楊 陽(yáng)，尤亞華，姚日生

（1合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2合肥工業(yè)大學(xué)醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3農(nóng)產(chǎn)品生物化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生物化工與制藥工程研究所，安徽 合肥 230009）

月桂烯化學(xué)合成法的研究進(jìn)展

楊 陽(yáng)1，尤亞華1，姚日生2,3

（1合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2合肥工業(yè)大學(xué)醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3農(nóng)產(chǎn)品生物化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生物化工與制藥工程研究所，安徽 合肥 230009）

月桂烯是一種用途廣泛的香料香精原料和有機(jī)中間體。本文綜述了其化學(xué)合成方法，具體為類異戊烷結(jié)構(gòu)酯的“積木”法，單萜類烯丙基乙酸酯和異戊二烯法合成月桂烯。其中，利用異戊二烯二聚合成月桂烯，因其原料廣泛、價(jià)廉易得，能有效利用C5資源，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。提出了化學(xué)合成月桂烯未來(lái)的發(fā)展方向：研究和開發(fā)新型的催化劑、優(yōu)化反應(yīng)的工藝技術(shù)和路線、提高月桂烯的收率和選擇性是未來(lái)工作的主要研究方向。

月桂烯；異戊二烯；堿金屬；二異丙胺

月桂烯，又名香葉烯（myrcene，MYE，學(xué)名7-甲基-3-亞甲基-1,6-辛二烯），存在于傘形科植物水芹、柏科植物杜松及薔薇科植物揮發(fā)油中[1]，具有令人愉快的甜香脂氣味。近年來(lái)，月桂烯廣泛應(yīng)用于合成香茅醛[2]、l-薄荷醇[3]、新鈴蘭醛和龍涎酮等[4]名貴的香料產(chǎn)品，也是合成驅(qū)蟲劑、維生素和生物可降解表面活性劑等醫(yī)藥工業(yè)重要的原料和有機(jī)中間體[5-6]。

月桂烯可從松節(jié)油中提取的β-蒎烯熱裂解得到[7]。由于松節(jié)油的采集受季節(jié)、氣候等因素的制約，使其采收的產(chǎn)量有限，產(chǎn)出不穩(wěn)定，導(dǎo)致月桂烯的產(chǎn)量一直無(wú)法滿足市場(chǎng)需求，因此，研究開發(fā)新的方法生產(chǎn)月桂烯具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。這也是化學(xué)合成月桂烯一直受到香料香精界關(guān)注的原因所在。目前，已報(bào)道的月桂烯的化學(xué)合成方法主要有類異戊烷結(jié)構(gòu)酯的“積木”法、單萜類烯丙基乙酸酯以及異戊二烯法。其中，異戊二烯法合成月桂烯是目前最具有發(fā)展前景的方法。

1 類異戊烷結(jié)構(gòu)酯的“積木”法合成月桂烯

月桂烯是具有3個(gè)雙鍵的烯烴，而酯類化合物經(jīng)水解、消去等反應(yīng)得到烯烴雙鍵一般是很容易進(jìn)行的。因此，Vig等[8]首先研究了利用末端含有羰基和乙酸乙酯的類異戊烷的酯經(jīng) 8步反應(yīng)得到月桂烯，收率約為20%。該方法合成月桂烯的3個(gè)雙鍵需逐步合成，步驟較多。隨后，他們又分別以末端和月桂烯類似的 2-甲基-5-二甲酸乙酯-2-戊烯[9]和乙酰乙酸乙酯[10]為原料合成月桂烯，反應(yīng)步驟基本均在6步以上（圖1），且總收率均低于30%。

圖1 “積木”法合成月桂烯

利用類異戊烷結(jié)構(gòu)酯的“積木”法逐步“拆解”來(lái)合成月桂烯，反應(yīng)步驟多，原料成本高、廢物量較大，離工業(yè)化應(yīng)用還有很大的距離。

2 單萜類烯丙基乙酸酯合成月桂烯

單萜烯丙基乙酸酯化合物是萜類香料中重要的一部分，廣泛用于果香、煙草、酒香的添香矯味[11]。常見(jiàn)的單萜類的烯丙基乙酸酯有乙酸基香葉酯、乙酸基橙花酯等。由于其同月桂烯均屬于單萜類、結(jié)構(gòu)相似，故可通過(guò)單萜烯丙基乙酸酯的消除反應(yīng)來(lái)合成月桂烯。

Tsuji等[12]利用有機(jī)鈀催化劑催化乙酸基香葉酯、乙酸基橙花酯或乙酸基沉香酯消除反應(yīng)得到月桂烯，它們的轉(zhuǎn)化率均達(dá)到100%，收率分別為60%、74%、74%，其中副反應(yīng)物僅為順?lè)吹牧_勒烯。Barry等[13]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)利用N,O-雙（三甲氧基）乙酰胺為催化劑時(shí)，在無(wú)溶劑的情況下，乙酸基沉香酯先與鉬形成烯烴-鉬的絡(luò)合體系，然后轉(zhuǎn)化為月桂烯，其收率達(dá)到75%，副反應(yīng)產(chǎn)物也僅是羅勒烯。相比之下，這種方法與利用鈀催化的月桂烯收率相差不大，但在利用乙酸基橙花酯合成月桂烯催化劑的研究方面有了一定的進(jìn)步。

后來(lái)，Adriano等[14]研究了乙酸基沉香酯在不同溶劑、反應(yīng)溫度和時(shí)間以及不同的鈀催化劑對(duì)合成月桂烯的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)以(PPh3)4Pd為催化劑，三乙胺為溶劑，并在65 ℃的條件下反應(yīng)20 h，所得月桂烯的純度高達(dá)98%，但收率比前兩種方法的低，約為66%，且反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，見(jiàn)圖2。

圖2 單萜類烯丙基乙酸酯合成月桂烯

雖然這種單萜類烯丙基乙酸酯化合物可以在不同的催化劑的催化作用下反應(yīng)合成制備含副產(chǎn)物少的月桂烯，純度較高。但是，起始原料烯丙基乙酸酯的天然來(lái)源較少[15-16]，而目前合成的烯丙基乙酸酯化合物的價(jià)格比月桂烯的高，尚無(wú)工業(yè)化開發(fā)價(jià)值。

3 異戊二烯合成月桂烯

異戊二烯是萜類的基本單元，可以由石油裂解物乙烯的副產(chǎn)物C5餾分萃取精餾制得, 因其來(lái)源豐富、價(jià)廉，是許多合成香料和藥物的首選原料，如檸檬醛[17]、香茅醛[2]、l-薄荷醇[3]、甲基庚烯酮和維生素A和E等[6]，而這些產(chǎn)品合成路線大部分都是從異戊二烯合成月桂烯開始的。

3.1 異戊二烯鹵化物合成月桂烯

Burger等[18]提出了以CuCl/Al2O3催化異戊二烯與鹵代異戊二烯偶聯(lián)合成月桂烯，見(jiàn)圖3。

圖3 異戊二烯和1-氯-3-甲基2-丁烯合成月桂烯

在上述反應(yīng)過(guò)程中，異戊二烯與HCl發(fā)生1,4加成得到的鹵代異戊二烯伴隨的副反應(yīng)較多，使其與異戊二烯反應(yīng)得到月桂烯的選擇性低，產(chǎn)品收率約為 20%。后來(lái)，Oprean等[19]以乙醚為溶劑，在1-溴-3-甲基-2-丁烯和 2-溴甲基-丁二烯在氧化鎂的催化下，交叉偶聯(lián)反應(yīng)合成月桂烯，其收率約40%。同時(shí)，Godschalx等[20]研究了2-溴甲基-丁二烯先與Me3SnLi生成（2-亞甲基-3-丁烯）-三甲基錫，后以10%的ZnCl2為催化劑，在四氫呋喃溶劑中，與1-溴3-甲基-2-丁烯偶聯(lián)合成月桂烯（圖4），總收率約為50%。相對(duì)而言，后者的收率有一些提高。這種偶聯(lián)方法得到的月桂烯收率比單獨(dú)使用鹵代異戊二烯與異戊二烯反應(yīng)的高。

圖4 1-溴-3-甲基-2-丁烯和2-溴甲基-丁二烯偶聯(lián)合成月桂烯

這種偶聯(lián)反應(yīng)合成月桂烯的路線使化學(xué)合成月桂烯在方法上得到了很大的發(fā)展，但在合成溴代異戊二烯時(shí)，反應(yīng)的選擇性較低，副反應(yīng)多，產(chǎn)物復(fù)雜，產(chǎn)品總收率不高，且這些副產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)相似而難以分離純化。為此，Hegedus等[21]研究了1-溴-2,5-己二烯和 3-溴-1,5-己二烯的混合物同 Ni(COD)2或Ni(CO)4生成一種 π烯丙基的鎳的鹵化物，該鹵化物在25 ℃時(shí)，DMF溶液中與1-溴3-甲基-2-丁烯反應(yīng)20 h后得到月桂烯（圖5），收率為46%。這種鎳催化劑的發(fā)現(xiàn)，使得利用異戊二烯鹵化物生產(chǎn)月桂烯成為可能，但是，月桂烯的香氣因合成體系中DMF溶劑的使用而受到了很大的影響，因此，探尋一種無(wú)毒、無(wú)害的反應(yīng)介質(zhì)是此方法廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖5 鎳催化異戊二烯溴化物偶聯(lián)合成月桂烯

3.2 異戊二烯二聚合成月桂烯

近年來(lái)，出現(xiàn)了很多以異戊二烯為原料的二聚合成月桂烯的研究。事實(shí)上，以異戊二烯為原料二聚合成月桂烯的方法是最簡(jiǎn)單的。Sometani等[22]研究了異戊二烯在硝酸鈀、三苯基磷和苯酚鉀的絡(luò)合催化下，以烯丙醇為溶劑，在 50 ℃的條件下反應(yīng)15 h，月桂烯收率為24.5%，其副產(chǎn)物主要是順?lè)吹牧_勒烯。

上述方法反應(yīng)步驟簡(jiǎn)單，但存在催化劑成本過(guò)高且收率較低等問(wèn)題，因此開發(fā)新的催化劑成了該研究的重點(diǎn)，特別是以堿金屬為催化劑的研究，使化學(xué)合成月桂烯在催化劑的研究上更深入了一步。

Takabe等[23]開創(chuàng)了金屬鈉催化異戊二烯二聚合成月桂烯的方法，并且發(fā)現(xiàn)以苯為溶劑 40 ℃的條件下反應(yīng)10 h時(shí)，月桂烯的收率僅為5.1%。隨后，Tanaka等[24]也發(fā)現(xiàn)了當(dāng)在該反應(yīng)體系中加入二異丙胺時(shí)，反應(yīng)選擇性提高，但收率仍然不高，約為9.0%。Murata等[25]研究了使用鋰，THF為溶劑時(shí)，80 ℃下反應(yīng) 4.5 h，收率為 8.0%。而 Takabe等[26]研究了在THF 為溶劑，鈉為催化劑，40 ℃反應(yīng)1.5h后卻未發(fā)現(xiàn)有月桂烯的生成，其主要的副產(chǎn)物是其它聚合物。后來(lái)，他們又研究發(fā)現(xiàn)了四甲基乙二胺（TMEDA）的加入，以三乙胺為溶劑，在25 ℃下反應(yīng)3 h時(shí)，有利于提高月桂烯選擇性和收率，并提出了二聚合成月桂烯的機(jī)理假設(shè)。 他們認(rèn)為，鈉先與異戊二烯的甲基組形成異戊二烯鈉的絡(luò)合物，再與異戊二烯反應(yīng)得到月桂烯。

圖6 異戊二烯合成月桂烯

上述合成方法得到的月桂烯收率均不高，但TMEDA 的加入使月桂烯的選擇性大大增加。隨后，Murata等[27]繼續(xù)研究了堿金屬鉀，加入二異丙胺，以THF為溶劑，在20 ℃下反應(yīng)3 min，月桂烯收率為 10.9%。與前者相比，收率變化不大，但大大縮短了反應(yīng)時(shí)間。這類方法的副反應(yīng)產(chǎn)物都是其它的聚合物或者高沸點(diǎn)的化合物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)這類二烷基胺的使用，有效地提高了月桂烯的選擇性，大大增加了月桂烯的收率，使月桂烯化學(xué)合成法有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。

在此基礎(chǔ)上，Bartoň等[28]對(duì)異戊二烯二聚合成月桂烯的反應(yīng)機(jī)理的推導(dǎo)進(jìn)行了完善。研究發(fā)現(xiàn)，這類仲胺對(duì)月桂烯的合成起到了一定的調(diào)聚作用，先與鈉或鉀生成催化劑，再與異戊二烯結(jié)合成某種過(guò)渡態(tài)反應(yīng)得到月桂烯，見(jiàn)圖7。

近年來(lái)，范存良等[29]對(duì)鈉和鉀混合催化，二異丙胺為擇型劑，THF為溶劑，月桂烯的合成工藝進(jìn)行了深入的研究，其收率提高到40%。但因其相對(duì)成本仍然較高，不能滿足月桂烯和異戊二烯之間適中的價(jià)格差異，無(wú)法取代β-蒎烯熱裂解合成月桂烯的生產(chǎn)技術(shù)。

圖7 異戊二烯合成月桂烯可能的機(jī)理

在上述研究的基礎(chǔ)上，作者初步研究了鋰、鈉、鉀三種堿金屬對(duì)異戊二烯合成月桂烯的影響。其中鉀的催化活性較好，月桂烯收率達(dá)到約50%，且鉀的用量較少，可以節(jié)約成本，但仍存在后處理及難以分離純化等問(wèn)題，仍需要進(jìn)一步的研究和解決。

4 展 望

綜上所述，化學(xué)方法合成月桂烯的工藝路線得到了一定的研究，在催化劑、反應(yīng)機(jī)理以及反應(yīng)體系等方面取得了一系列的研究成果，特別是仲胺作為擇型劑的發(fā)現(xiàn)對(duì)于月桂烯的化學(xué)合成有了積極的促進(jìn)作用。

有關(guān)月桂烯的化學(xué)合成法的研究已經(jīng)取得了許多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，其中異戊二烯二聚合成月桂烯具有原料來(lái)源充分、反應(yīng)步驟短、工藝操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)和充分開發(fā) C5資源的利用方面具有重要的意義，但真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)還需進(jìn)一步地解決月桂烯的選擇性差，后處理中因熱穩(wěn)定性和分離純化導(dǎo)致的月桂烯的收率低等問(wèn)題。因此，研究和開發(fā)新型催化劑、優(yōu)化反應(yīng)的工藝技術(shù)和路線、提高月桂烯的收率和選擇性是未來(lái)的主要研究方向，使我國(guó)在充分利用豐富的異戊二烯資源、化學(xué)合成月桂烯方面展現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)前景和社會(huì)效益。

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Research progress of chemical synthesis of myrcene

YANG Yang1，YOU Yahua1，YAO Risheng2，3
（1School of Chemical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China；2School of Medical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China；3Engineering Research Center of Bioprocess of Ministry of Education, Hefei 230009, Anhui, China）

Myrcene is a widely used fragrance and flavor raw material and intermediate. The progress of chemical synthesis of myrcene, such as from the esters of isopentanoids, monoterpenes allyl acetate and isoprene is reviewed. Especially, myrcene is synthesized by dimerization of isoprene due to its low cost, easy access and effective utilizationse of C5resource. Finally, the future development for chemical synthesis of myrcene is proposed. The main research directions are to develop new catalysts,optimize technology and route of the reaction, and improve the yield and selectivity of myrcene.

myrcene；isoprene；alkali metal；diisopropylamine

O 629.9

：A

：1000-6613（2012）09-2039-04

2012-03-16；修改稿日期：2012-04-05。

合肥市科技攻關(guān)項(xiàng)目（2010HKKJ0237）。

楊陽(yáng)（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榫?xì)化學(xué)品與綠色化學(xué)。聯(lián)系人：姚日生，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗幬锖铣膳c精細(xì)有機(jī)化工。E-mail rishengyao@163.com。