煙用香料大柱三烯酮的合成

陳恩治

大柱三烯酮,即大柱4,6,8-三烯3-酮(megstigma4,6,8-trien-3-one),商品名為煙香酮,化學(xué)名為4-(2-亞丁二烯基)-3,5,5-三甲基-2-環(huán)己烯-1-酮,分子式為C13H18O,CAS 13215-88-8,是類胡蘿卜素化合物經(jīng)生物降解而成的C13代謝產(chǎn)物之一,于1972年從白肋煙(Burley tobacco)及希臘煙(Greek tobacco)中被分離,并鑒定為天然煙葉中最重要的致香成分之一,其結(jié)構(gòu)式如下:

它有4個(gè)順反異構(gòu)體,如下:

另據(jù)報(bào)道大柱三烯酮還存在于桂花精油、野葛(kudzu)精油及中國枸杞子(Lycium Chinese M.)果汁中.

大柱三烯酮外觀為淡黃色至黃色油狀液體,具有強(qiáng)烈而持久的煙草樣、甜香、暖香和干香香氣,并有辛香的底韻.由于其在天然煙草中含量太少,使一般的煙草味厚度不足,而在卷煙中加入少量的該化合物能明顯增強(qiáng)煙香,改善吸味,調(diào)和煙氣,去除雜氣、減少刺激性,因而在煙草香精中使用非常廣泛,是調(diào)配各種高檔煙用香精不可缺少的原料.另外大柱三烯酮還可用于各種日化香精中,也能起到意想不到的效果.在美國FEMA協(xié)會(huì)公布的GRAS24中,更是將其列入食用香料名錄中,FEMA 4663.因此,文獻(xiàn)[1]中,Camps甚至預(yù)言它將使香精進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代.

目前國內(nèi)外生產(chǎn)銷售廠家為數(shù)不多,主要有德國Symrise公司及日本長谷川香料公司生產(chǎn),前者商品名為Tabanon及太白酮,產(chǎn)品含量為50% ～65%(4種異構(gòu)體混合物),后者為10%的丙二醇溶液,以香基形式銷售,由于合成難度大,技術(shù)復(fù)雜,價(jià)格都非常貴.

1 大柱三烯酮的傳統(tǒng)合成方法

關(guān)于大柱三烯酮合成的文獻(xiàn)報(bào)道不少,主要有3種方法.

1.1 以紫羅蘭酮及其衍生物為原料合成

Rowland[2]將脫氫紫羅蘭酮(2)還原成醇(3),經(jīng)烯丙基重排成大柱4,6,8-三稀-3-醇(4),氧化得到最終產(chǎn)品.這是1965年由美國Reynolds煙草公司提出,并首次實(shí)現(xiàn)了大柱三烯酮的人工合成.Trast等同樣以脫氫紫羅蘭酮(2)為原料,經(jīng)還原、脫水、亞磺酰化、重排反應(yīng)得到大柱三烯酮[3].

Aasen等以3-氧代α-紫羅蘭醇(5)或3-氧代α-紫羅蘭醇乙酸酯(6)為原料,經(jīng)脫水異構(gòu)或高溫裂解而得到大柱三稀酮[4-7].

1.2 以α-異佛爾酮及其衍生物為原料合成

Takazawa,Tamura以α-異佛爾酮(7)為原料,與格氏試劑甲基溴化鎂(8)反應(yīng),再與三甲基氯硅烷(9)在六甲基磷酰三胺(HMPT)中反應(yīng)得到β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚(10),在BF3.Et2O催化下與巴豆醛縮合得到3-氧代α-突厥醇(11),后者經(jīng)甲磺酰氯在1,8-二氮雜環(huán)十一烯(DBU)中脫水得到最終產(chǎn)品[8].

Demole等則用酮代異佛爾酮(13)與乙二醇的脫水反應(yīng)產(chǎn)物為原料,經(jīng)與各種鋰試劑反應(yīng),經(jīng)一系列反應(yīng)得到大柱三烯酮[9-12].

1.3 以環(huán)己酮衍生物為原料合成

Torri,Inskuchi和 Ogawa由 5,5-二甲基 1,3-環(huán)己二酮(14)為原料與巴豆醛在二異丙氨基鋰(LDA)存在下發(fā)生縮合反應(yīng)得到醇(15),再脫水、用甲基鋰甲基化、異構(gòu)得到大柱三烯酮[13].

通過對(duì)以上合成路線的分析研究,不難看出,有些合成路線的原料如脫氫紫羅蘭酮、3-氧代-α-紫羅蘭醇及其酯或5,5-二甲基1,3-環(huán)己二酮國內(nèi)難以得到,需從頭合成相當(dāng)復(fù)雜;有的合成路線反應(yīng)步驟過長或條件苛刻,有的則使用危險(xiǎn)的鋰試劑,操作難度大,難以擴(kuò)大試驗(yàn)等等.

綜合考慮,以α-異佛爾酮和巴豆醛為原料的方法,原料宜得,且反應(yīng)路線比較短,有一定可行性,只是文獻(xiàn)[8]報(bào)道方法中合成β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚以及其與巴豆醛的Aldol反應(yīng)和產(chǎn)物脫水反應(yīng)條件較為苛刻,技術(shù)難度大,難以工業(yè)化.因此合成的關(guān)鍵在于β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚的制備,以及尋找適合于工業(yè)化的方法,故提出采用α-異佛爾酮為原料,先異構(gòu)為β-異佛爾酮,再使其在催化劑存在下烯醇化與三甲基氯硅烷直接反應(yīng),合成β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚,再與巴豆醛反應(yīng)來合成大柱三烯酮的方法.

反應(yīng)式見右欄上.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

α-異佛爾酮、甲苯、乙酰丙酮鐵(Ⅲ)、二甲基甲酰胺(DMF)、三乙胺、碘化鈉、石油醚(60～90℃)、三甲基氯硅烷、巴豆醛、三氟化硼乙醚、甲苯等均為市售化學(xué)純或分析純?cè)噭?上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

CP--3380型氣相色譜儀,美國 Varian公司;7890A/5975C型色質(zhì)聯(lián)用儀GC--MS,美國安捷倫科技有限公司;色譜柱為SUPELCO PTETM-5(30 m×0.25 mm×0.25μm);DE40型密度儀,瑞士Mettler Toledo公司;WAY--2S型折光儀.

2.2 制備方法

2.2.1 β-異佛爾酮的合成方法

在接有長度為1 m直徑為6 cm的精餾柱的2 000 mL三口燒瓶中,加入10 g乙酰丙酮鐵(Ⅲ)和1 660 gα-異佛爾酮,升溫至沸騰,先全回流半小時(shí),后控制回流比為11∶1,收集沸點(diǎn)為186～196℃餾分,得產(chǎn)品約1 500 g,經(jīng)GC--MS分析,α-異佛爾酮23%,β-異佛爾酮 75%.

將1 500 g上述α,β-異佛爾酮混合物,裝于上述精餾塔的2 000 mL三口燒瓶中,減壓精餾,先全回流半小時(shí)后,控制回流比3∶1,收集沸點(diǎn)為66～67℃/1.33 kPa的餾分,得990 g產(chǎn)品,β-異佛爾酮含量為99%,得率59%.

2.2.2 β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚的合成方法

在裝有攪拌、冷凝管、溫度計(jì)和滴液漏斗的2 000 mL三口燒瓶中,加入400 mL二甲基甲酰胺DMF和320 g(3.2 mol)三乙胺,在攪拌下加入150 g NaI(1 mol)及276 g(2 mol)的β-異佛爾酮,用冰水冷卻,t=10℃左右,滴加290 g(2.7 mol)三甲基氯硅烷,溫度上升,控制在25℃左右.滴完后在25℃左右攪拌反應(yīng)8 h,底部有量沉淀析出.過濾,將濾液倒入800 g冰水中,分出油層,水層用250 mL×2石油醚萃取,合并石油醚液與油層,用稀HCl洗滌,再用氯化鈉鹽水洗至中性,加10 g無水硫酸鎂干燥,回收石油醚后,減壓蒸餾,收集68～70℃/0.45 kPa的餾分,得321 g產(chǎn)品,含量90%左右,n2D0=1.458 6,d22550.899,產(chǎn)率為76%,MS:210(M 24),195(100),179(45),105(26),75(31),73(69),45(26).

2.2.3 大柱三烯酮的合成方法

在裝有攪拌、冷凝管、溫度計(jì)和滴液漏斗的2 000 mL三口燒瓶中加入上述321 g(90%,1.37 mol)β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚,500 mL無水甲苯和115 g(99%,1.64 mol)巴豆醛,冷卻至-25℃,開始滴加 BF3·Et2O194 g(1.37 mol),溫度有所上升,約1 h滴完,控制反應(yīng)溫度在-20℃左右,滴完后再在-20℃左右反應(yīng)8 h.然后由滴液漏斗慢慢加入由126 g Na2CO3和600 g水配成的溶液,滴完后攪拌10分鐘,倒入2 000 mL分液漏斗中,分去水層,油層用水洗至中性,回收甲苯后,經(jīng)減壓蒸餾,收集115～120℃/0.27 kPa的餾分,得120 g產(chǎn)品,含量為75%左右,n2D0=1.572 0,d22550.990,含異構(gòu)體1a約8%、1b約37%、1c約6%、1d約25%,產(chǎn)率為46.1%,MS:190(M 100),175(77),148(77),147(83),133(77),122(55),119(63),105(63),91(77),69(63),55(52),41(77).如以β-異佛爾酮來計(jì),兩步反應(yīng)總得率為35%(文獻(xiàn)[8]報(bào)道,以α-異佛爾酮來計(jì)為40%).

3 結(jié)果與討論

3.1 β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚的合成

1)實(shí)驗(yàn)中參照文獻(xiàn)[14]的方法,先將異佛爾酮在乙酰丙酮鐵(Ⅲ)催化下異構(gòu)為β-異佛爾酮,經(jīng)分餾得到含量為99%的β-異佛爾酮,得率59%,分餾剩余的α-異佛爾酮可以再套用異構(gòu)分餾.

2)β-異佛爾酮在碘化鈉催化和縛酸劑三乙胺存在下與三甲基氯硅烷于二甲基甲酰胺DMF中反應(yīng),來制備β-異佛爾酮烯醇硅醚.反應(yīng)中β-異佛爾酮先異構(gòu)為烯醇式,再與硅烷發(fā)生醚化反應(yīng).

3)該方法避免已有文獻(xiàn)[8]中報(bào)道的采用格氏試劑甲基溴化鎂CH3MgBr(需使用劇毒的溴甲烷來制備)來異構(gòu),并且用二甲基甲酰胺DMF代替劇毒的六甲基磷酸三酰胺HMPT溶劑,另外使β-異佛爾酮與三甲基氯硅烷反應(yīng)在常溫進(jìn)行,避免文獻(xiàn)報(bào)道采用的-20℃低溫,縮短了反應(yīng)時(shí)間,而得率相差無幾.

4)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)碘化鈉的量對(duì)反應(yīng)時(shí)間影響比較大,越多則反應(yīng)越快,主要是碘化鈉先與三甲基氯硅烷進(jìn)行鹵素置換反應(yīng),生成活性更高的三甲基碘硅烷,從而加快反應(yīng)進(jìn)程.

5)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在β-異佛爾酮與三甲基氯硅烷反應(yīng)過程中,有部分β-異佛爾酮異構(gòu)為α-異佛爾酮,生成α-異構(gòu)體硅醚;而用稀鹽酸洗料時(shí)的溫度對(duì)產(chǎn)品影響較大,溫度過高,β-異佛爾酮烯醇硅醚異構(gòu)為α-異構(gòu)體硅醚,且容易水解為原料α-異佛爾酮.

因?yàn)閺姆肿咏Y(jié)構(gòu)來看,α-異佛爾酮遠(yuǎn)比β-異佛爾酮穩(wěn)定,因其具有共軛效應(yīng),同樣生成的硅醚衍生物也是α-異佛爾酮比β-異佛爾酮穩(wěn)定,而此α-異構(gòu)體硅醚同樣能與巴豆醛反應(yīng),生成的卻是副產(chǎn)物.

3.2 大柱三烯酮的合成

1)文獻(xiàn)[8]報(bào)道利用β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚合成大柱三烯酮中,先得到3-氧代-α-突厥醇.而最后一步中先要在DBU與甲基磺酰氯反應(yīng)得到甲基磺酸酯,然后在甲苯中脫甲基磺酸得到大柱三烯酮,反應(yīng)步驟長,操作繁瑣.

2)實(shí)驗(yàn)中用無水甲苯替代了文獻(xiàn)[8]報(bào)道采用的毒性較大、揮發(fā)度較高的二氯甲烷,反應(yīng)效果相差不大.

3)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)硅醚與巴豆醛在三氟化硼乙醚的催化下發(fā)生加成反應(yīng)后,蒸餾即得到了大柱三烯酮,經(jīng)色譜跟蹤發(fā)現(xiàn)反應(yīng)結(jié)束并洗滌后,并沒有大柱三烯酮的峰出現(xiàn),而是在蒸餾回收溶劑過程中受熱直接脫水所致.這主要是由于中間產(chǎn)物3-氧代-α-突厥醇中的羥基受結(jié)構(gòu)影響,受熱非常容易脫水而形成共軛雙鍵,從而轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品大柱三烯酮.而實(shí)驗(yàn)中采用高沸點(diǎn)甲苯替代低沸點(diǎn)的二氯甲烷,恰恰使中間體3-氧代-α-突厥醇在受熱回收溶劑過程中由于溫度更高而更容易進(jìn)行,完全脫水成為產(chǎn)品.

4)文獻(xiàn)[8]報(bào)道,反應(yīng)溫度最好為-40～-60℃,而實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),反應(yīng)溫度為-5～-10℃與反應(yīng)溫度為-40℃,所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差不多.

5)實(shí)驗(yàn)中曾采用精密分餾來提純,盡管可以得到含量≥90%,但損失非常大,主要是產(chǎn)品分子結(jié)構(gòu)中有很多共軛雙鍵,特別容易聚合,蒸餾的腳子非常多.

4 結(jié) 論

1)以α-異佛爾酮為原料,經(jīng)乙酰丙酮鐵(Ⅲ)異構(gòu)得到β-異佛爾酮,再與三甲基氯硅烷在碘化鈉催化和縛酸劑三乙胺存在下于DMF中反應(yīng),得到β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚,得率45%.

2)β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚與巴豆醛經(jīng)Aldol反應(yīng),產(chǎn)物經(jīng)蒸餾脫水一步合成了大柱三烯酮,得率46%.

3)該方法原料易得,操作相對(duì)簡便,避免了文獻(xiàn)[8]報(bào)道的采用劇毒原料、超低溫反應(yīng)等一系列不利因素,比較適合于大規(guī)模的生產(chǎn).

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