王九龍， 司紅燕， 陳尚钘， 饒小平， 王宗德， 廖圣良*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院；國(guó)家林業(yè)草原木本香料(華東)工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330045； 2.華僑大學(xué) 化工學(xué)院，福建 廈門 361021)

檸檬腈是一種重要的單體香料，具有新鮮檸檬的香氣，適于配制花香型和果香型化妝品及皂用香精[1-2]，也可用于合成突厥酮[3]等高級(jí)香料。此外，研究表明檸檬腈具有抗菌[4]和驅(qū)避活性[5-6]。因此，檸檬腈在食品、日化、醫(yī)藥和農(nóng)藥等領(lǐng)域都具有較為廣泛的應(yīng)用[2,7]。目前，檸檬腈尚無(wú)天然來(lái)源報(bào)道，但可用檸檬醛[8]、異戊二烯[9]、長(zhǎng)鏈脂肪族胺[10]、長(zhǎng)鏈脂肪族醇[11]等原料通過(guò)人工合成獲得。目前已報(bào)道的檸檬醛制備檸檬腈的方法主要有肟化法[12]和催化氨氧化法[10]等。肟化法為兩步法合成檸檬腈，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，且合成產(chǎn)率相對(duì)較低；催化氨氧化法為一步法直接合成檸檬腈的方法，產(chǎn)率相對(duì)較高，可分為氣相催化氨氧化法和液相催化氨氧化法。鄭海林等[13]報(bào)道了通過(guò)氣相催化氨氧化法一步合成檸檬腈，該方法的缺點(diǎn)是需要在250 ℃的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，且反應(yīng)過(guò)程較為繁瑣。2013年Wang等[14]報(bào)道了液相催化氨氧化法合成檸檬腈，該方法相較氣相催化氨合成法操作便捷、反應(yīng)溫和且綠色，但反應(yīng)過(guò)程中需持續(xù)加入N2保護(hù)，且需要調(diào)控溫度，操作較為復(fù)雜。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)檸檬腈的合成工藝進(jìn)一步優(yōu)化，在探討了NH3·H2O用量、H2O2用量、CuCl用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑種類以及溶劑類型等單因素對(duì)反應(yīng)的影響后，用正交試驗(yàn)優(yōu)化反應(yīng)條件，通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)正交試驗(yàn)優(yōu)化的反應(yīng)條件進(jìn)行驗(yàn)證，并通過(guò)放大實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化反應(yīng)條件在不同反應(yīng)規(guī)模下的穩(wěn)定性，以期為檸檬腈的產(chǎn)業(yè)化提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 主要試劑

順式+反式檸檬醛(總質(zhì)量分?jǐn)?shù)97%)，上海麥克林生化科技有限公司。氨水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%～28%)、過(guò)氧化氫(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%)、乙酸乙酯、異丙醇(IPA)、無(wú)水氯化鈉、無(wú)水硫酸鈉、氯化亞銅(純度97%)、無(wú)水氯化銅(純度98%)、無(wú)水三氯化鐵(純度99%)、無(wú)水硫酸銅(純度99%)、四水合氯化亞鐵(純度98%)，均為市售分析純。

1.2 檸檬腈的制備通法

取35 mmol檸檬醛倒入三頸燒瓶中，再將一定量催化劑加入三頸燒瓶中，加入適當(dāng)?shù)娜軇┤芙?，并在磁力攪拌器上快速攪拌，待固體完全溶解后，將NH3·H2O緩慢滴入反應(yīng)體系中，滴畢，將反應(yīng)體系調(diào)控至合適溫度，在該溫度下將H2O2緩慢滴入反應(yīng)體系(控制滴加時(shí)間為1～2 h)，使用GC-MS監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度，當(dāng)檸檬醛的含量不再發(fā)生變化時(shí)，反應(yīng)結(jié)束。待反應(yīng)完成后，將反應(yīng)液用乙酸乙酯萃取3次，得到上層有機(jī)相，有機(jī)相用飽和食鹽水洗滌至中性，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑，0.08 MPa下減壓蒸餾，收集150～160 ℃餾分，無(wú)水硫酸鈉干燥，得到目標(biāo)產(chǎn)物檸檬腈，合成路線見(jiàn)圖1。

圖1 檸檬醛合成檸檬腈的反應(yīng)機(jī)理Fig.1 Reaction mechanism for the synthesis of geranyl nitrile from citral

1.3 單因素試驗(yàn)

1.3.1反應(yīng)體系的初步探索 控制反應(yīng)變量，對(duì)催化劑的類型和用量以及溶劑的類型及用量等因素進(jìn)行探索。

1.3.2反應(yīng)溫度的篩選 固定檸檬醛用量為35 mmol，n(檸檬醛) ∶n(NH3·H2O) ∶n(H2O2) ∶n(CuCl)=1 ∶2.5 ∶3 ∶0.045，溶劑異丙醇36 mL，反應(yīng)時(shí)間為7 h，研究不同反應(yīng)溫度對(duì)檸檬醛轉(zhuǎn)化率和檸檬腈產(chǎn)率的影響，以確定最佳的反應(yīng)溫度。

1.3.3反應(yīng)時(shí)間的篩選 固定檸檬醛用量為35 mmol，n(檸檬醛) ∶n(NH3·H2O) ∶n(H2O2) ∶n(CuCl)=1 ∶2.5 ∶3 ∶0.045，溶劑異丙醇36 mL，以上面確定的最佳反應(yīng)溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)檸檬醛轉(zhuǎn)化率和檸檬腈產(chǎn)率的影響，以確定最佳的反應(yīng)時(shí)間。

1.3.4檸檬醛與氨水物質(zhì)的量比的篩選 固定檸檬醛用量為35 mmol，n(檸檬醛) ∶n(H2O2) ∶n(CuCl)=1 ∶3 ∶0.045，溶劑異丙醇36 mL，以上面確定的最佳反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究檸檬醛與NH3·H2O 物質(zhì)的量比對(duì)檸檬醛轉(zhuǎn)化率和檸檬腈產(chǎn)率的影響，以確定檸檬醛與NH3·H2O的最佳物質(zhì)的量比。

1.3.5檸檬醛與氯化亞銅物質(zhì)的量比的篩選 固定檸檬醛用量為35 mmol，n(檸檬醛) ∶n(H2O2) ∶n(NH3·H2O)=1 ∶3 ∶2.9，溶劑異丙醇36 mL，以上面確定的最佳反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探討檸檬醛和CuCl的物質(zhì)的量比對(duì)檸檬醛轉(zhuǎn)化率和檸檬腈產(chǎn)率的影響，以確定檸檬醛與CuCl的最佳物質(zhì)的量比。

1.3.6檸檬醛與過(guò)氧化氫物質(zhì)的量比的篩選 固定檸檬醛用量為35 mmol，n(檸檬醛) ∶n(NH3·H2O) ∶n(CuCl)=1 ∶2.9 ∶0.045，溶劑異丙醇36 mL，以上面確定的最佳反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探討檸檬醛與H2O2物質(zhì)的量比對(duì)檸檬醛轉(zhuǎn)化率和檸檬腈產(chǎn)率的影響，以確定檸檬醛與H2O2最佳物質(zhì)的量比。

1.4 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)一步選取檸檬醛與NH3·H2O物質(zhì)的量比、檸檬醛與H2O2物質(zhì)的量比和檸檬醛與CuCl物質(zhì)的量比這3個(gè)對(duì)檸檬醛轉(zhuǎn)化率和檸檬腈產(chǎn)率影響顯著的因素，按L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn)。

1.5 放大實(shí)驗(yàn)

基于單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得到的最佳工藝條件，對(duì)各物料的物質(zhì)的量等比例擴(kuò)大2倍、 3倍和5倍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.6 結(jié)構(gòu)表征

1.6.1FT-IR分析 采用Thermo Scientific Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行表征，測(cè)定波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1。

1.6.2GC-MS分析 采用6890B-5977A氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，J&W HP-5ms超高清惰性氣相色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)。GC-MS升溫程序?yàn)椋撼跏紲囟?00 ℃，保持2 min，以5 ℃/min的升溫速率至150 ℃，保持10 min。MS分析條件為：EI離子源，m/z為20～250。

1.6.31H NHR分析 采用Aglient 6550qtof & Thermo Fisher-QE型核磁共振波譜儀，CDCl3為溶劑，四甲基硅烷(TMS)為內(nèi)標(biāo)物，對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。

1.7 結(jié)果計(jì)算

通過(guò)GC-MS峰面積歸一法計(jì)算檸檬醛的轉(zhuǎn)化率，檸檬腈的產(chǎn)率。檸檬醛的轉(zhuǎn)化率(t,%)及檸檬腈的產(chǎn)率(y,%)按式(1)～式(2)計(jì)算:

t=(s1-s2)/x×100%

(1)

y=s3/x×100%

(2)

式中：t—檸檬醛的轉(zhuǎn)化率,%；x—檸檬醛的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù),%；s1—反應(yīng)開(kāi)始時(shí)體系中檸檬醛的峰面積百分比；s2—反應(yīng)結(jié)束時(shí)體系中檸檬醛的峰面積百分比；s3—反應(yīng)結(jié)束時(shí)體系中檸檬腈的峰面積百分比；y—檸檬腈的產(chǎn)率,%。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1反應(yīng)體系 由表1可知，在檸檬腈的合成過(guò)程中，溶劑和催化劑的選擇對(duì)反應(yīng)體系有著較大的影響。當(dāng)選用異丙醇作溶劑時(shí)，檸檬腈的產(chǎn)率為91.30%，高于乙醇和乙二醇作溶劑時(shí)的產(chǎn)率?？赡艿脑蚴钱惐紴槿軇r(shí)，還可作為脫水劑，加快亞胺的生成，從而提高檸檬腈的產(chǎn)率。且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，每1 mmol檸檬醛使用1 mL的溶劑時(shí)，可以達(dá)到較好的反應(yīng)效果。此外，由表1可知，銅鹽比鐵鹽具有更好的催化活性。可能的原因是檸檬醛在與氨水反應(yīng)時(shí)，需要與NH3分子發(fā)生縮合，形成亞胺。然而鐵鹽作催化劑時(shí)，其與氨水反應(yīng)生成銨根離子，導(dǎo)致反應(yīng)體系中游離NH3分子減少，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，因此檸檬腈的產(chǎn)率較低。而使用CuCl、CuCl2等銅鹽時(shí)，它們可以與氨水生成Cu離子為中心、NH3分子為配體的絡(luò)合物，提高了NH3分子與醛基反應(yīng)的活性，從而提高了檸檬腈的產(chǎn)率。綜合考慮催化效率和成本，選擇CuCl作為反應(yīng)催化劑。因此，對(duì)于檸檬腈的反應(yīng)體系，適宜選擇異丙醇為溶劑，CuCl為催化劑。

表1 不同條件對(duì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率的影響Table 1 Effects of different conditions on yield and reaction conversion

2.1.2反應(yīng)溫度 反應(yīng)溫度對(duì)檸檬醛轉(zhuǎn)化率和檸檬腈產(chǎn)率有較大的影響。由表1可知，當(dāng)反應(yīng)溫度從5 ℃ 升高到30 ℃時(shí)，檸檬醛的轉(zhuǎn)化率和檸檬腈的產(chǎn)率呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)溫度在10～15 ℃時(shí)，檸檬醛的轉(zhuǎn)化率和檸檬腈的產(chǎn)率最高。當(dāng)溫度大于20 ℃時(shí)，檸檬醛的轉(zhuǎn)化率和檸檬腈的產(chǎn)率均下降到90%以下。由此可知，當(dāng)反應(yīng)溫度過(guò)高時(shí)，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，檸檬醛的轉(zhuǎn)化率和檸檬腈的產(chǎn)率均隨之降低?？赡艿脑蚴欠磻?yīng)溫度升高后，導(dǎo)致副反應(yīng)發(fā)生的幾率變大。因此，最適宜的反應(yīng)溫度為10～15 ℃。

2.1.3反應(yīng)時(shí)間 由表1可知，不同的反應(yīng)時(shí)間對(duì)檸檬醛的轉(zhuǎn)化率有一定的影響，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，檸檬腈的產(chǎn)率逐漸提高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間分別為5、 6、 7、 8和9 h，此時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，檸檬腈的產(chǎn)率分別為90.81%、 90.82%、 90.85%、 90.56%、 90.12%，相差不大。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為7 h時(shí)，檸檬腈的產(chǎn)率最高，但與5 h相差不明顯，說(shuō)明隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)檸檬腈的產(chǎn)率并沒(méi)有顯著增加。綜合考慮，選擇5 h作為最佳的反應(yīng)時(shí)間。

2.1.4檸檬醛與氨水物質(zhì)的量比 在反應(yīng)過(guò)程中NH3·H2O主要起到與檸檬醛生成亞胺的作用。由圖2(a)可知，隨著NH3·H2O用量的增加，越來(lái)越多的檸檬醛能夠轉(zhuǎn)化成亞胺，從而使檸檬腈的產(chǎn)率逐漸升高，并在1 ∶1.5～1 ∶1.7時(shí)有一個(gè)較大的提升，此時(shí)反應(yīng)朝著有利的方向進(jìn)行。當(dāng)n(NH3·H2O)/n(檸檬醛)為2.9時(shí)，檸檬腈的產(chǎn)率達(dá)到最高。但隨著NH3·H2O用量繼續(xù)增加，檸檬腈的產(chǎn)率下降?？赡苁前彼昧吭黾樱♂屃朔磻?yīng)物的濃度，導(dǎo)致反應(yīng)效率下降。因此，n(檸檬醛) ∶n(NH3·H2O)=1 ∶2.9為氨水的最佳用量。

a.NH3·H2O;b.CuCl;c.H2O2圖2 檸檬醛與不同物料比對(duì)檸檬腈產(chǎn)率的影響Fig.2 Effects of different ratios of material to citral on geranyl nitrile yield

2.1.5檸檬醛與氯化亞銅物質(zhì)的量比 由反應(yīng)機(jī)理可知，氯化亞銅同時(shí)催化了氨化和氧化這兩個(gè)反應(yīng)進(jìn)程。由圖2(b)可知，當(dāng)CuCl的用量較少時(shí)，由于催化活性中心數(shù)量較少，反應(yīng)進(jìn)程緩慢，檸檬腈的產(chǎn)率偏低。隨著CuCl用量不斷增加，檸檬腈的產(chǎn)率呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)。當(dāng)n(CuCl)/n(檸檬醛)為0.045 時(shí)，檸檬腈的產(chǎn)率達(dá)到最高。隨著CuCl的用量繼續(xù)增加，催化效率進(jìn)一步增加，同時(shí)H2O2氧化亞胺的速率不斷加快，放出大量的熱導(dǎo)致副反應(yīng)發(fā)生，使檸檬腈的產(chǎn)率下降。此外，由于氨化反應(yīng)速率大于氧化反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)中間體積累并發(fā)生副反應(yīng)，也可能使檸檬腈的產(chǎn)率下降。綜上考慮，n(檸檬醛) ∶n(CuCl)=1 ∶0.045為最佳比例。

2.1.6檸檬醛與過(guò)氧化氫物質(zhì)的量比 由圖2(c)可知，當(dāng)H2O2的用量較少時(shí)，無(wú)法將亞胺完全氧化，此時(shí)檸檬腈的產(chǎn)率較低。隨著H2O2用量的增加，亞胺被氧化的速率增大，檸檬腈的產(chǎn)率上升。當(dāng)n(H2O2)/n(檸檬醛)為5時(shí)，反應(yīng)速率達(dá)到最高，此時(shí)檸檬腈的產(chǎn)率達(dá)到最高的94.66%。當(dāng)n(檸檬醛) ∶n(H2O2)超過(guò)1 ∶5時(shí)，由于氧化劑(H2O2)過(guò)量，導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生，使得檸檬腈的產(chǎn)率下降。因此，n(檸檬醛) ∶n(H2O2)=1 ∶5為最佳配比。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

檸檬醛合成檸檬腈最優(yōu)配比條件正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析Table 2 Orthogonal experiment design and results analysis

由表2可知，檸檬醛與CuCl物質(zhì)的量比的極差(R)最大，表明在檸檬腈合成過(guò)程中，對(duì)反應(yīng)影響最大的因素是檸檬醛與CuCl物質(zhì)的量比，其次是檸檬醛與NH3·H2O物質(zhì)的量比和檸檬醛與H2O2物質(zhì)的量比。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可以得出最優(yōu)條件為n(檸檬醛) ∶n(NH3·H2O)=1 ∶2.7、n(檸檬醛) ∶n(H2O2)=1 ∶5.5、n(檸檬醛) ∶n(CuCl)=1 ∶0.045。

為驗(yàn)證正交試驗(yàn)獲得的最優(yōu)工藝，對(duì)最佳工藝進(jìn)行了3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)化率平均值為97.50%，產(chǎn)率平均值為94.59%。

2.3 放大實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為對(duì)檸檬腈的中試化生產(chǎn)工藝提供理論數(shù)據(jù)，在檸檬腈小試工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了放大實(shí)驗(yàn)。分別在最優(yōu)條件的基礎(chǔ)上擴(kuò)大2倍、 3倍和5倍，結(jié)果列于表3。由表3可知，檸檬醛的轉(zhuǎn)化率均在95%及以上，檸檬腈的產(chǎn)率均在92%以上，證明該工藝對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)具有一定的參考價(jià)值。

表3 放大實(shí)驗(yàn)結(jié)果1)Table 3 The magnified experimental results

2.4 產(chǎn)物的表征

圖3 產(chǎn)物的紅外光譜Fig.3 FT-IR spectrum of the product

圖4 產(chǎn)物的1H NMR圖譜Fig.4 1H NMR spectrum of the product

3 結(jié) 論

3.1利用H2O2為氧化劑，CuCl為催化劑，異丙醇為溶劑，通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)優(yōu)化得到檸檬腈的最佳制備工藝：n(檸檬醛) ∶n(NH3·H2O) ∶n(H2O2) ∶n(CuCl)=1 ∶2.7 ∶5.5 ∶0.045，反應(yīng)時(shí)間為5 h，反應(yīng)溫度為10～15 ℃。通過(guò)FT-IR、1H NMR和GC-MS表征，確認(rèn)檸檬腈成功制備。在最佳工藝條件下制得目標(biāo)產(chǎn)物檸檬腈，平均產(chǎn)率為94.59%，檸檬醛的平均轉(zhuǎn)化率達(dá)97.50%。

3.2以最佳工藝條件進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，分別放大2、 3和5倍的結(jié)果為：檸檬醛的轉(zhuǎn)化率分別為95.75%、 95.05%和95.00%，檸檬腈的產(chǎn)率分別為92.88%、 92.20%和92.15%。