, ，,3,*

(1.華南理工大學食品科學與工程學院,廣東廣州 510640；2.山東奔月生物科技有限公司，山東東營 257000；3.喀什大學生命與地理科學學院，新疆喀什 834000)

愛德萬甜(Advantame)是一種新型高倍甜味劑,甜度可達蔗糖的20000倍,是迄今人類利用的最高甜度的物質(zhì)[1-2]。Advantame安全性高,不參與代謝,穩(wěn)定性和水溶性均良好,可廣泛應用于多種食品[3]。而且,Advantame熱量值為零,在人體內(nèi)幾乎不被吸收,可適應低熱量、低脂肪的現(xiàn)代健康食品發(fā)展趨勢,具有廣闊的市場前景[4-5]。

采用醛類和還原劑對阿斯巴甜進行還原烷基化處理是Advantame常用的有機合成方法[6],其中3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛是合成過程的關鍵中間體[7]。研究表明,以肉桂酸為原料,經(jīng)三步反應可以合成3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛,但該路線合成反應過程需使用光氣(COCl2),且得率極低,不易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[8]。還有研究將3-羥基-4-甲氧基苯甲醛與丙二酸在甲醇鈉、苯胺等催化下,五步合成3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛,但制備工藝繁瑣[9]。因此Advantame的高效率、低成本、低污染的合成工藝還有待研究。

本文對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的合成路線進行了改進,選用具有羥基或甲氧基等供電子基團的苯甲醛衍生物和乙醛為原料,經(jīng)羥醛縮合得到3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛(合成路線如圖1所示),以3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率為指標,考察反應溫度、乙醛滴加時間、NaOH濃度對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影響,并以響應面法優(yōu)化合成工藝,以期為3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛工業(yè)化生產(chǎn)提供技術理論支撐,為Advantame中間體的簡易、安全、綠色合成提供參考。

圖1 3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的合成路線Fig.1 Reaction route of preparing of 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

異香蘭素 山東奔月生物科技有限公司;乙醛、36%鹽酸 廣州化學試劑廠;氫氧化鈉 天津市福晨化學試劑廠;甲醇 天津市津東天正精細化學試劑廠。

S212-3L型雙層玻璃反應釜 杭州明遠儀器有限公司;DW-40型多功能低溫浴槽 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司;HL-200B型恒流泵 上海精科儀器有限公司;恒溫磁力攪拌器 蘇州樂聲電器廠;RE-52E型旋轉蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;TU-1810型紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限公司;VERTEX 33型傅里葉紅外光譜儀、Agilent1290型超高壓液相色譜-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用儀、D8 ADVANCE型X射線多晶衍射儀 德國Bruker公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的合成 稱取一定量的氫氧化鈉與12.2 g 3-羥基-4-甲氧基苯甲醛,加入200 mL蒸餾水,玻璃棒快速攪拌至完全溶解。轉入到已預冷至一定溫度的雙層玻璃反應釜中,用蠕動泵按一定速度，向此堿溶液中緩慢連續(xù)滴加25%～30%乙醛水溶液29 mL,控制轉速為120 r/min,滴加完成后，繼續(xù)攪拌1 h,并通過向其中緩慢添加36%的鹽酸,調(diào)節(jié)pH至7,破壞均相體系使產(chǎn)物3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛析出。用布氏漏斗過濾反應溶劑,所得沉淀在-5 ℃下冷凍干燥,得到淡黃色固體。

1.2.2 3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的重結晶 將所得淡黃色固體23.12 g溶解于45 mL 65%的甲醇水溶液中,過濾除去不溶性固體雜質(zhì)，得到上清液,于40 ℃恒溫水浴攪拌1 h,靜置冷卻至室溫,將所得反應樣液于冰箱內(nèi)(5 ℃)靜置12 h析晶,抽濾,棄去濾液,將濾出晶體粉末平鋪于蒸發(fā)皿中,在40 ℃,0.1 MPa下真空干燥,即得成品。

1.2.3 單因素實驗 采用1.2.1方法合成3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛。當乙醛滴加時間為2 h,NaOH濃度為12%時,考察不同反應溫度(-10、-5、0、5和10 ℃)對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影響;當反應溫度-5 ℃,NaOH濃度為12%時,考察不同乙醛滴加時間(0.5、1、1.5、2、2.5、3 h)對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影響,當反應溫度為-5 ℃,乙醛滴加時間為2 h時,考察不同NaOH濃度(4%、8%、12%、16% 和20%)對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影響。3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率按下式計算:

3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率(%)=產(chǎn)品質(zhì)量(g)/反應理論質(zhì)量(g)×100

式(1)

1.2.4 響應面試驗設計 以單因素實驗結果為基礎,每個因素選取三個對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率影響較大的水平,建立三因素三水平的Box-Benhnken中心組合實驗。以A(乙醛滴加時間)、B(反應溫度)和C(NaOH濃度)為自變量,3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率為響應值設計實驗(表1)。

表1 響應面試驗因素及水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment

1.2.5 結構表征

1.2.5.1 紫外分析 稱取0.1 mg 3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛樣品溶于5 mL甲醇中,以甲醇為對照,在紫外可見分光光度計上進行全波長掃描,波長掃描范圍為200～800 nm,掃描間隔為0.2 nm。

1.2.5.2 紅外分析 稱取3 mg結晶干燥后的3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛樣品，置于瑪瑙研缽,加入KBr粉末,研細并壓片,通過傅里葉紅外光譜儀在400～4000 cm-1區(qū)間掃描測定[10]。

1.2.5.3 質(zhì)譜分析 采用電噴霧電離(ESI)方式,在高分辨率質(zhì)譜儀中對樣品進行檢測。儀器采用正離子模式運行,主要操作參數(shù)如下:毛細管電壓3500 V;霧化溫度180 ℃;離子導入分析池時間5 ms;氬氣為碰撞氣體,碰撞能16 eV;質(zhì)量掃描范圍50～1000 m/z。

1.2.5.4 X射線衍射(XRD)分析 取適量樣品壓平于樣品板的凹槽中,置于樣品臺,采用連續(xù)掃描方式,以Cu靶Kα射線為X射線源,管電壓為50 kV,掃描角度范圍2θ=5 °～70 °,強度單位為CPS(計數(shù)/s),步長0.01 °。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 7.5和Design-Expert 8.0軟件對結果進行作圖和統(tǒng)計分析。每組實驗至少重復3次(n≥3)。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 溫度對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影響 由圖2可知,當反應溫度在0 ℃以下時,3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率隨著溫度上升而略有下降,但并不明顯,反應溫度在0 ℃以上時,隨著溫度的上升,3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的得率出現(xiàn)較大程度的下降。原因可能是乙醛沸點極低(20.8 ℃),在0 ℃以下時,以生成3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛反應為主,而反應溫度高于0 ℃時,乙醛易發(fā)生自身的羥醛縮合反應生成副產(chǎn)物,從而導致3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率下降明顯[11]。因此,優(yōu)選在0 ℃以下反應,考慮到經(jīng)濟成本,減少能耗,選取-5 ℃為最佳反應溫度。

圖2 溫度對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影響Fig.2 Effect of temperatures on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

2.1.2 乙醛滴加時間對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影響 由圖3可知,在制備3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的反應過程中,3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率隨乙醛滴加時間的延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在乙醛滴加時間增至2 h時,3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率達到最高值,為65.65%。乙醛滴加時間較短時,3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率較低,原因可能是滴加時間過快,反應不充分;乙醛滴加時間較長時,反應時間延長,乙醛易自身縮合或生成的3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛易發(fā)生氧化還原反應,發(fā)生副反應的概率加大,反應得率降低。由此可見,反應體系對乙醛滴加時間較為敏感,只有控制好乙醛滴加時間,才能使反應向交叉羥醛縮合的方向進行,從而提高3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率。因此,選擇2 h為最佳乙醛滴加時間。

圖3 乙醛滴加時間對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影響Fig.3 Effect of aldehyde dropwise time on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

2.1.3 NaOH濃度對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影響 由圖4可知,隨著NaOH濃度的增大,3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率逐漸增大;當NaOH濃度達到12%時,得率最高為61.23%,而繼續(xù)增大NaOH濃度,得率下降。原因可能是由于乙醛的α-H呈弱堿性,易與堿液中的-OH反應生成碳負離子,進攻3-羥基-4-甲氧基苯甲醛的羰基,在高濃度堿性條件下,先生成羥醛后，迅速脫水形成-α,-β不飽和醛。因此,適當增加NaOH濃度,有利于產(chǎn)物得率的提高,但當堿濃度過大時,3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛易發(fā)生副反應，生成其他副產(chǎn)物。因此,選擇12%為最佳堿液濃度。

圖4 NaOH濃度對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影響Fig.4 Effect of NaOH concentration on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

2.2 響應面實驗結果及分析

2.2.1 響應面試驗結果 根據(jù)單因素實驗結果,每個因素選取三個對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率影響較大的水平,以反應溫度、乙醛滴加時間和NaOH濃度為自變量,以3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率為響應值,以-1、0和1分別代表變量的水平,建立三因素三水平的Box-Benhnken實驗,實驗設計與結果見表2。

表2 響應面實驗設計與結果Table 2 Design and results of response surface experiment

2.2.2 回歸模型的建立和方差分析 以3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率為響應值,經(jīng)過回歸擬合得到二次多項式回歸方程:

Y=63.83-3.82A+0.95B-3.95C+0.22AB-1.45AC+5.64BC-14.49A2-10.11B2-5.55C2

式(2)

對該模型進行方差分析,結果見表3。由表3可知,回歸方程模型p<0.0001,表明該模型極顯著。失擬項不顯著(p>0.05),表明數(shù)據(jù)無異常點,模型適當?；貧w方程決定系數(shù)R2=0.9902,表明該模型擬合性較好,正確反映了3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率與反應溫度、乙醛滴加時間和NaOH濃度的關系[12]。結果表明,乙醛滴加時間(A)、NaOH濃度(C)、時間二次項(A2)、溫度二次項(B2)、NaOH濃度二次項(C2)、溫度與NaOH濃度交互項(BC)對響應值影響極顯著(p<0.01)。由F檢驗值可得,三個因素對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率影響的大小順序依次為:C>A>B,即NaOH濃度>乙醛滴加時間>反應溫度。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

2.2.3 交互作用分析 固定一個因素于零水平,研究另外兩個因素的交互作用,得到3個影響因子(乙醛滴加時間、反應溫度和NaOH濃度)的兩兩交互作用的響應面圖。

圖5～圖7直觀反映了各因素間的交互作用對響應值的影響。隨著各因素水平的升高,3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;各曲面圖均開口朝下,表明實驗結果(3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率)在實驗區(qū)域內(nèi)有最大值[13]。反應溫度與乙醛滴加時間的交互作用和NaOH濃度與乙醛滴加時間的交互作用對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影響不顯著,而反應溫度與NaOH濃度的交互作用對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率具有顯著影響。

圖5 反應溫度和乙醛滴加時間交互影響對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的響應面Fig.5 Response surface plots of effects of reaction temperature and aldehyde dropwise time on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

圖6 乙醛滴加時間和NaOH濃度交互影響對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的響應面Fig.6 Response surface plots of effects of aldehyde dropwise time and NaOH concentration on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

圖7 反應溫度和NaOH濃度交互影響對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的響應面Fig.7 Response surface plots of effects of reaction temperature and NaOH concentration on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

2.2.4 驗證試驗 運用Design Expert 8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行優(yōu)化預測,得到模型最優(yōu)試驗條件為:乙醛滴加時間1.89 h,反應溫度-5.29 ℃,NaOH濃度11.53%。此時,3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率可達64.75%。

考慮到實際試驗的可操作性和經(jīng)濟性,將最佳工藝參數(shù)確定為:反應溫度-5 ℃,乙醛滴加時間2 h,NaOH濃度12%,在此條件下進行3次平行實驗驗證,得到3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率為61.28%±1.37%,與回歸模型預測值64.75%基本相符,兩者的RSD值為3.32%,表明此數(shù)學模型可靠,對優(yōu)化工藝具有可行性。

2.3 結構表征

2.3.1 紫外分析 苯環(huán)的紫外光譜是在180 nm以上,由三個輪廓清晰的吸收帶組成,E1帶為芳香環(huán)的結構特征譜帶,無精細結構;E2帶在204 nm附近有分辨不清的振動結構,與E1帶相重疊;B帶,吸收波譜在230 nm到270 nm處出現(xiàn)細微結構[14]。

當吸電子基(如-NO2)或給電子基(含未成鍵p電子的雜原子基團,如-OH、-OR等)連接到分子中的共軛體系時,可導致共軛體系電子云的流動性增大,分子中π→π*躍遷的能級差減小,最大吸收波長向長波方向移動[15]。

圖8為3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的紫外掃描光譜,由圖8可推斷,220 nm為3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛分子結構中苯環(huán)的E2帶,249 nm為3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛分子結構中苯環(huán)的B帶,3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的最大吸收波長為341 nm,間接驗證了中間體3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛分子結構中含有給電子基(-OH、-OCH3)。

圖8 3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的紫外掃描光譜Fig.8 UV-Vis spectrum of the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein

2.3.2 紅外光譜分析 采用傅里葉紅外光譜儀對中間體3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的結構進行測定,得到如圖9所示的紅外光譜圖。苯環(huán)、吡啶環(huán)及其他雜環(huán)芳烴的骨架伸縮振動位于1600～1400 cm-1范圍內(nèi),這些結構經(jīng)常出現(xiàn)多條譜帶[16],圖中1600、1510和1445 cm-1處的峰可能是由3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的苯環(huán)骨架伸縮振動引起的。680～880 cm-1范圍內(nèi)是苯環(huán)C-H面外彎曲振動,進一步證明分子中存在苯環(huán)。

圖9 3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的紅外光譜Fig.9 IR spectrum of the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein

2.3.3 質(zhì)譜分析 圖10為中間體3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的高分辨質(zhì)譜圖。中間體3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的分子量為178。結果表明,在正離子模式下,產(chǎn)物質(zhì)譜峰中m/z=201.0531的[M+Na]+為基峰。有碎片m/z=325.08[2M-CHO]+的生成,可判斷物質(zhì)結構中含有醛基。另外發(fā)現(xiàn),在電噴霧離子源(ESI)中,不僅發(fā)生了化學基團碎裂,還發(fā)生了其他形式的加成反應,m/z=379.1158為目標產(chǎn)物二聚合物結合了Na+信號的離子峰,產(chǎn)生二聚合物的原因可能是產(chǎn)物中含有醛基,易使分子間發(fā)生聚合[20]。離子峰m/z=265.1046為目標產(chǎn)物,結合了兩個甲醇分子與一個Na+,這可能是含有的醛酮類化學類基團在質(zhì)譜中發(fā)生重排的結果。綜上所述,該物質(zhì)分子中除含有醛基結構外,另外可能含酚羥基和甲氧基[21]。結合紅外分析可確定合成產(chǎn)物即為3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛。

圖10 3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的質(zhì)譜圖Fig.10 Mass spectra of the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein

2.3.4 XRD分析 當特定波長X射線照射到結晶性物質(zhì)上時,在碰到物質(zhì)內(nèi)部有序排列的離子或原子時發(fā)生散射,使其相位在特定方向上得到增強,顯示與結晶結構相對應的衍射現(xiàn)象[22]。圖11為樣品的X射線衍射圖譜,圖譜顯示樣品的結晶衍射峰峰形尖銳,表明結晶狀態(tài)良好。在2θ=13.38°、16.51°、22.96°和27.49°左右處出現(xiàn)四個明顯的衍射峰,表明中間體3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛是一種結晶態(tài)物質(zhì)。并在13.38°和27.49°出現(xiàn)最高峰,與相關文獻報道一致[23]。

圖11 3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛的X-射線衍射譜圖Fig.11 X ray spectra of the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein

3 結論

結果表明:各因素對3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛制備工藝的影響次序為NaOH濃度>乙醛滴加時間>反應溫度;響應面法優(yōu)化后工藝條件參數(shù)為NaOH濃度12%、乙醛滴加時間2 h，反應溫度-5 ℃,此時3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛得率達61.28%±1.37%,與回歸模型預測值64.75%基本相符,故回歸方程模型可用來預測實驗條件范圍內(nèi)3-羥基-4-甲氧基苯丙烯醛制備工藝參數(shù),有一定實踐參考價值;通過紫外、紅外、質(zhì)譜和XRD對中間體結構進行了表征,初步判定目標產(chǎn)物為Advantame中間體3-羥基4-甲氧基苯丙烯醛。研究結果可為Advantame中間體的簡便綠色、高效安全的合成提供方法參考和數(shù)據(jù)支撐。