2-乙基苯并噁唑的微波超声波辅助合成

刘智军, 张 平, 王 石, 谢建春, 孙宝国

(北京工商大学食品添加剂与配料北京高校工程研究中心/北京市食品风味化学重点实验室,北京 100048)

随着噁唑类化合物从天然产物中不断被发现,噁唑类物质得到了越来越广泛的关注.二芳基噁唑、苯并噁唑和苯乙烯基噁唑,由于具有广泛的抗菌,抗病毒和镇痛作用已被应用于医药领域[1-4].但关于噁唑类食用香料的研制和开发,目前还报道很少[5-6].

2-甲基苯并噁唑(FEMA 4398),2,4,5-三甲基噁唑(FEMA 4394)和4-乙基-2,5-二甲基噁唑(FEMA 4395)均是近年新批准使用的食用香料品种,可广泛应用于咖啡、可可、坚果、烟草、糖果、油炸食品、焙烤食品及肉味香精中[7-8].本课题组前期报道了2,4,5-三甲基噁唑和4-乙基-2,5-二甲基噁唑的合成工艺[9].因微波超声波辅助合成,具有反应时间短、反应选择性好、产率高等优点[10-12],本课题组还尝试了微波和超声波辅助合成2-甲基苯并噁唑的工艺研究,所合成的2-甲基苯并噁唑具有浓郁的烤香和甜香香气[13].噁唑类是近年才受到人们关注的一类香味物质,为了解该类化合物的香气特点,在对2-甲基苯并噁唑研究基础上,本文以2-氨基苯酚与丙酸为原料,微波超声波辅助合成了2-乙基苯并噁唑,优化了反应条件,并用气相色谱方法计算了产物粗产率,用质谱、IR、1H NMR等方法进行了结构鉴定,研究内容未见文献报道.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

多聚磷酸(polyphosphoric acid,PPA),分析纯,天津市光复精细化工研究所;2-氨基苯酚、丙酸、乙酸乙酯、碳酸钠,分析纯,北京化学试剂公司.

1.2 仪器与设备

XH-300A型电脑微波超声波组合合成/萃取仪,北京祥鹄科技发展有限公司;RE-52A型旋转蒸发仪,上海亚荣生化仪器厂;CP3800型气相色谱仪,美国Varian公司;Avater 370型傅里叶变换红外光谱仪,美国Nicolet公司;Agilent 5973I/6890N型气相色谱-质谱联用仪,美国Agilent公司;Avance 300 MHz型核磁共振波谱仪,瑞士Brucker Biospin公司.

1.3 2-乙基苯并噁唑合成

2-乙基苯并噁唑合成反应如图1,在装有回流冷凝管、温度计的100 mL三口烧瓶中加入0.028 mol(3.00 g)2-氨基苯酚,0.170 mol(12.60 g)丙酸,0.014 mol(4.85 g)多聚磷酸(PPA),设置微波功率和超声波功率分别为800 W,控制温度130℃,反应时间15 min.

图1 2-乙基苯并噁唑的合成反应Fig.1 Reaction of synthesis of 2-ethylbenzoxazole

反应液冷却,加入20 mL饱和NaCl溶液洗涤,取有机相,水相使用乙酸乙酯(3×15 mL)萃取,萃取液与有机相合并.合并液饱和Na2CO3溶液中和,去离子水洗涤,无水Na2SO4干燥,旋转蒸发除溶剂,称量,气相色谱分析,粗产率采用式(1)计算(以2-氨基苯酚计).

粗品减压蒸馏,收集9 kPa,110～120℃的馏分,产率计算见式(2)(以2-氨基苯酚计).质谱(气相色谱-质谱联用)、红外光谱、核磁共振分析产物结构.

1.4 气相色谱分析

毛细管色谱柱FFAP 30 m×0.25 mm×0.33 μm.柱温程序为起始温度50℃,13℃/min升温至230℃,保持1 min.进样口温度250℃,进样0.2 μL,分流比100∶1.载气为N2,流速1 mL/min,检测器FID,温度250℃.

1.5 气相色谱-质谱联用分析

DB-WAX型毛细管色谱柱30 m×0.25 mm×0.25 μm,载气为He.其他条件均与气相色谱分析条件相同.电离电压70 eV,离子源230℃,四级杆150℃,质量扫描范围20～350 u,溶剂延迟3.0 min.

1.6 红外光谱和核磁共振分析

红外光谱分析采用Avater 370型傅里叶变换红外光谱仪,KBr压片法完成.氢核磁共振分析采用Brucker Avance 300 MHz核磁共振波谱仪进行,内标物为TMS,样品溶剂为CDCl3.

2 结果与讨论

2.1 2-氨基苯酚与丙酸物质的量比对产物生成的影响

固定催化剂PPA用量为4.00 g,2-氨基苯酚用量3.00 g,微波功率800 W,超声波功率800 W,反应温度120℃,反应时间15 min,改变2-氨基苯酚与丙酸的物质的量比,所得实验结果如图2.

图2 2-氨基苯酚与丙酸物质的量比对产物生成的影响Fig.2 Influence of mole ratio of 2-aminophenol and propionic acid on yield of crude product

由图2可知,随着反应物丙酸用量的增加,产率先逐渐升高,然后呈下降趋势,最佳反应2-氨基苯酚与丙酸的物质的量配比应在1∶5与1∶6之间,最后取1∶5.5(丙酸的质量为11.20 g).反应物丙酸过量,可提高反应产率,但丙酸用量增加到一定程度后粗产率下降,可能是产物为挥发性物质,处理多余的丙酸所需的中和及旋转蒸发除溶剂时间过长,产物损失较多造成.

2.2 PPA用量对产物生成的影响

固定2-氨基苯酚用量3.00 g,丙酸11.20 g,微波和超声波功率分别为800 W,反应温度120℃,反应时间15 min,改变PPA与2-氨基苯酚的物质的量配比,所得实验结果如图3.

图3 PPA与2-氨基苯酚的物质的量配比对产物生成的影响Fig.3 Effect of mole ratio of PPA and 2-aminophenol on yield of crude product

由图3可知,催化剂PPA与2-氨基苯酚的物质的量配比由0.32∶1增加到0.52∶1(PPA用量由2.95 g增加到4.85 g)时,产物的粗产率显著提高到65.17%;但PPA的量再增加时,观察到反应液的颜色加深,反应液变得黏稠,后处理困难,粗产率反而下降为57.65%,由此确定最佳的PPA用量为4.85 g(PPA与2-氨基苯酚物质的量比为0.52∶1).

2.3 反应时间对产物生成的影响

固定2-氨基苯酚用量3.00 g,丙酸12.60 g,PPA用量为4.06 g,微波和超声波功率为800 W,反应温度130℃,改变反应时间,所得实验结果如图4.

图4 反应时间对产物生成的影响Fig.4 Effect of reaction time on yield of crude product

由图4可知,反应时间由5 min增加到15 min,粗产率显著提高;反应时间为15 min时,粗产率最高,为64.19%;反应时间再增加到25 min时,反应液中有深褐色杂质出现,反应产率下降,由此确定最佳反应时间为15 min.

2.4 反应温度对产物生成的影响

固定2-氨基苯酚用量3.00 g,丙酸12.44 g,PPA用量为4.06 g,微波和超声波功率为800 W,反应时间15 min,改变反应温度,微波加热仪器为电脑控制,可实现较为精确的控温,根据前期研究,回流温度较好,因此主要在回流温度附近取点,所得实验结果如图5.

由图5可知,反应温度115℃增加到130℃,粗产率逐渐提高,然后随着温度升高到135℃,产率反而下降,由此确定最佳反应温度为130℃.

2.5 2-乙基苯并噁唑的合成结果

图5 反应温度对产物生成的影响Fig.5 Influence of reaction temperature on yield of crude product

经以上研究,确定2-乙基苯并噁唑的较佳合成工艺为原料2-氨基苯酚与丙酸的摩尔比1∶5.5(丙酸的量为11.20 g),催化剂PPA与2-氨基苯酚摩尔比0.52∶1,反应温度130℃,时间15 min.此条件下,产物粗产率82.69%(气相色谱分析含量54.32%).按照上述条件,重复3次,减压蒸馏得2-乙基苯并噁唑5.82 g,产率为47.96%.产物为淡黄色透明液体,嗅闻有浓郁的青香、咸香、清甜、凉型香气.

2.6 产物分析

将所得的2-乙基苯并噁唑的粗产物进行减压蒸馏,产物气相色谱检测,含量为 99.78%.1H NMR,红外光谱和质谱图分别见图6,图7和图8,谱图解析见表1.

图6 2-乙基苯并噁唑的1H-NMR谱图Fig.6 1H-NMR spectrum of 2-ethylbenzoxazole

图7 2-乙基苯并噁唑的红外光谱图Fig.7 IR spectrum of 2-ethylbenzoxazole

图8 2-乙基苯并噁唑的质谱图Fig.8 Massspectrum of 2-ethylbenzoxazole

表1 2-乙基苯并噁唑的质谱、红外和核磁共振氢谱数据Tab.1 MS,IR,and1H-NMR data of 2-ethylbenzoxazole

通过质谱、红外光谱、核磁共振对减压蒸馏收集馏分进行表征,鉴定合成产物确为2-乙基苯并噁唑.

3 结 论

本研究获得了微波及超声波辅助合成2-乙基苯并噁唑的较佳工艺条件为微波和超声波功率分别为800 W,丙酸与2-氨基苯酚的摩尔比5.5∶1,催化剂PPA与2-氨基苯酚摩尔比0.52∶1,反应温度130℃,时间 15 min,减压蒸馏处理后,得含量为99.78%的产物,产率为47.96%.产物结构通过质谱、红外光谱、核磁共振进行鉴定.

与2-甲基苯并噁唑相比,2-乙基苯并噁唑虽然只多了一个亚甲基,但香气特征变化较大,由浓郁的烤香变成了浓郁的青香,并带有凉香,初步得出苯并噁唑类的分子结构对香气特征影响显著.这类香料化合物在食品加香中应用具有多样性.

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