生物質(zhì)基δ-癸內(nèi)酯的合成研究

＊王天義 汪洋

（安徽華業(yè)香料股份有限公司 安徽 246300）

1.前言

丁位癸內(nèi)酯又稱(chēng)δ-正戊基-δ-戊內(nèi)酯或δ-癸內(nèi)酯，具有強(qiáng)烈持久的奶油香特征，是調(diào)制牛奶和奶油香精的重要原料，同時(shí)也廣泛用于調(diào)配椰子、草莓、桃等香料[1]。丁位癸內(nèi)酯在人造奶油、冰淇淋、軟飲料、糖果、焙烤食品及調(diào)味料中大量應(yīng)用，市場(chǎng)需求量大[2]。

由于丁位癸內(nèi)酯在香料中的重要性，自上世紀(jì)70年代以來(lái)，不斷研究其生產(chǎn)工藝、技術(shù)及工業(yè)化生產(chǎn)，就目前而言，主要生產(chǎn)包括生物發(fā)酵法、酶法和化學(xué)合成三種。發(fā)酵法由于轉(zhuǎn)化率低、生產(chǎn)成本高，僅限于實(shí)驗(yàn)室研究。酶法工藝路線為：選擇合適的脂肪酶，以蓖麻油為底物產(chǎn)出丁位癸內(nèi)酯，由于后處理繁瑣，很難形成工業(yè)批量生產(chǎn)。化學(xué)合成法路線以環(huán)戊酮路線較有成本優(yōu)勢(shì)，利于形成工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，但產(chǎn)品帶有化學(xué)品氣息，香氣風(fēng)格的差異在食品調(diào)香中的應(yīng)用受到限制。

天然丁位癸內(nèi)酯在日化香精中，廣泛應(yīng)用于人造奶油、各類(lèi)糕點(diǎn)香精，以及一些日化香精和煙用香精中。現(xiàn)有的天然丁位癸內(nèi)酯生產(chǎn)主要采用以下兩種方法：一是用環(huán)己二酮與溴代正己烷反應(yīng)，再氧化開(kāi)環(huán)、還原和環(huán)合而得δ-癸內(nèi)酯，此法合成過(guò)程比較繁瑣，產(chǎn)率較低；二是用戊二酸二乙酯進(jìn)行迪克曼縮合反應(yīng)縮合，再用無(wú)水碳酸鉀在丙酮中與溴代正庚烷反應(yīng)，經(jīng)脫羧、氧化得δ-癸內(nèi)酯，此法成本合理，但步驟較長(zhǎng)，收率不高[3]。

糠醛是一種目前尚不能通過(guò)化學(xué)方法合成的重要的基礎(chǔ)有機(jī)化工原料，是從糖類(lèi)化合物中所獲得的唯一一種不飽和大比容有機(jī)化學(xué)品，其化學(xué)性質(zhì)十分活潑，是應(yīng)用廣泛的有機(jī)化工中間體，隨著世界范圍內(nèi)能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，對(duì)糠醛的需求量將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。本文研究以生物質(zhì)基糠醛為主要原料合成生物質(zhì)基δ-癸內(nèi)酯，將來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉的生物質(zhì)原材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈吒郊又档纳镔|(zhì)基香料產(chǎn)品，不僅可以降低對(duì)化石資源的依賴(lài)程度，而且反應(yīng)過(guò)程也符合綠色化[4]。

2.反應(yīng)原理

(1)反應(yīng)路線

采用天然正戊醇和鹽酸進(jìn)行氯化反應(yīng)，分出水層，得到氯戊烷；然后在氮?dú)鈼l件下，以四氫呋喃為溶劑，氯戊烷和生物質(zhì)基糠醛進(jìn)行格氏反應(yīng)，經(jīng)中和水洗后，蒸餾回收四氫呋喃，得到戊基糠醇；在高溫高壓條件下，戊基糠醇進(jìn)行重排反應(yīng)，再經(jīng)加氫和脫水，得到戊基環(huán)戊酮，氧化擴(kuò)環(huán)戊基環(huán)戊酮，分離提純得到生物質(zhì)基δ-癸內(nèi)酯香料產(chǎn)品。

(2)氯戊烷的合成

氯代正戊烷作為一種重要的精細(xì)化工產(chǎn)品，常用作有機(jī)合成及溶劑，目前國(guó)內(nèi)氯代正戊烷工業(yè)化生產(chǎn)線較少[5]。氯戊烷一般由正戊烷氯化而得。先將戊醇用氯化氫脫水，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)后，在生鐵制的文丘里型混合器中，以高流速與氯氣混合，再將混合氣送入管式蒸發(fā)器的反應(yīng)器中。生成物立即送進(jìn)冷卻器中冷卻，以抑制二氯戊烷的生成，經(jīng)冷卻、分餾除去氯化氫、戊烷，即得氯戊烷成品。另一種制備方法是由正戊醇與氯化氫反應(yīng)，先用鹽酸溶解氯化鋅，然后加入正戊醇，在120℃回流3h后進(jìn)行蒸餾，所得粗品經(jīng)洗滌、分餾制備氯戊烷[6]。本文采用天然正戊醇與鹽酸進(jìn)行氯化反應(yīng)，分水后得到氯戊烷，反應(yīng)原理如下：

(3)中間產(chǎn)物戊基糠醇合成

2-呋喃酮類(lèi)化合物廣泛存在于許多天然產(chǎn)物和藥物中，它們具有很好的生物活性，同時(shí)許多2-呋喃酮類(lèi)化合物也是重要的有機(jī)合成中間體[7]。戊基糠醇一般由可由2-呋喃基烯酮來(lái)進(jìn)行制備[8]，本文采用氯代正戊烷制備成格式試劑，在于生物質(zhì)基糠醛進(jìn)行格式反應(yīng)，中和水洗后，蒸餾回收溶劑得到戊基糠醇，反應(yīng)原理如下：

(4)中間產(chǎn)物氧代戊基環(huán)戊烯醇合成

榮國(guó)斌等以環(huán)戊二烯為原料，以聚乙二醇類(lèi)表面活性劑為相轉(zhuǎn)移催化劑,先制得戊基取代環(huán)戊二烯，然后在甲醇溶劑中進(jìn)行溴化，再經(jīng)過(guò)酸性水解來(lái)得到[8]，或以丁二烯與乙酰乙酸乙酯在鈀催化下，先得到2-乙酰基-4,9-癸二烯酸乙酯，再選擇性加氫、脫酰、酰氯化、環(huán)化等步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)[9]。本文以去離子水為溶劑，戊基糠醇在高溫高壓條件下進(jìn)行重排，得到氧代戊基環(huán)戊烯醇，反應(yīng)原理如下：

(5)戊基環(huán)戊酮合成

王北方等以Pd/C作為催化劑、甲醇作溶劑，由戊烯環(huán)戊酮經(jīng)過(guò)常壓催化加氫反應(yīng)制得戊基環(huán)戊酮[10]。本文以甲苯為溶劑，氧代戊基環(huán)戊烯醇在Pd/C催化下加氫，然后在對(duì)甲苯磺酸催化劑作用下回流脫水，再經(jīng)加氫，得到戊基環(huán)戊酮，反應(yīng)原理如下：

(6)生物質(zhì)基δ-癸內(nèi)酯合成

丁位癸內(nèi)酯可以間苯二酚為原料制備5-羥基癸酸,然后再脫水環(huán)化成丁位癸內(nèi)酯[11]，也可以戊二酸酐為起始原料，和溴戊烷Grignard試劑在銅鹽催化下反應(yīng)得到5-氧代癸酸，5-氧代癸酸鈉鹽經(jīng)硼氫化鈉還原得到5-羥基癸酸鈉；最后加鹽酸酸化環(huán)合得到丁位癸內(nèi)酯[12]。本文采用戊基環(huán)戊酮與過(guò)氧乙酸通過(guò)Baeyer-Villige氧化擴(kuò)環(huán)，生成δ-癸內(nèi)酯。反應(yīng)原理如下：

3.實(shí)驗(yàn)步驟

(1)儀器和試劑

①儀器

7890N氣相色譜儀（美國(guó)安捷倫）、ACF-300型核磁共振儀（德國(guó)Bruker）、Elementar Vario ELc元素分析儀（德國(guó)Elementar）、HWCL-3恒溫磁力攪拌器（鄭州長(zhǎng)城科工公司），WYA-Z自動(dòng)阿貝折射儀，DM40密度計(jì)（Mettler Toledo）、2XZ-1旋片真空泵（上海萬(wàn)精泵閥公司）、SHBIIIA型循環(huán)水式多用真空泵（上海豫康）、BT300L蠕動(dòng)泵（河北雷弗）、DC(-20℃～100℃)低溫恒溫槽（杭州大衛(wèi)科教儀器公司）、RE52C旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（鄭州予創(chuàng)儀器設(shè)備公司）、60cm玻璃填料分餾塔（自制）。

②試劑

天然正戊醇（99%，TFA）、生物質(zhì)基糠醛（99%，Arkema）四氫呋喃（99%，AR）、鹽酸（35%，AR）、鎂屑（99%）、碳酸氫鈉（98%，AR）、溴戊烷（99%，AR）、氮?dú)猓?9.9%，安慶氣體公司）、氫氣（99.9%，安慶氣體公司）、去離子水（自制）、氫氧化鈉（98%，AR）、鈀炭（5%，莊信）、甲苯（99%，AR）、對(duì)甲苯磺酸（98%，AR）、過(guò)氧乙酸（35%，漢隆）。

(2)氯代正戊烷的制備

利用250ml四口燒瓶，搭建帶有恒溫磁力攪拌器、玻璃填料分餾塔和尾氣吸收的一體化裝置，先向燒瓶釜加入天然正戊醇75g，然后投入35%鹽酸96g，開(kāi)啟攪拌器，打開(kāi)冷熱一體交換器對(duì)燒瓶進(jìn)行升溫至80～120℃，開(kāi)啟分餾塔節(jié)冷凝水和尾氣吸收裝置，在此溫度下進(jìn)行氯化反應(yīng)4～8h，反應(yīng)過(guò)程中鹽酸揮發(fā)產(chǎn)生的氯化氫氣體通過(guò)尾氣吸收裝置冷凝后收集到鹽酸吸收液接收瓶中，通過(guò)玻璃填料分餾塔收集反應(yīng)產(chǎn)生的氯代正戊烷粗品。

反應(yīng)結(jié)束后，向氯代正戊烷粗品中加入5%碳酸氫鈉溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液pH7～8，靜置30min，分出水層，油層轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，升溫至80～100℃除去水分，得到氯代正戊烷58.3g，收率64.3%。

(3)格式試劑的制備

向250ml三口燒瓶中充入氮?dú)猓３譄績(jī)?nèi)系統(tǒng)微氮?dú)猓缓蠹尤?50ml四氫呋喃、1ml溴戊烷，開(kāi)啟冷熱一體交換機(jī)，控制燒瓶?jī)?nèi)溫度在20～30℃，加入12g鎂屑，開(kāi)啟攪拌器充分?jǐn)嚢?5min，攪拌溶解后，通過(guò)蠕動(dòng)泵，緩慢滴加25g氯代正戊烷，滴加過(guò)程中控制反應(yīng)溫度在80℃以下，在2h內(nèi)滴加完畢后繼續(xù)攪拌反應(yīng)1h，然后降低溫度至常溫，得到氯戊烷的格式試劑。

(4)戊基糠醇的制備

利用500ml四口燒瓶，搭建帶有恒溫磁力攪拌器、玻璃填料分餾塔一體化裝置，向燒瓶中持續(xù)氮?dú)猓３譄績(jī)?nèi)系統(tǒng)微氮?dú)猓瑢⑸鲜龅玫降穆任焱榈母袷皆噭┘尤氲綗恐校_(kāi)啟冷熱一體交換機(jī)和攪拌器，控制燒瓶?jī)?nèi)溫度在20～40℃，然后通過(guò)蠕動(dòng)泵，緩慢向格式試劑中緩慢滴加20g生物質(zhì)基糠醛，在2h內(nèi)滴加完畢后，降低溫度至0～5℃，緩慢向燒瓶?jī)?nèi)加入5%鹽酸溶液160g進(jìn)行淬滅，淬滅過(guò)程中控制水溫度在30℃以下。靜置，分出水層后，油層用2%氫氧化鈉溶液進(jìn)行洗滌后，開(kāi)啟水環(huán)真空泵，升溫60～100℃負(fù)壓回收四氫呋喃后，得到戊基糠醇63.2g，收率68.7%。

(5)氧代戊基環(huán)戊烯醇的制備

向500ml高壓反應(yīng)釜中加入去離子水170g和戊基糠醛25g，向釜內(nèi)持續(xù)充入氮?dú)庀戎脫Q3～5次，然后保持釜內(nèi)壓力在0.5～0.6MPa，再開(kāi)啟攪拌器，對(duì)高壓反應(yīng)釜進(jìn)行升溫至釜溫達(dá)170～180℃，保溫保壓反應(yīng)6～8h后結(jié)束反應(yīng)，降低釜溫至常溫后，將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移出來(lái)靜置分層30min后，分出水層，得到氧代戊基環(huán)戊烯醇17.7g，收率70.8%。

(6)戊基環(huán)戊酮的制備

向250ml加氫反應(yīng)釜內(nèi)分別投入甲苯120g和5%鈀炭催化劑2g，然后加入氧代戊基環(huán)戊烯醇40g，通入氮?dú)膺M(jìn)行置換，再持續(xù)通入氫氣置換3～5次，保持釜內(nèi)壓力在0.5～0.6MPa，再開(kāi)啟攪拌器，對(duì)加氫反應(yīng)釜升溫至25～50℃，保溫保壓反應(yīng)8～12h，反應(yīng)結(jié)束后，過(guò)濾催化劑后得到反應(yīng)液。

將上述反應(yīng)液加入到250ml帶有回流分水裝置的四口燒瓶中，加入對(duì)甲苯磺酸1g，開(kāi)啟冷熱一體交換機(jī)和攪拌器，控制燒瓶?jī)?nèi)溫度在80～105℃，回流分水，分水結(jié)束后降溫至常溫，加入5%碳酸鈉溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液為中性后，分出水層，油層轉(zhuǎn)移到加氫反應(yīng)釜中。

向250ml加氫反應(yīng)釜內(nèi)分別投入甲苯150g和5%鈀炭催化劑2g，然后加入上述油層，通入氮?dú)膺M(jìn)行置換，再持續(xù)通入氫氣置換3～5次，保持釜內(nèi)壓力在0.5～0.6MPa，再開(kāi)啟攪拌器，對(duì)加氫反應(yīng)釜升溫至25～40℃，保溫保壓反應(yīng)8～10h，反應(yīng)結(jié)束后，過(guò)濾催化劑后的反應(yīng)液回收甲苯后，得到戊基環(huán)戊酮30.1g，收率82.1%。

(7)δ-癸內(nèi)酯的制備

向250ml帶有回流分水裝置的四口燒瓶中加入戊基環(huán)戊酮50g，開(kāi)啟冷熱一體交換機(jī)和攪拌器，控制燒瓶?jī)?nèi)溫度在15～20℃，再通過(guò)蠕動(dòng)泵，向燒瓶?jī)?nèi)緩慢滴加過(guò)氧乙酸100g，滴加時(shí)間控制在4～8h，滴加結(jié)束后，繼續(xù)保溫反應(yīng)2h。

氧化反應(yīng)結(jié)束后，加入清水水洗，分層，油層轉(zhuǎn)移到帶有恒溫磁力攪拌器、玻璃填料分餾塔一體化裝置，開(kāi)啟初真空的水環(huán)真空泵，升溫至60～90℃，蒸餾出殘余的乙酸和水，然后切換高真空的油泵，升溫至100～120℃，收集δ-癸內(nèi)酯餾分，得到生物質(zhì)基δ-癸內(nèi)酯44.7g，收率80.1%。

(8)產(chǎn)品分析

氣相色譜色譜柱HP-5（30m×0.32mm×0.25μm）；檢測(cè)器FID，檢測(cè)器溫度250℃，柱前壓90kPa，進(jìn)樣量0.2μl，分流比100:1；色譜爐溫度：線性程序升溫從120～220℃，速率為10℃/min，外標(biāo)法檢測(cè)測(cè)定的含量為98.73%，折光指數(shù)（20℃）1.4581，相對(duì)密度0.9687（25℃）。分析結(jié)果為：HRMS m/z(ESI+)calcd for C10H18O2([M+H]+)，170.2488，產(chǎn)品經(jīng)第三方實(shí)驗(yàn)室14C同位素質(zhì)譜天然度檢測(cè)結(jié)果為生物基碳98.59±0.22pMC。通過(guò)以上檢測(cè)分析表明產(chǎn)物為生物質(zhì)基δ-癸內(nèi)酯。

4.結(jié)語(yǔ)

本文研究的生物質(zhì)基δ-癸內(nèi)酯的合成，以天然正戊醇為起始物料，與鹽酸進(jìn)行氯化反應(yīng)后得到了氯戊烷，再與生物質(zhì)基糠醛進(jìn)行格式反應(yīng)，生成戊基糠醇，以去離子水為溶劑和高溫高壓下重排，得到氧代戊基環(huán)戊烯醇，然后經(jīng)加氫和催化劑作用下回流脫水再經(jīng)加氫后生產(chǎn)戊基環(huán)戊酮，以過(guò)氧乙酸為氧化劑進(jìn)行Baeyer-Villige氧化擴(kuò)環(huán)，高效率的合成了生物質(zhì)基碳99%的δ-癸內(nèi)酯香料。采用此法合成天然的丁位內(nèi)酯，所涉及的原料為市場(chǎng)化的工業(yè)產(chǎn)品具有原料容易采購(gòu)的優(yōu)勢(shì)；所涉及的工藝都為經(jīng)典的反應(yīng)，反應(yīng)的選擇性和轉(zhuǎn)率較高及原子經(jīng)濟(jì)性高，副產(chǎn)物少的特點(diǎn)有利于工業(yè)化的生產(chǎn)。所涉及的反應(yīng)條件溫和，所得產(chǎn)品的香氣柔和純正，滿足調(diào)香師的需求。