环柠檬醛的合成

2004 年 2 月 云南化工 Feb 2004 第 31 卷第 1期 Yunnan ChemicalTechnology Vol 31 No 1 研究与开发 B 环柠檬醛的合成 和承尧 胡元文 云南省化工研究院 云南昆明 650041 摘 要 采用B 紫罗兰酮为原料 经臭氧化 还原水解反应得B 环柠檬醛的合成工艺 对主要工艺条件进行 了选择实验 按所取得的工艺条件进行了小试 在小试结果的基础上 采用与小试相同的工艺条件 放大投入量近 10倍 重复多批次工艺验证实验产品平均收率86 51 粗B 环柠檬醛产品经真空精馏得 93 B 环柠檬醛 测得沸 点 213 2e 比热210 7 J g 关键词 B 环柠檬醛 B 紫罗兰酮 臭氧化 中图分类号 O624 41 文献标识码 A 文章编号 1004 275X 2004 01 0001 05 Synthesis of B Cyclocitral HE Cheng rao HU Yuan wen Yunnan Research Institute of Chemical Industry Kunming 650041 China Abstract B Cyclocitral was synthesized by ozonation reduction and hydrolysisfromB ionone Selective experiments on the major factors were studied and thesynthesized conditionwas obtained whichwas amplifiedfor10 times Result showed that the av erage yieldwas 86 51 and 93 of B cyclocitral could be obtained after vacuum distillation Keywords B cyclocitral B ionone ozonation 1 前言 环柠檬醛是合成香料和类胡罗卜素等萜类化 合物的重要中间体 如以环柠檬醛为原料合成二 氢突厥酮 突厥酮 damascenone 胡罗卜素等 环 柠檬醛主要的合成方法有两种 一种是柠檬醛用 一级或二级胺保护醛基 在酸存在下低温环化 水 解脱胺得到环柠檬醛 二是将紫罗兰酮臭氧化还 原水解成环柠檬醛 柠檬醛胺保护醛基环化法 资料报道较多 一般是用苯胺来保护醛基形成亚 胺 在酸性条件下低温环化 水解脱胺 也有用丁 胺 环已胺 丙胺以及甲胺来保护醛的 环化条件 各家报道的工艺条件大同小异 收率大致在 60 80 产品中含 A及 B两种异构体 经分离基本 可得单一的产品 我们在分析综合文献资料的基 础上结合需要改进的内容 分别用苯胺 正丁胺 正丙胺以及甲胺来合成柠檬醛亚胺 以及进行相 应的有关工艺条件实验 对环化 中和水解 分离 等的工艺条件进行了实验 得到较好工艺条件 按所得较好工艺条件分别以丙胺 丁胺保护醛基 实验 结果 是收 率分 别 为 62 16 62 76 79 20 79 66 产品中所含的异构体分别为A 环柠檬醛 44 98 56 58 B 环柠檬醛32 83 40 05 及 A 环柠檬醛 48 10 53 07 B 环 柠檬醛 24 14 35 10 将含有 A B环柠檬醛 两种异构体的粗产品 经真空精馏分离得 A 环柠 檬醛 B 环柠檬醛 两者质量分数分别为 90 62 90 76 分别用于 A 二氢突厥酮及 B 二氢突厥酮 的合成 基本上满足合成工艺要求 该合成工艺方法所得的环柠檬醛可以作为合 成二氢突厥酮的原料 合成中所用的化学试剂为 一般试剂 操作也为普通的操作 但该工艺流程较 长 操作过程环节也较多 致使产品收率往往达不 到较好的水平 并且收率不稳定 影响收率的因 素较多 其中影响较大的有三个方面 首先在合成 柠檬醛亚胺反应时需不断地除去生成的水才能使 反应完全 其次合成得到的柠檬醛亚胺很不稳定 要及时进行下一步的环化反应 否则需采取稳定 措施 再就是环化反应在大量浓硫酸中进行 放出 大量热量 形成过热 引起氧化 聚合基至碳化形 成胶化物 不仅影响收率 而且引起的污染还难以 清洗除去 这些存在的问题 可以采取一些措施 但难以从根本上解决 因而希望另选择一个流程 短 收率较高的工艺 紫罗兰酮臭氧化法中的臭 氧化反应具有反应选择性好 基本上不消耗其它 化学试剂和反应结束后无严重三废需要处理等优 点 在国外较普遍应用于各种香料的合成 其中美 国以长碳链不饱和烃化合物为原料 波兰和瑞士 以萜烯化合物为原料 通过臭氧化法得到各种香 料 日本及巴西以异黄樟素为原料 合成洋茉莉 醛 国内一些香料厂家也采用臭氧法制备洋茉莉 醛 已应用于工业生产 鉴于此我们选定臭氧化 合成环柠檬醛的工艺方法 而这方面文献资料很 少 故我们进行较深入的实验研究 取得了较好的 结果 2 实验部分 2 1 主要原料及仪器设备 B 紫罗兰酮 香料级工业品 质量分数 89 自制品 质量分数 92 氧气 钢瓶装工业品 质量 分数99 5 甲醇 工业品 有机溶剂 工业品 冰 醋酸 工业品 碳酸钠 硫酸钠 工业品 臭氧发生 器一台 清华大学生产 冷冻机及环保装置 自已 配装 玻璃三口瓶 500mL 2 个 2 2 反应原理 将B 紫罗兰酮的侧链双键上进行臭氧化生成 过氧化酮基链 在还原剂及酸的条件下还原水解 得到B 环柠檬醛 2 3 工艺流程示意图 2 4 一般操作 将紫罗兰酮与甲醇按 1B4 1B5 质量比 比 例 放入三口反应瓶中搅匀 开冷冻机打循环使反 应温度在 30 5e 使氧气通入臭氧发生器 将 产生的臭气返入反应瓶中 返入臭氧量为 n 紫罗 兰酮 Bn 臭氧 1B1 15 1B1 50 反应 4 6 h 反应完成 在反应瓶 中 加入还原剂 酸及水搅匀 在 30e 20e 反应0 5h 调温到 20 25e 反应1 h 反应结束后加入有机溶剂进行萃取 分离 回 收有机溶剂得 B 环柠檬醛粗产品 经真空精馏 得 到一定纯度的B 环柠檬醛产品 3 实验结果及讨论 3 1 主要工艺条件的选择 3 1 1 不同气源的臭氧化反应 气源 氧气 空气 不同含氧量的空气由氧气互 配而得 具氧化反应时间 1h 反应结果见表 1 表 1 不同气源对臭氧化反应的影响 实验编号 紫罗兰酮 100 投 入量 g 臭氧化反应工艺条件 气 源 气处理 情况 气流 量 L h 总通 气量 L 产物GC 分析 含量 1 峰数 不明杂 质 未氧 化酮 过头 物 收率 产物 w 理论 产量 g 实际 产量 g 实际100 产量 g 收 率 CB 96 1a50 60氧气 553298 3 71 1876 3440 140 530 92179 11 CB 96 137 42空气干燥50 1008151113 41 11 078 6629 8029 623 26 0123 34 CB 96 237 42空气干燥90 1307801214 54 12 343 2248 3229 630 1014 5449 12 CB 96 337 42氧气 配入空气 110 1306001021 986 73 2042 1729 625 2010 6335 91 CB 96 437 42氧气 配入空气 110 1307311118 34 33 972 9718 4929 626 004 8116 25 CB 96 537 42空气 H2O2处理 110 1308241110 89 30 252 4420 7529 625 005 1917 53 从以上实验的结果看 当采用空气 或含氧量 达80 的空气作为气源且加大通气量时 臭氧化 反应得到的粗产品经 GC 分析 杂峰较多 其中不 明杂质峰含量达 10 12 而其产品含量及收 2 云南化工 2004 年第 1期 率都低 我们设想由于空气中氮气在发生臭氧时 产生氧化氮 在臭氧反应中产生氮化物杂质 基于 这个设想用 H2O2处理也未取得好的效果 关于 此杂质是何种化合物 怎样产生 如何防止产生的 问题未深入研究 就以上实验结果 表明氧气作 为气源的效果优于空气作为气源 因此选定氧气 作为臭氧化反应的气源 3 1 2 物料配比及反应时间 臭氧化温度 29 31e 还原水解 滴加还原水解剂时温度自 31e 起到40e 止 时间35 40min 水解温度20 25e 时间 60min 实验结果见表 2 表 2 物料配比及反应时间对结果的影响 实验编号 B 紫罗 兰酮 g 臭氧化反应条件 总流量 L h 时间 min 量比 n n 粗产品量 g 粗产品 GC分析 含量 1 峰数 产物含量 未反应 物 过头反 应物 环柠檬 醛收率 CB 96 638518273801B0 93253 5786 441 161 2378 15 CB 96 738522504471B1 14349 5777 336 721 1896 51 CB 96 838521304331B1 12282878 472 963 8681 57 CB 96 940020004331B1 022821071 882 314 2892 43 CB 96 1040022474221B1 10214978 451 814 1887 34 CB 96 1140023224501B1 12307676 648 291 2583 47 CB 96 1240025434801B21335782 241 921 2297 74 CB 96 1340026245101B26315783 052 631 2792 23 实验结果表明 产品的收率随通气量 物料量 比 紫罗兰酮 臭氧 臭氧量 时间的增加而增加 但通气量增大后会形成氧气及臭氧放空浪费 从 经济上考虑量比在 1B1 05 1B1 15 反应时间 7 h 左右为宜 3 2 工艺条件验证实验 综合工艺条件分别为 1 臭氧化反应 原料 紫罗兰酮质量分数 92 n 紫罗兰酮 n 臭氧 1B1 15 1B1 35 溶剂 甲醇 m 紫罗兰酮 m 甲醇 1B4 1B5 反应温度 30 5e 反应时间 6h 2 水解还原反应 m 紫罗兰酮 m 还原剂 BV 50 HAc 1B0 47B3 5 g g mL 稀释剂 水 m 紫罗兰酮 Bm 水 1B12 反应温度 30 20e 反应时间 0 5h 反应温度 20 25e 反应 时间 1h 运用上述工艺条件参数 进行臭氧化 水解还 原反应实验所得结果见表 3 以上不同投入量的 5 批次实验 各批次的粗 产品其环柠檬醛质量分数在 80 以上 平均为 83 99 各批次收率均在 90 以上 5 批平均收率为 92 79 这说明工艺是可行的 所取得的工艺条件 是适宜的 各批还有 3 96 8 08 的未转化的 紫罗兰酮以及反应过头平均 2 26 的氧化物 有 待进一步改进 改进的途径是臭氧化反应器的结 构 输氧头的设计及气体流量控制器 有望进一步 降低两种杂质成分生成 从而进一步提高收率 表3 工艺条件验证实验结果 实验编号 B 紫罗兰 投入量 g 粗产 品量 g 产物 GC 分析结果 w 未反 应物 反应过 头物 B 环柠 檬醛 收率 CYC 96 184233 723 963 7881 7689 90 CYC 96 194233 446 201 4686 4294 23 CYC 96 204233 904 563 0386 1695 23 CYC 96 218468 005 371 8782 8491 83 CYC 96 2255458 081 1682 7892 78 合计265214 06 平均5 632 2683 9992 79 3 2 2 多批重复扩大实验 原料 B 紫罗兰酮工业品 质量分数 89 其 它原料与小试相同 工艺条件 与小试相同 3 2004 年第 1期 和承尧等 B 环柠檬醛的合成 在相同工艺条件下投入量比小试放大近 10倍 9 个批次实验结果见表 4 表4 多批重复放大实验结果 实验编号投入B 紫罗兰酮 g粗产品 g 粗产品 GC 分析 含量 1 峰数 产物含量 未反应 反应过头 B 环柠檬醛 收率 CB 96 23400314876 244 421 2584 93 CB 96 24400350975 882 144 5094 22 CB 96 254003241072 205 175 3082 99 CB 96 26400350973 763 744 3691 60 CB 96 27400340976 772 723 9592 60 CB 96 28400302977 393 963 0682 93 CB 96 29400291979 842 783 3582 43 CB 96 304003081073 582 201 3980 40 平均4003229 1375 713 393 4086 51 3 2 3 小试与扩试的结果比较 表 5 表5 小试与扩试结果比较 试验 级别 B 紫罗兰酮 投入量 g 含量 n B 紫罗兰酮 n 臭氧 粗产品GC分析 含量 1 峰数 产物含量 未反应 过头反应 B 环柠檬醛 收率 小试40921B1 15 1 B1 305 2083 995 632 2692 79 扩试400891B1 05 1 B1 159 1375 713 393 4086 51 注 两个级别试验的工艺条件相同 其它原料的等级也相同 在工艺条件相同的情况下 放大 10 倍重复 9 批次的实验结果 紫罗兰酮的转化率在 95 以 上 每批次的环柠檬醛收率在 80 以上 平均收 率为 86 51 未反 应 3 39 反 应过 头 物 3 40 说明扩大试验所采用的工艺条件是可行 的 此扩大试验结果 粗产品的含量及收率低于 小试约 8 28 6 28 而大于 1 的杂质峰高于 小试约 50 说明由于杂质的引入或产生 影响 了粗产品的含量及收率 另外放大效应也可能有 影响 若采用含量在 95 以上的紫罗兰酮及其它 原料的纯度提高 会有利于提高粗产品的含量及 收率 3 3 粗产品的分离提纯 粗产品中含有约 25 左右的杂质需要分离 除去 分离提纯方法有化学法和物理法两种 化学 法是利用环柠檬醛醛基的反应活性进行加成或缩 合反应分离出柠檬醛的衍生物 再分离出环柠檬 醛来达到提纯的目的 技术是可行的 但操作步聚 较多 产品损失也较大 在工业上一般都采用精馏 法 它的优点是操作步骤少 收率高 但操作及设 备要求较高 我们利用现有条件采用真空精馏来 提纯产品 精馏实验条件及结果如下 玻璃填料柱 填料高度 700mm 直径 30mm 填料 不锈钢三角填料 真空度 5 133 33 7 133 33 Pa 回流比 1B 3 1B5 顶部温度 75 77e 每批投料1000 1200g 蒸馏时间 5 6h 所得产品含量 93 收率约 85 经精馏提纯的产品已用于二氢突厥酮的合 成 质量已满足合成工艺的要求 环柠檬醛的粗产 品采用真空精馏提纯是可行的 存在的问题是收 率偏低 其原因是我们现有设备需要改进 如真空 度 密封 填料等方面 若采用边加料边加热蒸发 分离尽量减少受热时间 从而避免过热而氧化聚 合则可提高其收率 3 4 B 环柠檬醛的差热分析 用岛津产的 DT 40 型综合分析仪中的 DTA 和 DTG 两个检测仪 进行了 B 环柠檬醛的差热 失重的测定 所得的热像图见图 1 热像图经计算机处理检索 测得 B 环柠檬醛 的沸点 213e 比热 210 79 J g 质 量分 数 4 云南化工 2004 年第 1期 90 26 注 测 试 样品 时 的 大 气 压 608 2 mmHg 图 1 热像图 4 结论 1 通过在相同的合成工艺条件下 不同投入 量 多批重复工艺验证实验结果表明 以 B 紫罗兰 酮为原料经臭氧还原水解得B 环柠檬醛的合成工 艺方法是可行的 所得到的工艺参数是可靠的 可 作为扩大生产的技术依据 首次有关热分析图经 计算机处理检索 测得的沸点 比热可供参考 2 环柠檬醛是重要中间体 以它为原料可生 产许多下游产品 目前尚无工业化的报道 很值得 生产开发利用 所需要的紫罗兰酮 可利用我省丰 富山苍子 柠檬草油为起始原料 从此两种香精油 分离得的柠檬醛合成紫罗兰酮 不仅增加一个新 产品促进下游 产品的开发 为山苍子油 柠檬草 油的深加工又提供一个很好途径 参考文献 1 Demole E etal Helv Chim Acta 1970 53 541 2 Enster CH etal Helv Chim Acta 1969 52 1729 3 Colombi I etal Helv Chim Acta 1951 34 265 4 Henbese H B etal J Chem SOc 1952 1154 5 Gedye R N Can J Chem 1971 49 1764 6 Shibasaki M etal Chem Pharm Bull 1975 23 272 7 Cainelli Getal J Chem Soc Perkin I 10979 1597 8 Eur Pat Appl 1982 4440 CA 1982 96 199737w 9 郑爱莲1 等 中国医药杂志11992 23 6 2731 10 刘红霞1 等 中国医药杂志11995 26 9 414 1 11 ClarkR D etal J Org Chem 1976 41 1396 12 Mllller N etal Synthesls 1975 12 781 作者简介 和成尧 男 高级工程师 1962年毕业于云南大学 化学系有机合成化学专业 多年来一直从事合成 半合成精 细化工产品及工艺的试验研究工作 曾主持完成多项省部级 及国家重点项目 取得多项研究成果 近年来主攻生物资源 的利用开发研究工作 现已拥有3项发明专利 收稿日期 2003 12 04 信息与动态 云南省召开高浓度磷复肥和硫酸行业 技术进步研讨会 2003年 12 月 22 日至 24 日 云南省磷化工协会组织 在昆明召开了5云南省高浓度磷复肥和硫酸行业技术进 步研讨会6 云南省高浓度磷复肥生产企业 硫酸生产企 业 国内有关设计 科研单位 及设备 材料厂家共 47