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光学活性紫苏醇的合成及其选择性氧化研究 摘要 光学活性紫苏醇的合成及其选择性氧化研究是开发我国丰富的 松节油资源，利用松节油合成一系列精细化学品的一条重要途径。 以松节油中的主要成分6 蒎烯的环氧化合物2 ，1 0 一环氧蒎烷为原料 经催化重排合成紫苏醇，紫苏醇不仅可作为一种单体香料，还可作 为一种重要的有机反应中间体，用来合成一系列更有价值的香料化 合物。如紫苏醇选择氧化合成紫苏醛，紫苏醛肟化得到一种高甜 度、低热值、味质好、无毒副作用的新型食品添加剂紫苏葶等。 利用p 蒎烯的环氧化合物2 ，1 0 环氧蒎烷的开环重排合成紫苏醇 是文献报道过的最简易的方法。但该方法在工业生产中存在如紫苏 醇产率低、反应过程中原料的聚合量大、产物不易分离等缺点。本 文系统研究了2 ，l0 环氧蒎烷液相催化重排的反应规律，对合成紫苏 醇的工艺进行了薪的探索；同时对紫苏醇在活性m n 0 2 、c r 0 3 s i 0 2 载体试剂和重铬酸钠三种氧化剂的作用下迸一步选择氧化合成紫苏 醛进行了探索性研究，获得了一些有应用价值的结果。 1 研究了2 ，l o 环氧蒎烷液相重排的反应规律和产物分布，考察 了反应温度、反应时同、溶剂用量、溶剂、溶剂中鹃含水量等对重 排反应的影响。结果表明：在酸催化剂存在下，强极性非质子溶剂 中，2 ，1 0 一环氧蒎烷于3 5 3 3 6 3k 可定向重排生成紫苏醇。一定条件下 反应，2 ，1 0 一环氧蒎烷的转化率为9 8 9 ，紫苏醇产率为4 3 8 ，原料 的聚合量为3 9 6 ； 2 以固定床反应工艺代替传统的搅拌釜式反应，考察了空速、 反应温度、溶剂用量对重排反应的影响。结果表明：固定床反应合 成紫苏醇在降低2 ，1 0 环氧蒎烷聚合量、提高紫苏醇的产率、简化产 物分离等方面比传统的间歇搅拌釜式反应器优越。当反应温度为3 5 3 k ，空速为1 5 h ，溶剂用量与2 ，1 0 环氧蒎烷体积比为8 ：1 时，2 ，1 0 环氧蒎烷的转化率达到9 1 2 ，紫苏醇产率为6 9 ，9 ，原料的聚合量 接近于0 ； 3 研究了活性m n 0 2 、c r 0 3 s i 0 2 载体氧化试剂和重铬酸钠液相 选择性氧化紫苏醇台成紫苏醛的反应。结果表明：活性m n o ：可以选 择性氧化紫苏醇生成紫苏醛，以乙酸乙酯作溶剂，氧化反应温度控 制在3 2 8k 溶剂回流温度之间，紫苏醇与氧化剂的质量比为1 ：4 ，搅 拌反应4h ，紫苏醇转化率可以达到9 9 7 ，紫苏醛产率达7 0 以 上；用干混法制备的c r 0 3 s i 0 2 载体试剂是紫苏醇液相选择性氧化合 成紫苏醛的高效氧化剂，以二氯甲烷作溶剂，c r 0 3 s i 0 2 载体氧化剂 的负载量为2m m o l g ，氧化剂与紫苏醇的摩尔比为2 5 ：1 ，室温下搅 拌反应9 0m i n ，紫苏醇转化率达到9 5 o ，紫苏醛产率为5 7 9 ；用 n a 2 c r 2 0 ，作氧化剂，采取边反应边蒸馏的实验工艺，通过三水平三 因素l 。( 3 3 ) 的正交试验，优化条件下反应，紫苏醛的产率达到 4 0 0 。 关键词：2 ，1 0 环氧蒎烷，固定床，催化重排，紫苏醇，紫苏醛， 选择氧化 l l s y n t h e s i s a n ds e l e c t i v eo x i d a t i o no f o p t i c a lp e r i l l y la l c o h o l a b s t r a c t s t u d i e so n s y n t h e s i s a n ds e l e c t i v eo x i d a t i o no fo p t i c a l p e r i l l y l a l c o h o la r ea ni m p o r t a n tp r o c e d u r et od e v e l o pa b u n d a n tt u r p e n t i n eo i lo f o u rc o u n t r ya n dt os y n t h e s i z eas e r i e so ff i n ec h e m i c a l s p e r i l l y la l c o h o li s o b t a i n e df r o mr e a r r a n g e m e n to f2 ，10 - e p o x y p i n a n e ，w h i c hi sp r e p a r e db y e p o x i d a t i o no f1 3 - p i n e n e b p i n e n e i sac r u c i a lc o m p o n e n to ft u r p e n t i n e o i l p e r i l l y la l c o h o lc a n b eu s e dn o t o n l ya s ak i n do ff l a v o rb u ta l s oa sa n i m p o r t a n to r g a n i c i n t e r m e d i a t et o p r o d u c eas e r i e s o fm o r ei m p o r t a n t f l a v o r sa n dp e r f u m e s f o re x a m p l e ，p e r i l l y la l d e h y d ec a nb ep r e p a r e db y s e l e c t i v eo x i d a t i o no fp e r i l l y l a l c o h o l ，a n dp e r i l l a t i n e ，o b t a i n e d f r o m o x i d a t i o no f p e r i l l y la l d e h y d e ，i s as o r to fn e wf o o da d d i t i v ew i t h p r o p e r t i e so fh i g hs w e e t n e s s ，l o wc a l o r i c i t y ，g o o d f l a v o ra n dw i t h o u tt o x i n e t c s y n t h e s i so fp e r i l l y la l c o h o lb yr e a r r a n g e m e n to f b - p i n e n ee p o x i d e i s t h es i m p l e s tm e t h o dr e p o r t e db yl i t e r a t u r ef r o m19 7 0t o2 0 0 2 b u tt h e r e a r es o m es h o r t c o m i n g si ni n d u s t r yp r o d u c t i o ns u c ha sl o w y i e l do fp e r i l l y l a l c o h o l ，h i g hd e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o n ，t e d i o u ss e p a r a t i o no fp r o d u c t s a n d s oo n i nt h i s t h e s i s ，r e a r r a n g e m e n tr e a c t i o n o f2 ，10 一e p o x y p i n a n ea n d s e l e c t i v eo x i d a t i o no fp e r i l l y la l c o h o la r e i n v e s t i g a t e d s o m ev a l u a b l e r e s u l t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 t h er e a c t i o na n dt h ep r o d u c td i s t r i b u t i o no f l i q u i di s o m e r i z a t i o n o f2 1 0 一e p o x y p i n a n e a r es t u d i e d e f f e c t so fr e a c t i o nc o n d i t i o n so n i s o m e r i z a t i o na r ei n v e s t i g a t e d i ti sd i s c o v e r e dt h a ti s o m e r i z a t i o no f 2 ，10 一 e p o x y p i n a n ep r o d u c em a i n l yp e r i l l y la l c o h o li n3 5 3 3 6 3k c a t a l y z e db y a c i dc a t a l y s t si ns t r o n g l yp o l a rp r o t o n i cs o l v e n t p e r i l l y la l c o h o lc a nb e o b t a i n e dw i t h4 3 8 y i e l d ，9 8 9 c o n v e r s i o no f2 ，1 0 - e p o x y p i n a n ea n d 3 9 6 p o l y m e r i z a t i o n i no p t i m u mc o n d i t i o n 2 e f f e c t so fr e a c t i o nc o n d i t i o n so ni s o m e r i z a t i o ni nf i x e db e da r e a l s os t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ts y n t h e s i so f p e r i l l y l a l c o h o li nf i x e d i i i b e di sb e t t e rt h a ni ns t i r r e dr e a c t o ri nr e d u c i n gd e g r e eo f p o l y m e r i z a t i o n ， i m p r o v i n gy i e l do f p e r i l l y la l c o h o la n ds i m p l i f y i n gs e p a r a t i o no f p r o d u c t s 。 p e r i l l y l a l c o h o lc a nb eo b t a i n e dw i t h6 9 9 y i e l d 91 2 c o n v e r s i o no f 2 10 - e p o x y p i n a n ea n d d e g r e e o fp o l y m e r i z a t i o ni sn e a rt o0i nt h e o p t i m u m c o n d i t i o n si n3 5 3k ，1 5 hs p a c ev e l o c i t ya n dt h ev o l u m er a t i oo f s o l v e n tt o2 ，10 - e p o x y p i n a n ei s8t o1 3 s e l e c t i v eo x i d a t i o no fp e r i l l y la l c o h o lt o p e r i l l y la l d e h y d e i s s t u d i e di nt h ep r e s e n c eo fa c t i v em n 0 2 ，c r 0 3 s i 0 2s u p p o r t e do x i d a n ta n d n a 2 c r 2 0 7 t h er e s u l t s s h o wt h a ta c t i v em n 0 2c a nb eu s e dt oo x i d i z e p e r i l l y la l c o h o lt op e r i l l y la l d e h y d es e l e c t i v e l y ，a n dc o n v e r s i o no fp e r i l l y l a l c o h o li s 9 9 7 y i e l d o fp e r i l l y l a l d e h y d e i so v e r7 0 i no p t i m u m r e a c t i o nc o n d i t i o nw i t h e t h y l a c e t a t ea s s o l v e n t ，u n d e rs o l v e n tr e f l u x t e m p e r a t u r ef o r4h ，t h em a s s r a t i oo fo x i d a n tt op e r i l l y la l c o h o li s4t o1 c r o a s i 0 2s u p p o r t e dr e a g e n t ，p r e p a r e db yd r ym i x i n gm e t h o d ，i sa n e f f i c i e n to x i d a n tw h i c ho x i d i z e p e r i l l y l a l c o h o lt o p e r i l l y la l d e h y d ei n l i q u i dp h a s eu n d e rm i l dc o n d i t i o n s ，a n dc o n v e r s i o no fp e r i l l y la l c o h o li s 9 5 o ，y i e l d o fp e r i l l y l a l d e h y d e i s5 7 9 w i t hd i c h l o r o m e t h a n ea s s o l v e n tu n d e rr o o m t e m p e r a t u r ef o r9 0m i n ，t h er a t i oo f o x i d a n tt op e r i l l y l a l c o h o li s2 5 t o 】，l o a d i n go fc r 0 3i s 2m m o l g t h ey i e l do f p e r i l l y l a l d e h y d e i s4 0 0 i n o p t i m u m r e a c t i o nc o n d i t i o n s b y3 l o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t s w i t ht h e t e c h n o l o g y o fd i s t i l l a t i o nb y n a 2 c r 2 0 7o x i d a n t k e yw o r d s ：2 ，10 一e p o x y p i n a n e ，f i x e db e d ，c a t a l y t i cr e a r r a n g e m e n t ， p e r i l l y la l c o h o l ，p e r i l l y la l d e h y d e ，s e l e c t i v eo x i d a t i o n 1 1 前言 1 文献综述 松节油是世界上产量最大的一种天然精油，年产量约3 0 万吨。 我国有丰富的松节油资源，年产量约6 万吨，居世界第二位【1 】。松节 油的主要成分包括c 【蒎烯、b 蒎烯，以及少量的莰烯、柠烯、异松油 烯等单萜烯。松节油的主要成分的含量因产地、类型不同而变化较大， 一般以叶蒎烯含量较高，通常在8 0 以上，如我国的马尾松、红松、 云南松等【2 j 。在思茅松和已引种开发的湿地松精油中含有较多的b 蒎 烯【3 1 。近年来，随着分离技术的发展，可以从各种精浊原料组分中分 离提取部分8 蒎烯，如用硫酸盐法从造纸回收的松节油中提取含l o 1 5 的p 蒎烯【5 】，或通过a 蒎烯的碱或金属催化异构重排获得p 蒎烯 【6 7 】。 我国松节油主要用于生产油漆溶剂、樟脑、冰片和选矿油等。从 2 0 世纪7 0 年代起，松节油部分用作合成香料的原料加以利用，但处 理量小。据报道瞄州，1 9 9 6 年世界范围松节油的消费3 6 用于香料化 学制品，1 7 用于树脂，4 7 用于松油，溶剂，其中消费于香料产品的 松节油每年还以3 5 的速度增长。因此，开发我国松节油的下游精 细化工产品，生产出一些高附加值和高利润的精细化学品，对于充分 利用我国丰富的松节油资源、缩小我国与欧美国家松节油深加工水平 之间的差距具有重要的实际意义。 光学活性紫苏醇的合成及其选择性氧化研究是松节油深度开发 合成一系列精细化学品的另一条重要途径。以松节油的主要成分b 蒎 烯的环氧化物2 ，1 0 环氧蒎烷为原料，经催化重排合成紫苏醇，紫苏醇 不仅可作为一种单体香料，还可以作为一种重要的有机合成中间体， 用来合成一系列更有价值的香料化合物。目前，最重要的一条合成路 线是紫苏醇在氧化剂的作用下选择氧化合成紫苏醛，紫苏醛再与盐酸 羟胺肟化得到一种高甜度( 其甜度是蔗糖甜度的2 0 0 0 倍) 、低热值、 味质好、无毒副作用的新型食品添加剂紫苏葶 ( 1 8 - p m e t a t h a d i e n e - 7 ，o x i m e ) 1 0 】。 紫苏葶是国内外近期兴起的一种高性能卷烟吸昧改良剂，在国内 外已得到广泛使用，日本有较大规模的生产。n m r 确证其为反式结 构。紫苏葶以极低的浓度加入卷烟中，能较大地提高卷烟烟气质量， 明显改善吸味。加入烟丝后，能减少刺激性，去除杂气，使烟气变得 细腻柔和，余味纯净而舒适，卷烟的内在质量得到显著提高】。目前 己被许多发达国家广泛使用，获得的经济效益非常明显。而国内在2 0 世纪8 0 年代末才开始研究，迄今尚未进行大规模的工业化生产。因 此，紫苏葶的技术研究与开发不仅对我国的香料行业具有重要意义， 而且可以开发广阔的市场前景。 1 2 紫苏醛和紫苏葶合成方法概况 紫苏葶可以由多种不同的原料，采用不同的方法合成，但大都经 过紫苏醛，因此，紫苏醛是合成紫苏葶的关键中间体。它们的合成方 法概括起来大致有以下几种。 1 2 1 从天然精油中提取法 天然植物紫苏草经水蒸气蒸馏可得到紫苏油，紫苏天然资源尤其 是栽培资源分布广泛，在我国主要分布于湖北、陕西、浙江、江苏、 辽宁、台湾和福建等省。紫苏油具有抗衰老，降血脂减肥之功效。另 外，紫苏油还有一定的抗癌活性和抗过敏炎症的功能。紫苏油的主要 成分为左旋的紫苏醛，含量约4 0 5 5 ，采用亚硫酸氢钠加成法或精 密分馏法可以从紫苏油中单离出紫苏醛，并以此为原料，通过肟化反 应即可合成紫苏葶f 12 】。但是，由于紫苏油的油收率很低，仅为原紫苏 草的o 0 5 o 1 ，所含的有效成分又易受种子、产地、气温、湿度等 影响。因此，天然精油不能成为生产紫苏葶的稳定的原料来源，以紫 苏草为原料提取紫苏醛合成紫苏葶是很不经济的。 1 2 2 以脂肪族化合物为原料的合成法【1 3 】 该法从石油化工基本原料( 如丙酮、异丁醛) 出发，经多步反应 进行全合成，大致过程如下： c 一一睇h 一一手曼一耍一更刚 这种方法原料十分难得，反应路线较长，紫苏葶得率也不高，不 适于工业生产。 1 2 。3 以芳香族化合物为原料的合成法1 4 1 这种方法是以对位上带有适当基团的酚为原料，经催化氢化、氧 化、加成、脱水、还原、肟化而得，大致过程为： o 州一。一一n c 卜一。一一o 。一 ( 注：r 可为烃基或烃氧基等，紫苏葶则为异丙烯基) 该法工艺路线也很长，虽然每步的得率较好( 在6 0 8 0 以上) ， 但总得率不理想，原料也比较难得。 1 2 4 以松节油为原料的合成法 如前所述，我国有丰富的松节油资源，松节油的主要成分洳蒎烯 和b 蒎烯经四元环开环重排后其分子骨架与紫苏醛相似。基于节约能 源和保护环境的考虑，以可再生资源松节油为原料合成紫苏醛将具有 非常重要的意义。 1 2 4 1 以a 蒎烯为原料的合成法 一蒎烯合成紫苏葶具有原料丰富、价廉易得的优点。归纳起来， 共有三种方法。一是用s e 0 2 作氧化剂，以乙醇作溶剂，控制一定条 件，将c 【蒎烯转化成桃金娘烯醇，经异构化反应生成紫苏醇，紫苏醇 选择氧化合成紫苏醛，紫苏醛再肟化合成紫苏葶。大致的反应过程 如下： 南音占$ 羔$ $ “ ，k ，k ， 二是用s e 0 2 作氧化剂，以醋酸醋酐作溶剂，反应在一定条件下进行， 生成桃金娘烯醇酯，经异构化生成紫苏酯，紫苏酯皂化为紫苏醇，紫 苏醇氧化成紫苏醛，再肟化成紫苏葶t ”】。反应式! c r i - f ： 由击 。” 。“i o l ”。受“。“ 三是用s e 0 2 作氧化剂，用无水乙醇作溶剂，直接生成桃金娘烯醛，经 异构化生成紫苏醛，再肟化得到紫苏葶1 6 - 1 8 1 。反应式为： 由罴艿盟受一f 这三种方法中以第三种方法的工艺路线最短，反应条件易于控 制，得到的中间产物桃金娘烯醛和紫苏醛均为重要的香料，在食品工 业等领域有重要用途。目前国内外对这种三步法合成紫苏葶的研究较 多，最好的实验研究结果为郑延华等的报道【1 7 1 ，其改进之处主要有三 点：一是在用活化s e 0 2 选择性氧化c 【一蒎烯时加入v ：o ，作催化剂，进 步提高了桃金娘烯醛的选择性；二是桃金娘烯醛在催化异构时通入 氮气保护，使桃金娘烯醛免遭深度氧化；三是用粗紫苏醛直接进行肟 化，这样可以减少损失，使氧化、异构化和肟化的各步收率分别得到 提高，总收率也得到提高。这三种方法均以0 【蒎烯为原料合成紫苏葶， 由于在0 【蒎烯氧化反应中要使用剧毒的二氧化硒作氧化剂，且桃金娘 烯醇异构成紫苏醇的反应需在高温( 温度为7 0 3k ) 、真空( o 6 7 0 9 k p a ) 下进行，反应条件非常苛刻，因而不便于进行大规模的工业生 产。 1 2 4 2 以b 一蒎烯为原料的合成法 蔡智慧、程芝、袁友珠等对b 蒎烯经四醋酸铅氧化，再经异构 化、皂化、氧化、肟化等反应步骤合成紫苏葶的工艺条件进行了研究。 反应式如下： 曲一 量二受一f “ 此方法反应条件比较温和，氧化剂便宜，但合成紫苏葶的工艺路线较 长，产物分离也比较困难，而且氧化剂用量大、有毒，因而不适于工 业生产。 湖南师范大学精细催化合成研究所研究开发了以b 蒎烯为原料合 成紫苏葶的工业合成路线，反应式为： f h 2 0 h c h o c h = n , o f f 曲卣业呲审审审 这种方法反应条件也比较温和，其优越性在于前两步反应b 一蒎烯 的环氧化及2 ，1 0 环氧蒎烷的催化重排较前面所述的以d 蒎烯为原料 合成紫苏醇的反应路线简便易行。 1 3 光学活性紫苏醇合成研究进展 紫苏醇，学名【4 异丙烯基1 一环己烯基 甲醇，是一种具有温暖的 草香、稍有木香和花香的光学活性单萜烯醇【2 0 】。如前所述，它可作为 一种重要的有机合成中间体，用来合成紫苏醛和紫苏葶等重要精细化 学品。另外，它本身可作为一种单体香料，用于仿制柑橘、香草、水 果型的食用香精中，在香精生产中起一定的作用。在一定的条件下， 合成出来的紫苏醇还具有生物活性，可以作为农用杀虫剂和灭菌剂 2 - 2 2 1 。最近有文献报道，紫苏醇还可用于抗癌 2 3 - 2 4 1 和器官移植【2 5 1 等医 学领域中。 紫苏醇是一种较稠的油质，以游离态或酯存在于姜草、香柠檬、 杂熏衣草等多种植物精油中，但含量极少，单离非常困难。因而，通 过化学方法合成紫苏醇引起了人们的广泛重视。 1 3 1 紫苏醇合成方法综述 按照起始原料的不同，文献报道合成紫苏醇的方法主要有两种： 一是以柠檬烯为原料，通过不同的氧化剂和氧化步骤合成紫苏醇；二 是以松节油中的0 【一蒎烯或b 蒎烯为原料，通过一步或几步合成紫苏醇。 合成方法和路线分述如下： 1 3 1 1 以柠檬烯为原料1 2 6 - z 8 i 柠檬烯( l i m o n e n e ) 【1 - 甲基一4 异丙烯基一l - 环己烯】，是除了蒎烯 之外在天然精油中存在最广泛的一种单环单萜烯。它是柠檬油、甜橙 汕、香柠檬油、莳萝油等中的主要成分，并以右旋体存在；左旋体主 要在少数松属如银枞或唇型科植物如薄荷油、留兰香油等中少量存在 【2 0 】。柠檬烯在一定的条件下选择氧化可以得到紫苏醇。合成路线如下： 鱼一量垫 图1 1 柠檬烯的五种不同的氢 f i g u r e1 - 1 f i v ed i f f e r e n tk i n d s o f h y d r o g e n o f l i m o n e n e 空气或氧对柠檬烯的氧化作用曾有过广泛的研究【2 9 1 ，二氧化硒也可对 其进行氧化 3 0 - 3 1 】。近年来，对柠檬烯的生物转化合成紫苏醇也研究得 较多 3 2 - 3 4 】。但由于柠檬烯氧化合成紫苏醇是对烯丙位的甲基氢进行氧 化，而柠檬烯分子中有五种烯丙位的氢( 如图l 一1 标示的3 、4 、6 、9 、 1 0 位上的氢) ，因而氧化产物选择性很低。如用空气或氧对柠檬烯进 行氧化，最先发现有反式香芹醇( 1 ) 和香芹酮( 2 ) 生成，之后又陆续发现 有反式1 ，8 对盂二烯1 ，2 二醇( 3 ) ，顺，反2 ，8 对盂二烯1 醇( 4 ) ，顺式 香芹醇( 5 ) ，1 ，8 对盂二烯一4 醇( 6 ) 和紫苏醇( 7 ) 等生成。氧化产物的结构 式如图1 2 所示： 吏 ( 1 ) 图 f i g u r e 。，h o h 霉。“争。”集。事“ 1 3 1 2 以仅一蒎烯为原料 以o 【蒎烯为原料合成紫苏醇，通常用s e 0 2 作氧化剂，通过桃金 娘烯醇异构而得。具体的合成方法与路线可以参照文献【1 4 1 。 1 3 1 3 以b 一蒎烯为原料 文献报道以3 - 蒎烯为原料合成紫苏醇的方法很多3 5 39 1 。1 9 7 6 年， w a l l i n g 等自p - 蒎烯用二苯甲酰在含有氯化亚铜、苯甲酸铜的乙腈中 反应得到紫苏醇4 0 1 。这个反应虽然可以由p 蒎烯一步合成紫苏醇，但 是反应条件苛刻，所用的试剂比较难得，紫苏醇的产率也不高，因而 应用较少。它的合成路线如下： 出笺器 b l u t h e 等利用p 蒎烯的环氧化物2 ，1 0 环氧蒎烷在汞离子存在下， 首先生成二醇，再脱水定量生成紫苏醇4 1 1 。其合成路线为： 这种方法在一份专利中也有报道，紫苏醇的得率可达9 8 ，但反 应中硫酸汞的用量几乎是原料2 ，1 0 。环氧蒎烷的一倍，为合成中的不足 之处【4 2 1 。 利用p 一蒎烯的环氧化物2 ，1 0 环氧蒎烷开环重排是合成紫苏醇的 一种简便方法，也是2 ，1 0 一环氧蒎烷合成香料的一条重要途径 4 3 - 4 7 】。 2 ，1 0 一环氧蒎烷是一种具有清凉香气的香料，广泛适用予配制各种香 精，i f f 香料公司的商品名为“迷迭香醚”( r o s e m a r e l ) ，它还可以 用来合成桃金娘烯醇、桃金娘烯醛、紫苏醇和紫苏醛【4 8 1 等一系列香料 化合物。 环氧蒎烷是一种很好的合成香料中间体，早在1 9 3 5 年a r b u s o w 就报道了由2 ，1 0 环氧蒎烷催化异构制备龙脑烯醛的方法f 4 9 1 。采用不同 的方法和不同的催化剂，可制得不同的产品如香芹醇、香芹酮、紫苏 醇等较好的香料品种【5 m 5 2 1 。日本野村正人和藤原义人对环氧蒎烷用多 种合成沸石分子筛在液相和气相状态下的催化异构反应进行了详细 而系统的研究，高选择性地得到了香芹醇、龙脑烯醛、桃金娘烯醇和 紫苏醇【5 3 ，54 1 。钟旭东，程型3 7 1 等报道了2 ，1 0 一环氧蒎烷在d m s o 等非 质子极性溶剂作用下开环异构，得到5 0 以上的紫苏醇，转化率达到 筹 9 7 4 。在硝酸铵的催化下，以1 ，2 - 二氯乙烷作溶剂得到8 5 总量的 桃金娘烯醇和紫苏醇，其中紫苏醇含量占3 3 4 ，2 ，1 0 环氧蒎烷转化 率为9 9 0 。还有文献介绍以硝酸铵作催化剂、硝基甲烷作溶剂的条 件下催化异构2 ，1 0 环氧蒎烷可以得到8 8 的紫苏醇1 44 1 ，这是迄今为 止合成紫苏醇较为简便有效的方法之一。 2 ，1 0 环氧蒎烷的重排既可在液相中进行5 5 1 ，也可在气相中进行 【56 1 。所用的催化剂主要有各种酸型沸石分子筛、硝酸铵、三氯乙酸和 甲酸等。催化剂的类型不同，重排产物也不一样。以硝酸铵作催化剂， 硝基甲烷作溶剂，2 ，1 0 环氧蒎烷发生下述反应，主要生成紫苏醇和桃 金娘烯醇。 r - of h 2 0 h p h 2 0 h 业鞋0 + 由 人 重排反应的机理如下： 受二 c h 2 0 h h 2 0 h 向 这种方法具有简便易行、紫苏醇产率较高、产物不经分离就可作 为下一步氧化反应的原料等优点。但是由于2 ，l o 环氧蒎烷分子中含有 高张力的极性三元环，反应过程中生成的碳正离子中间体易与生成的 醇起加成反应，生成分子量增大的新物质，这些新物质又可以与生成 的醇加成，如此反复生成聚合物。聚合物形成过程可以用下图表示： 卣。 目前，采用这种方法生产紫苏醇，已获得较好的经济效益，产品 质量达到了国内外相同产品的指标要求。该法合成出来的紫苏醇具有 怠好的光学活性。但是，如何降低重排反应中产生的聚合物的量，仍 是一个非常重要的需要解决的问题。这对于进一步提高工厂的生产效 益、增加利润以及减少生产强度具有重要的意义。 1 4 紫苏醇选择氧化研究进展 氧化反应是有机合成研究和工业生产中的一类重要反应。从广义 上讲，凡是向有机分子中引入氧或脱去氢的反应都是氧化反应。醇分 子中由于受到羟基的影响，使得与羟基相连的碳上的氢比较活泼，可 以被多种氧化剂所氧化。根据醇不同结构，不同的氧化剂、不同的反 应条件，其氧化情况与氧化产物也各不相同。 氧化剂是亲电试剂，氧化剂参与反应时，从有机化合物中取得电 子，攻击有机分子中电子云密度较大的原子或基团。氧化反应可分为 催化氧化和化学氧化两类。催化氧化是用氧气或空气在催化剂存在下 对有机化合物进行氧化反应。有机化合物一般都能在不同温度被氧气 或空气氧化，但是氧化速度通常都很慢，同时反应比较复杂，使用适 当催化剂能使氧化成为定向反应，同时又可以使反应加速，工业上所 采用的氧化催化剂有铜、镍、铂、钯、银等金属，铬、钒、锌、铝等 金属的氧化物以及铁、钴、锰等金属的盐类等。催化氧化在实验室中 研究得较少，目前所用的氧化催化剂只有铂、铜盐、氧化铬等少数几 种，氧化对象也只有醇、醛、烯、胺等少数几种有机化合物。因此， 对催化氧化的研究，在催化剂和被氧化对象两方面，范围都很广阔， 是一种很有发展前途的氧化方法。化学氧化是指利用空气或氧气以外 的氧化剂使有机化合物发生氧化反应，其所用的氧化剂可以分为两 类，一类是通用型氧化剂，如k m n 0 4 ，h 2 c r 0 4 等，它们的适用范围 拿 广，可以氧化多种基团，氧化能力较强，但选择性较差；另一类是专 用型氧化剂，如c r ( v i 载体氧化试剂、活性二氧化锰、p b ( o a c ) 4 、 s e 0 2 等。它们可用来选择性地氧化某些基团，而对其它基团不起作用 或作用不大b 7 1 。 紫苏醇是一种c 【，b 不饱和醇，分子中有两个官能团，个是双键， 另一个是羟基。a ，d 不饱和醇选择氧化合成c t ，p 不饱和羰基化合物的方 法有很多种，可以用催化氧化的方法，也可以用许多选择型氧化剂进 行化学氧化。 1 4 1 二氧化锰选择氧化a ，p 不饱和醇 二氧化锰是一种氧化性能温和的选择性氧化剂，能够高产率地将 不饱和醇选择氧化为不饱和醛和酮，而对饱和脂肪醇氧化速率很慢， 且产率较低【5 8 1 。自1 9 4 8 年j a t t e n b u r r o w 发现沉淀的二氧化锰可定量 地氧化维生素a 。为维生素a 。醛后掣，二氧化锰迅速发展为一种新的 氧化方法，即以活性二氧化锰在有机溶剂中进行选择性氧化。这种氧 化方法具有反应简单、选择性高、产物容易分离等优点，因而在有机 合成和工业生产上广泛采用这种氧化方法来氧化不饱和醇类化合物 【6 0 】。 二氧化锰用作氧化剂选择氧化，b 不饱和醇在2 0 世纪6 0 7 0 年代研究的较多6 1 ，6 2 , 6 3 1 ，一般认为其氧化机理是一个形成自由基中间 体的过程，如下图所示瞰j ： r c h 。h + 。= 悯+ c 。h + 肛忙o + r + 咿舴。h 4 心c - - o + + i v k a = = o 本论文以三种不同来源的二氧化锰作氧化剂，在不同的有机溶剂 中对紫苏醇进行选择氧化，得到了较满意的结果。同时考察了氧化剂 的用量、反应时间、反应温度和溶剂的用量对氧化反应的影响。通过 放大实验，取得了与条件实验相符的实验结果。 1 4 2c r 0 3 s i 0 2 选择氧化任，1 3 不饱和醇 六价铬( c r ) 的衍生物是一类常用的选择性氧化剂，在有机化 合物的氧化反应中获得了十分广泛的应用 5 7 1 。它包括铬酸系( 如 b e c k m a n 氧化剂6 5 1 、j o n e s 氧化剂f 6 6 1 、铬酸醋酸溶液1 6 7 i 和铬酸丙酮溶 液等) 、重铬酸盐系( 如重铬酸吡啶盐、重铬酸锌1 6 9 1 等) 、铬酐 系t w ) l 等。铬氧化剂在有机合成上最重要的应用是氧化伯醇或仲醇成为 相应的醛和酮i l 。用三氧化铬吡啶等形成的络合物作为氧化剂相比其 敏感的官能团底物；二是绕过了氧化伯醇成酯的反应，使氧化产物醛 的产率大大提高。在酸催化下伯醇氧化成醛后，还有如下副反应，形 r c h ：。h + r c h 。_ ! 一r c h 2 0 _ 一。h r c h ：o - - 。一c 心r 叶 r c h 2 0 - - c - - r 近几十年来，关于铬氧化剂的研究十分活跃，相继研究和开发的 c o l l i n s 试剂、p c c 州试剂、p d c 7 5 1 试剂等，对醇类的氧化表现出良 好的活性和选择性，但普遍存在氧化剂制备步骤复杂、氧化剂用量大、 反应产物分离繁琐、氧化剂容易起火及铬化合物对环境污染等问题， 限制了它在工业上的广泛应用。负载在有机或无机高分子材料上的c r ( v i ) 氧化剂是本世纪七十年代发展起来的一类新型氧化试剂7 6 - 8 3 1 ， 具有许多小分子试剂不具备的优越性，如氧化效率高、对伯醇氧化为 醛有很高的专一性、反应条件温和、操作步骤简单、氧化剂和还原副 产物都吸附在载体上，不污染产物、产物的分离提纯十分简单、避免 了铬化合物的污染及无机载体价廉易得等，因而受到人们的广泛重 视。 载体氧化试剂的研究开发为醇类选择氧化合成醛酮类化合物提 供了一种简便经济的方法。本实验工作研究了用干混法制备的 c r o ，s i 0 2 载体氧化试剂在紫苏醇液相选择性氧化合成紫苏醛中的应 用，并探索了载体氧化剂的负载量、氧化剂与紫苏醇的配比、反应温 度等条件对氧化反应的影响，获得了较好的结果。 1 4 3 重铬酸钠氧化紫苏醇合成紫苏醛 重铬酸钠是一类通用型氧化剂，应用这类氧化剂可将侧链烷基氧 化成羧基，通常在各种浓度的硫酸中使用，发生的化学反应是： 2 n a 2 c r 2 0 7 + 8 h 2 s 0 4 。2c r 2 ( s 0 4 ) 3 + 2n a 2 s 0 4 + 8 h 2 0 + 3 0 2 湖南师范大学精细催化合成研究所曾采用重铬酸钠水溶液作氧化剂 氧化紫苏醇合成紫苏醛，氧化情况比较好，紫苏醛的收率可达6 0 【1 0 1 。 为了找出氧化反应中原料紫苏醇、氧化剂n a ：c r ：o ，、酸和用水量的最 佳配比，我们做了一个3 因素3 水平的正交试验，选择l 。( 3 3 ) ，安 排了9 次实验。 1 4 4 其它选择性氧化剂氧化a ，d 不饱和醇 用d m s o 亲电分子( 如二环己基碳酰二亚胺、a c 2 0 ，c o c l 2 、 s o ，等) 组成的体系，也可以将醇氧化至相应的醛和酮，并具有一定 的选择性8 4 ，8 5 】。工业上则用铜、镍、铂、钯、银、铑等过渡金属作催 化剂，进行催化氧化用来生产大量的有机产品，但在实验室中用得很 少，研究得也比较少。如用r h 8 ( c o ) 1 6 和环己烯在l 大气压0 2 、温度 为4 3 3k 的情况下反应产生的黑色金属颗粒r h ，在0 2 的作用下，催 化氧化肉桂醇，可以得到产率为9 6 的肉桂醛【8 6 1 ，具体的反应式如下： p 卜c h c h c h 2 0 h 兰盟- r 曳r c h c h c h o v o p p e n a u e r 催化氧化也是文献报道较多的一种氧化方法，所用的 催化剂可用异丙醇铝和叔丁醇铝等，近年来对催化剂的改进是文献研 究o p p e n a u e r 催化氧化较多的一个方面哗”。催化氧化中的氧化剂一般 用丙酮，虽然沸点低、反应较慢，但是价格便宜，反应中可以用大量 的丙酮来改变反应的方向，也可以和苯同时使用用来提高反应达到的 温度。对于较难氧化的醇可以用氧化能力较强的环己酮和苯醌，溶剂 可用苯、甲苯、二甲苯等。o p p e n a u e r 催化氧化的主要用途是它只对 醇羟基起作用，对其他所有的基团都不反应，无副产物，产物选择性 很高，是一类具有较好的开发和应用价值的氧化方法【88 1 。但是应注意 的是某些氧化产物，特别是醛，在醇铝的作用下，可以与丙酮或其他 受氢剂发生缩合，污染产物。 紫苏醇的选择氧化是合成紫苏醛的一条重要途径。紫苏醛，是一 利，具有清香、樱桃和油脂香气的光学活性的萜类化合物，存在于天然 紫苏油、莲叶桐和香柠檬油中，可通过与亚硫酸氢钠加成从油中单离 出来【2 州。它可用于日化和食用香料，用来配制香辛料和花生等型香精。 光学活性的紫苏醛也可用来作为农用杀虫剂和灭菌剂【8 9 1 。在合成化学 中，紫苏醛是有机合成中的一种重要中问体【1 2 1 。 以紫苏醇为原料，采用化学氧化剂氧化法1 9 0 ，9 1 】或在金属催化剂 ( 如钯，铑) 1 9 2 1 存在下催化氧化，均可得到一定产率的紫苏醛。 本论文首次以活性m n o ：和c r 0 3 硅胶载体试剂作氧化剂氧化紫 苏醇，探索了氧化反应的条件，实验取得了一些探索性的结果。并用 n a 2 c r 2 0 7 作氧化剂，通过三水平三因素l 9 ( 3 3 ) 的正交试验，取得较 满意的实验结果，对工业生产具有指导意义。 2 1 前言 2 2 ，l o 环氧蒎烷液相重排合成紫苏醇 以0 蒎烯的环氧化合物2 ，1 0 环氧蒎烷为原料，经酸或碱催化， 均能使2 ，1 0 环氧蒎烷发生重排异构，在合适的催化剂作用下，可得到 一系列更有价值的合成香料紫苏醇、水芹醛和桃金娘烯醇等。本工作 研究了在酸催化剂存在下，于强极性质子溶剂中2 ，1 0 一环氧蒎烷的开环 重排反应。影响2 ，1 0 一环氧蒎烷开环重排的因素很多，主要有反应温度、 反应时间、反应原料与溶剂的配比、溶剂的性质和催化剂的性质等。 本章主要考察了反应温度、反应时间、反应原料与溶剂的配比、溶剂 的性质、溶剂中的含水量和催化剂用量对反应的影响，研究了2 ，1 0 一 环氧蒎烷液相重排反应的产物分布规律，并在优化条件下进行放大实 验，采用不同的分离方法( 如水蒸气蒸馏、减压蒸馏和化学方法) 分 离提纯紫苏醇，取得了一些对工业生产有指导意义的结果。 2 2 实验部分 2 2 1 主要原料与试剂 9 蒎烯由湿地松松节油( 湖南省岳阳市第一木材公司生产) 经精 密分馏纯化而得，g c 分析其纯度为9 9 0 ，i i d 2 0 - - - 1 4 7 5 8 ，c h 2 0 - 0 _ 8 6 6 1 ， q d 2 0 = - - 2 0 8 。； 浓硫酸，化学纯，长沙市国营延风化学试剂厂，可加去离子水配 成各种浓度的水溶液； 5 0 h 2 0 2 ，工业级，岳阳化工总厂生产； 冰醋酸，分析纯，湖南师大化学试剂厂； 氢氧化钠，分析纯，长沙延风化学试剂厂； 无水碳酸钠，分析纯，湖南师范大学化学试剂厂； 二氯甲烷，分析纯，湖南师范大学化学试剂厂； n a 2 s 2 0 3 ，化学纯，焦作碱业集团化学试剂厂： 氯化钠，分析纯，湖南师范大学化学试剂厂； 硝基甲烷，化学纯，北京化学试剂公司： n ，n 二甲基甲酰胺( d m f ) ，分析纯，无锡市民丰试剂厂 醋酸钠，分析纯，湖南师范大学化学试剂厂： 环己烷，分析纯，上海试剂一厂： 乙腈，分析纯，上海试剂一厂； b 苯乙醇，分析纯，北京化学试剂公司： 固体酸催