质子酸催化紫苏葶脱肟反应的研究

李谦和 欧阳美凤，肖利民，周 旺

(湖南师范大学精细催化合成研究所，中国 长沙 410081)

紫苏醛，化学名[4-异丙烯基-1-环己烯基]甲醛，是一种具有清香、樱桃和油脂香气的光学活性单萜类化合物，存在于天然紫苏油、莲叶桐和香柠檬油中[1]．它可用于日化和食用香料中(配制香辛料和花生等型香精)，也可作为农用杀虫剂和灭菌剂[2]．文献一般采用SeO2[3]，Pb(OAc)4[4]，MnO2[5]等氧化剂选择氧化紫苏醇或催化氧化异构桃金娘烯醇[6]合成紫苏醛，但存在反应条件苛刻，产物难以提纯等缺点，这给制备高纯度紫苏醛带来了一定难度．人们使用了诸如亚硫酸氢钠加成法、精密分馏法等来提纯紫苏醛，但由于紫苏醛属于α,β-不饱和的醛，在高温条件下很容易聚合，而且蒸馏过程也会造成较大部分的损失，使精密分馏提纯方法的收率较低．然而低含量紫苏醛如天然紫苏醛或化学合成品均容易通过肟化反应转化成紫苏葶，后者很容易通过重结晶的方法提纯，所以寻找到一种高选择性、高转化率的脱肟方法便能制备高纯度的紫苏葶．用甲醛与肟反应脱肟的方法早有人提出[7-9]，但对此反应的深入研究尚未见文献报导．作者对质子酸催化的紫苏葶脱肟反应进行了研究，探索了合适的酸催化剂及最佳反应条件，获得了有价值的结果，并对催化机理进行了讨论．

1 实验

1.1 主要原料

紫苏葶，工业品，凯美香精香料有限公司生产，气相色谱分析其质量分数为98%以上；甲醛水溶液(含HCHO质量分数37%～40%)，硝酸，硝基甲烷均为分析纯试剂；水为二次蒸馏水，其他试剂均为分析纯．

1.2 实验操作

在装有回流冷凝器的25 mL 圆底烧瓶中，加入准确计量的紫苏葶和甲醛水溶液，同时加入一定比例的催化剂，置于磁力搅拌器中搅拌加热至设定温度，计时反应，保持温度恒定至所需反应时间，定时取样．样品经过滤后进行GC 和GC-MS 分析．

1.3 原料及产物的分析鉴定

原料及产物含量的测定采用美国安捷伦6890N气相色谱仪、校正面积归一法定量．分析条件为：毛细管柱(0.32 mm ×32 m)，固定液SE-30，氢火焰检测，载气N2，进料量0.2 μL，汽化室温度250 ℃，柱温160 ℃，检测器温度250 ℃．产物结构鉴定采用Saturn 2100T型气相色谱-质谱( GC-MS) 联用仪，分析条件为：毛细管柱(0.25 mm ×30 m)，载气：He，检测器MS，进样口温度250 ℃，进料量0.1 μL ，分流比50∶ 1．

2 结果与分析

2.1 酸种类的影响

首先考察了最常用的几种酸催化的紫苏葶与甲醛的交换反应，固定紫苏葶用量为10 mmol，n(紫苏葶)∶n(甲醛)∶n(酸) = 1∶2∶0.1，硝基甲烷作溶剂(5 mL)，反应温度为 80 ℃，反应结果列于表1．

表1 酸催化剂对紫苏醛产率的影响

*用量0.05 mol.

从表1的结果可以看出，磷酸、硝酸、盐酸和硫酸等无机酸及醋酸均能有效地催化紫苏葶与甲醛的交换反应，且随酸强度的增加，反应速度加快．盐酸因挥发性强，反应初期产率较低，但反应8 h，紫苏醛产率可达96.6%；醋酸因酸性太弱，初始反应速率也较慢．考虑到单萜类化合物的稳定性，酸强度太大，易引发聚合、脱水、醚化等副反应的发生，降低目标产物紫苏醛的产率，并给产物的后处理带来不便；酸性太弱，反应速度慢，反应时间长．因此，中等强度的硝酸是较适宜的脱肟催化剂．

2.2 硝酸用量的影响

表2给出了硝酸用量(物质的量分数，下同)对紫苏醛产率的影响．

表2 硝酸用量对紫苏醛产率的影响

*其他反应条件同表1.

结果表明，没有酸催化剂时，紫苏葶脱肟反应速度很慢，反应8 h，紫苏醛产率仅56.6%；当有1%的硝酸存在时，反应速度大大加快，反应2 h，紫苏醛产率即达54.1%．硝酸用量在5%～20%范围内，控制适宜的反应时间，紫苏醛产率均可达95%以上．

在硝酸的催化作用下，反应初期，随着反应时间的延长，紫苏醛产率逐渐增加，达到最大值，此后再续延长反应时间，紫苏醛产率反而下降，这是紫苏醛发生深度副反应所致．

从表2的结果还可看出，随着硝酸用量的增加，反应速度不断增大，紫苏醛产率逐渐升高；且酸催化剂用量不同，脱肟反应所能获得的紫苏醛的最大产率不同．当硝酸用量大于10%，继续加大硝酸用量，由于一系列副反应的影响，紫苏醛的最大产率不断降低，因此，硝酸用量以5%～10%为宜．

2.3 甲醛用量对紫苏醛产率的影响

由于甲醛是紫苏葶脱肟这一平衡反应的反应物，改变体系中甲醛的浓度将改变脱肟反应的平衡位置．甲醛物质的量分数不同时，脱肟反应的结果见表3．

表3 甲醛用量对紫苏醛产率的影响

*其他反应条件同表1.

从表3的结果可看出，没有甲醛时，紫苏葶几乎不发生，反应8 h，紫苏醛的产率低于10%．事实上，不加甲醛时，紫苏葶的脱肟为一简单的水解反应，平衡偏向于生成紫苏葶，因而紫苏醛产率很低．随着甲醛用量的增加，反应速度显著加快，当甲醛用量达到反应底物投料物质的量的1倍时，进一步加大甲醛用量，反应速率反而有所下降．这是因为甲醛用量越大，反应体系中的水量越多．体系中水量的增加，一方面降低了反应底物和酸催化剂的浓度，使反应速率降低；另一方面，过多的水量会使反应体系分相，紫苏葶溶解在有机相，而甲醛在水相，不利于反应底物与反应试剂的相互作用．

当甲醛用量为紫苏葶的2倍物质的量时，反应4 h，紫苏醛产率达95%以上．且甲醛用量越大，紫苏醛的平衡产率也越大，这是化学反应平衡控制的结果．

2.4 反应温度对紫苏醛产率的影响

在紫苏葶与甲醛的交换反应中，由于甲醛分子中羰基碳原子的电正性大于紫苏醛分子中的羰基碳原子，因此，升高反应温度不仅可以提高反应速率，还将有利于反应平衡右移，提高紫苏醛的产率．不同温度下紫苏葶脱肟反应的结果列于表4．

结果表明，随着反应温度的升高，反应速率增大，紫苏醛产率增加；但反应温度越高，紫苏葶脱肟所能达到的最大产率(平衡产率)越低．较低的反应温度下，延长反应时间，也可获得较好产率的紫苏醛．从生产实际考虑，紫苏葶的脱肟反应温度应控制在80 ℃为宜，反应4 h，紫苏醛产率达96.2%．

表4 反应温度对紫苏醛产率的影响

*其他反应条件同表1.

实验过程中发现，随着反应温度的升高、反应时间延长，紫苏葶脱肟反应液的颜色逐渐加深，影响反应产物的后处理．为此，作者又考察了室温下在丙酮溶剂中硫酸催化紫苏葶与甲醛的交换反应，结果见表5．

表5 室温下紫苏葶脱肟反应的结果

*n(紫苏葶)∶n(甲醛)=1∶2.

结果表明，适当延长反应时间，室温下紫苏葶的脱肟反应也可以达到平衡，且随着硫酸用量的增大，平衡产率升高，达到平衡所需的反应时间缩短．当硫酸物质的量分数大于40%时，紫苏醛平衡产率亦可达96%以上．更为重要是，室温脱肟反应混合物呈无色至淡黄色，经适当处理后，可获得高纯度的紫苏醛．

2.5 反应机理

质子酸催化紫苏葶液相脱肟反应的可能机理如图1所示：

图1 酸催化紫苏葶脱肟反应机理

由图1可见，紫苏葶的反应过程实质上包含了两个过程．首先，紫苏葶在酸催化条件下水解成紫苏醛和羟胺；然后，羟胺在酸催化下与甲醛反应生成甲醛肟．这两个过程都是可逆的．前一个过程的平衡偏向于紫苏葶的形成，而后一个过程则偏向于甲醛肟的形成，而且后者的趋势更加强烈，其结果就导致了在甲醛存在的条件下，整个反应向生成甲醛肟的方向进行，在增大甲醛用量时促进了整个反应的进行．

3 结论

质子酸可有效催化紫苏葶的液相脱肟反应，催化剂的酸强度和反应条件是影响脱肟反应的关键因素．具有中等酸强度的硝酸是紫苏葶与甲醛反应进行液相脱肟的高效催化剂，其最佳反应条件是：催化剂与紫苏葶物质的量之比为10%，紫苏葶与甲醛的物质的量比为1∶2，以硝基甲烷作溶剂，于80 ℃搅拌反应4 h ，紫苏醛的产率可达96.2%．该法反应条件温和，操作简单，产品纯度高，具有良好的工业应用前景．

参考文献：

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