香兰素的合成与进展

键入文字 哈哈 尔尔 滨滨 理理 工工 大大 学学 学学 年年 设设 计计 题题 目 目 香兰素的合成进展香兰素的合成进展 院院 系 系 姓姓 名 名 指导教师 指导教师 系系 主主 任 任 尚尚 岩岩 20142014 年年 6 6 月月 1717 日日 哈尔滨理工大学学年设计 I 摘摘 要要 香兰素被称为香草醛 化学名为 3 一甲氧基一 4 一经基苯甲醛 在 自然界有广泛存在 特别是在香荚兰豆中含量可达 1 5 一 3 0 香兰素具 有奶油香气 广泛用作定香剂 应用于化妆品 香皂 糕点 糖果 烘烤 食品等行业 同时香兰素也是重要的医药中间体 香兰素是合成联苯双酯 特拉唑嗪 3 4 5 一三甲氧基肉桂酸异丙胺的中间体 香兰素在电镀行业中 也有广泛应用 目前 香兰素市场需求量稳步增长 全球每年的需求量超过 1600t 世 界年产量 10000t 以上 我国香兰素年出口量在 2000t 以上 我国香兰素生 产能力较高 但规模 技术和产品质量均低于国际先进水平 国内香兰素 的生产产量远远满足不了工业需求 因此 进行香兰素的合成研究具有重 要意义 本文对香兰素的合成方法进行了概述 并介绍了我国香兰素技术改进 新工艺开发和相关技术开发的情况 最后提出了香兰素发展方向 关键词关键词 香兰素 合成 生产 哈尔滨理工大学学年设计 目目 录录 摘 要 I 前 言 1 第 1 章 国内现有技术及技术比较 2 1 1 国内技术 2 1 1 1 化学合成法生产香兰素 2 1 1 2 植物提取法生产香兰素 5 1 1 3 微生物法生产香兰素 5 1 2 香兰素制备方法的优缺点比较 6 第 2 章 香兰素新工艺开发情况 7 2 1 乙醛酸法生产香兰素 7 2 1 1 乙醛酸法生产工艺 7 2 1 2 乙醛酸法存在的问题 7 2 2 对羟基苯甲醛法生产香兰素 8 2 3 对甲酚法生产香兰素 8 2 4 微生物转化法 9 第 3 章 香兰素生产技术发展趋势 10 总 结 11 参考文献 12 哈尔滨理工大学学年设计 1 前前 言言 香兰素是世界上产量最大的合成香料 作为香料添加剂 以其添加量 少和独有的芳香而备受国际香料界的青睐 香兰素还是一种重要的有机化 工原料 作为一种有机合成中间体 通过一系列化学反应制备各类医药 农药以及各种有机合成中间体 在化学分析方面 香兰素可用来检验蛋白 质氮杂茚及间苯三酚的存在 在农业上 香兰素成腙后可用作农作物的除 草剂 还可作为甘蔗的催熟剂 在日用化工方面 可用作电镀光亮剂 随着香兰素应用领域的不断拓展 其需求量正以每年 10 的速度增长 仅美国每年进口量就超过 4000t 香兰素在市场上已成为紧俏的精细化学 品 1 目前合成香兰素的方法有三种 即 1 从香子兰花荚中提取的天然香 兰素 2 用化学合成法 如愈创木酚法 木质素法 黄樟素法 丁香酚法 对羟基苯甲醛法 4 甲基愈创木酚法 对甲酚法等 生产的香兰素 3 用微生物法生产的香兰素 天然香兰素主要是从天然香荚兰中提取 但是 香荚兰种植区域有限 产量受气候影响大 劳动强度大 得到的天然香兰 素价格极其昂贵 每公斤售价高达 4000 美元 约为合成香兰素的 300 倍 2 化学法合成的香兰素 供大于求 市场价格较低 每公斤不到 15 美元 这 种香兰素不仅香型单一 而且合成过程中污染严重而无法被人们接受 目 前最具潜力的生物合成法具有原料天然且廉价易得 生产过程清洁无污染 快速高效等优点 利用生物技术手段生产天然香兰素已成为一种值得推广 的新渠道 3 但是如何达到工业化生产所需要的高产量 并使下游的产物 分离纯化过程简单化和经济化 实现更高的经济效益 仍是天然香兰素价 格居高不下的主要限制因素 这也是现阶段科学研究领域的瓶颈 亟待突 破性的创新研究 哈尔滨理工大学学年设计 2 第 1 章 国内现有技术及技术比较 1 1 国内技术 1 1 1 化学合成法生产香兰素 据统计 现今市场上绝大部分的香兰素产品是利用化学合成法生产的 供大于求 其原料主要是木质素和愈创木酚 4 1 1 1 1 丁香酚路线 19 世纪末 Reimer 和 TieTnann 开始用此法合成香兰素 现在最常用 的方法是在碱存在下 将丁香酚异构化为异丁香酚钠 然后用氧化剂将异 丁香醛钠氧化成香兰素钠盐 再中和结晶后可以得到香兰素 如图 1 1 图 1 1 这一合成路线采用天然丁香酚为原料 原料价格高 相对成本较高 用这一方法生产的香兰素其同位素测试结果与天然香兰素相近 但其销售 价格比用愈创木酚为原料生产的香兰素高几倍 因此目前还是有少量香兰 素通过此法生产 1 1 1 2 4 一甲基愈创木酚路线 用此法生产香兰素时所用的原料是天然 4 一甲基愈创木酚 因此原料 成本相对较高 但用此法生产的香兰素天然度与天然香兰素相似 也作为 天然香兰素销售 其具体的生产方法如下 如图 1 2 哈尔滨理工大学学年设计 3 图 1 2 4 一甲基愈创木醛 氢氧化钠 甲醇及催化剂等加入釜内后 用氧气 氧化 中和后回收甲醇 冷却得初品香兰素 精制后可得成品香兰素 1 1 1 3 木质素法 1938 年美国 Salvo 公司开始用此方法生产香兰素 此法以亚硫酸纸桨 废液中所含的木质素磺酸盐为原料 在碱性条件下氧化 然后水解得到香 兰素 其反应方程式如下 如图 1 3 图 1 3 此法生产的香兰素质量相对较差 应用领域有所限制 同时只有纸厂 与纸厂合作才可能有造纸废液可用 所以采用此法生产香兰素的厂家减少 国内除少量造纸厂用此法生产香兰素外 没有其它厂家应用 从总体上分 析 用此路线生产的香兰素比例在下降 1 1 1 4 愈创木酚二甲基苯胺法 这一方法生产香兰素已有 90 多年 我国在上世纪五十年代从前苏联 引进这一生产工艺 我国目前基本都用此法生产香兰素 反应方程式如下 如图 1 4 在具体生产中 先将 N N 一二甲基苯胺用盐酸酸化成盐 然后用亚硝 酸钠亚硝化 得亚硝化物 再将亚硝基化合物与邻甲氧基苯酚 甲醛缩合 制得粗品 粗品经过萃取 浓缩 二次蒸馏 二次结晶 干燥得到成品 哈尔滨理工大学学年设计 4 随着生产工艺的不断改进 反应的收率已提高到 60 以上 同时 副产对 N N 一二甲胺基苯胺盐酸盐可用来生产敌克松农药 对降低香兰素的生产 成本有利 但此法生产香兰素三废产生量也较大 而且废水中氨氮含量高 难以生化处理 由于三废原因 国外基本已无厂家用此法来生产香兰素 但国内厂家基本都用此法生产香兰素 随着国家对环境保护要求日益提高 国内香兰素生产企业也将放弃这一生产方法 图 1 4 1 1 1 5 愈创木酚乙醛酸法 从 20 世纪 80 年代开始 国外多数生产厂家已用愈创木酚乙醛酸生产 方法代替愈创木酚二甲基苯胺法生产香兰素 此法与愈创木酚二甲苯胺法 相比 生产成本相近 但产生的废水有所下降且易于生化处理 此法用愈创木酚在碱性条件下与乙醛酸缩合生成 3 一甲氧基一 4 一羟 基扁桃酸 缩合反应液在回收未反应的愈创木酚后 经催化氧化生成相应 的酮酸化物 酮酸化物在酸性条件下脱羧生成香兰素 其反应方程式如下 如图 1 5 图 1 5 哈尔滨理工大学学年设计 5 1 1 2 植物提取法生产香兰素 香兰素以游离态和葡萄糖苷的形式广泛存在于自然界植物中 尤其 在香荚兰豆中 含量约为 20 g kg 世界香荚兰产地目前主要集中在马达 加斯加 印度尼西亚 科摩罗 留旺尼 乌干达 墨西哥和塔希提等岛屿 国或地区 5 香荚兰的深加工产品主要是香荚兰浸剂 方法是先将香荚兰 切碎放入浸提器中 用 95 的乙醇在 50 C 60 C 条件下浸提 过滤后即 可 这种方法成本高 费时 且溶剂会残留 采用超临界溶剂萃取技术 6 无毒 无溶剂残留 在加工过程中也不接触空气 因此香兰素不会发生 水解 氧化和酯化等反应 收率也较高 1 1 3 微生物法生产香兰素 采用微生物发酵方法 在含有机磷酸盐的介质中 加入阿魏酸或阿魏 酸钠 放入固定培养的放线菌 通过生物转化成香兰素 微生物法合成 香兰素将是天然产品的最佳替代品 在不降低产品等级的同时大幅度降低 成本 是非常有产业前景的项目 现在国内已有这方面的研究 主要有 1 清华大学深圳研究生院生命科学学部研发的微生物法技术 据 报道称 该技术采用易于培养和控制并生物安全的菌种 利用价格低廉的 底物 发酵过程简单并可控 转化效率比较高 产物易于提取纯化 采用 基因重组的大肠杆菌 利用葡萄糖为碳源 并将其直接转化为香兰素 2 江南大学研发的微生物法技术 据报道该技术生产工艺流程为 实验室筛选得到微生物菌株 通过三级深层通气发酵培养得到微生物 酶 分次流加阿魏酸水溶液 再通过酶转化作用得到香草酸溶液 过滤除去菌体 滤液用溶剂萃取 萃取液回收溶剂后结晶得到香草酸 实验室筛选得到微生物菌株 通过三级深层通气发酵培养得到微生物 酶 分次流加香草酸水溶液 再通过酶转化作用得到香兰素溶液 过滤除去菌体 滤液用溶剂萃取 萃取液回收溶剂后结晶得到香兰素 粗品 通过重结晶精制得到香兰素精品 1 2 香兰素制备方法的优缺点比较 天然香兰素符合人们日益增强的环保意识 但价高量少 因此大量采 用化学方法合成 不过这种化学产品最多只是天然等同品 等级较低 用 哈尔滨理工大学学年设计 6 化学合成法生产香兰素中用丁香酚与 4 一甲基愈创木酚路线可以生产天然 级香兰素 由于用天然原料作反应原料 成本自然较高 且受原料来源的 限制 大规模生产香兰素是不太现实的 木质素法是利用造纸的废水生产 香兰素 有利于环境治利 生产成本也不高 应该有一定的优势 但由于这 一路线生产的香兰素由于其质量原因 产品的销售会有困难 另外 这一 路线是利用造纸废水生产香兰素 其原料来源也有限制 所以其生产规模 要进一步扩大有困难 愈创木酚二甲苯胺法的生产工艺成熟 已使用近百 年 虽然这一工艺与其它工艺相比较为复杂 但工程设计简单 生产成本 也较低 目前还是有一定优势 且这一工艺在部分工艺还有进一步改进的 可能 但这一路线产生的废水难治理 从环境保护角度来分析并不有利 虽然化学合成法生产成本低 但对人体可能会产生毒副作用 和化学 合成法相比 微生物法生产香兰素克服了在食品领域中使用化学合成的香 兰素对人体的影响 无毒副作用 此方法生产香兰素具有周期短 不受季 节和自然环境的影响 价格低廉 可批量生产等优点 7 目前世界上采用 微生物法生产香兰素的企业只有法国罗地亚公司 但还处于起步阶段 该 产品供应量有限 哈尔滨理工大学学年设计 7 第 2 章 香兰素新工艺开发情况 国内香兰素合成新工艺开发已达到中试水平的有乙醛酸法 达到小试 水平的有对羟基苯甲醛法和对甲酚法 处于探索阶段且有发展前景的微生 物转化法 2 1 乙醛酸法生产香兰素 2 1 1 乙醛酸法生产工艺 乙醛酸和愈创木酚在碱性条件下缩合 然后用空气将其氧化 再进一 步酸化脱羧生成香兰素 反应式如下 如图 2 1 图 2 1 该工艺首先由法国罗纳一普朗克公司于 70 年代开始工业化 目前发 达国家大都采用该工艺 8 其优点是反应在水相中进行 经 一蒸一结 精 制过程得到合格香兰素 对环境污染小 设备简单 但外国公司不向我国 转让该技术 10 年来先后有天津流海集团香料厂 天津化工研究设计院 泰兴有机化工厂 吉化集团 河北宣化化工厂 四川红光化工厂 上海新 华香料厂 连云港三吉利化工公司 上海染料研究所等 10 余个单位曾进 行过该工艺的开发研究 建成中试装置多套 2 1 2 乙醛酸法存在的问题 1 分析手段落后 只能准确检测成品收率 因此急需开发可靠的 中间控制分析方法 以便分段控制和优化工艺条件 2 缩合工序比较复杂 副反应生成邻位和多官能团化合物 催化 哈尔滨理工大学学年设计 8 剂 Al2O3或 SiO2 在提高转化率的同时也提高了邻位产物的比例 因此 需要加强动力学基础研究工作 以便指导优化反应条件 3 空气氧化时用氧化亚铜 Cu2O 催化剂的效果最好 但在其循环 寿命和分离方法上有待改进 4 粗香兰素精制时要求在高真空下蒸馏 对设备和控制条件要求 高 收率往往不稳定 2 2 对羟基苯甲醛法生产香兰素 以对羟基苯甲醛为原料 经溴化甲氧基化后合成香兰素 反应式如下 如图 2 2 图 2 2 该工艺原料易得 反应条件缓和 工艺过程简单 但对轻基苯甲醛的 一溴化反应只有在低温和非极性溶剂 如 CCl4 中进行才能达到较高收率 通常生成的大都是二溴化合物 粗产品含量约 83 精制困难 生产成本 高 因此该方法更适合 3 4 5 一三甲氧基苯甲醛的生产 随着对羟基苯甲醛催化氧化技术的不断改进 对羟基苯甲醛的市场价 格已接近 4 万 吨 随着生产规模的扩大 其生产成本还有大幅下降的可能 这一变化使用对羟基苯甲醛为原料来生产香兰素成为可能 但就目前的技 术这一路线与乙醛酸路线相比还没有明显的竞争优势 10 2 3 对甲酚法生产香兰素 对甲酚为原料其合成的化学路线可以如下方程式表示 如图 2 3 图 2 3 哈尔滨理工大学学年设计 9 利用对甲酚生产香兰素是新近发展的工艺 在我国研究比较深入 虽 然尚未投入大规模应用 但很快会有进展 由于我国是煤炭大国 甲酚资 源丰富 开发这一工艺路线有较大的战略意义和开发前景 11 2 4 微生物转化法 利用微生物转化法生产香兰素的底物主要为丁香酚和阿魏酸 工业上 丁香酚主要是从丁香油等植物精油中提取得到的 售价比较低廉 但是 丁香酚对微生物具有一定的毒性 会抑制菌体的正常生长及代谢 阿魏酸 是肉桂酸的衍生物 是细胞壁的组成成分之一 在很多谷物作物中的含量 非常丰富 麦麸 玉米麸皮 水稻胚乳和甜菜也是阿魏酸的一个很好的来源 酿 酒工业的副产物之一的大麦废颗粒也含有少量的阿魏酸 阿魏酸在自然界 中含量丰富 廉价易得 对菌体没有毒害作用 且以其为底物进行转化合 成香兰素的产量相对较高不失为一种理想的原料物质 因此 利用微生物 的转化能力来进行天然香兰素的生产 并借助基因工程改造等生物技术手 段提高香兰素的产量 是一个非常具有潜力的研究方向 哈尔滨理工大学学年设计 10 第 3 章 香兰素生产技术发展趋势 根据国外香兰素技术发展规律 采用乙醛酸法生产香兰素是我国未来 的发展趋势 目前国内原料及配套条件已经具备 香兰素技术开发也有十 年的基础 这些都为其工业生产奠定了基础 除乙醛酸法生产香兰素 利用微生物转化法生产天然香兰素也得到愈 来愈多的关注 从代谢途径到分子水平关键基因的研究已取得了很多重要 的研究成果 但仍存在许多科学问题需要深入的探索研究 而且高效益的 工业化生产也亟待进一步的优化 借助先进的分子生物学和基因工程等技 术手段 对微生物转化法生产香兰素领域进行全面的探究与创新已成为必 然的趋势 更加廉价的天然香兰素必将在各个社会领域发挥更广泛 更有 价值的作用 哈尔滨理工大学学年设计 11 总总 结结 本文介绍了国内现有生产香兰素的方法并对每种生产工艺进行了比较 可以得出 1 丁香酚与 4 一甲基愈创木酚路线可以生产天然级香兰素 成本高 且受原料来源的限制 大规模生产香兰素是不现实的 2 木质素法是利用造纸的废水生产香兰素 有利于环境治利 生 产成本也不高 有一定的优势 但由于这一路线生产的香兰素由于其质量 原因 产品的销售会有困难 另外 这一路线是利用造纸废水生产香兰素 其原料来源也有限制 所以其生产规模要进一步扩大有困难 3 愈创木酚二甲苯胺法的生产工艺成熟 已使用近百年 虽然比较 复杂 但工程设计简单 生产成本也较低 目前有一定优势 但这一路线 产生的废水难治理 从环境保护角度来分析并不有利 4 植物提取法生产香兰素是从天然香荚兰中提取香兰素 但是香 荚兰种植区域有限 产量受气候影响大 劳动强度大 得到的天然香兰素 价格极其昂贵 5 采用微生物发酵方法 是天然产品的最佳替代品 在不降低产 品等级的同时大幅度降低成本 是非常有产业前景的项目 根据现有工艺存在的问题介绍了生产香兰素的新工艺开发情况以及生 产技术发展的趋势 1 采用乙醛酸法生产香兰素是我国未来的发展趋势 目前国内原 料及配套条件已经具备 香兰素技术开发也有十年的基础 这些都为其工业 生产奠定了基础 2 利用微生物转化法生产天然香兰素已成为必然的趋势 可以生 产出更加廉价的天然香兰素 必将在各个社会领域发挥更广泛 更有价值 的作用 哈尔滨理工大学学年设计 12 参考文献参考文献 1 孙玉泉 王锡宁 香兰索德合成及其应用 M 化学工业出版社 2002 48 50 2 廖松 邓鹏飞 杨辉荣 韦星船 食用香料香兰素和乙基香兰素的合成 新进展 J 广州食品工业科技 l999 15 58 65 68 3 Muheim A Lerch K Towards a high yield bioconversion of ferulic acid tovanillin J Applied Microbiology and Biotechnology 1999 51 4 456 461 4 Oddou J Stentelaire