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生物降解而成的C13代謝產物之一,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,其結構式如下:

它有4個順反異構體,如下:

另據報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煙香,改善吸味,調和煙氣,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協會公布的GRAS24中,更是將其列入食用香料名錄中,FEMA 4663.因此,文獻[1]中,Camps甚至預言它將使香精進入一個新的時代.

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

1 大柱三烯酮的傳統(tǒng)合成方法

關于大柱三烯酮合成的文獻報道不少,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),經烯丙基重排成大柱4,6,8-三稀-3-醇(4),氧化得到最終產品.這是1965年由美國Reynolds煙草公司提出,并首次實現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,經還原、脫水、亞磺酰化、重排反應得到大柱三烯酮[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,經脫水異構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,再與三甲基氯硅烷(9)在六甲基磷酰三胺(HMPT)中反應得到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),后者經甲磺酰氯在1,8-二氮雜環(huán)十一烯(DBU)中脫水得到最終產品[8].

Demole等則用酮代異佛爾酮(13)與乙二醇的脫水反應產物為原料,經與各種鋰試劑反應,經一系列反應得到大柱三烯酮[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)生縮合反應得到醇(15),再脫水、用甲基鋰甲基化、異構得到大柱三烯酮[13].

通過對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)己二酮國內難以得到,需從頭合成相當復雜;有的合成路線反應步驟過長或條件苛刻,有的則使用危險的鋰試劑,操作難度大,難以擴大試驗等等.

綜合考慮,以α-異佛爾酮和巴豆醛為原料的方法,原料宜得,且反應路線比較短,有一定可行性,只是文獻[8]報道方法中合成β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚以及其與巴豆醛的Aldol反應和產物脫水反應條件較為苛刻,技術難度大,難以工業(yè)化.因此合成的關鍵在于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,合成β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚,再與巴豆醛反應來合成大柱三烯酮的方法.

反應式見右欄上.

2 實驗部分

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純或分析純試劑,上海國藥集團化學試劑有限公司.

CP--3380型氣相色譜儀,美國 Varian公司;7890A/5975C型色質聯用儀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,后控制回流比為11∶1,收集沸點為186～196℃餾分,得產品約1 500 g,經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,先全回流半小時后,控制回流比3∶1,收集沸點為66～67℃/1.33 kPa的餾分,得990 g產品,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產品,含量90%左右,n2D0=1.458 6,d22550.899,產率為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,控制反應溫度在-20℃左右,滴完后再在-20℃左右反應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,經減壓蒸餾,收集115～120℃/0.27 kPa的餾分,得120 g產品,含量為75%左右,n2D0=1.572 0,d22550.990,含異構體1a約8%、1b約37%、1c約6%、1d約25%,產率為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,兩步反應總得率為35%(文獻[8]報道,以α-異佛爾酮來計為40%).

3 結果與討論

3.1 β-異佛爾酮三甲基硅烷烯醇醚的合成

1)實驗中參照文獻[14]的方法,先將異佛爾酮在乙酰丙酮鐵(Ⅲ)催化下異構為β-異佛爾酮,經分餾得到含量為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,來制備β-異佛爾酮烯醇硅醚.反應中β-異佛爾酮先異構為烯醇式,再與硅烷發(fā)生醚化反應.

3)該方法避免已有文獻[8]中報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,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在常溫進行,避免文獻報道采用的-20℃低溫,縮短了反應時間,而得率相差無幾.

4)實驗中發(fā)現碘化鈉的量對反應時間影響比較大,越多則反應越快,主要是碘化鈉先與三甲基氯硅烷進行鹵素置換反應,生成活性更高的三甲基碘硅烷,從而加快反應進程.

5)實驗中發(fā)現,在β-異佛爾酮與三甲基氯硅烷反應過程中,有部分β-異佛爾酮異構為α-異佛爾酮,生成α-異構體硅醚;而用稀鹽酸洗料時的溫度對產品影響較大,溫度過高,β-異佛爾酮烯醇硅醚異構為α-異構體硅醚,且容易水解為原料α-異佛爾酮.

因為從分子結構來看,α-異佛爾酮遠比β-異佛爾酮穩(wěn)定,因其具有共軛效應,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-異構體硅醚同樣能與巴豆醛反應,生成的卻是副產物.

3.2 大柱三烯酮的合成

1)文獻[8]報道利用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,反應步驟長,操作繁瑣.

2)實驗中用無水甲苯替代了文獻[8]報道采用的毒性較大、揮發(fā)度較高的二氯甲烷,反應效果相差不大.

3)實驗中發(fā)現硅醚與巴豆醛在三氟化硼乙醚的催化下發(fā)生加成反應后,蒸餾即得到了大柱三烯酮,經色譜跟蹤發(fā)現反應結束并洗滌后,并沒有大柱三烯酮的峰出現,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物3-氧代-α-突厥醇中的羥基受結構影響,受熱非常容易脫水而形成共軛雙鍵,從而轉變?yōu)楫a品大柱三烯酮.而實驗中采用高沸點甲苯替代低沸點的二氯甲烷,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行,完全脫水成為產品.

4)文獻[8]報道,反應溫度最好為-40～-60℃,而實驗中發(fā)現,反應溫度為-5～-10℃與反應溫度為-40℃,所得到的實驗結果差不多.

5)實驗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,主要是產品分子結構中有很多共軛雙鍵,特別容易聚合,蒸餾的腳子非常多.

4 結 論

1)以α-異佛爾酮為原料,經乙酰丙酮鐵(Ⅲ)異構得到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,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Aldol反應,產物經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,操作相對簡便,避免了文獻[8]報道的采用劇毒原料、超低溫反應等一系列不利因素,比較適合于大規(guī)模的生產.

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