陳芝飛，孫志濤，蘆昶彤，王宏偉*，屈 展，馬 驥，何保江

1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市隴海東路72號(hào) 450000

2.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號(hào) 450001

目前，我國(guó)卷煙工業(yè)中主要采用甘油、丙二醇和山梨醇等多羥基化合物作為保潤(rùn)劑，使用此類保潤(rùn)劑的主要目的在于維持煙絲加工過(guò)程中的含水率，提高煙絲的耐加工性能，但上述保潤(rùn)劑對(duì)成品卷煙含水率的維持和吸食舒適度的改善效果并不理想［1-6］。理想的保潤(rùn)劑應(yīng)該既能提高卷煙持水能力，同時(shí)又可降低煙氣的干燥感和刺激性，改善卷煙感官舒適度。為此，采用D-半乳糖為起始原料，通過(guò)引入異丙叉保護(hù)基，合成了一種新型多羥基保潤(rùn)劑——6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖（Ⅴ）［7-12］，并對(duì)其物理保潤(rùn)性能和感官保潤(rùn)性能進(jìn)行了初步探索，旨在為此類多羥基保潤(rùn)化合物的合成與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

D-半乳糖（99.5%，阿拉丁化學(xué)試劑公司）；無(wú)水乙醇、二氯甲烷、石油醚、正丁醇、冰乙酸、金屬鈉（AR，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司）；氫氧化鈉（AR，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司）；丙酮、甲醇、乙酸乙酯、無(wú)水硫酸鈉、鹽酸（AR，煙臺(tái)市雙雙化工有限公司）；氯化鈉、濃硫酸（AR，中國(guó)宿州化學(xué)試劑有限公司）；高錳酸鉀、四氫呋喃（THF）、活性炭（AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；溴乙酸叔丁酯（99%，南開大學(xué)精細(xì)化學(xué)試劑廠）；NaH（60%）、2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌（DDQ）（AR，SIGMA-ALDRICH公司）；硅膠（CP，青島海洋化工有限公司）；“黃金葉（大金圓）”品牌卷煙（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司）。

Thermo Nicolet Avatar 370紅外光譜儀（美國(guó)Nicolet公司）；YRT-3熔點(diǎn)儀（天津大學(xué)精密儀器廠）；Bruker Avance AMX-400核磁共振譜儀（美國(guó)Bruker公司）；BS200SWE1型電子天平（感量：0.0001 g，北京賽多利斯天平有限公司）；R-215型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、V-700真空泵（瑞士BUCHI公司）；DLSB-20/60℃低溫冷卻循環(huán)泵（上海美強(qiáng)儀器設(shè)備有限公司）；KDM型調(diào)溫電熱套（山東華魯電熱儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖的制備

化合物Ⅴ的合成路線見圖1。

1.2.1.1 1,2∶3,4-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅱ）的合成［7-9］

在1000 mL三口燒瓶中，加入18 g D-半乳糖（Ⅰ）和400 mL丙酮，冰水浴冷卻，邊磁力攪拌邊緩慢滴加12 mL濃硫酸。滴加完畢后撤去冰水浴，升溫至25℃左右攪拌反應(yīng)6 h。反應(yīng)結(jié)束后冰水浴冷卻，然后逐滴加入50 mL預(yù)先冷卻的33.3%氫氧化鈉水溶液，直至反應(yīng)液呈弱堿性，減壓濃縮反應(yīng)液除去未反應(yīng)的丙酮。用二氯甲烷萃?。?00 mL×3），收集有機(jī)相，再用水（50 mL×3）洗滌有機(jī)相，無(wú)水硫酸鈉干燥，過(guò)濾，乙酸乙酯-石油醚重結(jié)晶，得20.49 g白色晶體，熔點(diǎn) 120～122℃，產(chǎn)率為78.8%。

1.2.1.2 6-O-（叔丁氧羰基甲基）-1,2∶3,4-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅲ）的合成［10-11］

在500 mL三口燒瓶中加入13 gⅡ和200 mL精制的THF，磁力攪拌使Ⅱ完全溶解，通N2保護(hù)。稱取2.86 g含量為60%的NaH并添加至三口燒瓶中，加熱回流攪拌反應(yīng)30 min，然后冰水浴冷卻，緩慢滴加20 mL溴乙酸叔丁酯，滴加完畢后在此條件下繼續(xù)反應(yīng)2 h。將反應(yīng)液倒入盛有200 mL飽和食鹽水的分液漏斗中，振蕩至無(wú)氣泡后用二氯甲烷（150 mL×3）萃取，合并有機(jī)相，再用冰水（100 mL×3）洗滌至中性，無(wú)水硫酸鈉干燥，過(guò)濾，減壓濃縮。石油醚∶乙酸乙酯=4∶1為洗脫劑柱層析分離，得15.50 g無(wú)色透明粘稠狀產(chǎn)物，產(chǎn)率82.9%。

1.2.1.3 6-O-羧甲基-1,2∶3,4-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅳ）的合成

在500 mL三口燒瓶加入6 gⅢ和140 mL甲醇，攪拌使其溶解。冰水浴冷卻，加入140 mL 1.2 mol/L NaOH水溶液，隨后在30℃下反應(yīng)3 h。二氯甲烷（50 mL×3）萃取反應(yīng)液，然后用水（50 mL×2）反萃有機(jī)相，收集水相，然后在冰水浴條件下緩慢滴加2.5%鹽酸水溶液使顯強(qiáng)酸性（溶液pH為1左右）。然后用二氯甲烷（150 mL×3）萃取水相，水（100 mL×3）洗滌有機(jī)相，收集有機(jī)相，無(wú)水硫酸鈉干燥。過(guò)濾，濃縮，得4.815 g無(wú)色透明粘稠狀產(chǎn)物，產(chǎn)率為94.23%。

1.2.1.4 6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖（Ⅴ）的合成［12］

在裝有回流冷凝管的50 mL圓底燒瓶中分別加入1 gⅣ，150 mg DDQ和30 mL乙腈水溶液（V乙腈∶V水=9∶1），溫度保持為65℃，磁力攪拌反應(yīng)3.5 h，反應(yīng)過(guò)程采用薄層色譜法（TLC）監(jiān)測(cè)，展開劑為正丁醇∶冰乙酸∶水=6∶1∶1。反應(yīng)結(jié)束后減壓濃縮去除溶劑，用20 mL水溶解后活性炭脫色，硅膠柱層析分離，洗脫劑與展開劑相同，收集目標(biāo)組分，減壓濃縮得0.618 g無(wú)色透明粘稠狀產(chǎn)物，產(chǎn)率為82.6%。

1.2.2 化合物V物理保潤(rùn)性能測(cè)試

為考察目標(biāo)產(chǎn)物Ⅴ對(duì)卷煙的物理保潤(rùn)性能，以“黃金葉（大金圓）”空白卷煙為載體，將Ⅴ同D-半乳糖、山梨醇、丙二醇和甘油進(jìn)行物理保潤(rùn)性能比較測(cè)試研究，分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的上述化合物的水溶液。先將1000 g混合均勻的空白卷煙煙絲置于溫度（22±1）℃，相對(duì)濕度（60±2）%環(huán)境中平衡48 h。然后等量稱取6份煙絲，每份100 g，向5份煙絲中分別均勻施加2 g上述化合物的水溶液，對(duì)照空白樣煙絲施加2 g水。然后將6份煙絲分別置于（22±1）℃，相對(duì)濕度（40±2）%的環(huán)境中考察其解濕過(guò)程，每20 min測(cè)試一次，對(duì)即時(shí)含水率的變化進(jìn)行分析，考察其物理保潤(rùn)效果。

2 結(jié)果與討論

所有產(chǎn)物的IR和NMR譜分析結(jié)果分別見表1和表2。

表1 4種合成產(chǎn)物的IR光譜分析結(jié)果

表2 4種合成產(chǎn)物的1H NMR和13C NMR譜分析結(jié)果①

2.1 合成方法的選擇與探討

（1）在產(chǎn)物Ⅱ的合成反應(yīng)中，溫度、溶劑和催化劑用量是影響產(chǎn)率的主要因素。由于本反應(yīng)為放熱的可逆反應(yīng)，常溫下即可反應(yīng)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，反應(yīng)向逆方向進(jìn)行，同時(shí)，反應(yīng)體系在硫酸作用下會(huì)發(fā)生氧化等副反應(yīng)，從而使產(chǎn)率降低。在1.2.1.1節(jié)中其他反應(yīng)條件不變的情況下，不同反應(yīng)溫度的單因素試驗(yàn)結(jié)果（圖2）表明，本反應(yīng)最佳溫度為25℃。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)化合物Ⅱ產(chǎn)率的影響

另外，丙酮既是反應(yīng)物，又是反應(yīng)溶劑，半乳糖在丙酮中的溶解度較低，在反應(yīng)過(guò)程中懸浮于溶液中；直至反應(yīng)后期，隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，半乳糖逐漸轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物后才能完全溶于溶液中，因此，反應(yīng)過(guò)程中隨著丙酮用量的增加，半乳糖在反應(yīng)體系中濃度變化不大，但催化劑的濃度會(huì)隨之降低，因而當(dāng)D-半乳糖用量固定時(shí)，丙酮用量和催化劑用量的變化是影響反應(yīng)產(chǎn)率的2個(gè)重要因素。其他反應(yīng)條件不變，不同丙酮用量的單因素試驗(yàn)結(jié)果（圖3）表明，當(dāng)丙酮用量小于400 mL時(shí)，丙酮用量是影響產(chǎn)率變化的主要因素，催化劑用量是次要因素，前者的增加能夠促進(jìn)反應(yīng)平衡向右進(jìn)行，促使產(chǎn)率升高；相反，當(dāng)丙酮用量達(dá)到400 mL以后，后者成為影響產(chǎn)率變化的主要因素，前者成為次要因素，濃硫酸濃度的降低導(dǎo)致了產(chǎn)率的下降。因此，當(dāng)D-半乳糖用量為0.1 mol時(shí)，濃硫酸用量為12 mL，丙酮用量為400 mL，反應(yīng)溫度為25℃，反應(yīng)時(shí)間為6 h產(chǎn)率最佳。

圖3 丙酮用量對(duì)化合物Ⅱ產(chǎn)率的影響

（2）目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)6-O-（叔丁氧羰基甲基）-1,2∶3,4-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅲ）的合成未見報(bào)道，本研究對(duì) Shyluk等［10］報(bào)道的 3-O-羧甲基-1,2∶5,6-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃葡萄糖甲酯的合成方法進(jìn)行改進(jìn)，成功合成了化合物Ⅲ。Shyluk等先用還原劑金屬鈉與1,2∶5,6-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃葡萄糖的活潑羥基氫反應(yīng)生成鈉鹽，隨后鈉鹽再與溴乙酸甲酯發(fā)生親核取代反應(yīng)生成3-O-羧甲基-1,2∶5,6-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃葡萄糖甲酯。由于NaH比金屬鈉還原性強(qiáng)，且金屬鈉在制備和使用過(guò)程中均較為繁瑣，因此本研究采用NaH作為還原試劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用NaH不僅提高了反應(yīng)速率，還大大提高了產(chǎn)率。但由于NaH很容易與水反應(yīng)，因此反應(yīng)溶劑在使用前需要進(jìn)行精制以除去其中少量的水，并且反應(yīng)需在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行。

（3）在化合物V的合成反應(yīng)中，可采用DDQ［12］、單質(zhì)碘［13］或濃硫酸脫去糖羥基的異丙叉保護(hù)基。當(dāng)用碘脫保護(hù)時(shí)，副產(chǎn)物較多，分離復(fù)雜；當(dāng)用濃硫酸作為催化劑時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后需要通過(guò)碳酸鋇去除多余的酸，但由于鋇為有毒重金屬，在產(chǎn)品中會(huì)殘留，考慮到安全性，不宜使用濃硫酸進(jìn)行催化；而DDQ作為一種強(qiáng)氧化劑，在異丙叉基脫保護(hù)中具有很好的選擇性，在適當(dāng)?shù)臈l件下可完全脫去兩個(gè)異丙叉保護(hù)基，且反應(yīng)結(jié)束后可使用活性炭和硅膠柱色譜分離除去，操作簡(jiǎn)單。

2.2 化合物V的物理保潤(rùn)性能測(cè)試

D-半乳糖、山梨醇、丙二醇、甘油和化合物Ⅴ的物理保潤(rùn)性能效果見表3。由表3可知，添加化合物Ⅴ、山梨醇、甘油、丙二醇和D-半乳糖5種化合物的煙絲與空白煙絲相比，水分散失速率較緩慢。這是由于多羥基化合物所含有的親水的羥基基團(tuán)可以和水形成氫鍵而將水束縛起來(lái)，延緩了水分的散失，提高了煙絲的物理保潤(rùn)性能。其中，Ⅴ的物理保潤(rùn)性能最好，其次是甘油和丙二醇，D-半乳糖和山梨醇最差。

表3 添加5種化合物的煙絲含水率隨平衡時(shí)間的變化 （%）

3 結(jié)論

（1）以D-半乳糖為起始原料，通過(guò)異丙叉基保護(hù)基的引入和去保護(hù)，合成了6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖（Ⅴ）。本法原料易得、操作簡(jiǎn)便。

（2）經(jīng)過(guò)測(cè)定添加Ⅴ、D-半乳糖、甘油、丙二醇或山梨醇的煙絲含水率，表明在低濕條件（40%）下，添加Ⅴ的煙絲的保濕能力強(qiáng)于其他保潤(rùn)劑，Ⅴ的物理保潤(rùn)性能較好。

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