（化学工程专业论文）药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立.pdf

药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 摘要 以二氢月桂烯为原料合成药草酮，通过对整个合成全过程进行研究，在实验 的基础上得到了以下的结论。 研究表明： 1 在合成药草酮过程中，得到了另外两个香料产品；阿弗曼酯和药草醇。 2 合成阿弗曼酯过程中，最佳反应条件为：酸：烯：t y n _ 1 催化剂= 3 ：5 ：1 ：反应时 间为5 小时，温度5 5 。以离子膜树脂和t s - i 高温催化剂，反应的选择性分别为 3 2 8 和5 2 3 1 ，而自制t y n l 为催化剂的选择性为6 3 9 9 。酯化反应时间比国 内报道的3 0 小时缩短5 倍。催化剂连续使用7 次，选择性没有变化。催化剂用量 比国内报道少2 5 倍。 3 氧化反应过程中，铬酸一乙酸一水反应体系，药草酮得率仅为4 2 2 5 ，而且铬易 流失：而以配体载体铬t y n 一2 为氧化剂，药草酮得率为8 4 7 7 ，且操作简便，在整个 反应过程和制作过程均不产生铬废液，而且铬易于回收，为清洁生产提供了科学的 依据。 4 采用碱作催化剂的反应体系，药草醇得率为8 0 5 。该体系既能提高药草醇质 量，又能满足工业化生产的要求。 5 合成的药革酮符合i f f 公司产品标准。 6 建立了毛细管色谱法测定阿弗曼酯的分析方法，其分析的相对偏差分别为 0 0 4 2 和0 6 0 ，其线性回归方程分别为y i = 1 3 5 8 x ，- 0 3 7 和l ：6 5 x 。+ o 0 2 1 相关系 数分别为r 1 = o 9 9 1 7 和r 2 = o 9 9 1 1 7 建立了毛细管色谱法测定药草酮的分析方法，其分析的相对偏差分别为0 0 6 6 和0 1 6 其线性回归方程分别为y 。= o 8 1 + 3 3 0 5 x 。和y 2 ：o 1 5 + 4 9 x 2 ，r 1 = 0 9 9 9 2 和 r 2 = 0 9 9 9 9 关键词：二氢月桂烯，药草酮，t y 卅l 催化剂，t j f n 一2 氧化剂，分析，合成 垫苎塑塑盒堕三苎堕塞墨皇塑鱼堂坌塑查鎏堕垄皇 a b s t r a c t s y n t h s i so f h e r b a c w i t hd i h y d r o m y r c e n ea sr e a c t a n tw a ss t u d i e d ，o nt h eb a s i so f t h ee x p e r i m e n t ss o m ec o n c l u s i o na r eo b t m n e d t h e s t u d y s h o w s ： 1ap r o c e s sf o rs y t h s i s i n gh e r b a e ，w eh a v eo b t a i n e do t h e rc o m p o u n d s - - - a p h e r m a t ea n d o ，3 , 3 一t r i m e t h y lc y c l o h e x a n em e t h a n o l 。 2a p r o c e s s f o r s y t h s i s i n ga p h e r m a t e , t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i u m c o n d i t i o ns h o u l db et h a tr e ( f o r m i c a c i m ：m ( d i h y d r o m y r c e n e ) ：m ( t y n - l c a t a l y s t ) = 3 ：5 ：1 , r e a c t i o n t i m e5 h ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e5 5 c 。t h i sc o m p o u n d i s f o r m e db y t r e a t i n gd i h y d r o m y r c e n ew i t hf o r m i ca c i di nt h ep r e s e n c eo f as u l f o n i ca c i dr e s i no r t s - 1 c a t a l y s t , t h es e l e c t i v i t y r e a c h e d3 2 8 a n d 5 2 3 1 r e s p e c t i v e l y 。b u t t h i s c o m p o u n di sf o r m e db yt r e a t i n gd i h y d r o m y r c e n ew i t hf o r m i ca c i di nt h ep r e s e n c eo f t y n - ic a t a l y s t ，t h e s e l e c t i v i t y r e a c h e d6 3 9 9 。t h er e a c t i o nt i m ew a sl e s st h a n d o m e s t i cr e p o r tb y5t i m e s 。t h ec a t a l y s tc a l lu s ec o n t i n u o u s l ys e v e nt i m e s a n dh a v e v e r yg o o ds t a b i l i t yo f a c t i v i t y 。t h ec a t a l y s td o s a g e w a sl e s st h a nd o m e s t i cr e p o r tb y25 t i m e s 。 3a p r o c e s sf o ro x i d a t i o n ，u n d e rc h r o m i ca c i d - a c e t i ca c i d - w a t e rr e a c t i o ns y s t e m c o n & i o n ，y i e l do ft h ep r o d u c tw a s4 2 2 5 ，a n dc h r o m i u ml o s te a s i l y 。u n d e rt y n - 2 o x i d a n tc o n d t i o n ，y i e l do f t h e p r o d u c tw a s8 4 7 7 0 6 。t h i so x i d a n ti sv e r ys t a b l ea n dc a n b ek e p ta i ra tr o o mt e m p e r a t u r ef o rs e v e r a lm o n t hw i t h o u tl o s i n gi t s a c t i v i t y 。t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l e sp r o v i d ee n t i t i cb a s i sf o rc l e a n e rp r o d u c t i o n 。 4u n d e rr e a c t i o ns y s t e mo fa l k a l ia sc a t a l y s te o n d t i o n , y i e l do f ，3 ，3 - t r i m e t h y l c y c l o h e x a n em e t h a n o lw a s8 0 5 。t h i sr e a c t i o ns y s t e mc a na d v a n c eq u a l i t yo ft h e p r o d u c t ，a n d c a nm e e tt h en e e do f i n d u s t r y p r o d u c t i o n 。 5 q u a l i t y o fh e r h a ca c c o r d e dw i t hi n t e r n a t i o nf l a v o r s f r a g r a n c e s c o m p a n y s t a n d a r d 。 6am e t h o dh a sd e v e l o p e df o rt h ed e t e r m i n a t i o na p h e r m a t e 。r s da r eo0 4 2 a n do 6 0 r e s p e c t i v e l y , c o r r e l a t i o ne q u a t i o n ：y 1 = 1 3 5 8 x i - 0 3 7a n dy 2 嗡5 x 2 + o 0 2 1 c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ：r l = 0 9 9 1 7a n dr 2 = 0 9 9 1 1 。 7am e t h o dh a sd e v e l o p e df o rt h ed e t e r m i n a t i o nh e r b a c 。r s d a r e00 6 6 a n d 0 1 6 r e s p e c t i v e l y , c o r r e l a t i o ne q u a t i o n ：y l = 0 8 1 + 3 3 0 5 x xa n dy 2 - o 1 5 + 49 x 2 c o r r e l a t i o nt o e 伍c i e n t ：r l = - 09 9 9 2a n dr 2 = o9 9 9 9 。 2 苎苎里塑鱼堕三苎婴壅垦皇塑鱼童坌堑查鲨塑壁皇 k e yw o r d s ：d i h y d r o m y r c e n e h e r b a c t y n - l c a t a l y s t t y n - 2 0 x i d a n t a n a l y s i s s y n t h s i s 3 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 第一章绪论 1 1 选题背景 新化化工有限责任公司始建于1 9 6 7 年，几十年来，经过不断的技术投入、扩建 和全体职工的艰苦创业，企业规模不断的壮大，现已有生产合成氨、双氧水、有机 胺、磷酸二氢钾和香精香料五大系列产品。由于香精香料产品起步较迟，从1 9 9 8 年开始生产，当时只有一个香料产品一二氢月桂烯醇，由于香料产品单一，市场竞争 明显不利，第二年公司就开发了月桂烯，改变了香料的产品结构，提高了市场的 竞争力。随着对彳亍业的逐步了解，由此对国内外香料产品需求也有了更深的了解。 2 0 0 1 年芬美意公司到我公司考察，期间询问我们能否生产药草酮，他们需要该产 品，当时我们就组织人员调查，经查美国i f f ( i n t e r n a t i o nf l a v o r s f r a g r a n c e s ) 公司有这种产品。该产品源头原料是松节油，其合成过程的氧化用铬酸作催化剂， 铬是一种对人体伤害较大的金属，为此一旦流失对环境污染较为严重。由此，公 司决定从原料到台成技术作更为深入调查和研究，并以科题的形式进行研究。 我国从南到北全国松树资源异常丰富有分布：广西、广东、福建、云南、山 东等地，但产地不一样，其松节油成分也不一样。常见松节油的主要成分有a 一蒎 烯、1 3 一蒎烯、芋烯( 包括双戊烯) 、莰烯、松油烯、异松油烯、一水芹烯和b 一 水芹烯等等。我国松树种类多分布广，不同地区所产的松节油成分也不同。成分 不同用途也不一样，最常见产量较大的要数合成松油、松油醇、樟脑和龙脑等化 工产品。从松节油单离得到d 一蒎烯和b 一蒎烯是香料工业的重要原料，是合成香 料重要基础原料，因此，我国拥有丰富合成香料的原料。随着w t o 的加入和生活 水平的提高，对市场合成香料的产品需求越来越大，出口产品也在增加。其中利 用d 一蒎烯和b 一蒎烯经加氢制得蒎烷，再经高温裂解制取二氢月桂烯，产量逐年 提高，其下游产品出口量也在增加。而我国现在以二氢月桂烯作原料合成的香料 主要是二氨月桂烯醇，还未见有合成药草酮的报道。 以二氢月桂烯合成药革酮过程中，有二种中间体是，3 , 3 三甲基环己烷甲醇 ( 药草醇) 和阿弗曼酯，药草醇氧化得到n ，3 , 3 三甲基环己烷甲基酮( 药草酮) ，这三 种物质均是香料。其结构式如下图1 所示。 阿弗曼酯、药草醇和药草酮是许多高级香精香料和配套香料的重要原料。具 有清新的雪艾菊香韵、强烈的木香、青草香气。合成过程是，3 , 3 三甲基环己烷 甲酯是由3 , 7 - 二甲基- l ，6 - 辛二烯在酸性催化剂下的甲酸或弱的羟基酸或水的环境 中反应得到的。催化剂有硫酸、磷酸、多聚磷酸、路易酸和强酸性树脂。该产物 4 药革酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 0 h o ( a p h e r m a t e ) ( d ，3 ，3 - t d m e t h y lc y c l o h e v , a n em e t h a n 0 1 ) ( h e r b a c ) 图1 阿弗曼酯、药草醇和药草酮结构翻 在甲醇和氢氧化钠的溶液中反应得到n ，3 ，3 三甲基环已烷甲醇。接着氧化就得 到n ，3 , 3 三甲基环已烷甲基酮，它们都有植物香气，是一种很有价值的香料。 而在酯化阶段国外采用b f s 或强无机酸。采用b f s 工艺复杂，且腐严重，污染 大。而采用强无机酸香气不佳。国内在酯化阶段也有相关的研究，但对不同的改 性酸性催化剂对反应的影响，甲酸、二氢月桂烯浓度、催化剂比例变化对反应的影 响，催化剂的稳定性未进行研究。氧化阶段国外直接采用铬酸作催化剂，但存在分 离提纯困难和铬污染问题，末进行络合载体氧化剂的研究。在氧化阶段国内未系 统性研究，只作了经过氧化可以得到药草酮产品初步结论。 1 1 选题意义 随着技术不断发展，客观上也要求对此合成技术不断改进，同时市场的发展、 市场的需求和环境的要求为研究开发提供了良好的社会氛围。本课题以二氮月桂 烯合成药草酮为研究对象，探讨高温催化剂、改性催化剂和离子膜催化剂进行酯 化的技术，反应物配比、反应时间和反应温度对酯化得率的影响，对酯化阶段催 化剂稳定性研究，对氧化阶段催化剂、不同溶剂、反应时间和不同温度及产品纯 化作系统性研究。通过对以二氢月桂烯为原料，合成药草酮的工艺研究，减少酯 化反应时间、提高反应选择性、降低生产成本、防止铬的流失和减少铬对环境的 污染，为正业化生产和保护环境提供了科学的依据，因此该课题具有很重要的现 实意义。 第二章文献综述 2 1 文献综述与研究现状 2 1 1 原料一一二氯月桂烯 2 1 1 1 蒎烯经催化氢化制取蒎烷 松节油的主要成分为n 一蒎烯( 1 ) 和b 一蒎烯( 2 ) ，二者都可氢化制得蒎烷( 3 ) 蒎烷有四种异构体它们分别是3 a ( 1 ) 、3 a ( 2 ) 、3 b ( 1 ) 和3 b ( 2 ) 。工业上一般 以顺式异构体3 a 为主，因为顺式异构体反应活性高于反式异构体。几十年来，化 学家们在选择合适催化剂、提高顺式蒎烷选择性方面做了大量工作。 圈2 1藏烯氢化反应式和藏烷四种异构体 早期研究中所用的是一些典型的加氢催化剂，如p d c n l 和p t - c n 等，这些催 化剂价格昂贵，且产物中顺式蒎烷含量不高。 s c m 公司l a c a n o v a 廿1 研究了( 1 ) 在n i - z r 双金属催化下的还原反应，在 1 4 m p a 的压力下于3 0 反应1 9 小时，结果3 a 选择性达9 3 9 5 ，3 b 仅占4 5 。m ，s p a l i n 用5 的a u a i ：0 3 为催化剂催化( 1 ) 和( 2 ) ，在1 4 m p a 压力下反应 3 小时，温度2 5 ，获得了含9 6 2 的3 a 产物。 徐之雒5 1 等采用p - 1 0 0 - n i 和p - 2 0 0 - n i 及修饰的p 一1 0 0 - n i 和p 一2 0 0 - n i 为催化剂，在常温下氨化反应，转化率1 0 0 ，3 产率大于9 5 ，其中3 a 含量大于 9 7 。 k a n n a 1 等使用负载在硅藻土的含少量m g 、p b 和b 的n i 作催化剂，在2 m p a 压力下，7 0 反应2 0 小时，得到3 ，顺式比例为9 8 9 ：l 。 台湾成功大学有人用n i p y - a 1 。0 3 n 1 和n i - p 尼龙6 6 8 1 为催化剂催化蒎烯加 6 ；蚋；：|；人够i 人刚 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 氢反应，得到3 a 为主要产物，并探讨了反应的动力学，认为p 的存在在催化剂表 面产生了两类活性中心，对蒎烯和 1 2 反应级数分别为1 1 4 和l i 2 4 。 工业上普遍使用r a n e yn i 为蒎烯的加氢催化剂，最早o h l o f f ”1 采用r a n e y n i 在8 0 。c 和5 m p a 氢气压力下氢化得到3 a 产物。t a n a k a “”以w - 6 r a n e yn i 在室温和 5 m p a 氢气压力下氢化得到3 a 产物。国内n 采用n i _ a 卜t i 合金为催化剂，温度 1 3 0 1 4 0 ，压力为3 5 4 m p a ，反应3 小时后3 a 占9 4 9 5 。 从上述文献来看，最具有经济效蔬的催化剂是n i 的修饰上，r a n e yn i 作为最 普遍使用的工业加氢催化剂，在渗入少量其他过渡金属后，其催化活性和选择性 都有一大的提高 1 2 1 ，所以，开发高效的r a n e yn i 与其他金属共组成的合金催化剂， 将是蒎烯还原为高顺式蒎烷的现实途径。 2 1 2 蒎烷异构化制二氢月桂烯 蒎烷异构化学系的主要产物是二氢月桂烯( 4 ) ，副产物有异香茅烯( 5 ) 和三 取代环戊烷化合物( 6 ) ，因为( 4 ) 是合成萜类香料的重要中间体，因此，人们很 关注蒎烷异构的得率和选择性。 3 + 6 圈2 2藏烷高薯异构化机理圈 3 的异构化反应主要分二类：一类是热异构；另一类是催化异构化。 热裂解”3 1 可在常压下，也可在减压下进行，温度范围从3 8 5 到6 2 0 * ( 2 都有人采 用，热裂解方法简单，但容易产生副反应。 1 9 4 4 年，r u m m e l s b u r g 4 1 首先报道了蒎烷的气相热构化，产物含有二氢月桂 烯、二氢别罗勒烯、2 , 6 二甲基2 ，5 辛二烯和二氢单环萜烯。i p a t i e f f 等研究了高压 和常压下的热异构化反应，除了得到二氢月桂烯外，还有生成了顺式和反式的1 , 2 二甲基一3 - 异丙烯基环戊烷。b a i n n5 1 的研究得到了3 a 的异构化反应比3 b 要快的结 论，含9 5 的顺式3 在5 5 0 口1 2 6 0 0 时进行异构化，可得到6 4 的二氢月桂烯， 而含9 6 反式的3 ，在同样的条件下只得到3 0 左右的二氢月桂烯。韩国科研人员n 们 以居里点类型的裂解器在5 9 0 c 反应，4 小时后二氢月桂烯的收率为7 0 。由于热 异构化所使用的温度较高、耗能高、操作不安全的因素多和产物也较复杂，对二氢 7 药草酮的台成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 月桂烯的选择性不高，并且随着反应条件的变化，产物分布也呈现不规则的变化。另 外熔盐作热源的蒎烷异构化也见诸于报道，所用熔盐有z n c l 2 一k c l - n a c i “和 n a n o ：n a n 0 3 k n 0 3 1 8 1 等。 由于热异构化反应有诸多缺点，自7 0 年代后，科研人员转向开发利用新型催 化剂的催化异构化反应。这类新型催化剂主要有金属和沸石分子筛两类，它们的 利用，不仅提高了二氢月桂烯的转化率和选择性，而且一定程度上降低了反应体 系的反应温度。 f u i h a r a 使用双金属催化剂，实验结果二氢月桂烯得率为6 5 。w f r e d d y n 利用a s - a 1 2 0 3 和c o - m o a g - a 1 2 0 3 催化体系分剐作催化剂，实验结果随反应条件不 同有很大变化，二氢月桂烯的选择性在2 8 8 9 4 7 0 4 之间变化。 日本野村正人和藤原义人2 1 利用改性后得合成沸石分子筛作催化剂，探讨了催 化蒎烷的异构化反应，实验表明，在4 1 0 、l - 3 3 k p a 和1 5 m l l a 的流速下，获得了很 好的结果，3 转化率为7 1 ，4 的选择性为8 5 。 刘旦初陋以微型固定床反应器考察了四种不同催化剂对异构化反应催化性能 的影响。四种催化剂分别是自行合成的s i c h 型化合物、z s m 型分子筛、m g o s i 0 2 混合氧化物和天然矿石。实验表明，二氢月桂烯的选择性约5 0 * , 。 从文献报道来看，蒎烷异构化为二氢月桂烯的研究至今未取得满意的结果。国 内工业生产，蒎烷是通过热异构化方式来制取二氢月桂烯的，选用酸度合适的固体 酸，如沸石分子筛、金属氧化物等，对催化荆表面活性中心加以修饰，是有望得率和高 选择性从蒎烷催化异构得到二氢月桂烯。 2 1 2产品药草酮 2 1 2 1 二氢月桂烯的酯化 t a n a k a 和m a t s a b a r a 等m 也4 1 研究3 , - 氢月桂烯水合的反应机理，它是经过碳 正离子中间体： 4 h + h 2 0 7 h 围2 3 水合的反应梳理 j b h a l 和l k l a l a n 5 研究了二氢月桂烯的环化水合过程，以b f 5 为催化剂， 入x 人 人 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 在甲酸的环境中，在5 0 6 0 下反应得到阿弗曼酯混合物，认为反应机理如下图 2 4 所示。 h c o o h b f 3 弭 i h c o ol i o | | o ch h c o o 胃 ( 、卜o c h ( 0 2 0 m i n x 0 2 5 m ) ，进 样量0 2ui ，仪器型号：h p 4 8 9 0 ，氢焰离子化检测器，柱温：柱温：t 。：9 0 ( 3 m i n ) 型血一一1 3 0 ( 1 0 m i a ) 汽化室温度：2 3 0 ，检测器温度：2 3 0 。 4 2 3 3 。2 分析谱圈 图4 9 药草酮的色谱图i 溶剂峰6 a 一药草酮7 b 一药草酮8 药草醇2 3 4 5 8 9 1 0 1 1 为氧 化产生的副产物 4 3 结果与讨论 4 3 1 阿弗曼蠢合成 4 3 1 t 催化剂选择 我们选用了离子膜树脂、耐高温强酸性树酯和改性树脂作为催化剂进行对 比实验。反应条件：烯浓度为9 0 ，甲酸浓度为9 5 ，反应温度为5 5 ，各反应物配比 为酸：烯：催化剂= 3 ：5 ：l ，反应时间为5 小时。 选择性和转化率的计算公式为： 转化率= ( 烯的初始含量一残余烯的含量) 烯的初始含量g c 9 6 选择性= ( c + d ) 的含量( 烯的初始含量一残余烯的含量) g c 9 6 m ：残余烯的含量 a ：二氢月桂烯醇 b ：二氢月桂烯醇甲酸酯 c ：1 一( 3 ，3 一二甲基环己基) 乙醇甲酸酯 d ：3 ，3 ，7 一三甲基环庚醇甲酸酯 不同催化剂对反应影响如下表4 1 所示。从表4 1 数据可以看出，t s - i 催化剂是 耐高温酸性树脂，反应转化率很高，但环化反应选择性不是很理想，是因为反应速 度太快，副反应产物太多。而选用的离子膜树脂在反应时易糊化，选择性和转化 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 表4 1 不同催化剂的催化性艟 率较差，因此，不适应该反应。t y n - i 催化剂的转化率和选择性均较高，是因为该 催化剂是经过改性，是通过树脂和金属盐溶液浸泡处理得到，树脂上具备催化滔性 的h + 被金属离子交换，形成的强酸中心变成以具有l e w i s 酸的金属离子为主，不会 被杂质阳离子交换而失活，成为一种固体超强酸催化剂，催化活性和效率均有提 高，比相关报道3 ”的高出五个百分点。得到的香料产品经评香结果认为，香气纯 正。同时该催化剂为固体物质，操作方便，后处理简单，成本低，适用于工业生产， 4 3 1 2 原料配比对醋化反应的影响 反应条件：反应温度5 5 ；甲酸9 5 ：二氢月桂烯9 0 ；反应时间：5 小时。 根据表4 2 可以看出，最佳原料配比为3 ：5 ：1 ，比相关报道“”所使用的酸可以节约 1 0 ，催化剂减少2 5 倍，而选择性差不多，而所得的产品含量要高1 3 5 ，说明改性 强酸催化剂的活性比一般的酸性催化剂要强得多，这样对降低生产成本，对工业化 大生产都具有很重要的意义。 表4 2 不同的原料配比对反应的选择性和转化率的影响 酸：烯：催化荆转化率选择性主毖殴盆查昼竖2 ( 重量比) mg!q甚宣 1 5 ：1 ：0 59 4 9 65 8 2 14 5 4 0 0 2 0 0 34 7 0 02 7 54 5 6 6 1 5 ：1 5 ：0 59 4 9 16 0 3 64 5 80 0 20 0 14 9 0 02 5 64 3 8 3 3 ：5 ：19 5 2 86 3 9 94 2 40 0 50 2 05 2 8 02 0 8 4 06 3 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 4 3 1 3 时间对醢化反应的影响 反应条件：二氢月桂烯9 0 ：甲酸9 5 ：催化剂t y n l ：反应温度5 5 。c ：酸： 烯；催化剂= 3 ：5 ：i ： 由表4 3 可以看出，在反应前5 小时，随时间延长，选择性和转化率均不断提高， 但大于5 小时后，选择性和转化率变化不大，所以5 小时为最佳反应时间。该反应 周期比相关报道3 们缩短2 5 小时，而转化率比它高，选择性相近，色谱分析的产物含 量比它大五个百分点，这主要因为1 ) 经改性的催化剂是以具有l e w i s 酸的金属离子 为活性中心，不会被杂质阳离子交换而失活；2 ) 经改性的催化剂大大地提高了环 化速度：3 ) 酸性提高对环化有利。这对工业化生产、放大和降低生产成本提供了科 学依据。 表4 3 反应时间对转化率和选择性的影响 反应时间转化率选择性主物筮壶! q 丛2 尘!l 逛! 塑m目gq基宣 0 53 9 52 8 65 4 4 72 1 61 1 5 19 7 70 3 82 1 7 1 1 04 7 5 33 1 5 34 7 2 22 3 51 2 1 21 3 00 4 92 4 8 2 2 06 0 13 9 13 & 9 32 3 91 0 8 42 0 3 90 7 62 9 6 9 3 07 4 65 0 02 2 8 72 9 08 4 83 2 o l1 6 23 2 1 2 4 08 6 15 6 31 2 51 6 44 4 24 1 6 41 9 83 7 8 2 5 09 6 2 86 3 9 94 2 40 0 50 2 05 2 8 02 0 84 0 6 3 6 09 5 5 46 3 3 44 0 10 0 50 2 95 1 9 52 5 24 1 1 8 4 3 1 4 俄化剂的稳定性 反应条件：二氢月桂烯9 0 ：甲酸9 5 ：催化剂t y n _ l ：反应温度5 5 c ：酸： 烯：催化剂= 3 ：5 ：1 ：反应时间为5 小时。 在选定的反应条件下，将t n y 1 催化剂装入反应器中，使其连载续反应7 次，每次 反应时间为5 小时，所有反应结果见表4 4 。催化剂在反应前后中选择性和转化率 都没有明显的变化。第一次反应的选择性和转化率分别为9 4 7 2 、6 3 4 4 ，最后一 次反应的选择性和转化率分别为9 4 9 2 、6 3 0 5 ，将使用前后的催化剂进行对比， 外观看无差异。 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 表4 4 催化剂的稳定性 编号转化率选择性芒物盆查! ! 盟2 19 4 7 26 3 4 44 7 55 1 62 4 9 29 5 0 06 3 3 24 5 05 1 32 8 4 39 5 2 96 2 8 34 2 45 1 82 0 8 49 4 7 26 3 。3 24 7 25 1 4 22 5 8 59 5 0 66 2 7 14 4 55 0 9 92 6 6 69 4 5 66 2 9 04 ，9 05 1 0 02 5 3 79 4 9 26 3 0 54 5 75 1 32 5 6 4 3 1 5 温度对醢化反应的髟晌 反应条件：二氢月桂烯9 0 ；甲酸9 5 ：催化剂t y n 一1 ：酸：烯：催化剂 = 3 ：5 ：1 ：反应时间为5 小时。根据表4 5 可以看出，反应温度在4 0 时，有较多的二 氢月桂烯醇和二氢月桂烯醇甲酸酯生成，在5 5 时，反应的选择性和转化率最大， 产物的色谱分析含量也最大，温度达到6 0 时，反应副产物增多，选择性下降，因此 5 5 时，是最佳反应温度。 表4 5温度对反应影响 反应温度转化率选择性 芒堑盆查i 受2 i 2i 蛐她m q基宜 4 06 3 8 91 7 9 33 2 5 2 8 01 5 31 1 60 51 2 i 5 0 9 4 7 55 8 3 44 7 20 o i0 0 24 7 0 02 7 5 4 5 5 0 5 59 5 2 96 3 9 9 4 2 40 0 50 2 05 2 8 02 0 84 0 6 3 6 09 4 7 25 8 2 34 7 5 0 0 40 0 24 7 1 52 4 94 5 5 5 4 3 1 6 小结 通过实验可以得到以下结论： 1 ) 反应最佳条件：催化剂t y n - i ：酸：烯：催化剂= 3 ：5 ：1 ：反应时间为5 小时，温 度5 5 。 2 ) 采用自制的改性固体超强酸催化剂t y n - l ，不仅选择性和转化率均比相关报道 3 l 药革酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 高，而且酯化时间由原先的3 0 小时缩短到5 小时，还有反应过程中使用的催化剂 量也比报道要少近2 5 倍，甲酸少1 0 ，而且所得产品含量要高1 3 5 ，说明改性固 体超强酸催化剂比报道的酸性催化剂活性要好许多，是最佳环化水合催化剂，为 工业化大生产，降低生产成本提供了坚实的技术支持。 3 )自制的改性固体超强酸催化剂t y n l 稳定性较好，：连续使用7 次选择性和转 化率没有明显变化，而且颗粒形状保持完好，是一种长寿命的酯化催化剂。 4 3 2 阿弗曼黧的水解 4 3 2 1 水解反应体系的选择 从下表4 6 可以看出，没有甲醇的体系比有甲醇的体系收率高，但没有的体 系反应条件要求高，必须在1 0 5 下持续反应6 小时。作为工业生产，没有甲醇的 反应体系更适合工业化生产，因为这样可以减少分离工序，提高产品纯度，尽管 比有甲醇体系能耗高，但总生产成本是适宜的。 表4 6 不同反应体系对得收率的影响 n a o h ：h 2 0 ：c h 3 0 h ：c h 0 2 2 5 ：3 8 ：3 0 ：1 1常温2 小时7 5 2 n a o h ：h 2 0 ：c l l l - 1 2 0 0 2 2 9 ：7 5 ：1 11 0 5 c6 小时8 0 5 4 3 2 2 温度对反应的影响 从下表4 7 可以看出，1 0 5 是最佳反应温度，9 5 下反应得率不高，而 在1 1 5 。c 下，尽管温度提高了，得率没有升高。 衰4 7 不同温度对反应的影响 温度收率 9 57 63 1 0 5 1 1 5 8 0 5 7 9 6 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 反应条件：n a o h ：h 2 0 ：c 1 1 h 2 0 0 2( 2 9 ：7 5 ：1 1 ) ，温度1 0 5 。c ，反应时间6 小时 4 3 2 3 时间对反应的影响 表4 8 不同时间对反应的影响 时间收率 57 0l 6 7 8 0 5 8 0 6 从上表4 8 可以看出，反应6 小时是最佳选择，得率达到了8 0 5 ，而反应5 小 时得率只有7 0 1 ，而反应时间过长得率也没有明显提高。 4 3 2 4 小结 1 ) 采用甲醇和氢氧化钠在常温反应得率为7 5 2 j 而采用氢氧化钠在1 0 5 c t 反 应，得率为8 0 5 。只有碱作催化剂的反应体系，既有利于提高药草醇质量， 又利于工业化生产，而且还有较好的得率。 2 ) 最佳的反应条件：反应时间6 小时：反应温度1 0 5 c ； 4 3 3 药草醇的氧化 4 3 3 1 氧化剂选择 从现文献报道来看，药草醇在氧化剂作用下通过脱氢氧化为药草酮，国内外 均采用在酸性条件下以铬酸为氧化化剂“5 1 1 3 4 1 , 从历史来看，铬酸作氧化剂应用也 十分广泛。但都存在共同的缺点：分离提纯困难和铬污染问题。将铬化合物支持 在聚合物载体上使用，可以比较好地解决上述问题。本实验采用铬的络合物作为 负载氧化剂，无机高聚物作为载体，制备了一种稳定的配体铬载体氧化剂，取名 为t y n 一2 。实验对铬酸和t y n 一2 作氧化剂进行了比较，如下表4 9 可以发现以t y n - 2 作氧化剂，氧化反应条件稳定、收率高、操作简单，并且制备过程和氧化过程中 均不产生含铬废液，为清洁生产提供科学依据。而以铬酸作氧化剂，反应剧烈、 副反应多、收率低，且后处理复杂，会产生铬废液，不适合工业生产。 反应条件：反应温度6 0 c ，反应时间3 小时，催化剂4 0 克，药草酮8 克，环已 烷1 2 0 毫升不同的氧化剂对反应的影响见表4 9 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 表4 9 不同氧化剂对反应的影响 氧化剂收率芒塑筮查( q 丛2 f 墅! = 蛰蔓酝= 荭堇酗圭屋壁煎至翌墓宜 铬酸 4 22 58 0 41 2 21 3 46 0 6 t y n 28 4 7 78 1 7 21 1 4 4 36 03 2 4 4 3 。3 2 溶剂对氧化反应的影响 表4 1 0 不同溶剂对反应的影响 溶剂收率芒蛔盆变! 堡2 ! = 蕴茔围e = 蔹茔酿塞匡廛蕴蔓醒甚宜 正已烷 6 9 5 6 5 585 91 15 54 3 l 环已烷 8 47 78 l7 21 1 4 43 6 032 4 反应条件：反应温度6 0 ，反应时间3 小时，氧化剂4 0 克，药草酮8 克，溶剂 各1 2 0 m l 。 不同的溶剂对反应的影响见表4 1 0 选用正己烷和环己烷作为溶剂进行对比实验，不同的溶剂体系反应结果表明， 环已烷较好，这是因为此溶剂有适合的溶解度及符合反应温度的要求。 4 3 3 3 温度对氧化反应的影响 反应条件：反应时间3 小时，氧化剂4 0 克，药草酮8 克，环已烷1 2 0 毫升， 选择不同反应温度。不同的反应温度对反应的影响见表4 1 1 选择不同温度进行反应，由表4 ，l l 可知，在6 0 c 下反应，收率最高，为8 4 7 7 ， 同时d 一药草酮和b 一药草酮各自含量符合i f f 公司的产品要求，分别为8 1 7 2 岬 1 1 4 4 。在5 5 ( 2 下反应，反应还不够完全，得率只有7 8 0 0 。未反应的药革醇还 有6 7 4 ，但n 一药草酮和b 一药草酮各自含量符合产品要求，分别为8 1 0 9 和 8 1 4 。而在6 5 。c 下反应，由于反应温度升高，副反应增加，得率降低，只有7 6 6 0 且d 一药草酮和b 一药草酮各自含量也不符合产品要求，只有7 8 0 0 和1 0 3 。从实 验数据来看，最佳反应温度应该是6 0 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 表4 ”不同温度对反应的影响 温度收率 主物盆盔( 鳗2 1 篁2f 坐 ! 二煎星酮二药堇酌走厘廑荭堇醛甚宜 5 57 8 0 0 8 l0 9 8 1 467 44 0 3 6 0 6 5 8 47 7 7 66 0 8 l7 2 7 80 0 1 1 4 4 1 0 3 3 6 0 28 7 32 4 88 3 4 3 3 4 时问对氧化反应的影响 表4 1 2 时问不同对反应的影响 时间收率 芒缝筮盔! 鳗业 2( 熊! = 荭堇酗 二荭茔酮圭庭廑蕴堇醛甚宜 27 0 5 2 6 7 5 31 1 2 f i 1 6 8 s4 3 3 3 4 8 4 7 7 8 20 8 8 1 7 2 8 l4 7 1 1 4 4 l l0 6 3 6 0 35 l 32 4 39 6 反应条件：采用不同的反应时间，反应温度6 0 ( 2 ，氧化剂4 0 克，药草酮8 克， 环已烷1 2 0 毫升。不同的反应时间对反应的影响见表4 1 2 由表4 1 2 可知，反应3 小时收率最高，再延长时间，收率已不再升高，反而有下 降趋势，是因为副反应增加的缘故，而反应2 小时，收率只有7 0 5 2 是因为反应没 有完全，故反应时间选择3 小时。 4 3 。3 5 小结 1 ) 铬酸氧化剂，副反应多，而且反应难以控制，过程处理复杂，产品得率仅 为4 2 2 5 ，而t y 卜2 氧化剂得率为8 4 7 7 。因此t y n _ 2 不仅是一种很好的载 体氧化剂，制备也简单，而且反应也易于控制。 2 ) 采用t y n 一2 氧化剂，整个反应过程不产生铬废液，防止了铬的流失，从而减 少了铬的污染，保护了环境，为清洁生产提供了科学依据。 3 ) 采用t y n 一2 氧化剂，对醇的氧化反应的操作步骤及分离提纯十分方便，只需 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 将滤除氧化剂后滤液中的溶剂蒸出，经蒸馏即得产品。 4 ) 合成的药草酮符合i f f 公司产品标准。 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 第五章产品定性和定量 5 1 药草酮的结构鉴定 5 ，1 1 样品与标样比较 t 41 i 2 里i 曼ji o d 1 n 1 | 1 图l 药草酮的样品色谱图 j t 4 fi f 曼i ”ji 轴1o 1 _ i 图2 药草酮的标样色谱图 3 7 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 5 1 2 m s - g c 气质联用分析图 ；0 嚣；：髹：。譬蔷i ：搿：。；：1 ”。2 2 g3 s 33 盯3 ，3 b 帖3 舶3 。辞，。l 。h ，。 ”3 l | | | ，1 ，k f 盯， | j ”。i ，i * a i if 1 | l | | |m 。舳嚣，”3 i | | | | | | i1 剖 图3d 一药草酮( m s ) 图m s ( m z ) ：1 5 4 3 ( m ) ：j ：拳：誓朵：。r 。t ：n s 。2 3 。a ，v ，：。器孟苗8 ”1 7 5 ” i f 3 j 1 4 0 1 jl p ，e 图4b - 药革酮( m s ) 图m s ( m z ) ：1 5 43 ( m 1 5 f 3 产品香气比较 合成的药草酮经香气评定，具有清新雪艾菊香韵、强烈的木香和青草香气。与美 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 国i f f ( i n t e r n a t i o nf l a v o r s f r a g r a n c e s ) 药草酮标样香气相同。 5 2 药草酮定量分析 本实验合成的药草酮和美国if f 公司出厂指标对照表如下： 项目i f f 公司指标自制产品分析结果 外观无色液体无色液体 主峰7 0 ( m i n )主峰8 1 7 2 含量( g c ) 总和9 0 ( m i n )总和9 3 1 6 折光指数( d ”。j 1 4 5 01 4 5 51 4 5 3 相对密度0 8 9 5 o 9 0 30 9 0 0 药草酮的合成工艺研究及气相色谱分析方法的建立 第六章结论 用二氢月桂烯为原料经过环化水合、水解和氧化的过程合成药草酮，通过对 整个合成全过程进行研究。在实验的基础上得到了以下的结论。 1 整个合成药草酮过程中，得到了另外两个香料产品：阿弗曼酯和药草醇。这三 个产品国内均未有生产报道，它们是很重的香精香料。 2 酯化反应过程中，最佳反应条件为：反应温度为5 5 ，各反应物配比为酸：烯： 催化剂= 3 ：5 ：1 ，反应时间为5 小时。以离子膜树脂作催化剂合成阿弗曼酯的得率为 3 2 8 7 。以t s 一1 高温催化剂合成阿弗曼酯的得率为5 2 3 1 ，而且两者环化水合的 反应时间均需3 0 小时。在短反应时间内，直径环化水合反应的选择性均不佳，而 自制t y n 一1 催化剂是一种很好的环化水合催化剂，不但选择性高，环化水合反应 时间也只须5 小时，比国内报道的酯化反应时间3 0 小时缩短5 倍，而且催化剂连 续使用七次，性能均未改变，是一种性能稳定，寿命长酯化催化剂。 3 氧化反应过程中