（应用化学专业论文）γ内酯的合成.pdf

硕士论文y 内醑的合成 摘要 y 一烷基一y 一内酯是一种有用的有机化学品及中间体化合物，用于香料、医药、 农药。在一定温度下通过过氧化二叔丁基作用，丙烯酸甲酯与6 个碳以上的伯醇和仲 醇反应可选择性合成高纯度内酯系列化合物。合理的反应条件是醇的量为丙烯酸甲酯 量的4 - 6 倍，过氧化二叔丁基用量为总反应物质量的1 ，实验发现直链结构伯醇转 化率优于支链伯醇，转化率可达9 3 1 ；而仲醇比伯醇更适合此类反应，转化率接近 1 0 0 ，产品收率可达8 0 ，某些促进剂的加入对反应产生影响。通过自由基反应合成 了5 种y 一内酯，研究了反应中的合理工艺参数，并对有关反应机理和影响因索进行 了分析讨论。 同样，丙二酸与庚醛发生k n o e v c n a g e l 缩合反应脱羧能够合成壬烯酸中间体化合 物，然后在酸作用下环合为壬内酯，产品得率提高到5 6 。讨论了发生k n o e v e n a g e l 反应的影响因素，利用红外和气质谱等表征和测定物质结构组成。 关键词：y 内酯，y 一烷基一y 一内酯，自由基反应，k n o e v e n a g e l 反应， 合成 硕十论丈y 内酯的合成 a b s t r a c t y - a l k y l y - f a c t o r i e sa r ei m p o r t a n tf r e ec h e m i c a l sa n di n t e r m e d i a t e s ，w h i c hc a l lb e u s e df o rp e r f u m e s ，p h a r m a c e u t i c a l sa n da g r o c h e m i c a l s ，e t c s o m el a c t o n e so f ah i g l lp m t y w e r es e l e c t i v e l yp r e p a r e db ya l l o w i n gt h er e a c t i o no f m e t h y la c r y l a t ew i t hs o i t l ep d m a r yo r s e c o n d a r ya l c o h o l so f m o r nt h a n6c a r b o na t o m si n t h ep r e s e n c eo f d i t e r t - b u t y lp e r o x i d ea t v a r i o u st e m p e r a t u r e s t h ea n a o u n to fa l c o h o li nr e a c t i o ni sp r e f e r a b l y4 - 6m o l e sp e rm o l e o fm e t h y la c r y l a t e a n dd i t e n - b u t y lp e r o x i d e1 o fa l lt h es u b s t r a t e s i tf o u n dt h a tl i n e r p r i m a r ya l c o h o l sc o u l dr e a c h9 3 1 c o n v e r s i o n 黯c o m p a r e d 雒c r o s s - c h a i na l c o h o l ，a n d s e c o n d a r ya l c o h o lc o u l db ei m p r o v e d1 0 0 i na8 0 y i e l d s o m ep r o m o t e ra p p e a r e d t ob e e f f i c a c yi nt h e s er e a c t i o n s f i v ey 1 a c t o n e sw e r es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e db ya f r e er a d i c a l m e c h a n i s m s o m er a t i o n a l t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，s o m e r e l a t e dr e a c t i o nf a c t o r s c o n d i t i o n s1 j l r e 陀d i s c u s s e d m a l o n i ca c i da n dh c p t a l d e h y d ec o u l df o r mn o n e n o i ca c i db yak n o e v e n a g e l c o n d e n s a t i o nf o l l o w e db yd e c a r b o x y l a t i o n t h ec o m p o u n dc o u l db ef u r t h e rc o n d u c t e da sa g a m m a - n o n a l a c t o n ew i t h8 0 i - 1 2 s 0 4i na5 6 i s o l a t e dy i e l d s o m er e a c t i o nc o n d i t i o n s w e r ed i s c u s s e da n dp r o d u c tw a sa c c o m p l i s h e db yi r , g c - m sa n a l y s e s k e yw o r d s ：y - l a c t o n e ，y - a l k y l y - l a c t o n e ，f r e e r a d i c a l r e a c t i o n , k n o e v e n a g e lc o n d e n s a t i o n ，s y n t h e s i s 2 弋， 1 0 0 1 5 0 8 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 启，j 事 。旦暑 抛b 年6 月以日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 室慧 沙6 年5 月如日 硕 论文y 内酯的合成 1 前言 内酯是一类重要的有机化合物和中间体，在香料香精和药物合成领域有广阔的发 展前景1 一，其浓郁的水果香气和奶油味更让其在食品工业的应用颇为广泛，成为调 香师手下不可少的一类香剂，其优势不仅在于可以增加食物的美味更能替代天然奶油 而减少人们对动物脂肪的吸收，目前作为一种健康的食品添加剂倍受青睐。因此探讨 内酯的化学合成方法有着重要的理论和实际意义，本文讨论t 内酯的合成。 1 1 合成进展 合成香料的发展日新月异，由于新技术、新方法和新原料的不断涌现，各类香气 逼真、香型独特的新合成香料相继问世。现代调香师凭借丰富的各类原料，几乎可以 随心所欲地模仿或创拟出各类令人愉快的香味，从而提高了人们的生活质量，改善了 环境氛围。 在3 0 年前，合成香料只有3 0 0 0 多个品种，实际应用的商业产品只有7 0 0 多种。 而现在合成香料已经有5 0 0 0 多个品种，商业化的达到1 0 0 0 多种。全世界合成香料年 产量已接近2 0 万吨，年销售额超过1 6 亿美元，一直以5 左右的年递增率增长，显 示了蓬勃的生机和强大的活力【3 1 。 相比较传统的天然提取方法，化学合成方法和生物技术在香料香精生产中越来越 受到人们的重视，应用也越来越广泛。 1 1 1 化学方法合成 化学合成方法具有很显著的优势：一是原料品种多、来源广易得；二是合成方法 可以根据目标产物的结构进行设计探索，可选择性强；三是化学方法合成易形成产品 系列化工业生产。 1 1 1 1 合成方法 t 内酯系列中，典型的代表化合物是丫- 壬内酯，综合国内外文献对其合成研究的 报道，合成方法主要有下列几类： ( 1 ) 不饱和酸的直接环化反应 由b ，t 不饱和酸在硫酸等酸催化剂的存在下加热制得： 吼z 脚- = c h c h 2 c o o h 9 又c 一舭h ，n - ， 硕士论文y 内酯的合成 研究发现采用高氯酸和浓硫酸组成的混酸作催化剂，较单纯使用浓硫酸作催 化剂的反应时间大大缩短【4 s l ，产品收率为4 7 0 。专利文献 6 1 报道了4 _ 壬烯酸 在聚磷酸、酸性离子交换树脂和固体磷酸等酸性催化剂的存在下，经环化反应制 备p 壬内酯的方法，收率为5 2 3 。此法合成路线短，反应条件简单，但是由于 浓硫酸的强氧化性，使得副产物较多，产品产量和质量不高，不具有环境经济行 为。 ( 2 ) 丙二酸与脂肪醛缩合法 以醛为起始原料，在吡啶( 或三乙胺) 催化剂存在下，醛与丙二酸进行加热缩 合、脱二氧化碳，制得中间产品烯酸，然后在h y 型分子筛的存在下进行分子内环 化，最终生成相应的t 壬内酯瓯7 一，产品收率最高为5 8 8 。 q o o h c h 3 ( c h 2 ) 5 c h o + 托堡堑迂啦c h 3 ( c h 2 ) 5 ( i h c h ( c o o h ) 2 ,cooh o h 二二_ j ! 1 2 1 c h 3 ( o h 2 ) 5 c h = c h c o o h - c h 3 ( c h 2 ) 4 c h - 一- c h c h 2 c o o h 工又。h ， ( i 2 ) ( 3 ) 以丫- 羟基炔为起始原料的合成 文献吲报道了以y 羟基炔为起始原料，在t h f 溶剂中，7 8 ( 2 下与二氧化碳作用， 经催化加氢得到, y - 羟基羧酸，然后在酸的作用下，分子内酯化得到7 - 壬内酯，产品收 率为6 4 3 ，反应方程式如下： c s h l l c h - - 偌c h1 ) 2 b u l i , t h f ) c 5 h l i c h c 三；c c o o h 占h 2 ) c 0 2 占h _ 旦2 竺c 5 h l 广牟h - c h 2 一c h 2 一c o o h 斗 e t o hi o h ( 1 3 ) 5 h i i ( 4 ) r e f o r m a s t s k y 反应合成法 通常利用r e f o r m a t s k y 反应【i o l ，即将醛与舡溴代酸酯的混合物在惰性溶剂( 如 醚、苯等) 中与锌粉作用，q 溴代酸酯就先生成有机锌化合物，所得到的有机锌化 合物与醛和酮的羰基发生亲核加成后再水解，就生成b 羟基酸酯，酯再水解就得到 p 羟基酸。在合成t 内酯的反应中，是将一羰基化合物与p 卤代酯在锌存在下进行 缩合，可得到丙位羟基羧酸酯，在酸催化下脱水生成相应的t 内酯。其反应式如下： 2 硕士论文y 内酯的合成 r r l 。+ b r c h 2 c h 2 c o o c 2 h 5 卫卜c h 2 c h 2 c o o c ：h 。 o h h +r 、厂弋 r 1 弋广o( 1 4 ) ( 5 ) 取代环氧乙烷与丙二酸缩合法 取代环氧乙烷与丙二酸缩合法这一条路线足利用烷基环氧乙烷与钠代丙二酸 二乙酯的缩合，然后脱羧成为p 内酣8 t1 1 1 2 1 其反应式为： r 弋了+ o眦一z 峨一喾2 lo ( 1 5 ) ( 6 ) 新型固体碱催化1 1 3 。峒 该方法同样以庚醛与丙二酸为原料合成丫- 壬内酯，所不同的是用固体强碱代替 有机碱用于反应的催化。采用多乙烯多氨基乙基膦酸钡载体，载体用5 k o h 处理 后，用金属钾处理得固体强碱，在最佳反应条件下收率可达8 2 以上。文献报道该 催化剂具有较高的催化活性，易于再生，可重复使用五次以上，是一种环境友好的 催化剂。 ( 7 ) 利用醇类与不饱和酸( 酯) 的自由基加成反应合成t 壬内酯i ”。 醇类在自由基引发剂的存在下形成自由基，然后与不饱和羧酸( 酯) 进行加成 反应，专利文献公开报道了丫- 壬内酯的制备方法【1 t1 8 1 ，除了过氧化物外，还加入了 h 3 8 0 4 和对甲苯磺酸等，产率分别为8 0 5 和7 9 8 。另一份日本专利旧公开了以 含水丙烯酸或丙烯酸甲酯为原料合成y 壬内酯的方法，文献( 2 0 - 2 2 也报道了反应体系 中用含氮化合物作催化剂的方法，并以含氮化合物来抑制副反应的发生，产率最高 达7 8 4 。在国内文献报道中。2 6 1 ，以此类方法对丫- 癸内酯和t 十一内酯的合成进 行了研究。 目前，关于p 壬内酯合成方法【娴8 ，4 7 - 4 9 1 的探讨多集中于这一类利用醇和烯酸酯 的反应，此种方法的优点是成本较低，反应时间短，后处理简单，得到产品的香气 较为纯正；但是由于烯酸酯极易聚合，因而该反应的产率较低，所以如何控制烯酸 酯的聚合来提高反应的收率及选择适宜的溶剂减少醇的投入量是这一类反应所必 须解决的问题。 1 1 1 2 合成实例 a ) p 十一内酯 3 硕十论文 y 内酯的合成 p 十一内酯化学名称为4 羟基十一酸吖- 内酯，有关t - 十一内酯的制备有三种方法 f 4 2 3 1 ：一是由十一烯酸与硫酸反应制得；二是由庚基环氧乙烷与钠代丙二酸酯反应而 制备；而要获取质量高的t 十一内酯则采用第三种方法：由正辛醇与丙烯酸甲酯反应 而制备。蔡宝国在文献1 2 3 l 中采用该种方法制备了t 十一内酯。他将反应装置进行了 改进，反应器上安装了具有回流冷凝及排空结构的分离柱，通过控制冷凝水的流量， 精确控制回流温度在甲醇的沸点6 4 以上，而在丙烯酸甲酯的沸点8 0 5 c 以下，使 得反应向正方向进行，加快反应速率。该反应的工艺参数为：正辛醇与丙烯酸甲酯的 投料摩尔比为7 ：l ，反应时间为6 小时，反应温度为1 7 0 1 8 0 ，引发剂用量为1 ， 达到了收率8 0 的理想结果。 - 张东华口7 l 采用工业制法制备p 十一内酯，即由烯酸在硫酸中异构化，在反应温 度9 0 ，反应时间8 h 的条件下，产物收率4 7 o 。刘伟采用了以高氯酸和浓硫酸 组成的混酸为催化剂，改进反应条件，大大缩短反应时间，1 0 0 的反应温度下得 率为4 8 8 。 b ) 卜癸内酯 一份日本专利1 6 l 公开了4 癸烯酸在聚磷酸、酸性离子交换树脂和固体磷酸等酸性 催化剂的存在下，经环化反应制备了t 癸内酯。 随着石油化工的发展，可以采用a 烯烃为原料合成y - 内酯类香料。a 烯烃在高于 其最低价态的锰、铯、和铈等离子存在下，同a 碳原子上最少含有1 个氢原子的羧酸 盐反应生成丫- 丁内酯。例如，a 烯烃溶于冰醋酸中制成溶液，将等摩尔当量的醋酸锰 【m n ( c 2 h 3 0 2 ) 3 2 h 2 0 】和一定量的无水醋酸钾加入上述溶液中加热回流，通氮气直至棕 色m n 3 + 颜色消失，反应即完成。反应时间为0 5 6 h 。加入无水醋酸钾的目的是抑制 副反应的发生。得率在5 0 7 4 之间。 c ) p 壬内酯 王乃绪阱j 用弘庚烯和醋酐为原料，以醋酸锰作催化剂，在冰醋酸溶液中加热， 温度为8 0 1 2 0 ，反应5 - 1 2 h ，合成的y 壬内酯的得率为2 8 6 。 c l a u d i o n 将辛烯在1 2 0 1 4 0 温度下缓慢加入过二硫酸钾、脂肪酸钾及碱性醋酸 高铁的醋酸非均相混合物中，收率为6 5 。一份日本专利中，5 6 9 1 辛烯、 8 3 9 b r c h 2 c o o h 和1 5 m l 苯在氮气保护下加热至8 0 c ，在l h 内加入含1 2 9 ( p h c o ) 2 0 2 的1 5 r a l 苯溶液，并在相同温度下加热5 h ，生成5 8 9t 壬内酯，得率6 8 ，经g l c 分析，1 辛烯转化率为9 8 。 4 硕士论文y 内酯的合成 1 1 2 生物技术的应用 1 1 2 1 背景及优势 自从啤酒、葡萄酒和乳酪等相关发酵产品的问世，微生物发酵过程一直在食用复 杂香味物质的发展中起着重要的整和作用。当代生物技术已经从手工工艺进化到大规 模工厂化生产。1 5 0 年前，苯甲醛是第一个被鉴定的香料化合物，而香兰素的分离、鉴 定和合成标志着当代香料工业真正的开始( t i e m a n na n dh a a r m a n n1 8 4 7 ，r e i m e ra n d t i e m a n n1 8 7 6 ) ，第一篇有关微生物香料的综述发表于1 9 2 3 年。早在十九世纪五十年 代初，经典的有机分析方法就被刚刚发明的气相色谱所取代，这一技术也促进了挥发 性化合物的分离和结构鉴定发展。近年来，有关利用微生物生产香精香料的文章发表 越来越多( a r m s t r o n g c t d1 9 9 3 ，b e r g e r1 9 9 6 ，t a k e o k a1 9 9 5 ) 。早期的研究主要集中在筛 选可产生芳香化合物的微生物菌种上，而现今微生物技术( 包括基因工程) 正越来越 多地应用于提高生物催化剂的催化效率上。 此外，生物技术还显现出其它的优点，香料是生物活性物质，手性对其香味具有 重要的影响，而生物催化剂可选择性地催化合成手性化合物。 生物技术进一步的优点是： 1 独立于农业之外，可不受于地方不利环境条件所限制。 2 可利用工程技术方法进行放大和工业化生产，产品易于回收。 3 为发展中国家保护资源。 高等植物精油、果汁、植物提取物和一些少量的动物，长期以来是天然香料的唯 一来源，而生物技术主要包括微生物、植物细胞和酶的单步生物转化和从头合成，完 整细胞可用于复杂目标化合物的生物催化合成，而游离酶可用于单步反应和催化。在 微生物中，真菌所产生的挥发性物质与植物挥发物质极其相似，许多真菌挥发性物质 已经被确定，结构也等同于高等植物香料。 完整微生物细胞可催化完成碳水化合物、脂肪和蛋白质的代谢过程，且可将降解 后的化合物转为更复杂的香料化合物分子。普通的发酵培养可产生大量的初级代谢产 物和微量的复杂化合物。例如在乳品中乳酸大量产生的同时，一些微量的挥发性香料， 如短链醇、酮、甲基酮以及吡嗪、内酯、硫醇类化合物也伴随着产生。然而，这方面 的研究进展受到代谢规律缺乏的限制。可能有效的方法是通过代谢流的研究结合酶的 诱导、反馈调节、分解代谢的调节以及能荷调节来促进香料化合物的生物合成。 价廉易得的可再生的天然前体物，如脂肪酸和氨基酸，可以通过微生物发酵和酶 工程技术转化为高附加值的香料化合物。生物催化优于化学催化主要在于：( 1 ) 手性 的引入，( 2 ) 化学惰性碳原子的功能转化，( 3 ) 在多功能分子中选择性修饰特定的基 硕十论文 y - 内酯的合成 团，( 4 ) 手性香料化合物的拆分。 1 1 2 2 生物技术生产实例 以研究热点中的r - 癸内酯( g d l ) 的生物技术为例作一介绍t 2 s - 3 0 l 。采用生物技 术可通过三种途径得到g d l ：生物合成、生物转化和生物催化。 a ) 生物合成法制取g d l 某些真菌、丝状真菌和酵母菌在静止期能合成和积累对于细胞生长必需的作为次 生代谢物的内酯。b e r g e r 从长有担子菌的含有麦芽酵母提取液的培养基中发现了 g d l 。l e e 等用发酵法生产了p 癸内酯。 b ) 生物转化法制取g d l 羟基脂肪酸，非羟基脂肪酸和脂肪酸酯可作为底物。3 - 内酯的直接前体是丫羟基 脂肪酸。不同的脂肪酸底物先要经过微生物体内酶的转化生成直接前体，才能转化成 内酯。 c ) 生物催化法制取g d l 酶在非水相中具有催化活性，被广泛应用于有机合成中，应用最多的是脂肪酶， 价格便宜，不需要辅酶，底物适应强。脂肪酶不仅能催化脂的水解反应，而且在有 机相中能催化酯化反应和酯交换反应，包括催化羟基脂肪酸形成内酯。 1 2 本论文的主要研究内容 本论文主要是围绕y 一内酯的化学合成展开研究工作，通过大量的实验和分析， 对其合成的方法及影响因素进行探讨，并探讨其反应机理。 【1 ) 以醇和不饱和羧酸酯为原料，过氧化物为引发剂，按照自由基反应的机理审4 取 相应的y 一内酯类香料，探索反应合成方法和反应条件等特性。 ( 2 ) 以庚醛和丙二酸为起始原料，经过缩合，脱羧合成壬烯酸，再与硫酸作用合成 y 一壬内酯，通过改进工艺参数，提高第一步反应收率。 ( 3 ) 两种制备方法都存在难以控制的副反应，通过控制反应条件加强主反应，并分 析副反应发生的可能原因。对比两种制备方法的优势和缺点。 6 硕十论文y 内酯的合成 2 实验部分 2 1 所需药品和主要仪器 药品：无水乙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、正己醇、正庚醇、正辛醇、异辛 醇、2 辛醇、丙烯酸、丙烯酸甲酯、过氧化二叔丁基、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁 腈、丙二酸、庚醛、三乙胺、毗啶、氢氧化钠、硫酸钠、盐酸，硫酸，碳酸钠，氯 化钠等试剂均为化学纯以上。 主要仪器：c r c l 2 2 气相色谱仪，b r u k e r t e n s o r 2 7 型红外光谱仪，f h u f i g a n t r a e e g e u l t r a 气质联用仪。 2 2 实验方法 2 2 1 由醇与丙烯酸( 酯) 合成y 一内酯 醇与不饱和羧酸酯在自由基引发剂存在下，经自由基加成反应脱去小分子化合 物如水或醇可得相应的y 一内酯。 按物料比计算原料的加入量，在装有搅拌器，回流冷凝管，温度计，恒压滴液漏 斗的四口烧瓶中加入一定量的醇原料，升至反应温度后，其余醇与丙烯酸( 酯) 、引 发剂自恒压滴液漏斗加入，加料结束后继续搅拌反应数小时，常压蒸出过量醇得内酯 粗品，含量在8 0 以上，再经减压蒸馏得产品，纯度可达9 7 以上。气相色谱法分 析纯度，通过红外和质谱检测分析化合物结构。 气相色谱条件如下： f i d ( 氢火焰离子化) 检测器； 载气为高纯氮气； 检测器温度：2 5 0 ； 进样口温度：2 5 0 ； 柱温：1 9 0 质谱条件如下： s o u r c et e m p e r a t u r e ：2 8 0 c s a m p l et e m p e r a t u r e ：1 8 0 c r e s e r v o i r ：7 5 e v 7 颈 论文y 内酯的合成 2 2 2 由庚醛、丙二酸合成y 一壬内酯 我国蓖麻资源丰富，蓖麻油裂解得到大量的庚醛，为更好地开发利用庚醛，选用 庚醛为原料制备壬烯酸，再以壬烯酸在硫酸的存在下进行内酯化来制备t - 壬内酯。 2 2 2 1 壬烯酸的合成 在装有搅拌器、温度计、回流冷凝管、加料漏斗的四1 3 烧瓶内加入丙二酸，滴加 碱催化剂，在搅拌下加入庚醛，加料完毕后继续搅拌并升温，当达到反应温度时开始 记时，恒温数小时，反应结束后自然冷却到4 0 5 0 c ，加入2 0 的盐酸，酸化反应中 的碱催化剂。将反应液倒入分液漏斗中静置分层，弃去下层液，上层油层用水洗至中 性，用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏得壬烯酸。 2 2 2 2y 一壬内酯的制各 在装有搅拌器、温度计、滴液漏斗的三口烧瓶内，投入壬烯酸，开启搅拌，滴加 8 0 雕j 硫酸，保持在一定温度下反应。酯化反应结束停止搅拌，冷却、洗涤，用分液 漏斗分离油相和水相，弃去水相。油相用碳酸钠溶液洗涤，静置分层，放出水相。油 相再用饱和食盐水洗涤后进行减压蒸馏得丫- 壬内酯。 硕士论文y 内酯的合成 3 结果与讨论 3 1 自由基反应合成y 一内酯系列 利用伯醇和仲醇与丙烯酸甲酯在自由基引发荆过氧化二叔丁基的存在下，经 自由基加成反应，合成y 一壬内酯、y 一癸内酯、y 一十一内酯以及y 一十一内酯的同 分异构体y 一甲基一y 一癸内酯、y 一异庚基一y 一丁内酯。 3 1 i 合成反应原理 两个原子之间的共用电子对均匀分裂，两个原子各保留一个电子，共价键的这种 断裂方式称为键的均裂。键均裂的结果产生了具有不成对的原子或原子团，郎自由基 ( 游离基) 。 自由基性质活泼，可以继续引起一系列的反应( 链反应) ，有自由基参与的反应口q 做自由基反应。引发自由基反应的条件有光、热以及过氧化物引发剂。自由基反应包 括链的引发、链的增长和链的终止三个阶段。在适合的条件下，反应物一旦被引发， 自由基反应就可以顺利的进行，但必须控制好反应条件，否则副反应的增多会大大削 弱主反应。 少量氧的存在会推迟自由基链反应的进行1 1 0 】。这是因为活泼的自由基可以和氧生 成不活泼的过氧自由基，过氧自由基的反应性能很不活泼，几乎不能使链反应继续下 去，所以氧的存在会使自由基反应不能正常进行。如果外界引发自由基的条件仍然存 在，那么经过一段时间，当氧被消耗完了以后，反应又能重新进行。这种时间的推迟 叫做自由基反应的诱导期，能使自由基反应减慢或停止的物质如氧称为抑制剂或阻抑 剂。 此外，形成各种烷基自由基所需的能量按照c h 3 1 0 r 2 0 r 3 。r 的次 序递减。相对于形成各自由基的母体烷烃来说，形成自由基所需能量越低，意味着这 个自由基愈易生成，所含有的能量也愈低，即愈稳定。所以自由基的稳定性次序是 3 。r 2 。r 1 0 r c h 3 。这个次序和伯、仲、叔氢原子被夺取的容易程度( 即活 泼性3 0 h 2 。h l 。h ) 是一致的。因此，愈稳定的自由基愈易形成。 醇在自由基引发剂引发条件下形成醇自由基，然后与不饱和酸酯的双键加成，脱 去小分子化合物水、甲醇等生成目标产物。按照上述原理，选用不同的醇原料合成各 种内酯。 9 硕七论文y 内酯的合成 3 1 2y 一壬内酯的合成 y 壬内酯( y - n o n a l a c t o n e ) 又称椰子醛，是一种不溶于水，可溶于乙醇、甲苯 等有机溶剂的无色或淡黄色液体，沸点1 2 1 1 2 2 c 6 m m h g ，闪点1 3 2 c ，相对密度 0 9 6 5 - 0 9 7 0 ( 2 0 ) ，折射率n d 2 0 1 4 4 6 1 4 5 0 。y 壬内酯广泛用于香料工业中，在日 用香精中经常用于茉莉、铃兰、百合、玫瑰等花香型或幻想型香精中。在食用香精中 除作为椰子香精的主香剂外还用于奶油、杏仁、桃子、樱桃等香精中。长期以来y - 壬内酯的合成国内外均采用庚醛和丙二酸缩合反应生成壬烯酸，再以h y 型分子筛或 硫酸为内酯化剂，经加热环化制取。 正己醇在自由基引发剂存在下形成自由基，然后进攻丙烯酸甲酯的双键，醇自由 基加成到烯烃含氢多的碳原子上【3 n 。碳自由基对烯烃的加成中，新形成的c c 键( 键 能3 6 8 k j t o o l 1 ) 的能量足以补偿双键( 键能2 2 6 k j - m o l 4 ) 断裂的能量。因此，这是 一个十分有利的放热反应，通常是不可逆的【3 2 】。 生成的t 羟基羧酸酯在加热的条件下脱去一分子的甲醇，环化得到丫壬内酯，其 反应历程见下式： ( c h 3 ) 3 c o o c ( c h 3 ) 3 斗2 ( c h 3 ) c o c 5 h ii c h 2 0 h + ( c h 3 ) 3 c o _ c s h il c h o h + ( c h 3 ) 3 c o h c s h i i c h o h+ c h f = c h c o o c h 3 c 5 h i i c h c h 2 c h c o o c h 3 0 h c s h l l c h 2 0 h c 5 h 1 1 ( ；h c h 2 c h 2 c o o c h 3 - - c h 3 0 h 0 h ( 3 1 ) 由合成反应的原理可以看出，反应受原料投入比、温度、自由基引发剂等各种因 素的影响，因此，对反应的影响因素进行了讨论，结果如下。 1 ) 原料丙烯酸( 酯) 对反应的影响 丙烯酸与丙烯酸甲酯都能够提供待加成的双键，理论上均可脱去水或甲醇生成产 物t 壬内酯，但丙烯酸与丙烯酸甲酯的沸点不同：其中丙烯酸甲酯的沸点为8 0 5 ， 与己醇的沸点相差较远，与反应生成的甲醇沸点接近；丙烯酸的沸点为14 1 6 ，与 反应物正己醇的沸点接近，而与反应生成物水相差较大。采用不同的不饱和酸酯原料， 按物料比( 正己醇与不饱和酸酯的摩尔比) 4 ：l 加料，反应时问7 小时，并适当改变 其他反应条件品度，引发剂，结果如下： 1 0 硕士论文y 内酯的合成 表3 1 1 原料对反应的影响 序号原料引发剂 t ，收率， 1丙烯酸甲酯d t b p 1 5 05 7 3 2丙烯酸d t b p1 5 0 - 拄“1 3丙烯酸 b p o7 0 4丙烯酸b p o1 2 0 5 丙烯酸 a m 一7 0 6丙烯酸a i b n l 1 2 0 一 住 1 ：反应中均出现聚合现象，未检测出产品 从实验现象上看，换用丙烯酸代替丙烯酸甲酯，引发剂分别用过氧化二叔丁基 ( d 1 b p ) ，过氧化苯甲酰( b p o ) ，偶氮二异丁腈( 删) ，实验温度分别为7 0 * ( 2 、 1 2 0 1 2 、1 5 0 ( 反应温度由原料与引发剂共同决定) ，均在反应结束后出现聚合现象， 趁热蒸出正己醇后，无产品蒸出，将剩余溶液作气相色谱，见成分复杂，且难以分离， 产品保留时间处有一小峰，含量极低，约5 。因此，丙烯酸的效果不如丙烯酸甲酯。 丙烯酸兼有羧酸与烯烃的性质，双键容易发生氧化和聚合反应。本自由基反应中所用 的引发剂恰恰也是好的聚合反应【4 5 ，铜引发剂，在一定的条件下，丙烯酸作为单体，可 以得到平均相对分子质量较低的聚丙烯酸( 相对分子质量以千计) ，也可得到平均相 对分子质量较高( 几万到几百万) 的聚丙烯酸。同时丙烯酸又与醇的自由基发生作用， 在蒸馏阶段的较高温度下，发生众多反应，得到多种副产物，这与实验中发现粘稠聚 合物的现象是一致的，也与气相色谱出现许多杂峰的结果吻合。 2 ) 物料比对反应的影响 由于丙烯酸甲酯极易发生聚合，因此在反应过程中，正己醇既作为反应物，又作 为溶剂：增加正己醇的用量，降低反应体系中丙烯酸甲酯的浓度，就会减少丙烯酸甲 酯与自由基的碰撞几率，副反应与副产物同时减少；所以，合适的物料比对反应的收 率及纯度都有很大的意义。为了研究物科比对反应的影响进行了下列实验，反应温度 设定为1 5 0 ，反应7 小时： 表3 1 2 物料比对反应的影响 硕士论文y 内酯的合成 1 ：n ( 正己醇) ：1 1 ( 丙烯酸甲酯) 置 2 ：发生了严重的聚合反应；2 3 ：反应液粘稠，难以分离进 行气相检测；垃 4 ：反应液颜色很深，为黄棕色，气相色谱分析纯度低，杂峰多 由表3 1 2 可以看出，随着正己醇用量的增加，产品的收率逐步增大，当正己醇 与丙烯酸甲酯的物质的量之比达到5 ：1 时，收率基本稳定，再增加正己醇的量对反 应的收率影响不大，因此选择物料比5 ：l 作为其反应条件，可以有较高的收率。从 节约原料方面考虑，过量的正己醇可以回收蒸馏后继续利用，而对反应结果影响不大。 3 ) 不同引发剂对反应的影响 十壬内酯的合成属于自由基加成反应，由于不同的自由基引发剂，其裂解温度是 有差异的，所以选择适宜的自由基引发剂非常重要。常用的自由基引发剂如：偶氮二 异丁腈( a j b n ) 在4 0 8 0 c 时有适当的半衰期，在这一温度范围内反应可以达到自 由基引发的目的；过氧化苯甲酰( b p o ) 的裂解温度在5 0 - 1 0 0 c ；过氧化二叔丁基 ( d t b p ) 在l l o 1 5 0 c 时才开始裂解【3 l 矧。此外，从这三种引发剂的形态上看，除d t b p 为液体外，其余两种均为固态，因而加料方式上有所区别。d t b p 加到恒压滴液漏斗 中，与丙烯酸甲酯和正己醇同时滴加到已经加热的正己醇溶液中，此时烧瓶内已有蒸 汽将反应体系与氧气隔离，因此引发剂用量可以少些。b p o 和a i b n 则要事先加到 烧瓶内，由于烧瓶内存在的少量氧会消耗掉一部分自由基，因此要适当增加引发剂的 用量。根据不同引发荆的特性，进行了下列实验： 由于物料比4 ：1 已经可以成功提取出产品，且实验现象明显，故选择4 ：1 的物 料比为实验条件，反应时间为7 小时。 表3 1 3 引发剂对反应的影响 序号引发剂 t ，收率， 纯度， 1a i b n704【lj一 2a l b n 1 2 0一一 3 b p o7 08 7 7 1 2 4 b p o1 2 01 8 57 5 7 5 d t b p1 2 03 5 i 8 7 5 6d t b p1 5 05 7 3 8 9 1 瞳【l l ：大部分醇原料在蒸馏过程中蒸出，未检测出产品 表3 1 3 表示，a i b n 在低温及高温下都没有产物；以b p o 作引发剂虽然有产物 生成，但产品的收率和纯度都不高：d t b p 作用下，反应的收率和纯度都较好，并且 1 2 硕士论文y 内酯的合成 由于笼蔽效应【3 1 1 的影响，温度较高时收率也较好，因此，选择d t b p 作为合适的自 由基引发剂。 4 ) 引发剂用量对反应的影响 在1 5 0 c 反应温度下，正己醇与丙烯酸甲酯的摩尔比为5 ：1 ，改变引发剂d t b p 与总反应物的质量百分比，反应7 小时，考察引发剂用量对反应的影响，实验结果见 表3 1 4 。 表3 1 4 引发荆用量对反应的影响 4 1 ：m ：m 2 为引发剂与总反应物的质量百分比 反应过程中引发剂d t b p 的用量要适当，引发剂用量少，整个自由基加成反应速 度则慢，产品收率低，这是因为反应过程中存在的氧气会消耗捧自由基，使得反应停 滞，造成反应时间上的推迟，即自由基反应的诱导期，而氧气就成了抑制剂；如果引 发剂用量过多，虽然可以提高反应速度，但是同时加大了自由基与丙烯酸甲酯碰撞生 成聚合物的几率。由表3 1 4 知当质量比为1 时，产品得率达到最大值。因此，准 确使用引发剂用量为总反应物质星的1 ，对提高反应的得率具有极大的意义。 5 ) 温度对反应的影响 有机引发剂都需要一定的温度才能释放自由基，引发链反应，但是过高的温度也 会加快丙烯酸甲酯的聚合。因此，在自由基反应中，必须选择适宜的温度以保证反应 的产率。 从自由基反应的机理上来讲，自由基的裂解是一个吸热过程，温度升高有利于自 由基的加成反应，促使反应的速度加快；但温度过高，在整个反应过程中将会出现一 些有机物质的碳化现象，增加高沸物，产品的纯度明显受到影响。另外，过商的温度 会使自由基自身碰撞机会增加，自由基终止的速度也增加，使产品的收率下降。因此， 选择一个合理的反应温度是十分重要的。 固定正己醇与丙烯酸甲酯的摩尔比为5 ：l ，自由基引发剂d t b p 的用量为总反应 硕十论文y - 内醅的合成 物质量的l ，改变反应体系的温度，考察不同温度对反应的影响，实验结果见表3 i 5 。 表3 1 5 温度对反应的影响 正己醇的沸点为1 5 5 ，d t b p 的裂解温度在1 2 0 左右，故在1 2 0 1 5 5 划分几 个温度点。由表3 1 5 可见，随着反应温度的升高，产品的得率逐步上升，当反应温 度达到1 5 0 时，产品得率最高( 4 8 o ) ，继续提高反应温度，反应过程中将会出现 一些有机物质的碳化现象，得率下降，同时也增加了蒸馏的难度，实验过程中发现随 着温度的升高，蒸馏过程中出现的聚合物的粘性会大大增加，部分产品会包裹在粘稠 的高聚物中，无法蒸出。因此，选择反应温度为1 5 0 作为合理的反应条件之一。 6 ) 其他条件对反应的影响 本课题除了讨论上述5 个反应条件外，还探讨了其他条件对反应的影响程度，如 一些酸促进荆的加入，设备条件，操作方法等。考虑到投料比4 ：l 已可以明显看出 实验效果，本组实验选用4 ：l 和5 ：1 的物料比，反应温度1 5 0 c ，原料投入量控制 在7 小时内能够滴加完毕，产品收率按照粗品计算，实验结果见表3 1 6 。 表3 i 6 其他条件对反应的影响 1 4 硕十论文y 内醢的合成 8 1 ：未加入促进剂，未改变其他条件；炷 2 _ 篁 4 ：未检测出产品 从表3 1 6 可以看出，除了引发剂外，向反应体系中加入其他一些促进剂，如无 机酸及其盐类：k 2 s 0 4 ，h 3 8 0 4 ，a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，h 3 p 0 4 ；有机酸：草酸，对甲苯磺酸； 路易斯酸：无水a i c l 3 ，z n c l 2 ；含氮化合物：三甲基苄基氯化铵，吡啶等。此外，在 不改变其他反应条件的情况下，蒸馏时加入少量对苯二酚，可以大大降低聚合反应的 程度。实验结果显示，一些酸促进剂的加入可以提高产品的收率，如对甲苯磺酸、 k 2 s 0 4 、h 3 8 0 4 、z 1 1 c 1 2 ，其中以对甲苯磺酸的效果最好，反应液始终保持无色透明， 由实验经验可知，颜色越是清亮，产品质量就越高，纯度和香气都有明显提高。文献 报道，含氮化合物可以抑制自由基反应中的副反应，本课题中采用了吡啶与三甲基苄 基氯化铵，实验结果没有达到预期效果，且由于含氮化合物大多有特殊的气味，从而 影响了产品的香气。质子酸不能够促进该自由基反应，其酸性和氧化性造成了碳化现 象。路易斯酸虽能够提高收率，但产品质量上却有所下降。在不改变反应条件的情况 下，原料用量的加大对反应的影响较为明显，如采用5 ：1 的物料比，当原料用量放 大一倍时，产品收率可达7 9 8 ，且粗品纯度就可达9 6 ，气相色谱图见图3 1 1 。 i； m 图3 1 1 y - 壬内酯的气相色谱图 硕t 论文 y 内酯的合成 第一个峰为溶剂无水乙醇峰，第二个峰( 保留时间5 6 7 9 r a i n 处) 为产物峰。 蒸馏过程中对苯二酚的加入是个很好的抑制聚合的办法，对苯二酚作为一种阻聚 剂【4 5 - 蛐】，在蒸馏前加入，可以将自由基反应完全停止，抑制因蒸馏中高温引起的自由 基副反应，从实验现象上看，产品的颜色十分清亮，香气纯正。此外，表3 1 6 还显 示，n 2 保护下的反应由于与氧气隔绝，避免了产品在高温下与氧气接触，从而减少 了一些高温下发生的氧化反应，对抑制副反应有较好的作用，但对收率影响不大。促 进剂的加入使不同物料比的反应结果出现了一些交叉，前已叙述物料比对反应影响较 大，在本组实验中，在4 ：1 摩尔比的反应液中加入对甲苯磺酸后，产品收率达6 9 9 ， 超过了部分5 ：l 物料比的实验。可以得出这样的结论，酸促进剂对反应有一定影响。 在实验操作方法上曾尝试在减压条件下反应以控制因高温氧化引起的副反应，即 在较低的温度下进行自由基加成。但由于丙烯酸甲酯的低沸点及挥发性，加料过程中 极易被抽出反应体系，该实验未能获得成功。 在对反应溶剂的考察上，采用苯和甲苯为溶剂，将正己醇和丙烯酸甲酯按1 ：l 加 料，反应温度为溶剂的回流温度进行探索。在减压蒸除溶剂的操作中，发现馏分量多 于溶剂的加入量，剩余溶液则在卸压后聚合。将馏分作气相分析，未检测到产物。 实验得到的产物t 壬内酯的质谱图如图3 1 2 ( 与标准图谱对照确定了结构) ： 2 9 4 五i 二i k1 ：攀，1 2 0 mm qi 目1 w m z 图3 1 2 十壬内酯的质谱图 m z 1 5 6 为分子离子峰；m z 8 5 ( c a l 5 0 2 + ) 为1 5 6 - 7 1 ，即丢失- c 5 h u 的碎片峰；m z 2 9 为c 2 h s + 。 t 壬内酯的红外分析结果见图3 1 3 ： 1 6 釉 柏 o 强哥1工羔-o乏 硕十论文y 内酯的合成 图3 1 3t 壬内酯的红外谱图 谱图中主要峰的分析： 2 9 3 2 1 8c m 1 和2 8 6 0 9 4 c m 1 为一c h 3 、一c h 2 的特征吸收( 饱和c h 伸缩振动出现 在2 8 0 0 3 0 0 0 e m 1 ) 1 5 2 1 ；1 7 6 9 0 4 啪1 是c = o 的特征吸收；1 1 8 9 0 6c m 1 为c - o c 的 特征吸收( 内酯中c 0 c 的振动频率在1 0 0 0 1 3 0 0 c r n 1 ) 3 1 3y 一癸内酯的合成 y 癸内酯( g a m m a - d e e a l a e t o n e ，g d l ) ，又名丙位癸内酯，化学名称为y 己基 y 丁内酯，为无色液体，香气较桃醛轻飘，更富于果香、花香，为天然桂花主要香 气成分之一，广泛存在于水果、饮料、肉制品和日常食品中，其沸点为2 8 1 ，溶于 乙醇等有机溶剂，微溶于水，相对密度为0 9 4 3 - - , 0 9 5 3 ，折射率n d 2 0 1 4 4 8 3 1 4 4 9 3 。 文献记载的制备方法是以辛醛和丙二酸为原料，经缩合反应得到c 1 癸烯酸，在冷却 下与8 5 硫酸混合，然后加热到8 0 ，加水内酯化得产物。自然界中尚未发现大量 y 癸内酯，因此化学合成方法有着重要意义。 课题的前序工作对t 壬内酯的合成进行了探讨