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        甲基三氧化錸催化過(guò)氧化氫氧化異丁香酚合成香蘭素的研究

        2019-04-02 09:32:22何金義朱凱
        應(yīng)用化工 2019年3期
        關(guān)鍵詞:香蘭素丁香酚反應(yīng)時(shí)間

        何金義,朱凱

        (南京林業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 南京 210037)

        香蘭素(化學(xué)名3-甲氧基-4-羥基苯甲醛)是具有香莢蘭特征香氣和濃厚的奶香氣息,是世界上需求量最大的單體香料之一[1-3],廣泛應(yīng)用于食品、化妝品及煙草用香精的調(diào)香[4],也可以用于醫(yī)藥行業(yè)中[5-6]。香蘭素天然存在于香莢蘭豆等植物當(dāng)中,由于香子蘭花莢植物對(duì)土壤和氣候因素要求非常高,并且天然加工的發(fā)酵處理工藝很復(fù)雜,所以香蘭素的天然來(lái)源極其有限,價(jià)格非常昂貴[7-8]。目前,市場(chǎng)上的香蘭素產(chǎn)品主要依靠化學(xué)方法合成得到。

        傳統(tǒng)異丁香酚氧化方法是以重鉻酸鉀為氧化劑,此工藝過(guò)程繁鎖、流程長(zhǎng),收率和質(zhì)量均不夠理想,除此之外,此方法對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重,副產(chǎn)物多,且會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染[9],不符合綠色生產(chǎn)的理念。近來(lái)研究發(fā)現(xiàn),過(guò)渡金屬[10-12]在氧化等反應(yīng)的催化方面顯現(xiàn)出了不錯(cuò)的環(huán)保性和選擇性,而Re[13]催化劑因催化性能優(yōu)異,受到了學(xué)界的廣泛關(guān)注。本文以異丁香酚為原料,CH3ReO3為催化劑,H2O2為氧化劑,進(jìn)行氧化合成香蘭素的研究,并對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 試劑與儀器

        異丁香酚、CH3ReO3、H2O2、叔丁醇等均為分析純。

        60SXR紅外光譜儀;Aglient6890型氣相色譜儀;TRACE ISQ-LT型氣質(zhì)聯(lián)用儀;AV-600 MHz1H NMR核磁共振波譜儀。

        1.2 異丁香酚的氧化

        將一定量的異丁香酚、催化劑及溶劑加入三口瓶中,水浴加熱,升溫到60 ℃,緩慢滴加30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H2O2水溶液,反應(yīng)4 h后,降至室溫,經(jīng)處理后得到產(chǎn)品。

        1.3 GC-MS定量分析

        質(zhì)譜分析條件:離子源(EI):整體鉬制,獨(dú)立控溫,初溫90 ℃(保留3 min),升溫速度15 ℃/min,終溫270 ℃(保留2 min),質(zhì)量范圍35~460 amu,分辨率:全質(zhì)量范圍內(nèi)為單位質(zhì)量分辨率,掃描速度11 000 u/s,信噪比80∶1。FID檢測(cè)器,SE-54非極性色譜柱,初溫90 ℃(保留3 min),升溫速度15 ℃/min,終溫270 ℃,汽化室溫度270 ℃,檢測(cè)室溫度270 ℃,進(jìn)樣取0.15 μL。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 溶劑的篩選

        不同溶劑下的香蘭素得率見(jiàn)表1。

        表1 不同溶劑對(duì)異丁香酚氧化效果的比較Table 1 Effects of different solvents on isoeugenol oxidation

        注:反應(yīng)條件:溶劑40 mL,CH3ReO38 mg,H2O23.1 g,異丁香酚 5 g,5 h。

        由表1可知,在強(qiáng)極性非質(zhì)子溶劑如DMSO和乙腈中,香蘭素的得率很低,只有3.5%和3.7%;在非極性溶劑如環(huán)己烷中,香蘭素得率為51.3%;在中等極性質(zhì)子溶劑如乙醇中,香蘭素得率為86.4%;異丙醇中得率為86.7%;叔丁醇中得率為87.6%。所以,選取叔丁醇作為香蘭素合成的溶劑。

        2.2 反應(yīng)溫度對(duì)異丁香酚轉(zhuǎn)化率和香蘭素得率的影響

        在催化劑量0.7%、H2O2為3.1 g、反應(yīng)時(shí)間3 h的條件下,反應(yīng)溫度對(duì)異丁香酚轉(zhuǎn)化率和香蘭素得率的影響見(jiàn)圖1。

        由圖1可知,溫度升高時(shí),異丁香酚的轉(zhuǎn)化率和香蘭素的得率提高,反應(yīng)溫度60 ℃時(shí),異丁香酚的轉(zhuǎn)化率和香蘭素的得率達(dá)到最高,分別為53.2% 和46.6%,在60 ℃后出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這可能是由于溫度過(guò)高時(shí),香蘭素與異丁香酚易發(fā)生副反應(yīng),導(dǎo)致產(chǎn)物的變化,也有可能是溫度過(guò)高時(shí),雙氧水被分解,導(dǎo)致香蘭素得率降低。因此,反應(yīng)溫度在60 ℃最合適。

        圖1 反應(yīng)溫度對(duì)異丁香酚轉(zhuǎn)化率和香蘭素得率的影響Fig.1 The influence of temperature on isoeugenol conversion and vanillin yield

        2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)異丁香酚轉(zhuǎn)化率和香蘭素得率的影響

        在催化劑量0.7%、H2O2為3.1 g、反應(yīng)溫度60 ℃的條件下,反應(yīng)時(shí)間對(duì)異丁香酚轉(zhuǎn)化率和香蘭素得率的影響見(jiàn)圖2。

        圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)異丁香酚轉(zhuǎn)化率和香蘭素得率的影響Fig.2 The influence of time on isoeugenol conversion and vanillin yield

        由圖2可知,隨著反應(yīng)時(shí)間增加,異丁香酚的轉(zhuǎn)化率和香蘭素的得率提高,4 h時(shí)香蘭素的得率58.7%,反應(yīng)時(shí)間>4 h時(shí),香蘭素的得率與4 h相差不大,異丁香酚轉(zhuǎn)化率下降。這可能是由于反應(yīng)到一定時(shí)間時(shí),可能會(huì)有副反應(yīng)進(jìn)行,從而降低了異丁香酚的轉(zhuǎn)化率。所以,反應(yīng)時(shí)間4 h最為合適。

        2.4 催化劑的量對(duì)異丁香酚轉(zhuǎn)化率和香蘭素得率的影響

        在反應(yīng)時(shí)間4 h、H2O2為3.1 g、反應(yīng)溫度60 ℃的情況下,催化劑用量對(duì)異丁香酚轉(zhuǎn)化率和香蘭素得率的影響見(jiàn)圖3。

        由圖3可知,催化劑用量增加,異丁香酚的轉(zhuǎn)化率和香蘭素的得率提高,催化劑用量0.9%時(shí),異丁香酚的轉(zhuǎn)化率和香蘭素得率達(dá)到最高,分別為86.3%和82.9%,繼續(xù)提高催化劑的用量,異丁香酚的轉(zhuǎn)化率和香蘭素的得率無(wú)明顯變化,甚至呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這可能是由于催化劑到達(dá)一定量時(shí),可能導(dǎo)致副反應(yīng)的進(jìn)行,從而導(dǎo)致異丁香酚的轉(zhuǎn)化率和香蘭素的得率的降低,因此,催化劑的用量0.9%最為合適。

        圖3 催化劑的量對(duì)異丁香酚轉(zhuǎn)化率和香蘭素得率的影響Fig.3 The influence of catalyst mass on isoeugenol conversion and vanillin yield

        2.5 香蘭素合成工藝條件優(yōu)化

        以香蘭素的得率作為考察指標(biāo),對(duì)反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量3個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),尋求最佳條件。因素水平和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

        表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 2 The chart of orthogonal experiment factors and levels

        表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of orthogonal experiment

        通過(guò)表3可知,在CH3ReO3催化下,各個(gè)因素對(duì)香蘭素得率的影響排序?yàn)镃>A>B,即催化劑用量>反應(yīng)溫度>反應(yīng)時(shí)間,最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案為A3B2C3,即反應(yīng)溫度70 ℃,反應(yīng)時(shí)間4 h,催化劑用量0.9%。在此條件下,香蘭素的得率為90.3%。

        2.6 香蘭素的表征

        2.6.1 GC-MS 分析 圖4為香蘭素的質(zhì)譜圖。

        圖4 香蘭素的質(zhì)譜圖Fig.4 Mass spectrum of vanillin

        2.6.2 紅外光譜分析 圖5為香蘭素紅外譜圖。

        圖5 香蘭素的紅外譜圖Fig.5 Infrared spectrum of vanillin

        2.6.31H NMR分析 圖6為香蘭素核磁共振光譜圖。

        圖6 香蘭素的核磁共振譜圖Fig.6 1H NMR of vanillin

        由圖6可知,在δ=3.97為11號(hào)位甲基氫的化學(xué)位移;δ=6.21為3號(hào)位羥基氫的化學(xué)位移;δ=7.42為5號(hào)位氫的化學(xué)位移;δ=7.43為1號(hào)位氫的化學(xué)位移;δ=7.04為2號(hào)位氫的化學(xué)位移;δ=9.83為醛基氫的化學(xué)位移。

        3 結(jié)論

        (1)以叔丁醇為異丁香酚氧化的溶劑,香蘭素的最佳合成工藝條件為:反應(yīng)溫度70 ℃,反應(yīng)時(shí)間4 h,催化劑用量0.9%。在此條件下,香蘭素平均得率為90.3%。

        (2)FTIR、GC-MS和1H NMR等分析表明,產(chǎn)物為香蘭素。

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