愛德萬甜中間體3-羥基-4-甲氧基肉桂醛的合成

方聰，劉怡雪，黎四芳

（廈門大學化學化工學院，福建 廈門 361005）

3-羥基-4-甲氧基肉桂醛（HMCA）是一種重要的精細化工中間體，主要用來合成在低糖和無糖食品以及飲料中具有很好應用前景的新型二肽超高甜度甜味劑愛德萬甜[1-11]。早期Nagashima 等[12]使用3-羥基-4-甲氧基肉桂酸為原料，在四氫呋喃中進行催化氫化反應得到HMCA，但原料及催化劑較為昂貴，不易工業化。目前HMCA 通常由異香蘭素與乙醛在強堿性條件下進行羥醛縮合反應而得到[13]，反應式見圖1。Mori 等[13]最早將異香蘭素溶解于10 倍物質的量的NaOH 水溶液中，在反應溫度-10℃下連續滴加質量分數為28%的乙醛水溶液進行反應，反應時間需要45h以上。陳博儒等[14]在雙層玻璃反應釜中使用恒流泵慢慢通入25%～30%乙醛水溶液與異香蘭素的堿溶液發生反應，收率最高為61.28%±1.37%，后續通過柱層析對所得粗產品進行了分離純化[15]。

上述反應條件比較苛刻。為此，吳美紅等[16]采用質量分數為5%的氫氧化鉀溶液，同時加入總量2%的聚乙二醇200，在常溫常壓下反應4h，HMCA收率為49.8%。劉怡雪[17]使用十六烷基三甲基溴化銨有效降低了NaOH用量，合成收率達到64.9%。

在該羥醛縮合反應中具有活性α-H 的乙醛易發生自身縮合反應，雖然反應需要在較低的溫度和大大過量的強堿存在的條件下進行以減少副反應，但是副反應始終無法避免，因此HMCA 收率難以提高[18]。為解決這一問題，本文研究用乙酸乙烯代替乙醛與異香蘭素發生反應合成HMCA，反應式見圖2。該合成方法相較于羧酸催化氫化法[12]不僅反應原料更為經濟，且無須使用昂貴的催化劑。而相比于異香蘭素-乙醛合成法[13-17]，乙酸乙烯不會像乙醛那樣發生自身縮合反應，因此反應可在溫和的條件下進行，副產物少、產物的收率和純度較高。本文用單因素試驗分別研究反應溫度、反應時間、氫氧化鈉濃度和異香蘭素與乙酸乙烯反應配比對該反應轉化率和HMCA 收率的影響，并進行響應面優化，還探索了在反應體系中添加相轉移催化劑以進一步強化反應過程。

圖2 異香蘭素與乙酸乙烯合成HMCA的反應式

1 實驗方法

1.1 試劑

異香蘭素（工業級，99%）；乙酸乙烯（AR）；氫氧化鈉（AR）；鹽酸（AR）；乙醇（AR）；十二烷基硫酸鈉（AR）；十二烷基苯磺酸鈉（AR）；十六烷基三甲基溴化銨（AR）；聚乙烯吡咯烷酮K30（PVP K30，AR）；乙二醇（EG，AR）；聚乙二醇200（PEG-200，AR）；聚乙二醇300（PEG-300，AR）；聚乙二醇400（PEG-400，AR）。

1.2 儀器

DC-2006低溫恒溫槽，無錫沃信實驗設備有限公司；顯微熔點儀，上海儀電物理光化學儀器有限公司；HPLC 高效液相色譜儀A1200，美國Agilent公司；Nicolet iS50 紅外光譜儀，Thermo Fisher；Thermo共聚焦顯微激光拉曼光譜儀，Raman；液質聯用儀LCMS-2020，島津；400M 核磁共振波譜儀，瑞士Bruker公司。

1.3 合成方法

在插有溫度計、電動攪拌器并置入低溫恒溫槽內的100mL 三口燒瓶中投加50mL 去離子水，依次投加一定質量的氫氧化鈉和異香蘭素，充分攪拌，待全部溶解后，控制一定的溫度，用恒壓漏斗緩慢滴加一定質量的乙酸乙烯開始反應，在一定時間內全部滴完，而后再持續攪拌反應30min。向反應混合物中滴加36% HCl 調整pH 為2，靜置12h 后抽濾，用500mL 去離子水多次沖洗濾餅，所得粗產品于60℃空干燥24h。粗產品在乙醇中重結晶即得HMCA精品。

1.4 單因素實驗

按照上述合成方法，進行單因素實驗，分別研究各工藝條件對反應轉化率和HMCA 收率的影響。固定異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比1∶2、氫氧化鈉濃度4.5mol/L 和反應時間12h，探究改變反應溫度（0℃、5℃、10℃、15℃和20℃）對異香蘭素轉化率和HMCA 收率的影響；固定反應溫度為10℃、異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比1∶2 和氫氧化鈉濃度4.5mol/L，探究改變反應時間（4h、8h、12h、16h和20h）對反應轉化率和HMCA收率的影響；固定異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比1∶2、反應溫度10℃和反應時間12h，探究改變氫氧化鈉濃度（2.5mol/L、3.5mol/L、4.5mol/L、5.5mol/L 和6.5mol/L）對反應轉化率和HMCA 收率的影響；固定氫氧化鈉濃度4.5mol/L、反應溫度10℃和反應時間12h，探究改變異香蘭素和乙酸乙烯摩爾比（1.5∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5和1∶3）對異香蘭素轉化率和HMCA收率的影響。

1.5 響應面實驗設計

為進一步探究上述實驗因素對合成HMCA 的影響程度，根據上述單因素實驗的結果選擇最佳反應條件兩側的水平，設計了4 因素3 水平的Box-Behnken響應面中心組合實驗，如表1所示。

表1 響應面實驗因素水平設計

1.6 相轉移催化

在異香蘭素和乙酸乙烯反應摩爾比1∶2、NaOH濃度4.5mol/L、反應溫度10℃、反應時間12h的條件下，分別加入各種相轉移催化劑（PEG-200、PEG-300、PEG-400、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和PVP K30）進行反應，研究相轉移催化劑對異香蘭素轉化率和HMCA收率的影響。

1.7 異香蘭素和3-羥基-4-甲氧基肉桂醛含量的分析方法

使用1200 Agilent 型液相色譜儀檢測異香蘭素和HMCA 的含量， 色譜柱為Agilent C18ODS（250mm×46mm，5μm），柱溫為35℃，流動相為乙腈和水（體積比為30∶70），流速為1.0mL/min，紫外檢測波長為338nm，進樣量20μL。

2 結果與討論

2.1 單因素變量對反應結果的影響

分別研究了反應溫度、反應時間、NaOH 濃度和異香蘭素與乙酸乙烯的反應投料比對異香蘭素轉化率與HMCA收率的影響。

2.1.1 反應溫度的影響

異香蘭素轉化率隨著反應溫度的不斷上升而逐漸提高，說明升高溫度能夠促進該反應的進行，而HMCA收率在10℃時達到最大，為73.21%（圖3）。隨后進一步升溫，HMCA收率則明顯降低，這可能是由于乙酸乙烯在較高的溫度和堿性條件下發生水解，水解產生的乙烯醇迅速發生重排生成乙醛，而乙醛易于自身縮合。因此，本反應對溫度的控制要求較高。

圖3 反應溫度對異香蘭素轉化率和HMCA收率的影響

2.1.2 反應時間的影響

反應時間對異香蘭素轉化率和HMCA 收率的影響見圖4。當反應時間從4h延長至12h時，異香蘭素轉化率和HMCA 收率均逐漸增加。反應時間較短時，兩者反應不充分，逐漸延長反應時間能夠促進該反應的進行。當反應時間為12h 時，HMCA收率最高，為71.25%。反應時間超過12h后，異香蘭素轉化率不再增加，而HMCA 收率則下降，這可能是部分生成的HMCA進一步發生副反應了。

圖4 反應時間對異香蘭素轉化率和HMCA收率的影響

2.1.3 氫氧化鈉濃度的影響

如圖5 所示，當氫氧化鈉濃度從2.5mol/L 提高到4.5mol/L時，異香蘭素轉化率和HMCA收率均增加，并在氫氧化鈉濃度為4.5mol/L 時達到最大值；而當繼續提高氫氧化鈉濃度時，異香蘭素轉化率略有下降，HMCA收率則明顯降低。氫氧化鈉在反應中充當催化劑以促進烯醇離子的生成，但堿性過高加快異香蘭素發生Cannizzaro 反應[19]，造成HMCA收率明顯降低。

圖5 NaOH濃度對異香蘭素轉化率和HMCA收率的影響

2.1.4 異香蘭素和乙酸乙烯反應投料比的影響

如圖6所示，乙酸乙烯的量較少，不利于反應進行完全。乙酸乙烯的量過多，導致水解副反應增加，也會對實驗結果產生不利影響。因此，每次反應選取異香蘭素和乙酸乙烯的投料比為1∶2 時較為合適。

圖6 異香蘭素和乙酸乙烯反應投料比對實驗的影響

2.2 響應面實驗結果與分析

基于單因素實驗的結果，以A為反應時間，B為反應溫度，C為氫氧化鈉濃度，D為異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比，HMCA收率為響應值，開展4因素3水平的響應面優化實驗，結果如表2所示。

表2 響應面實驗結果表

以HMCA的收率為響應值，經擬合得到如式（1）的二次多項式回歸方程。

該方程R2=0.9956，說明擬合結果良好。P<0.0001（表3），顯示該方程具有極其顯著的統計學差異。方差分析表明，反應溫度（B）、反應時間二次項（A2）、反應溫度二次項（B2）、氫氧化鈉濃度二次項（C2）、異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比二次項（D2）對產品收率的影響非常顯著（P<0.0001），氫氧化鈉濃度（C）對產品收率的影響較為顯著（P<0.05）。由統計檢定值F的大小可以判斷，反應溫度對HMCA 收率的影響最大，其次為氫氧化鈉濃度，反應時間次之，異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比的影響排在最后。

表3 方差分析

圖7～圖12繪出了反應時間、反應溫度、NaOH濃度和異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比之間的交互作用的響應面圖。可見，各曲面在實驗范圍內均具有最大值，反應溫度與NaOH濃度的交互作用的響應面圖形最為陡峭，對HMCA 收率影響最大；而反應時間和異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比的交互作用的響應面圖形較為平緩，對HMCA收率影響程度最小。

圖7 反應時間與反應溫度的交互影響響應面

圖8 反應時間與NaOH濃度的交互影響響應面

圖9 反應溫度與NaOH濃度的交互影響響應面

圖10 反應時間與異香蘭素和乙酸乙烯摩爾比的交互影響響應面

圖11 反應溫度與異香蘭素和乙酸乙烯摩爾比的交互影響響應面

圖12 NaOH濃度與異香蘭素和乙酸乙烯摩爾比的交互影響響應面

采用Design Expert 8.0 求得最優解：反應時間為12.15h，反應溫度為9.68℃，NaOH 濃度為4.5mol/L，異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比為1∶2.01，在此條件下產品收率為71.61%。在實際操作過程中，以反應溫度10℃、反應時間12h、NaOH 濃度4.5mol/L 和異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比1∶2 的條件，進行5 次平行反應驗證，結果HMCA 收率為71.44%±2.21%，與理論值較為接近。

2.3 相轉移催化

為了進一步提高HMCA 的收率，分別在反應體系中加入相轉移催化劑PEG-200、PEG-300、PEG-400、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和PVP K30進行反應，結果表明，十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和PVP K30對異香蘭素與乙酸乙烯的反應沒有明顯的催化作用，雖然這些物質對其他的一些羥醛縮合反應起到了相轉移催化作用[20-24]。只有PEG 顯示了明顯的催化作用，其中PEG-200 強化反應最為顯著。這可能是分子量更小的PEG-200 螺旋形結構的孔穴大小更加適中，與金屬Na+比較匹配。從反應機理分析，OH-與乙酸乙烯形成烯醇碳負離子是控制步驟，而OH-在水相，乙酸乙烯在有機相。PEG-200攜帶OH-使其從水相轉移到有機相中，促進了OH-與乙酸乙烯形成烯醇碳負離子。在10℃、NaOH 濃度4.5mol/L 和反應12h的條件下，探究了PEG-200的用量對異香蘭素轉化率和HMCA 收率的影響，結果見圖13。PEG-200 用量為1.5g 時，HMCA 收率最高，為83.12%±2.18%。

圖13 PEG-200用量對異香蘭素轉化率和HMCA收率的影響

2.4 產品鑒定

首先使用顯微熔點儀對產物進行熔點測定，設置加熱速度為10℃/min，待溫度升至100℃后再將加熱速度調整為1℃/min。測得熔點為145.4～146.7℃（文獻值為147℃[13]）。

對重結晶后的產物進行研磨，添加產物到KBr中進行壓片處理，在400～4000cm-1區間經傅里葉紅外光譜儀掃描，結果見圖14。繼續對該產物在700～4000cm-1區間進行拉曼光譜掃描，結果見圖15。紅外光譜中峰值在1610cm-1、1507cm-1和1447cm-1及拉曼圖譜中1570cm-1處的峰由產物的苯環結構伸縮振動引起。紅外譜圖中3210cm-1處寬而強的峰表示在苯環上羥基的振動，而在拉曼光譜中，3088cm-1處的弱峰則代表苯環上羥基的存在。紅外光譜中2984cm-1處為甲基的伸縮振動峰，同時吸收峰1284cm-1為苯環上的C—O 鍵伸縮振動引起的，1135cm-1處為甲基C—O鍵的伸縮振動吸收峰；拉曼光譜中1118cm-1處由C—O—C 的反對稱振動引起，表明有甲氧基存在。產物的紅外光譜1675～1640cm-1區域有一個顯著的C==C 鍵峰，峰值在1655cm-1，同樣對應拉曼光譜中1602cm-1的強伸縮振動。紅外光譜在2842cm-1和1655cm-1處是醛基的典型吸收，而拉曼光譜中1650cm-1處的C==O 振動則較弱，表明—CHO存在。

圖14 產物的紅外光譜圖

圖15 產物的拉曼光譜圖

取適量樣品鋪滿整個玻璃凹槽，在2θ=5°～80°范圍內進行XRD 掃描，結果如圖16 所示。在2θ=10°～30°范圍內具有明顯而尖銳的衍射峰。在2θ=13.74°、16.48°、24.38°和27.70°處出現四個明顯的衍射峰，與相關文獻報道一致[13]。

圖16 產物的XRD衍射圖

產物的質譜測試采用電噴霧離子源(ESI)，以正離子模式運行，溶劑為乙腈，結果見圖17。3-羥基-4-甲氧基肉桂醛分子式為C10H10O3，分子量為178。質譜峰中m/z=179.20 的[M+H]+為基峰。有碎片m/z=146.25的[M—OCH3]+生成，表明有甲氧基存在。m/z=129.35是m/z=146.25失去質量為17的碎片（—OH）產生的，m/z=101.35 是失去—CHO 后得到的離子峰。m/z=74.50 則為斷裂側鏈雙鍵后苯環的特征峰。可判斷產物為3-羥基-4-甲氧基肉桂醛。

圖17 產物的質譜圖

最后使用核磁共振氫譜和碳譜對重結晶后的產物進行了鑒定。1H NMR 和13C NMR 譜在AVANCEⅢHD 400 譜儀（Bruker Biospin Gmbh）上進行，工作頻率為400mHz，結果如圖18 和圖19 所示。

圖18 產物的核磁共振氫譜圖

圖19 產物的核磁共振碳譜圖

1H NMR (CDCl3－d)δ：9.72～9.65 (dd，J=7.8Hz，0.9Hz，1H)，7.45～7.37 (d，J=15.8Hz，1H)，7.22～7.17 (d，J=2.1Hz，1H)，7.16～7.09 (dd，J=8.3Hz，2.1Hz，1H)，6.95～6.89(d，J=8.3Hz，1H)，6.67～6.57(ddd，J=15.8Hz，7.8Hz，0.9Hz，1H)，5.81～5.76 (s，1H)，4.04～3.96 (d，J=0.9Hz，3H)。13C NMR (CDCl3—d)δ：193.75 (C—12)，152.90(C—5)，149.39 (C—3)，146.12 (C—6)，127.78 (C—11)，127.11 (C—10)，122.44 (C—)，113.60 (C—1)，110.73(C—4)，56.13(C—9)。

3 結論

對于3-羥基-4-甲氧基肉桂醛的制備，以乙酸乙烯代替乙醛，經過單因素實驗和響應面實驗優化，發現反應溫度對收率的影響最大，其次為NaOH濃度，而反應時間的影響最小。最優操作參數為反應溫度10℃、反應時間12h、NaOH 濃度4.5mol/L、異香蘭素與乙酸乙烯摩爾比1∶2，此時3-羥基-4-甲氧基肉桂醛收率可達71.44%±2.21%。相轉移催化劑PEG-200 對異香蘭素與乙酸乙烯反應合成3-羥基-4-甲氧基肉桂醛的過程具有明顯的催化作用，可使3-羥基-4-甲氧基肉桂醛收率從71.44%±2.21%提升到83.12%±2.18%。所得產品經熔點測定、紅外光譜、拉曼光譜、質譜、X射線衍射、1H NMR和13C NMR進行了表征和確認。