c i d ) = 1 ：3 ：5 ：0 0 5 ，t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e w a s l 5 c - 2 5 ct h er e a c t i o nt i m ew a s1 s h u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o nt h ey i e l dw a s 9 2 , - 9 3 t h ec o n t e n to f l 3 i o n o n ew a sa b o u t7 7 k e yw o r d s ：p s e u d o i o n o n e ，c a m l y s to fs u p p o r t e ds t r o n ga c i d ，1 3 - i o n o n e ，c y c l i z a t i o n r e a c t i o n l i l 一 堂焦堡苎塑型。些重塑一 _ _ - _ - - - _ - _ _ ，_ _ _ 一一 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，也不包含为获得直昌盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我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。 学位论文作者签名( 手写) = 伽签字日期7 年，v 月妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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。本人授权直昌太堂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( 手写) 有勃 导师签名( 手写) ：? e 彳 j j 签字目期：洲年( v 月。日 签字日期：2 7 年f ，月p f ：l 第1 章绪言 1 1 研究背景及意义 第1 章绪言 紫罗兰酮是一种重要的人工合成香料，根据结构式中的双键位置的不同，有 a 一、b 一和y 一三种异构体，其中以a 一和b 一两种异构体为主。b 一紫罗兰酮 4 一 ( 2 ，6 ，6 一三甲基一卜环己烯基) 一3 - 丁烯一2 一酮，b i o n o n e 为浅黄色液体。1 。 b 一紫罗兰酮具有浓郁的紫罗兰香气、接近烟草的木香，且带有果香、甜的膏香， 是一种名贵香料，广泛应用于食品、香料及化妆品中，如可用于配制木香或果 香气较重的食用香精和增香剂等“】。 紫罗兰酮的生产已有多年历史，但长期以来国内外学者在这方面的研究从未 阃断过。1 ，目前，市场上销售的紫罗兰酮大部分都是a 一和b 异构体的混合物，y 一异构体很少“1 ，高纯度0 一紫罗兰酮可继续合成环高柠檬醛们、鸢尾酮哪、甲基紫 罗兰酮m 、大马酮“”等高档香料；b 一紫罗兰酮也是一种重要的医药中间体，是合 成维生素a 、e 、6 一胡萝h 素、视黄酸等的重要原料n 1 1 ，而使用b 一紫罗兰酮为原 料合成维生素a “、e “”、b 一胡萝h 素“”、视黄酸“”等的过程中，由于a 一紫罗兰 酮”的含量高或存在产品中产生难以分离的副产品，从而严重影响其品质，甚至 引起医疗纠纷“”；此外，高纯度b 一紫罗兰酮具有较强的生物活性“，表现出较强 的抗癌作用“”，特别是对肿瘤的发生有明显的抑制作用”1 ，因此研究选择性合成 高纯度b 一紫罗兰酮具有非常重要的意义o ”。 1 。2 研究原理 高纯度的b 一紫罗兰酮的制备方法主要有：化学合成法。”、间接转化法”和 物理分离法等。本文介绍了高纯度b 一紫罗兰酮的化学合成制备方法，紫罗 兰酮的合成路线主要有柠檬醛路线( 即梯曼法“1 ) 和石油合成路线。国外由于 天然原料缺乏，侧重于以石油化工产品作为原料的开发研究，而国内山苍子 油的年产量达到3 0 0 0 t ”“，为世晃最大生产国和出口国3 ，因此生产上普通采用 改进的梯曼法生产紫罗兰酮m 3 ，其合成分两步反应1 ：( 1 ) 以柠檬醛和丙酮为起始 原料啪1 ，在碱和季铵盐催化剂存在下进行羟醛缩合反应，生成假性紫罗兰酮”1 ； ( 2 ) 假性紫罗兰酮在酸催化剂啪1 作用下，关环异构化合成紫罗兰酮1 ： 第l 章绪言 o 犷十艾芝”卫p + p 嘲舾黼e 附蜘i a l l 咖蕾锄灏 e - i 岫e 1 3 国内外研究现状与分析 紫罗兰酮的生产已有多年历史，国内外有不少研究过假性紫罗兰酮环化成紫 罗兰酮的工作1 。从查阅的资料看，各个环化反应的工艺方法、工艺条件相互差 异很大“，如反应温度低到一2 5 c ，高到2 0 0 ；反应时间短到0 i s ，长到1 0h “”： 用的催化剂有h z s o t 、b f 3 、h c o o h 、h 3 p o * 等“”，催化剂的用量是假性紫罗兰酮的2 1 5 ( 摩尔比) 倍“”；使用催化剂浓度在6 0 一1 0 0 m 1 。环化反应中催化剂是关 键的影响因素1 ，环化的工艺研究实质是以催化剂为中心开展的“”。 早在1 8 9 8 年，t i e m a n 和k r u g e r ”1 ，便注意到假紫罗兰酮用硫酸处理主要得到 b 一紫罗兰酮，用磷酸处理主要得到一紫罗兰酮。目前，采用的无机酸催化剂 主要有硫酸、磷酸、高氯酸和无水h f 等。1 9 8 7 年，g a v i l y u k ，0 a 等呻1 采用超 强酸h s 0 。f s o 。f c l 作催化剂“”，温度为一1 0 0 c 时得到较好产率的1 3 一紫罗兰酮。 近年来，固体超强酸越来越受到人们的关注。1 9 9 6 年，邵宗龙等嘲采用固体超 强酸s o , ”t i 0 。在苯中催化假紫罗兰酮合成紫罗兰酮，环化反应温度为1 5 c 2 5 ，反应时间为1 5 h ，得到7 0 4 的b 一紫罗兰酮。秦玉楠等呻1 采用经过 碱化处理的活性a l ：0 。这一新型载体试剂( n a o h a l 。0 。) 为反应缩合剂；樊蕾等 ”1 采用5 n a o h 为主催化剂，c - 1 为助催化剂：环化反应采用h - 1 为催化剂，氯仿 为反应介质，直接合成1 3 一紫罗兰酮呻1 。 y v e s r n a v e s 等人“”系统研究了各种催化剂，用得最多的还是硫酸，浓度 为6 0 一9 8 ，加入量在假性紫罗兰酮的3 倍以上嘲，使用如此高浓度大数量 的硫酸对于反应体系，不言而喻，体系中要放出大量的热，会发生局部过热产生 树脂化及焦化，因此很多人研究如何少产生热或把热移走来避免局部过热“”。如 西德d e - - p s l 0 8 0 1 0 5 和1 6 6 8 5 0 5 专利介绍，加人脂肪族烃或环状脂肪烃类化合物 来带走部分热量：印度专利i 忙p s m 2 2 5 加脂肪氯化烃如二氯甲烷、二氯乙烷，在 第1 章绪言 四氯化碳的存在下于一1 0 c 下反应；西德专利d e p s l 6 5 8 4 9 5 使用s o ：西德专利 d e - p s l 6 6 8 5 0 5 的方法使用丙烷、丁烷、异丁烷：捷克专利c s p s l 7 9 0 4 6 ，苏联 专利s u p s 4 5 8 0 4 0 和s u - p s 5 4 7 4 4 5 利用薄膜反应器实现反应物的充分搅拌把热移 走【删。 此外，c h a r b a r d e s 等o o 还进行大量工作，筛选了近2 5 种催化剂，试验了5 0 多种 催化剂的制备方法并且考察其催化活性，这些催化剂分别是以v ，w ，r e ，m o 等金 属元素作为主催化剂“”，但采用纳米级s o 2 - z r 如一t i o z 复合型固体超强酸催化 剂目前没有报道。 由以上研究和专利可知，液体浓硫酸下环化反应制备b 一紫罗兰酮的转化率较 高，因此依然是目前研究的热点，但该制备方法在反应过程中放出大量的热，反 应结束进行浓硫酸的分离不仅花费大量人力物力，还会对环境造成污染旧3 。此外， 浓硫酸对设备酸蚀严重，使设备维修更换频繁，这在一定程度上也增加了b 一紫罗 兰酮的生产成本，因此，需要找到一个较理想的环化催化剂，从设备到操作比较 简单，以便用于工业化，本课题采用纳米级s o , 2 - z r 0 2 一t j o z 复合型固体超强酸 作催化剂，用二甲苯和干冰c o ：作溶剂，低温选择性合成高纯度b 一紫罗兰酮，优 点在于其催化活性高，不腐蚀反应设备、对环境友好、制备方便、简化分离程序， 而且还可以通过固体超强酸改性或者负载在载体上进行催化，符合绿色化学发展 要求。 1 3 1 相关文献制备方法与介绍 1 3 1 1 化学合成法 1 3 1 1 1 无机酸型催化剂 假性紫罗兰酮在强酸( 如浓硫酸) 作用下主要生成b 一紫罗兰酮，在弱酸( 如磷 酸、醋酸、甲酸等) 作用下，主要生成q 一紫罗兰酮1 。h e r t e l 等采用假性紫罗 兰酮为原料，使用9 8 浓硫酸在一2 0 o o c 下进行环化反应，并用醇类作为反应溶剂， 可以得至u 9 5 的b 一紫罗兰酮。刘公和等“7 1 研究假性紫罗兰酮在浓硫酸中环化制备 b 一紫罗兰酮的工艺条件，反应介质为脂肪烃或氯代脂肪烃与低级醇的混合物，b 一紫罗兰酮的摩尔得率8 3 ，产品中紫罗兰酮的总含量为9 8 ，b 一紫罗兰酮含 量 1 9 5 。马增欣等以柠檬醛为原料在碱性条件下与丙酮缩合合成假性紫罗兰 第1 章绪言 酮，然后用二氯甲烷作溶剂，浓硫酸作环化剂，连续通过一个接触反应器在常温 下反应，反应热通过溶剂的汽化迅速带走，所得紫罗兰酮的收率高达8 8 ，其中b 一紫罗兰酮含量 9 6 。秦玉楠”1 采用山苍子油为原料，经萃取分馏制得柠檬醛来制 备b 一紫罗兰酮。该方法采用经过碱化处理的活性a 1 。0 。这一新型载体试剂 ( n a o h a l ：0 3 ) 为反应缩合剂，并运用适宜的反应条件，使假性紫罗兰酮的产率由 旧工艺( 只用n a o h 水溶液为反应缩合剂) 的6 5 提高到8 2 以上。该方法具有操作 简便，后处理收率理想，b 一紫罗兰酮生产成本低，经济效益显著等特点。 1 3 1 1 2 有机酸型催化剂 对于假紫罗兰酮环化生成紫罗兰酮的反应，有机酸催化剂研究得比较少。目 前国内外研究者所使用的有机酸催化剂主要有甲酸、对甲苯磺酸、乙酸和三氟化 乙酸等。1 9 9 5 年王洪钟等为了比较不同酸类型催化剂对紫罗兰酮合成的影响， 采用了乙酸作催化剂，苯为溶剂，紫罗兰酮的收率为5 5 ，其中b 一异构体几乎为 0 ，q 一异构体占1 0 0 。这可能是有机酸酸性适中，选择性较强的缘故。 1 3 1 1 3 其他类型催化剂 a ) 混合酸催化剂 无机一有机混合酸催化剂催化合成紫罗兰酮，国内外已经有很多文献报道。 混合酸一般采用浓h 。s o , 和冰醋酸。林敏等“”考察了在不同温度下，两种催化剂的 催化效应。结果见表1 。 表1 不同催化剂的影响 从表l 可看出：浓h ：s o , 作催化剂时反应温度较低，收率也不高。用混合酸作催 化剂，反应温度可适当提高，收率比较理想且无乳化现象，后处理比用纯无机酸 要简单。 b ) 超强酸催化剂 1 9 8 7 年，g a v i l y u k ，0 a 等咖1 采用超强酸h s o ，f - s o ：f c l 作催化剂，温度为一1 0 0 c 时得到较好产率的紫罗兰酮。近年来，固体超强酸越来越受到人们的关注。1 9 9 6 4 第1 章绪言 年，邵宗龙等汹1 采用固体超强酸s 吖- t i 0 ：在苯中催化假紫罗兰酮合成紫罗兰酮， 当环化反应温度为1 5 2 5 ，反应时间为i 5 h ，得n 7 0 49 的紫罗兰酮。 固体超强酸具有催化活性高，不腐蚀反应设备，无三废污染，简化产品分离程序 等优点，便于进行工业化生产。关于这方面的研究，还有待进一步的探讨，本课 题也是朝该方向进行。 c ) l e w i s 酸催化剂 目前文献报道的l e w is 酸催化剂主要有b f 3 e t 2 0 ，卤化锌等。l e w is 酸具有良 好的催化活性和选择性，可使环化反应条件温和，操作简易，所得产率也可提高。 李菊仁等”用l e w i s 酸l a - 9 0 作催化剂时，紫罗兰酮的产率可达9 0 5 。此外， 采用分子筛、在常压下以四丁基溴化铵作相转移催化剂和离子交换树脂作催化剂， 分别也有文献报道过”1 。 1 3 1 1 4 天然物质的提取物共氧化法制备8 一紫罗兰酮 b 一胡萝h 素属四萜类化合物，是自然界中含量较丰富的一种类胡萝卜素。海 洋生物藻类和胡萝h 是其最佳来源。含有较丰富b 一胡萝h 素的植物或海洋生物原 料经干燥粉碎后，用有机溶剂提取除去类脂质和叶绿素，用甲醇除去含氧类胡萝 h 素，得到a 一、p 一、y 一胡萝h 素，其中以b 一胡萝h 素为主要成分，最后用柱 层析等方法分离纯化，即得d 一胡萝h 素。b 一胡萝h 素的共氧化是用来制备b 一紫 罗兰酮的常用方法。该方法主要是用黄嘌呤氧化酶产生的自由基来分解类胡萝h 素。然而自由基通常能够分解b 一紫罗兰酮，因此降低b 一紫罗兰酮的产率。为了 避免自由基对p 一紫罗兰酮分解，提高8 一紫罗兰酮的产率，y v e s 等“”研究了在含 有己烷、苯或二氯甲烷的两相介质中，b 一胡萝h 素的共氧化。研究结果显示：黄 嘌呤氧化酶在己烷、苯溶剂中具有很好的酶活性。而在二氯甲烷中则无共氧化发 生。研究过程中发现只有当胡萝卜素溶解于水中，b 一胡萝h 素才能变白，这说明 自由基未进入到有机相中。在含有己烷、苯的两相介质中，产品积累的时间过程 与在水相中并不相同。在两相介质中b 一紫罗兰酮的产率约比在水相中高1 1 倍。自 由基对p 一胡萝h 素的作用是制备b 一紫罗兰酮的关键。由于在水相中，有机挥发 物的浓度很低且与p 一胡萝卜素的初始浓度无关，因此生成p 一紫罗兰酮被自由基 分解。而在己烷、苯的有机相中，可以有效地避免p 一紫罗兰酮的分解，并可提取 高纯度的b 一紫罗兰酮，而且有机相的有机物对酶不起抑制作用”1 。 第1 章绪言 1 3 1 2 物理分离法制备b 一紫罗兰酮 传统的合成b 一紫罗兰酮方法一假性紫罗兰酮环化法，产品的。一紫罗兰酮含 量高，严重影响其品质。传统的提纯b 一紫罗兰酮方法一精馏法分离q 一紫罗兰酮 的效果差( 杂质a 一紫罗兰酮含量约5 ) 。b 一紫罗兰酮产品精馏装置通常采用带 夹套搪玻璃罐作为精馏釜，由于其容积蒸发强度很低以及物料静压引起的沸点升 高，使p 一紫罗兰酮粗品在精馏过程中受热数小时。虽然精馏过程是在真空条件下 操作，以降低b 一紫罗兰酮的沸点，但由于b 一紫罗兰酮属于热敏性物质，在精馏 过程中仍然会遭受破坏，产生大量聚合物，导致成品质量不合格，产品收率降低。 刘卫兵等“”对p 一紫罗兰酮成品精馏系统进行了改造，采用真空转鼓薄膜蒸发器 代替罐式蒸发器作为精馏釜，而系统其它部分保持不变，不但使产品质量全部合 格，而且使收率提高t 2 0 8 4 ，操作周期缩短9 0 m i n ；同时由于真空转鼓蒸发器 有效温差利用率高，蒸发强度大，使所用蒸汽压力由0 6 m p a 降为0 3 m p a ，降低了 对蒸汽压力的要求，这样对生产更为有利。此外，由于物料在真空转鼓蒸发器内 的停留时间缩短，减少了物料的热分解，使残渣减少t 6 7 ，减轻了环保负担。该 改进工艺较好地解决了物料受热时间过长，沸点过高而产生的热敏过高，并大幅 度地提高了收率，取得了很好的经济效益。在各种形式蒸发器中，罐式蒸发器是 常见和落后的。升膜和降膜式列管蒸发器，传热被强化，蒸发强度提高，但是物 料液柱引起沸点升高是很大的。离心式蒸发器因其结构复杂，造价高，设备放大 困难，使应用受到限制。真空转鼓蒸发器是在卧式刮板蒸发器和旋转蒸发器基础 上研制成功的一种新型蒸发器，其基本结构是把旋转蒸发器的转鼓移进卧式刮板 蒸发器内，刮板固定在转鼓上随之转动。转鼓蒸发器的中心转鼓相当于旋转蒸发 器，而外部圆筒相当于卧式刮板蒸发器。在设备外型尺寸相同情况下，一台真空 转鼓蒸发器的蒸发能力相当于一台旋转蒸发器和一台卧式蒸发器能力的总和。物 料在操作过程中成膜状，膜厚约0 5 m m 1 o m m 。因此，因物料本身厚度引起的沸 点升高，可以忽略不计，加热介质温度与物料沸点的温差可以得到最大值。这样 不仅提高了蒸发强度，还提高了热利用率，为低品位热的使用创造了有利条件。 另外，该蒸发器有3 层大面积传热面，物料在上面成薄膜状得到很高的面积与体积 之比，加之物料薄膜又不断被更新，所以该蒸发器的传热系数高，单位面积蒸发 强度大m 。 6 第1 章绪言 1 3 1 3 问接转化法制备b 一紫罗兰酮 间接转化法制备p 一紫罗兰酮，就是制备的目标产物不是b 一紫罗兰酮，而 是。一紫罗兰酮或c i 一紫罗兰酮与p 一紫罗兰酮的混合物，然后在适宜的工艺条件 下，将a 一紫罗兰酮转化为b 一紫罗兰酮。吴洪伟掣辨鄹】研究了采用十二碳羰基铁 f e ，( c 0 ) 。： 为催化剂，在加热条件下，0 一紫罗兰酮异构化反应转化为b 一紫罗兰 酮的效果【7 6 1 。研究结果表明：异构化反应法制备e 一紫罗兰酮的产品中，o 一紫罗 兰酮的含量0 2 。采用该方法制备b 一紫罗兰酮，操作条件温和，能耗低，简 便高效，无需额外增加分离纯化设备b 一紫罗兰酮中o 一紫罗兰酮的含量，比传统的 精馏法的含量低2 0 多倍，有效地提高b 一紫罗兰酮的质量。 1 4 选题研究意义与创新之处 1 4 1 选题研究意义与创新之处 紫罗兰酮的生产已有多年历史，目前市场上销售的紫罗兰酮大部分都是q 一 和b 一异构体的混合物。高纯度b 一紫罗兰酮可继续合成环高柠檬醛”1 、鸢尾酮“1 、 甲基紫罗兰酮0 1 、大马酮“”等高档香料；b 一紫罗兰酮也是一种重要的医药中间体， 是合成维生素a 、e 、视黄酸等的重要原料“”，而使用b 一紫罗兰酮为原料合成维生 素a 、e 、视黄酸等的过程中，由于d 一紫罗兰酮的含量高或存在，产品中存在难以分 离的副产品，会严重影响其品质，甚至引起医疗纠纷；因此研究合成高纯度b 一紫 罗兰酮具有非常重要的意义，以前单独用浓硫酸作环化催化剂会引起许多问题需 要解决，本课题采用目前没有报道的纳米级s m 2 z r 晓一t i0 2 固体超强酸作催化 剂，用二甲苯和干冰c o ：作溶剂，低温选择性合成高纯度b 一紫罗兰酮，既符合合成 b 一紫罗兰酮的强酸要求，干冰升华为c 如时大量吸热，及b 寸移除反应过程中放出 的大量热，有效地防止局部过热，既可起搅拌作用，又可在系统内部降温，有利于 低温生成稳定热力学产物的一般规律，使生成b 一紫罗兰酮的选择性更高，而且液 化c 晚对环境友好，克服了原先制备b 一紫罗兰酮使用有机溶剂对环境造成污染的 弊端，符合绿色化学发展要求”蚓。 第2 章假性紫罗兰酮的合成 2 1 引言 第2 章假性紫罗兰酮的合成 假性紫罗兰酮是合成紫罗兰酮等香精香料、维生素a 、e 和b 一胡萝b 素的重 要中间体“，其合成方法多以由山苍子油分离得到的柠檬醛与丙酮在催化剂存在 下经a l d o l 缩合嘲而成： o 故+ 点祭 蠢缝蘩罗兰一 此合成反应条件的研究，一直受到国内外化学工作者的重视。1 。研究使用过的 催化剂有n a ：0 2 、钠丝、e t o n a e t o h 、n a o h e t o h 、k o h m e o h 、k 2 c o 。a 1 ：0 3 、n a o h a 1 ：0 。、 b a ( o h ) ：、n a o h 溶液、碱性a l ：0 3 等，但大都存在产率低，反应时间长，后处理困难等 缺点，本文介绍k o h a 1 ：0 3 和季铵盐催化剂存在下进行羟醛缩合合成假性紫罗兰 酮的制备方法，取得了较为满意的结果“”。 2 2 实验 2 2 1 实验药品与仪器 山苍子油为市售广西产的精油，用无水乙醇作溶剂进行气相色谱测定，测定结 果如下图l 所示： 第2 章假性紫罗兰酮的合成 图1 原料( 山苍子油) 的气相色谱 药品 测定得到山苍子油的质量分数为7 3 4 丙酮( a r ) 氢氧化钠( a r ) 氢氧化钾( a r ) 聚乙二醇( 4 0 0 ) 无水乙醇( a r ) 碳酸钠( a r ) a 1 2 0 3 3 6 乙酸( a r ) 浓硫酸( a r ) 氯仿 二氯甲烷 仪器 磁力搅拌器 w z s - 1 阿尔贝折光仪 温度计 2 x - 2 型旋片式真空泵 9 市售江西省吉安产的精油 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 上海焱晨化工实业有限公司 上海焱晨化工实业有限公司 上海焱晨化工实业有限公司 上海焱晨化工实业有限公司 上海焱晨化工实业有限公司 上海试剂一厂 上海试剂一厂 上海试剂一厂 巩仪市英峪予华仪器厂 上海光学仪器厂 巩仪市英峪予华仪器厂 沈阳市真空泵厂 第2 章假性紫罗兰酮的合成 7 6 0 m c 紫外分光光度计 上海光学仪器厂 蒸馏装置一套 巩仪市英峪予华仪器厂 s p 一2 0 0 0 b 型气相色谱仪山东鲁南化工仪器厂 天平上海精密科学仪器总厂 p e 一2 4 0 0 c h n 元素分析仪上海精密科学仪器总厂 尼高力m a g n a 一5 5 0 型f t 一红外光谱仪美国热电集团 2 2 2 氢氧化钾氧化铝的制备 将2 0 9 k o h 制备成饱和溶液，投入3 0 9a 1 ：0 3 ，在6 5 。c 左右搅拌l 小时，将水蒸 干，于1 2 0 干燥4 h ，即得k o h a 1 ：0 。载体催化剂。 2 2 3 假性紫罗兰酮的合成步骤 经过实验得到较好的合成条件是在三颈瓶中加6 5 m l 丙酮( 约o 1 m 0 1 ) ，在不断搅 拌下加入5 氢氧化钠3 0 m l ，适量的p t c ( 氢氧化钾- - 氧化二铝2 克) ，混合均匀后， 在搅拌下缓慢的滴加山苍子油3 0 m l ( 约o 1 3 m o l 柠檬醛) ，滴加完毕后装上回流装置 移入磁力搅拌器里面，敞开反应3 4 个小时，反应温度控制在4 5 c 反应完毕后，用 3 6 的醋酸溶液中和至p h 6 - q ，再用分液漏斗静置分层，分离油层然后用饱和碳酸 钠水溶液洗2 3 次，分出油层至于蒸馏瓶中，常压下蒸出丙酮，再进行减压蒸馏，收集 沸点1 1 0 1 2 7 。c 0 5 k p a 的馏分1 。此馏分为淡黄色略有香气味的透明液体，收 率为8 8 2 。 2 2 4 假性紫罗兰酮的分析与检测 表1 假性紫罗兰酮 。经验计算值 基团 m a 一、b 一不饱和酮基本吸收峰 延长一个共轭双键 6 一位增加两个烷基 假性紫罗兰酮 。 2 1 5 3 0 2 1 8 = 3 6 2 8 1 测得合成的产物n 。= 1 5 1 4 5 1 5 1 9 8 ，与标准值相符“”。合成产物用乙醇作溶 剂，用7 6 0 m c 紫外分光计分别测定乙醇溶剂、产物的紫外光谱图，见如下图2 和 图3 。 1 0 第2 章假性紫罗兰酮的合成 图2 乙醇的u v 图 图3 产物溶液的u v 图 通过产物紫外图谱分析得出：假性紫罗兰酮主要分布2 7 5 2 8 5 r u n 波长范围内t l s , 与计算得到的假性紫罗兰酮 。经验计算值相吻合，由此可以确定产物中主要为 假性紫罗兰酮。 第2 章假性紫罗兰酮的合成 图4 假性紫罗兰酮气相色谱 由图4 可知，在由山苍子油合成假性紫罗兰酮时，随着反应的不断进行8 - l o m i n 之间的两个尖峰不断变小，而2 m i n 以后峰逐渐变大，说明有假性紫罗兰酮的生成。 | 4 6 。0 嚣羹i 翻盹0 黔0 册4 缓壕 图5 假性紫罗兰酮红外图 产品为浅黄色液体，沸程1 1 0 1 2 7 。c o 5 k p a ，n + o d = 1 5 2 6 5 ( 文献值啪1 为： 1 5 2 6 0 ) ：i r ( 伽- t ) ：2 9 6 0 ，2 9 1 0 ( 一c h r ，一c h 。一) 。1 6 6 0 ( 共轭羰 第2 章假性紫罗兰酮的合成 基) ，1 6 3 0 ，1 5 8 0 ( c = c ) ，1 4 4 0 ( 一c h 厂) ；元素分析值( 计算值) ：w ( c ) = 8 1 1 0 ( 8 1 ，2 0 9 6 ) ， w ( h ) = 1 0 5 0 ( 1 0 4 8 ) 。 2 2 5 实验条件选择 2 2 5 1 反应时间与产物收率的关系 在三颈瓶中加入丙酮6 5 m i 和山苍子油3 0 m l ，反应温度控制在4 5 左右，我们 把催化剂换成了只是5 的氢氧化钠，加入3 0 m l ，对其不同的反应时间进行研究， 得出了如下图表1 所示。 表2反应时间与产物收率的关系 如图表2 反映了在其它反应条件不变的情况下，只改变反应时间，发现当时 间超过4 小时以后随着反应时间的增加，副产物增多，即棕化反应增强，假性紫 罗兰酮的收率有所下降。 2 2 5 2 不同碱浓度与产物收率的关系 在三颈瓶中加入丙酮6 5 m i 和山苍子油3 0 m l ，反应温度控制在4 5 左右，反 应时间控制4 小时，改变浓度进行实验，得出了收率的影响，如下列图表3 所示。 表3 不同浓度与产物收率的关系 序号浓度产率 从表3 我们可以看出，用氢氧化钠为催化剂比有机碱作催化剂好，用1 0 浓度 的氢氧化钠反应明显要比用5 浓度氢氧化钠的反应更激烈，副产物增加，收率不 断下降。 在三颈瓶中加入丙酮6 5 m i 和山苍子油3 0 m l ，在加入固相催化剂氢氧化钾三 第2 章假性紫罗兰酮的合成 氧化二铝2 0 克后，再改变5 氢氧化钠的用量，得如下图表4 。 表4 碱体积与产物收率的关系 2 2 5 3 反应温度与产物收率的关系 在三颈瓶中加入丙酮6 5 m l 和山苍子油3 0 m l ，加入5 的氢氧化钠3 0 m l ，再加 入固相催化剂氢氧化钾三氧化二铝2 0 克后，反应时间都为4 小时，得如下图表 5 。 表5 反应温度与产物收率的关系 2 2 5 4 正交实验 为优化合成条件，在初步实验的基础上，固定柠檬醛的用量1 7 1 m l ( 0 1 m 0 1 ) ，选 择丙酮与柠檬醛物质的用量的比( a ) 、催化剂用量( b ) 、反应温度( c ) 及滴加时间( d ) 为考察因素，采用l 廿( 3 4 ) 正交表进行实验，各因素与水平如表6 ，实验结果如表7 。 表6 厶( 3 ) 正交实验的因素 第2 章假性紫罗兰酮的合成 表79 ( 3 4 ) 正交实验结果 2 2 5 5 催化剂重复使用性能的考察 用回收的催化剂按a 3 8 2 c ：d 。工艺条件直接进行重复实验和将其活化处理制成催 化剂再重复实验，结果如表7 。 表8 催化剂重复使用结果 由表8 可知，催化剂不经任何处理，直接重复使用仍具有一定的催化剂活性， 但经过活化处理后制得的催化剂其催化活性下降较小，但重复次数增多活性降 低。 2 3 分析结果与讨论 第2 章假性紫罗兰酮的合成 ( 1 ) 由表7 中极差r 的大小对比可知，各因素对收率的影响顺序为a b c d ，丙 酮与柠檬醛的物质的量的比影响最为显著，其次为催化剂用量和反应温度，影响最 小的为滴加速度，在实验条件下的优化工艺条件为a 3 b 2 d 。，按此条件实验收率达 8 8 2 。 ( 2 ) k o h m ：0 。试剂对柠檬醛与丙酮缩合合成假性紫罗兰酮的反应具有较高 的催化活性其最佳工艺条件：n ( 丙酮) ：n ( 柠檬醛) 为4 m o l ：l m o l ，催化剂用量为 反应物质量的1 2 ，反应温度4 5 0c ，滴加时间3 o h ，反应时间4 h ，收率可达8 8 2 。 ( 3 ) 采用k o h a 1 2 0 3 固体催化剂和滴加方式加料，避免了中和碱的操作，减少丙酮 的用量，因而降低了成本，节省时间。减少污水。并且催化剂可重复使用。 1 6 第3 章b 紫罗兰酮的合成 3 1 引言 第3 章b 一紫罗兰酮的合成 3 1 1 研究意义 紫罗兰酮的生产已有多年历史，但长期以来国内外学者在这方面的研究从未 间断过，紫罗兰酮是一种重要的人工合成香料，根据结构式中的双键位置的不同， 有。一、b 一和y 一三种异构成，其中主要以a 一和b 一两种异构体为主。b 一紫罗兰 酮 4 - ( 2 ，6 ，6 - 三甲基- 1 - 环己烯基) - 3 - 丁烯一2 一酮，b i o n o n e 为浅黄色液体， 具有浓郁的紫罗兰香气、接近烟草的木香，且带有果香、甜的膏香，是一种名贵 香料，广泛应用于食品、香料及化妆品中，如可用于配制木香或果香气较重的食 用香精和增香剂等n 一。 目前，市场上销售的紫罗兰酮大部分都是一和p 一异构体的混合物嘲，y 一异 构体很少蜘，高纯度b 一紫罗兰酮可继续合成环高柠檬醛m 、鸢尾酮御、甲基紫罗 兰酮”、大马酮“”等高档香料；b 一紫罗兰酮也是一种重要的医药中间体，是合成 维生素a 、e 、b 一胡萝卜素、视黄酸等的重要原料“”，而使用b 一紫罗兰酮为原料 合成维生素a 、e 、b 一胡萝卜素、视黄酸等的过程中，由于a 一紫罗兰酮的含量高 或存在，产品中产生难以分离的副产品“”，从而严重影响其品质，甚至引起医疗纠 纷；此外，高纯度b 一紫罗兰酮具有较强的生物活性，表现出较强的抗癌作用，特别 是对肿瘤的发生有明显的抑制作用“”，因此研究选择性合成高纯度b 一紫罗兰酮 具有非常重要的意义。 本课题首次采用纳米级s o , 2 - z r 也一t i q 复合型固体超强酸作催化剂1 ，用 二甲苯和干冰c 0 。作溶剂“”，低温催化合成高纯度量一紫罗兰酮，依然保持用液体 浓硫酸环化反应制备b 一紫罗兰酮，但只使用1 0 左右硫酸制备纳米级s o , ”z r 0 2 一t i 砚复合型固体超强酸作催化剂n 町，既符合了合成b 一紫罗兰酮的强酸要求，而 且避免了以前反应结束后，进行浓硫酸的分离不仅需要花费大量人力物力，还会对 环境造成污染；对于反应过程中放出大量的热，采用干冰c 0 。作溶剂，干冰升华 为c 如时大量吸热，及时移除反应过程中放出的大量热，有效地防止局部过热， 既可起搅拌作用，又可在系统内部降温，有利于低温生成稳定热力学产物的一般 1 7 第3 章b 紫罗兰酮的合成 规律，使生成b 一紫罗兰酮的选择性更高，而且液化c 0 2 对环境友好，克服了原先 制备b 一紫罗兰酮大量使用有机溶剂对环境造成污染的弊端，因此，采用纳米级 s 吖- z r 0 2 一t i0 2 固体超强酸催化剂低温选择“”合成高纯度b 一紫罗兰酮的研究 符合绿色化学发展的要求，具有良好的经济效益又有良好的环境效益。 3 1 2 反应原理 反应原理n 町如下： s o f 2 t i o z 呻4 c 0 2 p ? o p + p - | o 雠 3 1 。3 反应机理 假紫罗兰酮1 在酸催化剂作用下，反应机理一般解释例瑚为： 当催化剂为弱酸或浓度较低的强酸时，邻近的含氢较多的碳原子上的氢发生消 除反应，生成物以。异构体为主，形成。一异构体5 ，b 一异构体6 的混合物，y 一 紫罗兰酮7 很少。用浓h ：s o + 时，产物以b 一异构体为主。酸的浓度越大，b 异构 体的含量越多。这主要是因为4 在强酸的作用下，碳一碳双键a 一碳原子上的氢发 生消除反应，形成具有稳定共轭体系的b 一异构体6 。 ooo0 l 2 p 第3 章b 紫罗兰酮的合成 oo0 改0 + 改+ 强o s 7 3 2 实验 3 2 1 实验药品与仪器 药品 测定得到山苍子油的质量分数为7 3 4 市售江西省吉安产的精油 丙酮( a r )国药集团化学试剂有限公司 氢氧化钠( a r )国药集团化学试剂有限公司 氢氧化钾( a r )国药集团化学试剂有限公司 聚乙二醇( 4 0 0 )上海焱晨化工实业有限公司 无水乙醇( a r )上海焱晨化工实业有限公司 碳酸钠( a r )上海焱晨化工实业有限公司 a l ：嘎上海焱晨化工实业有限公司 3 6 乙酸( a r )上海焱晨化工实业有限公司 浓硫酸( a r )上海试剂一厂 氯仿上海试剂一厂 二氯甲烷上海试剂一厂 季铵碱上海试剂一厂 固载强酸s o 2 - z r q t i 0 2 ( 自制) 二甲苯上海试剂一厂 四氯化钛上海焱晨化工实业有限公司 四氯化锆上海焱晨化工实业有限公司 仪器 第3 章b 紫罗兰酮的合成 磁力搅拌器 w z s 一1 阿尔贝折光仪 温度计 2 x 一2 型旋片式真空泵 7 6 0 m c 紫外分光光度计 蒸馏装置一套 s p 一2 0 0 0 b 型气相色谱仪 天平 p e 一2 4 0 0 c h n 元素分析仪 尼高力m a g n a 一5 5 0 型f t 一红外光谱仪 马弗炉 巩仪市英峪予华仪器厂 上海光学仪器厂 巩仪市英峪予华仪器厂 沈阳市真空泵厂 上海光学仪器厂 巩仪市英峪予华仪器厂 山东鲁南化工仪器厂 上海精密科学仪器总厂 上海精密科学仪器总厂 美国热电集团 中国上海实验电炉总厂 3 2 i2 催化剂的制备 称取等摩尔量的四氯化钛和四氯化锆放入带搅拌的反应器中，用稀氨水水解 2 h ，生成的白色沉淀( t i o 。和z r 0 2 ) 陈化2 4 h ，用蒸馏水洗涤至无氯离子。在烘箱 中于i 0 0 i i o6 c 下烘干。然后研磨直至微尘细度，用浓度为3 m o l l 的硫酸淋洗，烘 干后放入马弗炉中，在5 0 0 c 下焙烧4 h ，最后转移至干燥器中备用。 3 2 3 实验步骤 3 2 3 1 实验条件选择 3 2 3 1 1 反应时间与产物收率的关系 在2 5 0 m l 干燥的三颈瓶中投入制备的假性紫罗兰酮，装上电动搅拌器、温度计 和回流冷凝管，投料比n ( 假性紫罗兰酮) ：n ( 二甲苯) ：n ( 硫酸) = 1 ：3 5 ：0 0 4 ， 控制反应温度1 5 2 5 ，结果如下： 表9 反应时间与产物收率的关系 3 2 3 1 2 反应温度与产物收率的关系 在2 5 0 m l 干燥的三颈瓶中投入制备的假性紫罗兰酮，装上电动搅拌器、温度计 第3 章e 紫罗兰酮的合成 和回流冷凝管，投料比n ( 假性紫罗兰酮) ：n ( 二甲苯) ：n ( 硫酸) = 1 ：3 0 ：0 0 3 ， 控制反应时间1 5 小时，结果如下： 表1 0 反应温度与产物收率的关系 3 2 3 2 正交实验 合成步骤：在2 5 0 r a l 干燥的三颈瓶中投入制备的假性紫罗兰酮，装上电动搅拌 器、温度计和回流冷凝管。按k ( 3 4 ) 正交实验设计( 表7 ) 所确定的催化剂用量 ( 以催化剂中含h 。s 0 4 的摩尔量计) 为a n ( 硫酸) ；反映温度b ( ) ；反应时间 c ( h ) ；溶剂的摩尔量为d ：n ( 二甲苯t 0 0 1 ) ，进行四因子三水平的正交试验，依 椐试号规定的条件投料完毕，控制温度进行反应。反应结束待反应液冷却后加入 质量分数为2 0 的n a , f o ，水溶液，按要求调节p h 为7 5 胡0 ，常压下回收二甲苯， 然后进行减压蒸馏，在0 4 1 k p a 下收集9 1 9 5 的紫罗兰酮( 主要含a 一、6 一两 种异构体) ，称其质量，测定产物中紫罗兰酮含量，计算收率为9 2 6 。 表l l l 。( 3 4 ) 正交实验方案 第3 章b 紫罗兰酮的合成 表1 2 厶( 3