（有机化学专业论文）吐纳麝香的合成研究.pdf

中文摘要 吐纳麝香是一种人工合成麝香，香韵独特，留香持久，是现代高档香水、化 妆品不可缺少的调香香料。吐纳麝香是由其中间体六甲基萘满( h m t ) 经乙酰 化得到，而合成吐纳麝香最关键的就是如何合成h m t 。 本文研究了如何合成吐纳麝香，并着重研究了三种合成h m t 的方法。一是 在浓硫酸催化下由p , a 二甲基苯乙烯( 伞花烯) 与3 ，3 二甲基2 丁醇合成h m t ， 分别考察了在浓硫酸为催化剂时，硫酸浓度、反应温度，溶剂选择，搅拌速度、 物料配比以及反应时间对反应的影响，使反应条件得到优化。二是在三氯化铝催 化下由2 氯2 对甲苯基丙烷与3 ，3 二甲基1 丁烯、2 ，3 一二甲基1 丁烯以及2 ，3 。 二甲基2 一丁烯的混合物来合成h m t ，并讨论了三种烯烃分别与2 氯2 对甲苯基 丙烷反应生成h m t 的机理。 在第二条路线研究的基础之上，本文提出了一种新的合成h m t 的方法，即 在三氯化铝催化下，由2 氯2 对甲苯基丙烷直接与2 ，3 二甲基2 丁烯反应生成 h m t ，反应收率较其它方法明显提高，达到7 0 。 新的合成h m t 的方法中，原料伞花烯和2 ，3 二甲基2 丁烯易得，反应条件 温和，选择性好，收率高，在反应中，氯化氢可以循环使用。因此，该合成方法 具有非常好的市场与环保价值，对于吐纳麝香国内工业化具有重要意义。 关键词：香料吐纳麝香六甲基萘满 烯烃的平衡转化f r i d e l c r a f t s 反应 a b s t r a c t t o n a l i d ei sa ns y n t h e t i cm u s k ，w h i c hh a sac h a r a c t e r i s t i cf l a v o ra n dal o n gl a s t i n g s c e n t i ti so b t a i n e df r o mt h ea c e t y l a t i o no ft h ei n t e r m e d i a t ew h i c hc h e m i c a ln a m ei s l ，1 ，3 ，4 ，4 ，6 - h e x a m e t h y l 一1 ，2 ，3 ，4 - t e t r a h y d r o n a p h t h a l e n e ( h m t ) ，a n d t h e k e y o ft h e s y n t h e s i so nt o n a l i d ei sh o w t os y n t h e s i z et h eh m t i tw a ss t u d i e do nh o wt os y n t h e s i z et o n a l i d ea n dt h r e er o u t e st os y n t h e s i z et h e h m tw e r em a i n l ys t u d i e di n t h i sp a p e r o n ew a sf r o mp , a - d i m e t h y l s t y r e n ea n d 3 , 3 一d i m e t h y l - b u t a n 2 - o lb yt h ec a t a l y s i so fc o n c e n t r a t es u l f u r i ca c i d ，a n dt h ey i e l d e f f e c t so fh m ts u c ha st e m p e r a t u r e ，s t i r i n gs p e e d ，m a t e r i a lr a t i o ，r e a c t i o nt i m ew e r e s t u d i e d t h er e a c t i o nc o n d i t i o nw a s o p t i m i z e d s e c o n d w a sf r o m d i m e t h y l - p - t o l y c a r b i n a l c h l o r i d ea n dt h em i x t u r eo f 3 , 3 - d i m e t h y l - 1 一b u t e n e ， 2 , 3 一d i m e t h y l - 1 - b u t e n ea n d2 ，3 - d i m e t h y l - 2 - b u t e n eb yt h ec a t a l y s i so fa i c l 3 ，a n dt h e m e c h a n i s m so fr e a c t i o no fs y n t h e s i z i n gh m tf r o md i m e t h y l p - - t o l y c a r b i n a lc h l o r i d e a n dt h et h r e ea l k e n e sw e r ed i s c u s s e d w h i l e p r e p a r i n g t h eh m tf r o m d i m e t h y l - p - - t o l y c a r b i n a lc h l o r i d ea n dt h em i x t u r eo f t h et h r e ea l k e n e sb yt h ec a t a l y s i s o f a i c l 3 ，t h ey i e l dr e a c h e d6 5 an e wr o u t ew h i c hw a st h et h i r dr o u t ew a sa l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t h ey i e l do f h m tw a su pt o7 0 f r o md i m e t h y l - p - t o l y c a r b i n a lc h l o r i d ea n d2 , 3 一d i m e t h y l - 2 - b u t e n ec a t a l y z e db ya 1 c 1 3 t h em e r i to ft h en e wr o u t et os y n t h e s i z eh m ti st h a tt h em a t e r i a lo ft h er e a c t i o n a r ce a s i l yg a i n e da n di ta l s oh a sm i l dc o n d i t i o n ，g o o ds e l e c t i v i t ya n dh i g hy i e l d ， m e a n w h i l e ，t h eh y d r o g e nc h l o r i d ei nt h er e a c t i o nc a nb er e c y c l e d s oi th a sag o o d v a l u eb o t hi nm a r k e ta n de n v i r o n m e n t ，a n di ta l s oh a saw i d ep r o s p e c tt ot h et o n a l i d e s i n d u s t r i a l i z a t i o ni no u r c o u n t r y k e yw o r d s ：f l a v o rt o n a l i d eh m t b a l a n c ei na l k e n e s f r i d e l c r a f t s r e a c t i o n 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 。，规村巧 签字日期：2 卿多年台月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j o 忍力巧 签字日期：2 0n 3 年6 月日 导师签名：岳坎 签字日瓤如) $ 年6 月2 日 第一章前言 1 1 引言 第一章前言 香料是一种能散发香味的一种令人觉得愉快的物质，是香精中最重要的组成 部分。各种不同香料的调和丰富了人们的嗅觉世界。如今，香料香精行业已经成 为了国家的一个重要行业，在卷烟，酒类，饮料，化妆品，香水等工业都离不开 香料的参与，它和人们的衣食住行密切相关，不可或缺。 1 2 香料发展的历史 1 2 1 古代香料的发展 香料的历史发展悠久，最早使用香料的国家有中国，印度，埃及，希腊，波 斯等国家【l 】。有历史记载，在中国五千多年前的皇帝时代，就从植物中发现了当 初所认为的香料。由此，人们对所遇到的香气很感兴趣，不断感受着闻到香气的 愉悦。上古时代，有人发现某些具有香味的植物的功效非常特别，即有些带香味 的植物不但有非常好的气味，而且还有治病，驱虫的作用，如具有天然香味的樟 树，榆树等。后来发现了有些植物的根，叶等在食品调味、装饰等方面也有不错 的效果，于是在饮食，美容等方面开始了最初的应用。由于有些天然植物具有较 强的杀菌能力，在不断的改造这个世界，发现世界的同时，人们也逐渐学会了用 这些植物来驱虫治病。在夏商周三代，在宫廷就开始使用香粉胭脂1 2 j 。春秋战国 时期以后，在民间也出现了胭脂的使用记录。 大约在8 1 0 世纪，人们已经知道用蒸馏法分离香料了。在1 3 世纪人们第一 次从精油里分离出萜烯类化合物。1 3 7 0 年最古老的香水即“匈牙利水问世， 这也是用乙醇提取芳香物质的最早尝试。开始时，可能只是从迷迭香一个品种蒸 馏所制得，其后则含有薰衣草和甘牛至等。这时的调香比以前原始的用纯粹的天 然香料植物来调香前进了一大步，已有辛香、花香、果香、木香等精油和其他香 料植物精油、香膏等供调香者使用，香气或香韵也渐趋复杂。到1 5 世纪，香料 的使用成为许多国家统治阶级奢华的象征。1 6 7 0 年，马里谢尔都蒙创造成含香 的粉，叫“l ap o u d r eal am a r e c h a l e ”闻名有两个世纪之久。这也视为一种新的 香精配方的典范。十七世纪中发现了不但使用了天然植物精油于调香，而且还应 第一章前言 用了天然动物香料，1 7 0 8 年伦敦调香师查尔斯李利制成了一种含香的鼻烟，它 含有“龙涎、橙花、麝香、灵猫香和紫罗兰”综合性的香气。 在十八世纪以前，调香师们所能得到的只是大自然所提供的天然动植物香 料。仅仅是依靠大自然现有资源状况并不能完全改变，因此，这个阶段的调香有 人称之为自然派的调香。 1 2 2 近代香料的发展 十九世纪以后，随着化学工业的发展，合成香料成了香料的发展的主流。合 成出了许多前所未见的化合物，许多新的香料不断的被合成出来，最早制造合成 香料是在1 8 3 4 年，人工合成了硝基苯。不久人们发现了冬青油的主要成分是水 杨酸甲酯，苦杏仁油的成分是苯甲醛，1 8 9 3 年合成了紫罗兰的香气成分紫罗兰 酮【3 】，还有其他很多香料相继问世。 近代香料对于早期的香料发展更进了一步，运用了现代有机化学理论和人们 传统的经验相结合，使香料的发展达到了空前，合成香料的问世，打破了人类使 用香料原先只是靠天然香料的历史，对于香料行业乃至于化学科学都有一个促进 作用。但是由于技术条件和经济发展的限制，近代合成香料的发展也只是局限于 个人科学家或者个别香料公司的研究，并没有形成一个产业的规模。因此，近代 香料的发展还是有一定的局限性。 1 2 3 现代香料的发展 现代香料工业体系包括天然香料工业，合成香料工业，还有香精工业三个部 分【4 j 。随着化学工业的不断进步，香料工业得到了空前的发展，现代香料于是形 成了一定的规模。 现代香料行业主要有两种制香方法，一是运用现代工业技术从天然植物中提 取，所得的香料即天然香料；二是运用现代合成化学理论，合成一系列的非常有 用的香料即合成香料。根据调香师的经验，将现有的不同的几种或者几十种甚至 上百种的天然香料、合成香料按照不同的配比，调和成不同的具有独特香味的香 料混合物，于是形成了香精工业。 随着现代分析技术的迅速发展，色谱、质谱、核磁共振谱、红外和紫外分光 光度计在有机分析中的应用，人们对香料成分研究进展大大加快了，并发现了更 多的具有很高应用价值的新型香料化合物。1 9 6 7 年以前已知天然香料所含化学 成分只有7 5 0 种左右，而到了1 9 7 7 年已经达到3 0 0 0 种，1 0 年时间增加了4 倍。 香料的化学成分、分子结构与香气的关系有着比较非常微妙的关系【5 】，分析技术 的发展，为制造新型香料化合物以及调香提供了依据。 2 第一章前言 1 3 香料的分类 香料有多种名称和分类定名原则【6 】，最简单的香料分类方法是将香料分为天 然香料和合成香料两部分组成。天然香料由动物性香料和植物性香料组成。而合 成香料又有多种分类方法。 1 3 1 天然香料 1 311 动物性天然香料 动物性香料是动物的分泌物或排泄物。动物性天然香料有十几种，能够形成 商品和经常应用的只有麝香、灵猫香、海狸香、龙涎香，和麝香鼠香5 种。 其中麝香是雄性麝鹿的生殖腺分泌物。传统的方法是杀麝取香，切取香囊经 干燥而得，但是这种方法对野生动物的破坏程度是非常大的。现代的科学方法是 活麝刮香，并不杀害麝鹿，因此这对保护野生资源具有重要意义。天然麝香的主 要成分是麝香酮，现在有多种合成方法合成之【7 】。灵猫香是大灵猫或小灵猫的位 于肛门及生殖器之间囊状分泌腺分泌的黏稠物质传统的采集方法与麝香取香类 似【8 】。现代方法是饲养灵猫，采取活猫定期刮香的方法。灵猫香主要用作高档香 水中的定香剂。 海狸香、龙涎香以及麝香鼠香的来源以及取香方法等均和麝香类似，它们均 是很好的定香剂，广泛应用在香水或高级化妆品中。 l 3 1 2 植物性天然香料 植物性天然香料是以芳香植物的花、枝、叶、草、根、皮、茎、籽或果等为 原料，用水蒸气蒸馏法、浸提法、压榨法、吸收法等方法，生产出来的精油、浸 膏、酊剂等。例如玫瑰油、荣莉浸膏等。由于植物性天然香料的主要成分都是具 有挥发性和芳香性气味的油状物，它们是植物香气的精华，因此，植物性的天然 香料也称为精油。 植物性天然香料均是数十种至数百种有机化合物的混合物，随着有机分析技 术的进步，从天然香料中分离出来的有机化合物已经达到5 0 0 0 多种，分子结构 种类及其复杂，大体上可以分为如下4 类：萜类化合物、芳香族化合物、脂肪族 化合物、含氮化合物和含硫化合物。 第一章前言 1 3 2 合成香料 从天然精油中分离出来的单离香料即单一组分的香料，绝大多数可用有机合 成的方法合成出来。单离香料与合成香料，除了由于来源不同导致的不稳定同位 素含量不同外，其香味特征和应用并无本质的区别。 通过化学合成的方法制取的香料称为合成香料。目前世界上有5 0 0 0 多种合 成香料，常用的产品有3 0 0 0 多种。 合成香料的分类方法主要有3 种：一种是按官能团分类，二是按碳原子骨架 分类，三是按香味类型分类。 1 3 2 1 按官能团分类 按官能团分类，合成香料可分为烃类香料，醇类香料，酚类香料，醚类香料， 醛类香料，酮类香料，缩羰基类香料，酸类香料，酯类香料，内酯类香料，腈类 香料，硫醇类香料，硫醚类香料等多种。 1 3 2 2 按碳原子骨架分类 按碳原子骨架分类，合成香料大体的可分为萜烯类，芳香族类，脂肪族类， 含氮、含硫、杂环和稠环类，合成麝香类。 1 3 2 3 按香昧类型分类 按香味类型分类，合成香料可分为花香型、果香型、香草香型、奶香型、葱 蒜香型、烟草香型等香料。 以合成麝香为例说明，合成麝香香气纯正、浓郁、留香持久，是香料家族中 的佼佼者。麝香香气具有重要的价值。麝香的天然产品可以从麝鹿、麝香鼠等动 物分泌物中得到，也可以从黄葵、当归等植物中提取。但由于价格昂贵，来源有 限，远不能满足人们对麝香的需求。随着分离、分析和有机合成技术的不断进步， 从天然麝香中不断的单离出有效的发香成分，鉴定其化学结构，并将它们合成出 来。另一方面，在研究中又发现了许多天然麝香中并不存在，但具有麝香香气的 化合物。于是，合成香料中最重要的成员之一的合成麝香类香料问世了。目前， 世界上商品化的合成麝香主要有硝基麝香、多环麝香、大环麝香三类。典型的多 环麝香有如下几个【9 j ： 4 第一章前言 o 佳乐麝香 吐纳麝香粉檀麝香 1 4 合成麝香之一吐纳麝香的研究进展 1 4 1 吐纳麝香概述 吐纳麝香是具有强烈的麝香香气和粉香香气的一种合成香料。广泛应用于高 档香水香精、化妆品香精、皂用香精配方中，它在香皂香精中的出现率在合成香 料中位居1 4 位，在合成麝香中位居首位。尤其是在万山麝香及硝基麝香因毒性 问题被禁用后，调香业对吐纳麝香的需求量迅速增长。吐纳麝香在1 9 9 0 年时已 经达到1 5 0 0 t ，产量仅次于佳乐麝香。 1 4 2 吐纳麝香的性质 吐纳麝香是美国p o l a k sf r a t a l 公司首次推出的高级人工合成麝香。本品为合 成麝香之最，性能优于佳乐麝香。 吐纳麝香( t o n a l i d e ) ，分子式为c 1 8 h 2 6 0 ，化学名称为：7 乙酰基1 ，1 ，3 ，4 ，4 ，6 六甲基1 ，2 ，3 ，4 四氢化萘。 吐纳麝香的结构为： 外观为白色固体晶体，熔点5 6 5 7 c ，沸点1 4 2 1 4 3 。c 4 0 0 p a 1 0 】，具有非常 良好的麝香香气。 1 4 3 吐纳麝香的合成进展 自从吐纳麝香被化学家合成出来，并发现其独特的香味之后，化学家们就开 始了合成吐纳麝香的研究，通过不懈的努力，提出了多种合成方法，大体分为两 第一章前言 大类的合成途径：一是以伞花烃为原料，分别和六碳的烯烃或者醇反应先合成中 间体h m t ，然后乙酰化得到吐纳麝香；二是以伞花烯为原料，分别和六碳的烯 烃或者醇反应先合成中间体h m t ，然后乙酰化得到吐纳麝香。 1 4 3 1 以伞花烃为原料，合成吐纳麝香 伞花烃是一种由甲苯经由异丙苯法制得，原料易得，因此采用伞花烃为最初 原料，来合成吐纳麝香，是科学家们选择的一类常用的方法。主要有如下几种： 1 与2 ，3 二甲基2 丁醇的反应【1 1 】 反应式如下： 6 + 义 c h 3 c o c i - - - - - - - - - - - - a 1 c 1 3 + 该反应以伞花烃和2 ，3 二甲基2 丁醇为原料，浓硫酸为催化剂下，反应先生 成中间体h m t ，之后在路易斯酸三氯化铝的催化下，和乙酰氯反应生成乙酰化 h m t 。在生成中间体h m t 的反应中，由于是用浓硫酸做催化剂，2 ，3 二甲基2 丁醇在酸中脱水，生成烯烃，然后和伞花烃反应时，会定量的生成一半的2 ，3 二甲基丁烷，因此有效参加反应的醇只有一半，按照文献产率5 0 计算，反应实 际的收率只有2 5 左右。而且以浓硫酸作为催化剂，损耗和环境问题都是值得深 思。 2 与3 ，3 二甲基1 丁烯的反应 我国香料研究学者陈煦研究出了一种合成吐纳麝香的方、法【1 2 】，反应式如下： 6 第一章前言 + a 1 c 1 3 c h 3 c o c i f e c l 3 该反应是以伞花烃和3 ，3 二甲基1 丁烯为原料，三氯化铝作为催化剂，二氯 甲烷为溶剂，先生成中间体h m t ，该反应在选择原料和催化剂方面相对于原先 传统的合成h m t 方法上，有了新的突破，直接用3 ，3 二甲基1 丁烯( 醇的脱水 产物) 作为醇的替代物，避免了用浓硫酸做催化剂进行脱水的步骤，可以非常方 便的使用催化量的三氯化铝作为付氏烷基化反应的催化剂反应生成h m t , 但是在 该反应中，3 ，3 - 二甲基1 丁烯在反应中，有效参加反应的量依旧只有一半，其余 的一半转化成了2 ，3 一二甲基丁烷，以气体的形式释放出去。按照文献的8 0 产 率计算，其实际的收率也只有3 0 左右，主要原因可能是：在三氯化铝的作用下， 有一分子的3 ，3 二甲基1 丁烯生成了一个正离子来吸取伞花烃异丙基位的氢来 生成伞花烃正离子以利于反应，导致反应中，要多消耗1 倍的3 ，3 二甲基1 丁烯， 如此算来，产率只有3 0 左右。 该条路线的问题便是原料利用率不高，如何提高生成h m t 反应的原料利用 率成了所有研究吐纳麝香的工作者所要研究的课题。 3 与3 ，3 二甲基1 丁烯在有叔丁基氯存在下的反应 1 3 , 1 4 】 该方法是上世纪七十年代t h o m a s 等人发明的一种新的方法，该法是以对异 丙基甲苯和3 ，3 二甲基1 丁烯为原料，并加入叔丁基氯作为对异丙基甲苯的吸氢 剂，使用三氯化铝作为催化剂在二氯乙烷溶剂里进行付氏烷基化反应，生成中间 体h m t ，继而在三氯化铝的二氯乙烷溶液中用乙酰氯进行乙酰化便得到吐纳麝 香。 反应式如下： 7 第一章前言 + ，j 手a 旦 c h 3 c o c l a i c l 3 l 卜+ h c ! ， 该条路线第一步的反应中，引入了叔丁基氯，作为伞花烃的吸氢剂，使得伞 花烃能够顺利的生成伞花烃正离子，在和叔丁基乙烯反应的时候更容易进行，由 于反应过程中，叔丁基氯吸氢后转化成异丁烯和氯化氢都以气体的形式跑出后， 使得反应很顺利的朝着六甲基萘满方向进行，整个反应副产物少，转化率高，选 择性好，质量收率按3 ，3 二甲基1 丁烯计算，最高能达到1 6 0 ，折算成m o l 收 率，达到6 2 。基本上是现代合成吐纳麝香的主要的合成路线。因此，该条路线 的提出，对于吐纳麝香的合成产生了一个质的飞跃，并且对于其他类似香料的合 成也提供良好的参考。 如此反应的有点是：伞花烃和烯烃反应的产率较高，原料的利用率也很高。 然而唯一不足之处在于：在反应中引入的叔丁基氯，对于反应来说，多了一种原 料，因此，对于该物质的加入，从成本核算来看，也是一个不小的投入。 4 与2 , 3 二甲基1 丁烯在有叔丁基氯存在下的反应 1 4 , 1 5 , 1 6 在上世纪7 0 年代初，叔丁基氯参与的以伞花烃、3 ，3 二甲基1 丁烯为原料 生成吐纳麝香中间体h m t 的反应被发现后，几年的时间，日本的科学家迅速的 开发了另外一条合成路线，即用烯烃3 ，3 二甲基1 丁烯的异构体2 , 3 二甲基1 丁烯为原料，和伞花烃在三氯化铝的催化下，加入叔丁基氯作为吸氢剂反应，先 生成伞花烃正离子，然后和烯烃加成，同样能生成吐纳麝香中间体六甲基萘满， 并得到较高的产率。 反应式如下： 第一章前言 + l + 卜c 1 c h 3 c o c i - - - - - - - - - - - - - - - - a i c l 3 一+ h c - 该反应的特点和伞花烃与3 ，3 二甲基1 丁烯在有叔丁基氯存在下的反应类 似，亦是原料的成本核算问题。 1 4 3 2 以伞花烯为原料，合成吐纳麝香 1 与2 ，3 二甲基2 丁醇的反应 上世纪六十年代，由美国p o l a r k 香料公司发明了一种简单的合成吐纳麝香的 方法1 1 7 1 ，并迅速申请了专利，反应式如下： + h 2 s 0 4 卜 c h 3 c o o h c h l c o c l - - - - 卜 a i c l 3 该反应先以浓硫酸和冰醋酸的混合物为付氏烷基化反应的催化剂，伞花烯和 2 ，3 一二甲基2 丁醇为原料生成了中间体六甲基萘满( h m t ) ，之后再在三氯化铝 的催化下和乙酰氯反应生成吐纳麝香，其第一步生成中间体h m t 的产率相对较 低，约1 5 左右，反应的副产物占一半以上的量，主要的副产物为伞花烯在浓硫 酸中自身进行付氏烷基化反应产生的二聚体，原料损耗非常大，利用率很低，同 时，混酸催化剂的有效回收也具有一定的困难，因此该反应存在一定的局限性。 2 与3 ，3 二甲基2 丁醇的反应 同时，p o l a k 香料公司还尝试了以伞花烯烃和3 ，3 一二甲基2 丁醇为原料，在 浓硫酸和冰醋酸混酸的催化下先生成中间体h m t ，然后乙酰化生成吐纳麝犁1 。7 1 。 具体反应式如下： 9 第一章前言 + h 2 s 0 4 c h 3 c o o h 里旦3 q g a i c l 3 其第一步生成中间体h m t 的产率亦相对较低，约1 5 左右，反应的副产物 亦占一半以上，主要的副产物为伞花烯在浓硫酸中自身进行付氏烷基化反应产生 的二聚体，原料损耗非常大，利用率很低，同时，混酸催化剂亦不能进行有效回 收利用，对于环境的破坏也非常大，因此该反应也存在局限性。 3 与3 ，3 - 二甲基1 丁烯的反应 1 9 6 6 年，t h o m a s 发现了另外一种合成吐纳麝香的方澍捧】。 该方法是以伞花烯和3 ，3 二甲基1 丁烯为原料，先把伞花烯通入干燥的氯化 氢气体，使伞花烯和氯化氢加成生成2 氯2 对甲苯基丙烷，然后将2 氯2 对甲 苯基丙烷和3 ，3 二甲基1 丁烯混合，在三氯化铝的催化下，生成了其中间体 h m t ，然后乙酰化得到吐纳麝香。 反应式如下： 一史 + 一旦 a i c l 3 c h 3 c o c l 叫- - o 该反应的优点便在于： f 1 反应避免了之前用伞花烯做原料时和2 ，3 二甲基2 丁醇或者3 ，3 二甲基 2 丁醇反应中产生大量的伞花烯自身二聚的产物； b 反应中，未加入另外一种吸氢剂，如上述伞花烃反应中加入的叔丁基氯， 因此，在成本方面，有一定的优势； l o 史史 第一章前言 c 在反应中，所用的氯化氢在工业上通过工艺的优化，可以回收利用，更 加节省成本。 反应收率相对于用伞花烃的方法，有所提高，生成h m t 的收率文献值达到 5 2 。 4 与2 ，3 。二甲基1 丁烯的反应【1 9 】 六十年代后期，s a m u e l 等人发现了用伞花烯和2 , 3 - - - - - - 甲基1 丁烯或者2 ， 3 二甲基2 丁烯为原料，在浓硫酸催化下，生成六甲基萘满，然后乙酰化生成吐 纳麝香。 反应式如下： 9 + h 墨 a c h l c o c l - - - - - 二- - - - - - - - i - a i c l 3 在生成中间体的时候，直接用2 ，3 二甲基1 丁烯或者2 ，3 二甲基2 丁烯作为 使用的原料，用浓硫酸做催化剂，避免了醇的脱水而导致的硫酸浓度的改变，因 此硫酸可以回收再利用。但是该反应依然存在一个弊端，就是，在浓硫酸催化下， 伞花烯避免不了自身进行的二聚反应。而事实上，该反应在收率上并没有突破性 的改变。因此，该反应目前只是在学术上进行讨论，并没有进行工业化的应用。 1 4 4 吐纳麝香生产现状 如今，国外生产吐纳麝香的公司基本上都是采用上述方法【1 3 ，1 4 】：即伞花烃和 3 ，3 二甲基1 丁烯在有叔丁基氯的存在下由三氯化铝作催化剂的反应，工艺简 单易行，而且在原料利用率方面，相对其他方法来讲，更为高一些。 上世纪九十年代，国际上吐纳麝香的年产量已经达到1 5 0 0 吨。产量仅次于 佳乐麝香而位居第二。国外有人预测，若干年后它的产量很可能超过佳乐麝香而 位居第一。 第一章前言 1 5 本课题研究内容及意义 吐纳麝香是合成麝香的一种，香韵独特，留香持久，是现代高档香水、化妆 品中不可缺少的一种调香香料。然而国内到目前为止，还没有一家公司专业生产 吐纳麝香，而所用吐纳麝香基本上都是靠国外进口，成本方面一直居高不下。因 此在如此背景下，需要探索一种较为简单、易行、成本低、收率高的一种合成方 法来满足国内吐纳麝香巨大的需求量。 本论文以伞花烯和3 ，3 一二甲基2 丁醇或者其脱水产物3 ，3 二甲基1 丁烯为 原料。工业上伞花烯有两种获得途径，一是对甲苯酚工业中用对异丙甲苯法合成 对甲苯酚的一个的副产物【2 0 1 ，原料易得；另外一种途径就是从松节油中的仅蒎烯 转化获得。松节油中含有两种主要的成分，q 蒎烯和1 3 蒎烯，两者含量之比大约 2 ：l ，其中的d 蒎烯是合成香料香叶基丙酮的一种原料【2 1 1 ，而大量的a 蒎烯通常 却被作为一种燃料使用，因此，为了使a 蒎烯能够产生更大的作用，可以通过催 化异构化的方法合成出的伞花烃，然后经脱氢转化而得伞花烯【2 2 1 。第二种原料 3 ，3 二甲基2 一丁醇，在实验室可以通过频哪酮的还原而得，获得的途径简单，另 外3 ，3 二甲基2 丁醇的脱水产物3 ，3 二甲基1 丁烯可以直接购得，在工业上不需 要经过醇的脱水反应而得到，这样使工业生产大大降低了成本，而且可以提高生 产的效率。 本课题以通过对文献【l 7 】实验条件的优化，提出更为合理的反应条件，以期获 得更高的反应收率。因此，为了使原料能得到充分的利用，需要寻找另外一条新 的合成路线，以获得更高的反应收率为目标。为此，综合众多的合成h m t 路线 的文献报道，提出了另外一条合成h m t 的路线，即以伞花烯和3 ，3 二甲基1 丁 烯原料，伞花烯经氯化氢加成再和3 ，3 二甲基1 丁烯在三氯化铝的催化下生成 h m t ，由于在生成h m t 的过程中，并未加入其他的反应物，而且所用氯化氢可 以循环使用，因此，目标为获得更高的收率。这对于吐纳麝香国内的工业化，具 有十分重要的意义。 1 2 第二章实验部分 2 1 仪器与药品 第二章实验部分 4 0 0 m h z 核磁共振仪；5 0 0 m h z 核磁共振仪；t r a c e d s q 气质连用仪。熔 点仪，m p 5 0 0 型； 伞花烯和频哪酮均由欧劳福林( 天津) 香料有限公司提供，纯度为化学纯； 其余所用试剂均为分析纯。 2 2 硫酸催化伞花烯和3 ，3 二甲基2 丁醇合成h m t 2 2 1 3 ，3 二甲基一2 丁醇的制备【2 3 】 反应式如下： o o h 在装有机械搅拌、恒压滴液漏斗、回流冷凝管的1 0 0 0 m l 四口烧瓶中置入 5 0 0 9 无水异丙醇和1 6 9 ( o 5 m 0 1 ) 研细的硼氢化钠，搅拌，加热至缓慢回流，直 至硼氢化钠部分溶解至半透明，冷却至6 0 。滴加1 3 0 m l ( 1 m 0 1 ) 频哪酮，维 持6 0 不变，滴完后保温3 5 h 。整个烧瓶呈乳白色絮状沉淀，缓慢滴加1 0 的 盐酸，中和至p h = 7 ，抽滤，滤饼用少量异丙醇冲洗，合并到滤液中。 将所得滤液转移入1 0 0 0 m l 三口烧瓶中进行精馏。( 精馏设备规格如下：填 料柱高6 0 c m ，直径4 c m ，填料为直径4 m m 的金属丝网填料。) 精馏时，全回流 2 h ，控制回流速度大约2 滴s ，待精馏柱项温达到8 2 时，控制回流采出比为2 ： 1 ，蒸出大量溶剂异丙醇后，待顶温达到8 5 ，将回流比变为6 ：1 ，直到顶温升 至1 1 7 之后，将回流比调回3 ：l ，收集7 1 2 0 馏分。得8 3 93 , 3 二甲基2 丁醇，g c 纯度 9 9 5 ，收率8 2 。 贵 第二章实验部分 2 2 2h m t 的合成【1 7 】 反应式如下： + o h h 2 s 0 4 - - - 分别以硫酸浓度，溶剂，温度，物料配比，搅拌速度，反应时间等参数作为 研究对象，进行合成h m t ，产物结构由核磁共振仪检测，谱图见图3 2 。 2 2 2 1 不同硫酸浓度下的反应 在装有温度计、机械搅拌、恒压滴液漏斗的1 0 0 m l 四口烧瓶中，加入3 0 m l 的一定浓度的硫酸，以5 0 0 r m i n 的速度搅拌。加热至5 5 ，在2 h 内滴完l o 2 93 ，3 一 二甲基2 丁醇和1 3 2 9 伞花烯以及2 0 m l 环己烷的溶液，继续恒温搅拌1 h 。 反应完成后，分出下层硫酸，上层有机相用1 5 m l 饱和食盐水洗涤2 次，然 后在常温下滴加5 的n a o h 溶液直至体系变成中性，再用等体积的饱和食盐水 洗涤1 次，分液，有机层用无水氯化钙干燥。过滤，常压蒸馏蒸去低沸点物质， 剩余物进行减压蒸馏，收集7 0 8 5 * ( 2 4 0 p a 馏分。不同的硫酸的浓度对反应的影 响见3 1 2 1 。 2 2 2 2 不同搅拌速度下的反应 在装有温度计、机械搅拌、恒压滴液漏斗的1 0 0 m l 四口烧瓶中，加入3 0 m l 的7 0 的硫酸，以一定的速度搅拌。加热至5 5 ，在2 h 内滴完1 0 2 93 ，3 一二甲 基2 丁醇和1 3 2 9 伞花烯以及2 0 m l 环己烷的溶液，继续恒温搅拌1 h 。 反应完成后，分出下层硫酸，上层有机相用1 5 m l 饱和食盐水洗涤2 次，然 后在常温下滴加5 的n a o h 溶液直至体系变成中性，再用等体积的饱和食盐水 洗涤1 次，分液，有机层用无水氯化钙干燥。过滤，常压蒸馏蒸去低沸点物质， 剩余物进行减压蒸馏j 收集7 0 8 5 。c 4 0 p a 馏分。不同的搅拌速度对反应的影响 见3 1 2 2 。 1 4 第二章实验部分 2 2 2 3 不同反应温度下的反应 在装有温度计、机械搅拌、恒压滴液漏斗的1 0 0 m l 四口烧瓶中，加入3 0 m l 的7 0 的硫酸，5 0 0 r m i n 的搅拌速度。控制反应瓶内一定的反应温度，在2 h 内滴 加1 0 2 93 , 3 一二甲基- 2 - 丁醇和1 3 2 9 伞花烯以及2 0 m l 环己烷的溶液，继续恒温 搅拌l h 。 反应完成后，分出下层硫酸，上层有机相用1 5 m l 饱和食盐水洗涤2 次，然 后在常温下滴加5 的n a o h 溶液直至体系变成中性，再用等体积的饱和食盐水 洗涤1 次，分液，有机层用无水氯化钙干燥。过滤，常压蒸馏蒸去低沸点物质， 剩余物进行减压蒸馏，收集7 0 8 5 1 2 4 0 p a 馏分。不同的反应温度对反应影响见 3 1 2 3 。 2 2 2 4 不同溶剂下的反应 在装有温度计、机械搅拌、恒压滴液漏斗的1 0 0 m l 四口烧瓶中，加入3 0 m l 的一定浓度的硫酸，以5 0 0 r m i n 的速度搅拌。加热至5 5 。c ，在2 h 内滴加1 0 2 93 ，3 二甲基2 丁醇和1 3 2 9 伞花烯以及2 0 m l 不同溶剂的溶液，继续恒温搅拌l h 。 反应完成后，分出下层硫酸，上层有机相用1 5 m l 饱和食盐水洗涤2 次，然 后在常温下滴加5 的n a o h 溶液直至体系变成中性，再用等体积的饱和食盐水 洗涤1 次，分液，有机层用无水氯化钙干燥。过滤，常压蒸馏蒸去低沸点物质， 剩余物进行减压蒸馏，收集7 0 8 5 4 0 p a 馏分。 溶剂的选择对反应的影响见3 1 2 4 。 2 2 2 5 不同物料配比下的反应 在装有温度计、机械搅拌、恒压滴液漏斗的1 0 0 m l 四口烧瓶中，加入3 0 m l 的一定浓度的硫酸，以5 0 0 r m i n 的速度搅拌。加热至5 5 ，在2 h 内滴加不同 物质的量的比例的3 ，3 二甲基2 丁醇和伞花烯以及2 0 m l 环己烷的溶液，继续恒 温搅拌l h 。 反应完成后，分出下层硫酸，上层有机相用1 5 m l 饱和食盐水洗涤2 次，然 后在常温下滴加5 的n a o h 溶液直至体系变成中性，再用等体积的饱和食盐水 洗涤1 次，分液，有机层用无水氯化钙干燥。过滤，常压蒸馏蒸去低沸点物质， 剩余物进行减压蒸馏，收集7 0 8 5 4 0 p a 馏分。 不同物料配比对反应的影响见3 1 2 5 。 第二章实验部分 2 2 2 6 不同时间下的反应 在装有温度计、机械搅拌、恒压滴液漏斗的1 0 0 m l 四口烧瓶中，加入3 0 m l 的一定浓度的硫酸，以5 0 0 r m i n 的速度搅拌。加热至5 5 ，在不同时间内滴加 1 0 2 93 ，3 - 二甲基一2 一丁醇和1 3 2 9 伞花烯以及2 0 m l 环己烷的混合物，继续恒温搅 拌l h 。 反应完成后，分出下层硫酸，上层有机相用1 5 m l 饱和食盐水洗涤2 次，：然 后在常温下滴加5 的n a o h 溶液直至体系变成中性，再用等体积的饱和食盐水 洗涤1 次，分液，有机层用无水氯化钙干燥。过滤，常压蒸馏蒸去低沸点物质， 剩余物进行减压蒸馏，收集7 0 8 5 4 0 p a 馏分。 不同的反应时间对反应的影响见3 1 2 6 。 2 3 三氯化铝催化2 氯2 对甲苯基丙烷和3 ，3 二甲基1 丁烯合成 h m 盯 2 3 12 一氯2 对甲苯基丙烷的制备 1 8 , 2 4 , 2 5 】 反应式如下： c l 步骤： 在装有导气管、干燥管的1 0 0 m l 三口烧瓶内，放入1 3 m l 伞花烯及4 0 m l1 ， 2 二氯乙烷，用冰盐浴使整个反应温度维持在1 0 以下，缓慢通入干燥的氯化 氢，使反应温度保持在一1 0 - 8 ，连续通入5 h ，继续搅拌1 h 。完毕，密闭，冷 藏，待用。 2 3 2 3 , 3 二甲基1 一丁烯的制备 3 ，3 - 二甲基1 丁烯有多种方法制备得之，其中有两类：一类是气相脱水法， 包括活性氧化铝气相脱水，分子筛气相脱水，氧化铝粉末气相脱水；二类是用化 学法制备，通过合成酯类化合物，然后高温裂解得之。 1 6 第二章实验部分 2 3 2 1 醇的气相脱水 2 321 1 活性氧化铝气相脱水 反应式如下： o h 活性a 1 2 0 3 - - - - - - - e a 恒压滴液漏斗b 管式炉c 反应管 d 一调压控温器e 冷阱接受装置 图2 - 13 ，3 _ - - i 甲基二丁醇气相脱水反应装置 f i g u r e2 - 1 t h ed e h y d r a t i o nu n i to f 3 3 d i m e t h y l b u t - 2 一o l 如图连接好反应装置【2 6 】，将新活化过的3 5 m m 的活性氧化铝装入长约 7 0 c m ，直径3 c m 的钢管内，放入管式炉内，加热，使管内温度达到2 7 0 - 3 0 0 c ， 保温l h ，然后缓慢往反应管内滴加3 0 m l3 , 3 二甲基2 丁醇，1 h 滴完。收集下 方低温冷阱内反应产物，分出水层，有机层用无水硫酸镁干燥。产物进行g c - m s 检测，结果见3 2 2 1 。 2 3 2 1 2 分子筛气相脱水 2 7 , 2 8 】 如图2 - 1 安装好装置，将刚活化过的3 - 5 m m 分子筛装入长约7 0 c m ，直径 第二章实验部分 3 c m 的钢管内，放入管式炉内，加热，使管内温度达到2 7 0 - 3 0 0 c ，保温1 h ，然 后缓慢往反应管内滴加3 0 m l3 ，3 二甲基2 丁醇，l h 滴完。收集下方低温冷阱 内反应产物，分出水层，有机层用无水硫酸镁干燥。产物进行g c m s 检测，结 果见3 2 2 。l 。 2 3 2 1 3 氧化铝粉末气相脱水 在装有维氏分馏柱，恒压滴液漏斗，3 6 0 温度计，金属机械搅拌器的2 5 0 k t l , 圆底烧瓶内放置约10 0 9 氧化铝粉末，开动机械搅拌，使恰好能不断的翻动烧瓶 内的氧化铝，用热包加热，使烧瓶内氧化铝的温度达到2 8 0 3 0 0 ，稳定2 0 分 钟，l h 内滴完3 0 m l3 ，3 二甲基2 丁醇。冷阱用冰盐做冷却剂，分出下层水层， 上层有机相用无水硫酸镁干燥。过滤，蒸馏，收集4 0 5 0 的产物。结果用用 g c m s 分析，结果见3 2 2 3 。 2 3 2 2 化学法制备3 ，3 二甲基1 丁烯 2 3 2 2 1 乙酸( 1 , 2 ，2 三甲基) 丙酯的制备 2 9 , 3 0 反应式如下： o 入c 步骤： 在装有恒压漏斗、球形冷凝管、干燥管的10 0 m l 四口圆底烧瓶内装入2 5 m l 吡啶，1 0 m l 乙醚以及1 3 m l3 , 3 二甲基2 丁醇的混合物，电磁搅拌，冰水浴控制 反应温度0 - 5 。c ，缓慢往烧瓶内滴加7 5 m l 乙酰氯，滴完后继续保温半小时，分 馏，收集1 1 0 1 2 0 。c 的馏分，用稀盐酸洗涤产品，除去少量的吡啶，直至中性， 用无水氯化钙干燥。收率 9 8 。结构由1 h - n m r 鉴定，谱图见图3 1 。 2 3 2 2 2 乙酸( 1 , 2 ，2 三甲基) 丙酯的裂解 3 1 , 3 2 , 3 3 】 反应式如下： 第二章实验部分 j 一夕下+ 嘣， 步骤： 如图2 1 安装好装置，将长约7 0 c m ，直径3 c m 的钢管内装满3 5 m m 大小的