8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯的合成及其在卷烟加香中的应用

王彩霞，刘善宇，徐翠莲，杨国玉，樊素芳，万郑凯，赵铭钦

(1.河南农业大学理学院，河南郑州450002;2.河南许昌卷烟厂，河南许昌461000)

由于薄荷醇在烟草香精香料中能赋予产品清凉、新鲜的感觉，因此在烟草、食品等行业得到了广泛的使用，但其缺点也非常明显:易挥发，不耐高温，凉味作用持续时间短，短期作用比较强烈、刺激，浓度稍大会让人感觉不适.薄荷醇的这些缺点，限制了其在很多产品中的应用.为了克服传统清凉剂薄荷醇的缺点，通过对其分子结构进行修饰从而得到了新型凉味剂——薄荷醇酯.由于薄荷醇酯具有更好的结构稳定性，不仅大大降低了薄荷醇的挥发性、易氧化性，使薄荷醇酯更容易长期存放，而且也避免了它们在整个卷烟加香工艺中的香味损失.只有当卷烟燃吸时它们受到高温作用，发生裂解反应才会释放其所含香味成分，产生本身的香味特征，这对保持卷烟的特色香味具有重要意义.因此，近年来薄荷醇酯的合成和应用的研究成为烟草香料领域的研究热点［1～3］.

徐翠莲等［4］，刘善宇等［5］等曾报道了香豆素丁香酚酯、香豆素香叶酯的合成，研究了它们的热裂解产物，发现它们都是具有较好应用前景的高温释放型香料，不仅提供了原来单体醇香料的稳定性，而且在高温下能够裂解产生种类更多的香味小分子化合物，对卷烟起到明显的加香效果.因此本研究拟以邻香兰素和丙二酸二乙酯为原料，经缩合、水解、酰氯化和酯化4步反应合成一种新的薄荷酯——8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯，并初步探讨其热裂解行为和评吸效果.

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

邻香兰素(AR)，六氢吡啶(CP，上海国药集团化学试剂有限公司);薄荷醇、4－二甲氨基吡啶(AR，上海海曲化工有限公司);丙二酸二乙酯(AR，北京化学试剂公司);氯仿(AR，经蒸馏后使用，烟台市双双化工有限公司);二氯甲烷(AR，经P2O5干燥、蒸馏处理，天津科密欧化学试剂公司);三乙胺(AR，经KOH干燥、蒸馏处理，天津市科密欧化学试剂有限公司).8－甲氧基香豆素－3－甲酰氯按参考文献［8］合成.

数字显示显微熔点仪(X-4，北京泰克仪器有限公司);BRUKER 300 MHz核磁共振仪(以CDCl3为溶剂，TMS为内标，瑞士Bruker公司);红外光谱仪(FT-IR 200，KBr压片 ，Thermo Nicolet公司);高分辨质谱仪(Q-Tof MicroTM，Waters Micromass公司提供);安捷伦气质联用仪(HP 6890GC/5973MS，美国安捷伦公司);热裂解仪(PYROPROBE 2000，美国 CDS公司).

1.2 方法

1.2.1 8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯4的合成 在100 mL圆底烧瓶中加入 2.38 g(0.01 mol)8－甲氧基香豆素－3－甲酰氯，溶于20 mL无水CH2Cl2中，置于冰浴中搅拌;另取相同浓度的薄荷醇和3倍的三乙胺溶于20 mL无水CH2Cl2中，通过恒压漏斗逐滴加入到反应瓶中，滴毕后室温搅拌过夜.TLC(石油醚:乙酸乙酯为展开剂)监测反应过程.反应结束后，依次用体积分数为5%的盐酸、饱和碳酸氢钠和饱和食盐水洗涤反应液至pH值为7，有机相用无水硫酸钠干燥，然后蒸出溶剂，残留物用乙酸乙酯重结晶得8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯.白色固体，产率87.9%，熔点127.0 ～128.0 ℃.IR(cm－1):3060(C=C － H)，1750(环外 C=O)，1703(环内 C=O)，1609，1569，1453(香豆素环).1H NMR(300 MHz，CDCl3)δ:0.80(d，3H，CH3CH，J=6.8 Hz)，0.89 ～0.95(m，6H，(CH3)2CH)，1.09～1.17(m，4H，CH2CH2)，1.53 ～1.57(m，2H，CH2)，1.71 ～1.75(m，1H，CH)，1.99～2.01(m，1H，CH)，2.08～2.20(m，1H，CH)，3.97(s，3H，OCH3)，4.91 ～4.99(m，1H，CHOCO)，7.15～7.26(m，2H，ArH)，8.46(s，1H，CH=).13C NMR(300 MHz，CDCl3)16.27，20.82，22.00，23.38，26.22，31.47，34.20，47.00，50.17，56.36，71.56，115.77，118.54，119.10，120.57，124.52，144.94，147.12，148.04，156.02，162.61.HMRS:的理论值 C21H26O5Na 381.1678，实验值381.1673.

1.2.2 热裂解方法与条件 称取约0.2 mg样品，放入固体进样器中，置于已调好预定温度的裂解炉中，在600℃下进行瞬间裂解.裂解氛围为氦气，裂解产物直接由氦气导人GC-MS中进行定性和半定量分析.PE－Elite 5-MS色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);进样口温度:250 ℃.载气:He，流速 1 mL·min－1(柱头压为 7.24 x 104Pa).升温程序:50 ℃(1 min)→300 ℃(5 min).分流比为 100∶1.EI离子源，电子能量70 eV;扫描范围:40～400 amu;传输线温度:280℃;离子源温度:200℃.裂解炉压力:1.03×106Pa(高于柱头压力).

1.2.3 加香评吸试验 取加过料液的“红旗渠”卷烟烟丝 10 g若干份，按其质量的 0.10%，0.15%，0.20%，0.30% 准确称取 8 － 甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯，用2 mL体积分数为95%乙醇溶解后，用喉头喷管均匀地喷在烟丝上.CK为只喷洒等量体积分数为95%乙醇.加香和未加香烟丝样品放在温度(22±1)℃和相对湿度(65±2)%的恒温、恒湿箱中平衡水分48 h，手工卷制后放入恒温、恒湿箱中同等条件再平衡48 h，由新郑卷烟厂组织专业人员进行评吸.

2 结果与分析

2.1 8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯4的合成及谱学性质

化合物4的合成路线见图1.邻香兰素与丙二酸二乙酯在有机碱催化下发生缩合反应，并分子内关环得到8－甲氧基香豆素－3－甲酸乙酯1，经水解得到8－甲氧基香豆素－3－甲酸2，然后将其转化为酰氯3，再进一步与薄荷醇反应得到目标化合物4.

图1 8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯4的合成路线Fig.1 The synthetic route of 8-methoxycoumarin-3-carboxylic acid menthyl ester 4

利用酰氯法合成酯是经典的方法，其中碱作为缚酸剂，可以是无机碱如 K2CO3，KOH，NaOH等;也可以是有机碱如Et3N，Py，DMAP等.碱性的强弱对目标化合物4的生成产率影响很大，强碱体系如KOH，NaOH，仅有少量目标化合物生成，这是由于香豆素环在强碱性下容易发生内酯开环所致.经多次试验比较，无论从产率高低还是从后处理方面，有机碱Et3N更适合作为本反应的催化剂.Et3N易溶于二氯甲烷，反应在均相中进行;反应液后处理方便，只需简单洗涤，容易得到符合要求的产品.温度和加入的方式对反应也有影响:一是要把薄荷醇溶液滴加到预先经过冰浴冷却的酰氯溶液中;二是滴加速度要适宜，滴加过程保持在0.5 h左右.加毕，在室温下搅拌反应，这样副反应较少，产品易于分离纯化.

2.2 8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯4的热稳定性分析

8－甲氧基香豆素 －3－甲酸薄荷酯的TGDTA曲线见图1.热分析数据表明，标题化合物的失重分2个阶段:第1阶段，在24.4～225.0℃略有失重，在此阶段差热图上有一个尖锐的吸热峰，说明8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯正经历由固态到液态的相变，峰的拐点对应的温度为127.2℃，与测定的熔点127～128℃相吻合，说明该点为标题化合物的熔点;第2阶段，在225.0～294.0℃急剧失重，此间DTA曲线上可以看出在280.2℃左右标题化合物继续吸热，峰形较宽，说明在此温度下经历了复杂的物理化学变化，可能是酯键的断裂，裂解出的薄荷醇大量地散失，同时经历脱羧、香豆素环分解，此时总失重率达99.87%，说明标题化合物在294.0℃时基本分解完全.

图2 8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯4的TG-DTA图Fig.2 TG and DTA diagram of 8-methoxycoumarin-3-carboxylic acid menthyl ester 4

2.3 8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯4的热裂解产物的定性分析

卷烟燃烧是一个复杂的化学反应过程，卷烟燃烧区域分为燃烧区和热裂解/蒸馏区.燃烧区温度较高且变化剧烈，气体浓度分布极其复杂;而热裂解/蒸馏区的温度及其变化相对较低 ，大部分烟气均在此区域产生.由于这些特点，热裂解的热分析技术适合用于模拟卷烟燃烧过程［9，10］.8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯由于是新化合物，其热裂解行为的研究尚未见报道.

用NIST 02和WILEY 7标准质谱数据库，对化合物4在600℃下的热裂解产物进行了定性和半定量分析(图3，表1).

图3 8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯4裂解产物的总离子流色谱图Fig.3 TIC of the pyrolysis products of 8-methoxyl coumarin mentyl ester 4

在8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯的热解产物中，很多成分如愈创木酚、丁香酚、二氢香豆素、香豆素、月桂酸(十二酸)、肉豆蔻酸(十四酸).其中，愈创木酚具有辛香、药香、木香、可口的肉香及烟熏味［11］;丁香酚具有强烈的丁香辛香香气［12］;香豆素具有新鲜干草香和香豆香［13］;二氢香豆素具有甜香、奶油香、椰子香和烟草香［11］;月桂酸(十二酸)具有月桂油的香气［12］;肉豆蔻酸(十四酸)具有微弱的蜡香、奶香［11］.因此，8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯的主要热解成分具有甜香香气、奶香、烟草本香等香味特征，这些成分有可能起到调和卷烟烟香，缓和刺激性，提高烟香风味的作用.

在这些热解产物中，丁香酚具有显著的抑菌效果和很好的抗氧化活性［14］，角鲨烯具有促进血液循环、活化机体细胞、抗氧化、消炎杀菌、细胞修复等功能［15］.因此，在卷烟里加入8－甲氧基香豆素3－甲酸薄荷酯可能具有缓解因吸烟引起的呼吸道系统疾病的作用.

表1 8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯主要裂解产物分析结果Table 1 Analytical result of the main pyrolysis products of 8-methoxyl coumarin mentyl ester

2.4 加香评吸试验结果

将上述8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯加入到卷烟中进行专家评吸试验，感官评吸的打分结果见表2，样烟的评吸效果描述见表3.从表3可以看出，卷烟在添加0.10% ～0.20%的8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯后，能与烟香协调，明显增加烟气的豆香与清凉香气，增大香气量，并随着加香浓度的增大，豆香与清凉香气逐渐增强，但加香达到0.30%时，杂气较重，刺激性较大，余味变差，异味已经开始掩盖烟香.说明8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯能改善和修饰卷烟烟气，增加豆香与清凉香气，适宜用量为0.10% ～0.20%.

表2 加入化合物4的卷烟感官质量评吸数据Table 2 Aesthetic quality smoking datas of cigarettes joined compound 4

表3 加入化合物4的卷烟评吸效果描述Table 3 The smoking effects of cigarettes joined compound 4

3 结论

1)采用酰氯酯化法，以 8－甲氧基香豆素－3－甲酸与薄荷醇合成了8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯香料，利用IR，1H NMR，13C NMR和HRMS对其结构进行了表征，证实了其结构.

2)热分析数据表明标题化合物的失重分2个阶段:第1阶段，在24.4～225.0℃略有失重;第2阶段，在225.0～294.0℃急剧失重，标题化合物在294.0℃时基本分解完全.8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯在600℃下的裂解产物中共鉴定出25种成分，主要是烯类、烷类、酸类、酚类，其中很大一部分是重要的烟草香味成分，对卷烟烟气香味有一定的贡献.

3)8－甲氧基香豆素－3－甲酸薄荷酯能够改善和修饰卷烟烟气，具有增加豆香与清凉香气、减轻刺激性的作用，可用于卷烟加香，适宜用量0.10% ～0.20%.

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