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        硫酸鈦催化α-蒎烯合成龍腦

        2011-11-23 05:51:30金梅梅楊義文
        合成化學(xué) 2011年6期
        關(guān)鍵詞:龍腦皂化酯化

        金梅梅, 楊義文, 譚 軍

        (嘉興學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院,浙江 嘉興 314001)

        目前,合成龍腦(3)的主要方法有:樟腦還原法,α-蒎烯(1)酸催化酯化-皂化法,蒎烯與松油醇的酶轉(zhuǎn)化法和1的直接水合法。但工業(yè)上一般用1的酸催化酯化-皂化法[1],其催化劑普遍采用硼酸酐。該方法存在許多缺點(diǎn),如反應(yīng)劇烈放熱,難以控制,生產(chǎn)過(guò)程有沖料和爆炸危險(xiǎn),產(chǎn)率低,原料消耗大,產(chǎn)品質(zhì)量差,合成的3中異龍腦(3′)的含量高達(dá)40%~50%。

        促進(jìn)型固體酸是一類具有重要應(yīng)用前景的綠色催化劑,其研究已成為催化領(lǐng)域的重要研究課題[2~8]。硫酸促進(jìn)型固體酸具有催化活性強(qiáng),反應(yīng)選擇性好,與產(chǎn)物容易分離,不腐蝕設(shè)備,不污染環(huán)境,且能在高溫下仍然保持活性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),可用于烷基化、酯化、?;?、開(kāi)環(huán)聚合等多種酸催化反應(yīng),是一類極有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的催化劑。目前國(guó)內(nèi)采用硫酸促進(jìn)型固體酸催化1合成3取得較大進(jìn)展[9,10],但催化劑的制備過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜,一般要經(jīng)歷無(wú)機(jī)鹽溶解于水、加堿生成沉淀、然后陳化、過(guò)濾、烘干、研細(xì)、用稀硫酸或硫酸銨浸泡、再經(jīng)過(guò)濾、烘干、研細(xì)、焙燒等過(guò)程,耗時(shí),耗力,限制了工業(yè)應(yīng)用。

        硫酸鈦[Ti(SO4)2]催化劑不僅具有硫酸促進(jìn)型固體酸催化劑的所有優(yōu)點(diǎn),而且原料易得,制備十分簡(jiǎn)便。本文研究了Ti(SO4)2催化1合成3的反應(yīng)(Scheme 1),并對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化。

        Scheme1

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 儀器與試劑

        XT-4型雙目顯微鏡熔點(diǎn)儀;Bruker Avance 400型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo));Perkin-Elmer SP One FT-IR型紅外光譜儀(KBr壓片);6890型氣相色譜儀[5%苯基/聚甲基硅氧烷毛細(xì)管柱:30 m×0.32 mm×0.25 μm;氫火焰檢測(cè)器,峰面積歸一化法計(jì)算各組分含量;氣化室溫溫度:200 ℃;檢測(cè)器溫度:220 ℃;柱溫(程序升溫):以5 ℃·min-1升溫至150 ℃,再以75 ℃·min-1升溫至300 ℃,運(yùn)行2 min;分流比50 ∶1, N2為載氣,乙醇為溶劑]。

        1,純度96.23%;其余所用試劑均為分析純。

        1.2 3的合成

        將一定量的TiSO4置于馬弗爐中于400 ℃焙燒2 h得白色固體,研細(xì)即得Ti(SO4)2催化劑(簡(jiǎn)稱Cat)。

        在反應(yīng)瓶中加入Cat 2 g,無(wú)水草酸5.1 g(57 mmol)和1 20 g(140 mmol),攪拌下依次于65 ℃反應(yīng)1 h, 75 ℃反應(yīng)4 h, 90 ℃反應(yīng)1 h。過(guò)濾,濾液用水蒸氣蒸除輕油得草酸二龍腦酯2。按n(2) ∶n(NaOH)=1 ∶5加入20%氫氧化鈉溶液進(jìn)行皂化反應(yīng),邊水蒸氣蒸餾邊收集固體得正龍腦(3)和3′的混合物(進(jìn)行氣相色譜分析),經(jīng)柱層析[GF254硅膠,洗脫劑:V(石油醚) ∶V(丙酮)=15 ∶1]分離得白色固體3和3′。

        3: m.p.205 ℃~207 ℃(206 ℃~207 ℃[11]);1H NMRδ: 0.85(s, 3H), 0.86(s, 3H), 0.87(s, 3H), 0.96~0.95(m, 1H), 1.21~1.22(s, 1H), 1.23~1.29(m, 1H), 1.45(s, 1H), 1.61~1.64(m, 1H), 1.71~1.75(m, 1H), 1.85~1.92(m, 1H), 2.24~2.31(m, 1H), 4.0(d, 1H);13C NMRδ: 77.35, 49.48, 48.01, 45.09, 39.01, 28.27, 25.91, 20.18, 18.67, 13.32; IRν: 3 324, 2 951, 1 455, 1 388, 1 369, 1 349, 1 308, 1 234, 1 109, 1 055, 1 028, 1 017 cm-1。

        3′: 白色固體,m.p.211 ℃~212 ℃(212 ℃[11]);1H NMRδ: 3.60(t, 1H, CH), 2.67(s, 1H, OH), 1.10~1.91(m, 7H), 1.04(s, 3H, CH3), 0.93(s, 3H, CH3), 0.84(s, 3H, CH3);13C NMRδ: 79.92, 77.35, 48.95, 46.34, 45.01, 40.36, 33.90, 27.23, 20.48, 11.32; IRν: 3 421, 2 952, 2 876, 1 455, 1 385, 1 370, 1 340, 1 315, 1 120, 1 066, 1 005 cm-1。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 Cat制備條件的優(yōu)化

        Cat的焙燒時(shí)間2 h,其余反應(yīng)條件同1.2,考察焙燒溫度對(duì)3的產(chǎn)率和選擇性的影響,結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),焙燒溫度為300 ℃時(shí),產(chǎn)率不高(31.63%),但3的含量最高(74.19%), 3和3′的含量比為6.74 ∶1.00,反應(yīng)選擇性最好。焙燒溫度為400 ℃時(shí),產(chǎn)率最高(51.92%),但 3 ∶3′=1.4 ∶1.0。兼顧反應(yīng)產(chǎn)率和選擇性兩個(gè)因素,焙燒溫度以400 ℃效果較好。

        表1 Cat的焙燒溫度對(duì)合成3的影響*Table 1 Effect of the calcination temperature of Cat on synthesis of 3

        *Cat的焙燒時(shí)間2 h,其余反應(yīng)條件同1.2

        Cat的焙燒溫度400 ℃,其余反應(yīng)條件同1.2,考察焙燒時(shí)間對(duì)3產(chǎn)率和選擇性的影響,結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),焙燒時(shí)間對(duì)產(chǎn)率及選擇性的影響卻不是很大,當(dāng)焙燒時(shí)間為5 h時(shí),3 ∶3′=2.0 ∶1.0,選擇性最好,但產(chǎn)率最低。 當(dāng)焙燒時(shí)間為2 h時(shí),3 ∶3′=1.34 ∶1.00,選擇性一般,但產(chǎn)率最高,兼顧反應(yīng)產(chǎn)率和選擇性兩個(gè)因素,焙燒時(shí)間以2 h效果較好。

        表2 Cat的焙燒時(shí)間對(duì)合成3的影響*Table 2 Effect of the calcination time of Cat on synthesis of 3

        *Cat的焙燒溫度400 ℃,其余反應(yīng)條件同1.2

        2.2 合成3的反應(yīng)條件優(yōu)化

        (1) Cat用量對(duì)3產(chǎn)率和選擇性的影響

        于400 ℃焙燒2 h制備Cat,其余反應(yīng)條件同1.2,考察Cat用量對(duì)3產(chǎn)率和選擇性的影響,結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn),當(dāng)Cat用量為2.0 g[w(Cat)=10%]時(shí),產(chǎn)率最高(53.98%),選擇性也較好。

        表3 Cat用量對(duì)合成3的影響*Table 3 Effect of Cat amount on synthesis of 3

        *于400 ℃焙燒2 h制備Cat,其余反應(yīng)條件同1.2

        (2) 投料比[y=n(1) ∶n(草酸)]對(duì)3產(chǎn)率和選擇性的影響

        Cat的焙燒溫度400 ℃,焙燒時(shí)間2 h,w(Cat)=10%,其余反應(yīng)條件同1.2,考察y對(duì)3產(chǎn)率和選擇性的影響,結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,y=1.0 ∶0.4時(shí),產(chǎn)率最高(53.98%),總含量最大(88.95%), 3 ∶3′=1.34 ∶1.00,選擇性一般,但3的含量最高(50.97%)。

        表4 y對(duì)合成3的影響*Table 4 Effect of y on synthesis of 3

        *于400 ℃焙燒2 h制備Cat,w(Cat)=10%,其余反應(yīng)條件同1.2

        綜上所述,Ti(SO4)2催化1酯化-皂化合成3的最佳反應(yīng)條件為:于400 ℃焙燒2 h制備Ti(SO4)2催化劑,w(TiSO4)=10%,y=1.0 ∶0.4。在最佳反應(yīng)條件下,產(chǎn)率53.98%,含量50.97%。

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