柠檬醛及中间体的合成.docx

柠檬醛及中间体的合成钱洪胜b董金锋b吕叔敏b商志才a*( a 浙江大学理学部 杭州 310027; b 浙江新和成股份有限公司技术中心 新昌 312500)摘 要 以异戊烯醛和异戊烯醇为原料，经异戊烯酸催化缩醛化反应得到 3-甲基-2-丁烯醛二异戊烯基缩醛，再经磷酸二氢铵催化消除反应得到顺 / 反-异戊二烯基-3-甲基丁二烯醚，并进一步热重排获得柠檬醛。研究了 缩醛化反应条件和消除反应条件对转化率的影响。结果表明，以 0. 3% 异戊烯酸为酸性催化剂，70 75 共 沸脱水反应 8 h，异戊烯醛的单程转化率达到 63% 64% ，处理后可得含量为 97. 5% 的 3-甲基-2-丁烯醛二异 戊烯基缩醛，收率 96. 8% ; 以 0. 2% 0. 5% 磷酸二氢铵为催化剂，100 130 ，2. 66 kPa 下反应并及时将反应 产物蒸出，处理后得到含量为 95. 9% 的顺 / 反-异戊二烯基-3-甲基丁二烯醚，收率 97. 0% 。顺 / 反-异戊二烯基-3-甲基丁二烯醚在 120 130 重排反应 1 h，其反应产物柠檬醛含量 97. 5% ，收率 90. 2% 。关键词 异戊烯醛，异戊烯醇，柠檬醛，二异戊烯缩醛，二烯基醚，合成中图分类号: O623 5文献标识码: A文章编号: 1000-0518( 2012) 03-0270-05DOI: 10 3724 / SP J 1095 2012 00161柠檬醛是食品和日化香料，以柠檬醛为原料可合成柠檬腈、大马酮类香料及紫罗兰酮，后者还可用于合成维生素 A、E 和 -胡萝卜素1-3。柠檬醛是香叶醛和橙花醛 2 种顺反异构混合物，结构式如Scheme 1 所示。CHONeral( Z-citral)CHOGenarial( E-citral)Scheme 1 Structures of citral柠檬醛可由植物精油中分离提取和化学合成法制备。从山苍子油中提取4得率低、资源有限、生产 成本高，不适合大规模生产; 化学合成法又可分为脱氢芳樟醇转位法1-2，5-8及由 2 个 C5 烯醇和烯醛缩 合重排合成法3，9-11。目前，柠檬醛的工业生产主要是化学合成法。脱氢芳樟醇转位法按催化剂不同又可分为: 1 ) 脱氢芳樟醇用醋酐酯化，得到醋酸脱氢芳樟酯在银 或铜离子催化下重排、水解得柠檬醛，收率 70% 90% 5-6。此生产工艺反应步骤长，用到醋酐，生产成本高; 2) 以含钒氧化物为主催化剂，硅烷醇为助催化剂，以高沸点石蜡油为溶剂进行反应，收率约为78% 7，但硅烷醇价格高; 3 ) 在由四氯化钛或四丁醇钛，铜或银卤化物组成的混合反应体系中脱氢芳樟 醇催化重排成柠檬醛，工艺过程简单，但收率偏低，仅为 64% 8。以 2 个 C5 烯醇和烯醛缩合重排合成法又可分为: 1) BASF 柠檬醛合成法是以异丁烯和甲醛缩合得到 3-甲基-3-丁烯-1-醇，部分双键异构成异 戊烯醇，部分氧化成 3-甲基-3-丁烯醛，再将 3-甲基-3-丁烯醛与异戊烯醇缩合、重排得到柠檬醛，收率超过 95% 9; 2) Rhone-Poulenc 柠檬醛合成法直接用异戊烯醛与异戊烯醇缩合、重排得到柠檬醛10-11。本文参考文献10-11以异戊烯醛与异戊烯醇为原料，合成 3-甲基-2-丁烯醛二异戊烯基缩醛( 二异 戊烯缩醛) 再经磷酸二氢铵催化消去反应制得顺 / 反-异戊二烯基-3-甲基丁二烯醚( 二烯基醚) ，对其 两步反应的催化体系选择及工艺条件进行研究，确定了适宜的合成工艺条件，以磷酸二氢铵催化的消除2011 -04 -19 收稿，2011 -06 -07 修回浙江省重大科技专项( 优先主题) 工业项目( 2008 C11053 )通讯联系人: 商志才，教授; Tel: 0571 -87952379 ; Fax: 0571 -87951895 ; E-mail: shangzc zju edu cn; 研究方向: 化学计算、药物分子设 计和药物合成钱洪胜等: 柠檬醛及中间体的合成第 3 期271反应具有反应温和、易控制、精馏残渣( 脚料) 少的特点。反应路线如 Scheme 2 所示。Scheme 2 Synthetic route of citral实验部分11 1仪器和试剂Agilent 7890A /5975C 型气-质联用仪( 美国安捷伦科技公司) ; Avance DXM500 型核磁共振仪( 德国 Bruker 公司) ; TENSOR 27 型红外光谱仪( 德国 Bruker 公司) 。异戊烯醛和异戊烯醇为工业品，气相色谱 ( GC) 含量 98. 0% ，由浙江新和成股份有限公司提供; 其它试剂均为国产化学纯。1 2合成步骤在装有磁力搅拌、温度计、回流冷凝分水器头的精馏柱的 1 000 mL 四口瓶中，投入异戊烯醛 85. 5 g( 1. 0 mol) 、异戊烯醇 219. 5 g( 2. 5 mol) 、环己烷 100 g 和催化剂异戊烯酸 1. 0 g( 质量分数为醛醇总质量 的 0. 33% ) ，减压下搅拌升温至 70 75 反应 8 h， 用环己烷回流带水，在塔顶分水器中将水分出。反 应完毕，冷却至室温，减压蒸出剩余的异戊烯醛、异 戊烯醇和环己烷。减压精馏二异戊烯基缩醛粗品， 收集 bp 97 100 ( 20. 0 Pa) 馏分，得到 3-甲基-2- 丁烯醛二异戊烯基缩醛 150. 0 g，产品纯度 97. 5%( GC) ，异戊烯醛的转化率为 63. 5% ，以异戊烯醛计 的收率为 96. 8% 。3-甲基-2-丁烯醛二异戊烯基缩醛图 1 二异戊烯缩醛的 GC-MS 谱图Fig 1 GC-MS spectrum of diprenyl acetal的质谱图见图 1。从谱图中看到母体分子峰 M 238很小，是由于 3-甲基-2-丁烯醛二异戊烯基缩醛在电子轰击离子源( EI) 下极大部分分解，M85 是异戊烯基氧离子峰，M69 是去掉 2 个异戊烯基氧离子的异戊烯离子峰。在装有机械搅拌、温度计、蒸馏冷凝装置的 1 000 mL 四口瓶中，投入 488. 0 g( 2. 0 mol) 3-甲基-2-丁 烯醛二异戊烯基缩醛、2. 4 g 磷酸二氢铵。开启搅拌，减压升温至 100 130 ，边反应边蒸出轻组分，得 到二烯基醚和异戊烯醇的混合物 483. 7 g; 再减压精馏，收集 bp 70 73 ( 66. 5 Pa) 馏分，得到顺 / 反-异 戊二烯基-3-甲基丁二烯醚 307. 5 g，产品纯度 95. 9% ( GC) ，以二异戊烯基缩醛计的收率为 97. 0% 。在 装有机械搅拌、温度计、回流冷凝装置的 500 mL 四口瓶中，投入 158. 5 g( 1. 0 mol) 顺 / 反-异戊二烯基-3- 甲基丁二烯醚。开启搅拌，油浴加热升温至 110 时，有放热现象，当升温至 120 停止油浴加热，控制120 130 反应 1 h，得到柠檬醛粗品; 再减压精馏，收集 bp 62 63 ( 100. 0 Pa) 馏分，得到柠檬醛140. 6 g，产品纯度 97. 5% ( GC) ，以顺 / 反-异戊二烯基-3-甲基丁二烯醚计的收率为 90. 2% 。1 H NMR，: 1. 63 ( s，3H ) ，1. 7 ( s，3H ) ，2. 18 2. 24 ( m，4H ) ，2. 21 ( s，3H ) ，5. 11 ( t，1H ) ，5. 78 ( d，1H) ，9. 99( d，1H) ; IR( KBr ) ， / cm 1 : 1 670 ( s，CCCHO ) ，1 620 ( w，CC ) ，2 850，2 950 ( m，CHO) ，1 385( w，CH3 ) 。应 用 化 学第 29 卷272结果与讨论22 1反应温度、反应时间、催化剂对合成二异戊烯基缩醛转化率和含量的影响因为缩醛化反应需要在酸性催化剂下进行，而原料之一的 3-甲基-2-丁烯醛又是极活泼的化合物， 酸性太强易引起副反应。因此反应温度、反应时间、催化剂均对二异戊烯基缩醛的收率有显著的影响。 表 1 是随反应条件的变化二异戊烯基缩醛收率情况。表 1 反应温度、反应时间、溶剂用量对合成二异戊烯基缩醛转化率、含量的影响Effects of reaction temperature，reaction time，amount of solventon conversion and purity of diprenyl acetalTable 1Catalystamount / %Reactiontemperature / Reactiontime / hDiprenyl acetalpurity( GC% )One-way conversionfor aldehyde / %Entryn( aldehyde) n( alcohol)Residue / %senecioic acid( 0 16 )senecioic acid( 0 33 )senecioic acid( 0 65 )benzoic acid( 1 60 ) phosphoric acid( 0 002 ) nitric acid( 0 002 )Ti( i-PrO) 4 ( 1 60 )123456781 2 51 2 51 3 01 2 51 2 51 2 51 2 51 3 070 7570 7575 8070 7570 7570 7570 7570 7510810108881097 697 597 396 797 194 695 296 150 563 564 010 261 762 863 811 51 21 51 90 91 82 92 51 5 9 1 2 5 SnCl22 H2 O( 0 000 65 ) 70 75 8 97 2 88 6 2 0 从表 1 可以看出，无催化剂和以钛酸异丙酯为催化剂异戊烯醛的转化率仅约为 10% ; 使用酸性催化剂异戊烯醛单程转化率达到 63% 64% ; 虽然用氯化亚锡为催化剂时单程转化率最高可达 88. 6% ，但氯化亚锡会使下步消去反应产物重新加成为二异戊烯基缩醛。有机酸做催化剂时效果好，脚料率低，二异戊烯基缩醛含量可达 97% 以上; 用无机酸催化时脚料率高，二异戊烯基缩醛含量偏低，为 94%95% 。消除反应合成二烯基醚的催化剂选择从 3-甲基-2-丁烯醛二异戊烯基缩醛经消除反应合成顺 / 反-异戊二烯基-3-甲基丁二烯醚需要在酸 性催化剂的参与下进行，对于不同催化剂进行了筛选，结果见表 2。表 2 二异戊烯基缩醛消除反应催化剂的选择Table 2 Selection of elimination catalyst2 2Elimination catalystReaction parametersEntryConversion / %Selectivity / %Residue / %NameAmount / %Temperature / Vacuum / kPaTime / h101112131415benzoic acidsenecioic acid nitric acid sulfuric acid phosphoric acid NH4 H2 PO40 20 20 020 020 020 290 12090 12090 12090 12090 120100 1302 662 662 662 662 662 666 06 05 53 03 53 56 28 550 599 597 796 596 897 185 675 196 398 31 21 17 818 53 61 7 16 NaH2 PO4 0 2 90 120 2 66 6 0 5 6 96 6 0 5 从表 2 综合转化率、选择性和脚料率 3 个指标可以看出，无机强酸如硫酸、硝酸效果差，脚料率高，硝酸由于其挥发性后期被蒸出后不能继续反应; 有机酸酸度小，转化率极低; 磷酸二氢钠由于在 3-甲基-2-丁烯醛二异戊烯基缩醛中不溶，对消除反应也几乎没有催化效果; 磷酸的酸度适中，催化效果较好。磷酸二氢铵在较高温度下发现有催化效果，且发现在降低反应脚料方面有优势，磷酸二氢铵的催化机理 是由于加热缓慢分解释放出磷酸，缓释的磷酸对消除反应起到催化作用，对产物的破坏作用有所减轻。 从 3-甲基-2-丁烯醛二异戊烯基缩醛消除反应的研究中发现，在反应中将生成的二烯基醚和异戊烯醇及 时蒸出，是降低反应脚料的关键因素。钱洪胜等: 柠檬醛及中间体的合成第 3 期273合成二烯基醚的优化磷酸二氢铵催化剂的用量是消除反应的重要因素，催化剂不足，反应完全，催化剂过量，反应脚料率 就高。表 3 是不同浓度磷酸二氢铵催化剂下所得的消除反应结果。表 3 不同磷酸二氢铵浓度对合成二烯基醚的催化效果Table 3 Effect of different ammonium dihydrogen phosphate concentration on synthesize dienyl ether2 3Reaction parametersNH4 H2 PO4 amount / %EntryConversion / %Selectivity / %Residue / %Temperature / Vacuum / kPaTime / h1718192021222324250 010 050 10 20 51 02 03 05 0100 130100 130100 130100 130100 130100 130100 130100 130100 1302 662 662 662 662 662 662 662 662 666 05 54 53 53 53 03 03 03 012 668 290 696 596 897 297 597 697 599 699 098 598 397 297 096 896 796 50 51 11 51 71 92 52 72 93 1反应温度在 100 130 下，综合转化率、选择性和脚料率 3 个指标，磷酸二氢铵浓度为 0. 2%0. 5% 时催化 3-甲基-2-丁烯醛二异戊烯基缩醛消除反应得到顺 / 反-异戊二烯基-3-甲基丁二烯醚效果最好，选择性高，脚料率低。采用磷酸二氢铵作催化剂的优点是分解释放磷酸温和，可调范围宽，易于控 制。2 4柠檬醛的合成顺 / 反-异戊二烯基-3-甲基丁二烯醚在加热情况下，先经 Claisen 重排得到 2，4，4-三甲基-3-甲醛基-1，5-己二烯，再经 Cope 重排得到柠檬醛。热重排反应在 100 以下几乎不反应，至 110 开始引发，并 放热，120 130 反应较快，140 以上反应极快，难以控制; 130 以上反应脚料率大于 10% ，对收率不利; 120 130 下反应最优。结论3以异戊烯醛和异戊烯醇为原料，经异戊烯酸催化得到 3-甲基-2-丁烯醛二异戊烯基缩醛，转化率63% 64% ，以异戊烯醛计的收率 96. 8% ; 以 0. 2% 0. 5% 的磷酸二氢铵为催化剂，3-甲基-2-丁烯醛二 异戊烯基缩醛消除反应得到顺 / 反-异戊二烯基-3-甲基丁二烯醚的收率为 97% ; 顺 / 反-异戊二烯基-3-甲基丁二烯醚在 120 130 重排反应得到柠檬醛的收率为 90. 2% 。参 考 文 献1 ZHU Fugen，ZHOU Shanhua Synthetizing Citral from Dehydrolinalool by Catalytic RearrangingJ Flav Fragr Cosmet，2003，( 1) : 1-4( in Chinese) 诸富根，周山花 脱氢芳樟醇催化重排合成柠檬醛试探J 香料香精化妆品，2003，( 1) : 1-42 JIANG Qizhong，XU Jun，MA Zifeng，et al The Synthesis of Citral from DehydrolinaloolJ J Chem Eng Chinese Univ，2002，16( 2) : 185-188( in Chinese) 蒋淇忠，徐俊，马紫峰，等 脱氢芳樟醇合成柠檬醛J 高校化学工程学报，2002，16( 2) : 185-1883 GUO Yi，ZHANG Wen，CAI Yefu Research Progress in Synthesis of CitralJ Petrochem Technol Jinshan，2003，22( 1) :30-33( in Chinese) 郭谊，张文，蔡也夫 柠檬醛的合成研究进展J 金山油化纤，2003，22( 1) : 30-334 LI Ruohua Selection of High Purity Citral Production ConditionsJ Guangxi Chem Ind，1993，( 3) : 11-14( in Chinese) 李若华 高纯柠檬醛生产条件选择J 广西化工，1993，( 3) : 11-145 Saucy G，Marbet R，Lindlar H，et al ber eine neue Synthese von Citral und Verwandten VerbindungenJ Helv ChimActa，1959，42( 6) : 1945-19556 Hosogai T，Nishida T，Itoi K Manufacture of Unsaturated Carbonyl Compounds: JP 51048608P，1974-10-187 Pauling H，Andrews D A，Hindley N CThe Rearrangement of -Acetylenic Alcohols to ，-Unsaturated CarbonylCompounds by Silylvanadate CatalystsJ Helv Chim Acta，1976，59( 4) : 1233-1243应 用 化 学第 29 卷2748 Pierre C Ti / Cu and Ti / Ag Catalysts for the IsomerisationDerivativesJ Tetrahedron Lett，1988，29( 48) : 6253-62569 Hoelderrich W F，Kollmer F Oxidation Reactions in the，-Ethylenicof-AcetylenicAlcohols intoCarbonylSynthesis of Fine and Intermediate Chemicals UsingEnvironmentally Benign Oxidants and the Reactor SystemJ Pure Appl Chem，2000，72( 7) : 1273-128710 Pierre C，Chazal J Process for the Preparation of Citral: US，4933500AP，1990-06-1211 Pierre C，Chazal J Process for the Preparation of Citral: US，5177265AP，1993-01-05Synthesis of Citral and Its IntermediatesQIAN Hongshengb ，DONG Jinfengb ，LV Shuminb ，SHANG Zhicaia*( a Faculty of Science，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China;b Technology Center of Zhejiang NHU Co Ltd，Xinchang 312500，China)AbstractUsing prenal and prenol as precursors，3-methyl-2-butenal diprenyl acetal was obtained via anacetalization reaction using senecioic acid as catalyst Then an elimination of 3-methyl-2-butenal diprenyl acetal catalyzed by ammonium dihydrogen phosphate yiel