香蘭素1，2-辛二醇縮醛的合成

武振峰，周翔，2，丁鳳美，2，邢志奇

(1.東華大學 化學化工與生物工程學院，上海 201620;2.東華大學 生態紡織教育部重點實驗室，上海 201620)

醛或酮與醇縮合生成縮醛或縮酮的反應，常被用來保護醛基或羥基，或合成化工產品中間體。縮醛在酸性條件下易水解成為原來的醛和醇，利用這一性質，可以合成可分解型化學品。

香蘭素是一種廣泛使用的可食用香料，作為香料、定香劑和矯味劑，用于食品、日化、煙草等行業。香蘭素分子結構中含有醛基，與醇反應生成縮醛，可作為香料，也可作為化工產品的中間體。文獻報道將香蘭素與二元醇通過縮醛反應合成香蘭素縮醛。香蘭素與短鏈二元醇縮醛的合成有較多報道，如香蘭素1，2-丙二醇縮醛［1-3］。關于香蘭素與長鏈二元醇縮合的報道較少，有美國專利［4］提出用香蘭素與C3～C12二元醇反應能生成具溫熱感和辛辣味的物質，用于香精香料和食品等行業。本研究擬采用香蘭素與長鏈二元醇1，2-辛二醇縮合制備香蘭素1，2-辛二醇縮醛，作為紡織印染化學品的中間體。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

香蘭素、對甲苯磺酸、磷鉬酸、正己烷、辛二醇(98%)、85%磷酸、環己烷均為分析純。

DF-101s 集熱式攪拌器;R213B 旋轉蒸發儀;BS 2202S 電子天平;SHB-3 循環水泵;HSGF 254 薄層色譜硅膠板;Avance 400 核磁共振儀;LC-20A 高效液相色譜儀。

1.2 實驗方法

將香蘭素、1，2-辛二醇、85%磷酸和帶水劑加入三口燒瓶，裝上溫度計、分水器和三通接頭。向分水器中加入少量帶水劑至分水器支管處，裝上蛇形回流冷凝管。用循環水泵抽真空并通入氮氣置換，重復3 次。磁力攪拌下，油浴加熱并保持反應體系回流，反應至不再有水分出。反應式見圖1。反應液為淡黃色，稍冷，加入飽和碳酸氫鉀溶液中和磷酸。分液得到有機相，用飽和食鹽水洗滌3 次，加入無水硫酸鈉過夜脫水。旋蒸回收帶水劑，得黃色黏稠液體粗品。用薄層色譜法，以正庚烷/乙酸乙酯(1∶2)為展開劑，紫外燈下觀察除未反應的香蘭素外，有新物質生成。將粗品移至燒杯，攪拌滴加飽和亞硫酸氫鈉溶液使香蘭素析出，過濾，分液，收集有機相旋蒸去除水分得淡黃色黏稠液體。

圖1 香蘭素與1，2-辛二醇縮醛反應Fig.1 The reaction of vanillin and 1，2-octanediol

1.3 香蘭素1，2-辛二醇縮醛的結構表征

采用柱層析色譜法，以乙酸乙酯/正庚烷=1∶10為流動相，分離出無色透明粘稠液體，采用1H NMR和13C NMR 對其結構進行表征，氘代丙酮為溶劑。

1.4 產物收率測定

對黃色粘稠液體粗品，用1H NMR 內標法測定其中縮醛含量。不需引進任何校正因子，可直接根據各共振峰的積分值推算所代表的自旋核的數量，計算進樣中的縮醛含量［5］。取質量為W 的粗品和質量為Ws的內標物吡嗪溶于氘代丙酮溶液中，比較樣品中縮醛特定基團上質子(1H NMR 譜圖中8位氫原子)引起的共振峰面積與內標物的質子共振峰面積，從內標物的質量，可計算縮醛的質量(Wx)，由式Wx=Ws×(Ax/As)×(E/Es)求得。Ws為內標物質量;Ax為縮醛峰面積(δ1=5 ～6);As為內標物峰面積(δ2=8.6);E 為δ1處質子當量，即E =縮醛分子量/δ1基團中的質子數;Es為δ2處質子當量，即Es=內標物分子量/δ2基團中的質子數。則縮醛含量ω=Wx/W×100%，產物收率=ω×粗品產物質量/理論縮醛產量。

1.5 HPLC 法測定產物純度

高效液相色譜采用PDA 檢測器，面積歸一法定量，進樣量1 μL。色譜柱:Waters Xbridge C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)，流動相A:0.1% NH3·H2O 水溶液，v/v，B:乙腈，梯度洗脫;檢測波長220 nm，柱溫40 ℃，流速1.0 mL/min。

2 結果與討論

2.1 產物結構表征和提純

2.1.1 香蘭素1，2-辛二醇縮醛產物結構表征 柱層析分離出的無色粘稠液體的1H NMR 和13C NMR譜見數據如下。(C＊表示手性碳原子)。

1H NMR(400 MHz，CD3COCD3，δ):0.90 ～0.94(3H，t，CH3，1);1.33 ～1.37(6H，m，CH2，3);1.48～1.51(2H，m，CH2，2);1.64 ～1.71(2H，m，CH2，4);2.02 ～2.06(溶劑峰);3.54 ～3.58，3.63 ～3.67(1H，t，t，C＊H，5);3.85(3H，s，OCH3，7);4. 03 ～4.27(2H，m，CH2，6);5.69，5.81(1H，s，s，C＊H，8);6.85 ～7.08(3H，m，Ar-H);7.66(1H，s，OH，12)。

13C NMR(400 MHz，CD3COCD3，δ):13. 62(CH3，1);22. 46(CH2，2);25. 67(CH2，5);29. 08(溶劑峰，CH3);31. 72(CH2，4);33. 32(CH2，6);33. 58(CH2，3);55. 39(OCH3，16);69. 7，70. 43(CH2，8);76.19，76.87(C＊H，7);102.97，103.91(C＊H，9);110. 1(Ar-C，12);114. 39(Ar-H，13);119.93(Ar-C，11);130.06(Ar-C，10);130.59(Ar-C，14);147.16(Ar-C，15);205.6(溶劑峰，CO)。

由1H NMR 譜可看到5 位氫原子出現兩個三重峰，化學位移3.54 ～3.58，3.63 ～3.67，兩峰積分面積之和為1(以CH3振動峰積分面積為3)，即該相鄰兩峰所代表氫原子數目為1;8 位氫原子出現兩個單峰，化學位移5.69，5.81，兩個峰的積分面積值之和也為1。對應地，在13C NMR 譜圖中，7 位與9 位碳原子同樣各出現兩個很近的振動峰，7 位碳原子位于76.19，76.87，9 位碳原子位于102.97，103.91。這些是由于1，4-二氧戊環中兩個次亞甲基均為手性碳原子形成非對映異構所致。

2.1.2 產物提純 文獻中報道香蘭素1，2-丙二醇合成中以減壓蒸餾分離提純縮醛產物，條件為156～159 ℃/400 Pa［6］。本實驗用亞硫酸氫鈉去除未反應的香蘭素，1H NMR 顯示，香蘭素基本除盡。HPLC 測定亞硫酸氫鈉處理后產物純度為95.2%。處理后產物顏色變淡，放置半年以上，顏色保持不變。

2.2 合成工藝條件確定

本研究試用了對甲苯磺酸和磷酸兩種催化劑，探究所選定催化劑的用量、反應物料摩爾比、帶水劑種類和反應時間對反應收率的影響，確定合成工藝。2.2.1 催化劑選擇和用量 香蘭素用量為45.6 g(0.3 mol)，辛二醇用量為65.7 g(0.45 mol)，正己烷用量為120 mL，催化劑用量為1.5 g。按1.2 節步驟進行，觀察兩種催化劑對反應液顏色的影響，結果見表1。

表1 催化劑對反應液顏色影響Table 1 Effect of catalyst on the color of reaction liquid

由表1 可知，當以磷酸為催化劑時，反應液呈淡黃色;當以對甲苯磺酸為催化劑時，反應液呈黑褐色。為此，將正己烷和對甲苯磺酸混合加熱至回流，混合物也呈黑褐色。這說明溶液變黑是由對甲苯磺酸造成的，原因可能是對甲苯磺酸加熱時與空氣中的氧發生化學反應導致黑色色變。因此，從外觀考慮，選擇磷酸作為催化劑。

香蘭素用量45.6 g(0.3 mol)、辛二醇65.7 g(0.45 mol)、正己烷120 mL，按1. 2 節步驟進行，85%磷酸用量分別為香蘭素的1. 54%，2. 41%，3.29%，3.95%，對反應收率的影響，結果見表2。

表2 磷酸用量對反應收率的影響Table 2 Effect of the amount of catalyst on the yield

由表2 可知，當85%磷酸用量為3.29%時收率最高，如磷酸用量進一步增加，收率下降。可能是因為磷酸用量增大后反應液酸性增強，使平衡向反向移動，導致收率下降。

2.2.2 醛醇摩爾比 從化學反應平衡角度看，增大1，2-辛二醇用量，有利于提高香蘭素的轉化率，但同時考慮到原料的浪費及后處理等因素，需要選擇合適的摩爾比。香蘭素用量為45.6 g(0.3 mol)，磷酸用量為1.5 g，正己烷用量為120 mL，改變1，2-辛二醇加入量，使醛醇摩爾比分別為1∶1.3，1∶1.5，1∶1.7，研究其對反應收率的影響，結果見表3。由表3 可知，當醛醇摩爾比為1∶1.5 時，收率達最大值81.3%，繼續增加1，2-辛二醇用量，產品收率反而降低。這可能是由于1，2-辛二醇有一定的親水性，1，2-辛二醇用量較大時，增加了水在體系中的停留傾向，不利于反應的正向進行。因此，選擇香蘭素與1，2-辛二醇摩爾比為1∶1.5。

表3 醛醇摩爾比對反應收率的影響Table 3 Effect of molar ratio of vanillin and 1，2-octanediol on the yield

2. 2. 3 帶 水 劑 種 類 香 蘭 素 用 量 為45. 6 g(0.3 mol)，辛二醇用量為65.7 g(0.45 mol)，磷酸用量為1.5 g，帶水劑分別選用正己烷、環己烷、甲苯，用量均為120 mL。按1.2 節步驟進行，研究帶水劑對反應收率的影響，結果見表4。由表4 可知，帶水劑效果，正己烷＞環己烷＞甲苯。三種帶水劑的回流溫度為甲苯(118 ℃左右)＞環己烷(90 ℃左右)＞正己烷(78 ℃左右)。帶水劑為正己烷的反應收率最高，能耗最低，選擇正己烷為該反應的帶水劑。

表4 帶水劑對反應收率的影響Table 4 Effect of water-carrying agent on the yield

2.2. 4 反應時間對收率影響 香蘭素用量為45.6 g(0.3 mol)，辛二醇用量為65.7 g(0.45 mol)，正己烷用量為120 mL，磷酸用量為1.5 g，按1.2 節步驟進行，研究反應時間對反應收率的影響，結果見表5。

表5 反應時間對反應收率的影響Table 5 Effect of reaction time on the yield

由表5 可知，反應時間8 ～10 h 收率較高，超過10 h 后收率變化不大。從生產成本和收率方面考慮，反應時間以8 h 為宜。

2.3 較佳工藝條件下反應收率

根據以上實驗確定較佳工藝條件:香蘭素用量0.3 mol，n(香蘭素)∶n(1，2-辛二醇)=1∶1.5，磷酸用量為香蘭素的3. 29%，帶水劑正己烷120 mL，78 ℃左右回流8 h。按此工藝條件進行了3 次平行實驗，反應收率分別為82.2%，82.3%，83.4%，反應重現性較好。經提純，縮醛產物為淡黃色黏稠液體，HPLC 測定產物純度為95.2%。

3 結論

(1)以長碳鏈二元醇1，2-辛二醇與香蘭素在磷酸催化下合成縮醛，通過柱層析色譜分離得到無色透明液體，用1H NMR 和13C NMR 確認了香蘭素1，2-辛二醇縮醛產物結構，該產物包含非對映異構體。

(2)研究得到合成的較佳工藝條件為:n(香蘭素)∶n(1，2-辛二醇)=1∶1.5，催化劑85%磷酸用量為香蘭素的3.29%，帶水劑正己烷體積與香蘭素質量比為2.63 mL/g，78 ℃左右回流8 h。收率最高達83.4%，反應重現性較好。

(3)提純工藝，用亞硫酸氫鈉飽和溶液去除未反應的香蘭素，代替常用的減壓蒸餾法，可降低能源消耗。產物為淡黃色黏稠液體，顏色較處理前淡，HPLC 測定縮醛產物純度為95.2%。

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