新型甲酰基吡咯衍生物的合成及其热裂 解-气相色谱/质谱分析

陶 陶， 赵华新， 姬小明*

(河南农业大学烟草学院，河南郑州 450002； 2.河南农业大学生命科学学院，河南郑州 450002)

吡咯衍生物具有极强的生物活性，它广泛存在于微生物的代谢产物和自然界动物体内[1 - 5]，在医药、食品、农药、日用化妆品、涂料、纺织、印染、造纸、感光材料、高分子材料等领域[6 - 12]有着广泛的用途。吡咯类化合物是重要的烟气香味成分之一，能够增加烟气丰满度[13 - 14]。武丹风等[15]报道了草莓酸4-(4-乙酰基-5-甲基-2-吡咯基)-2′，3′，4′-三羟基丁酯的热裂解和卷烟加香研究，结果表明该化合物裂解产生了多种吡咯类香味化合物。因此，开发新型烟用吡咯类香料有着广阔的应用前景。

热裂解-气相色谱/质谱(Py-GC/MS)联用技术具有分离效能高、灵敏度高、样品用量少、分析速度快、重现性好等优点[16 - 18]，广泛应用于提取天然香料及烟用合成香料的裂解转移规律及热裂解机理的研究[19 - 20]。本实验首先以D -(+)-氨基葡萄糖盐酸盐为原料，经过环化、氧化和烷基化等系列反应合成新型N-戊基-2-甲基-3-乙酰基-5-吡咯甲醛化合物。通过核磁共振(1H NMR、13C NMR)、红外(IR)光谱和高分辨质谱(HR-MS)等波谱技术对其结构进行确证，并用正交试验法优化了合成的条件，然后采用热重-微分热重-差示扫描量热法(TG -DTG -DSC)和Py-GC/MS技术分别研究了其热失重变化过程和热裂解产物，初步探讨了目标化合物的热裂解机理，旨在为新型烟用香料的研究开发提供理论依据。

1 实验部分

1.1 仪器和材料

Perkin-Elmer341型红外分光光度计(KBr压片)(美国，赛默飞世尔科技公司)；DPX-400型核磁共振波谱仪(400 MHz，TMS为内标)(瑞士，BRUKER公司)；Q-TOF质谱仪(美国，Waters-Micromass公司)；Agilent7890A/5975气质联用仪(美国，Agilent公司)；CDSPyrobe5000热裂解仪(美国，CDS公司)；STA409PC综合热分析仪(德国，NETZSCH公司)。

柱色谱硅胶和制备薄层色谱硅胶GF254均为青岛海洋化工厂产品，其余试剂和溶剂均为分析纯试剂。

1.2 合成路线

D -(+)-氨基葡萄糖盐酸盐(化合物Ⅰ)通过环合化反应合成2-甲基-3-乙酰基-5-(1,2,3,4-四羟基丁基)吡咯(化合物Ⅱ)；化合物Ⅱ氧化合成2-甲基-3-乙酰基-5-吡咯甲醛(化合物Ⅲ)，化合物Ⅲ进一步烷基化合成目标化合物N-戊基-2-甲基-3-乙酰基-5-吡咯甲醛(化合物Ⅳ)。合成路线如下所示：

1.2.1化合物Ⅱ的合成将D -(+)-氨基葡萄糖盐酸盐(化合物Ⅰ)431.21 mg(2 mmol)溶于15 mL水中，加入乙酰丙酮240 mg(2.4 mmol)和NaHCO3252 mg(3 mmol)。90 ℃回流8 h左右，薄层色谱(TLC)(展开剂：石油醚∶乙酸乙酯=2∶1)跟踪监测，待原料点消失时终止反应。低温静置约24 h后，析出白色物质，减压抽滤，滤液用丙酮重结晶得到白色固体418 mg，收率为86%。经1H NMR、13C NMR验证和文献报道化合物Ⅱ的1H NMR、13C NMR一致[21]，化合物Ⅱ可以直接投入下一步使用。

1.2.2化合物Ⅲ的合成称取NaIO4385 mg(1.8 mmol)，化合物Ⅱ 364 mg(1.5 mmol)，溶于15 mL甲醇中，40 ℃下回流搅拌，反应3 h，TLC(石油醚∶乙酸乙酯=2∶1)检测，反应结束后用0.25 mol/L的乙醇，除去未反应的NaIO4，旋转蒸发得米黄色固体即化合物Ⅲ181 mg，收率为80%。

化合物Ⅲ的熔点测定结果为144～145 ℃。化合物Ⅲ的结构经1H NMR和13C NMR、IR光谱、HR-MS等方法表征，实际测得的表征数据为：m.p:144～145 ℃;1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ:2.47(s,3H,CH3),2.67(s,3H,COCH3),7.31(s,1H,=CH),9.45(s,1H,CHO),10.68(s,1H,NH);13C NMR(100 MHz,CDCl3),δ:14.3(CH3),28.2(CH3),123.5(CH),123.6(C),130.2(C),143.4(C),179.1(C=O),194.4(CHO);IR(KBr),υ:3 179,1 672,1 654,1 561,1 510,1 477,1 246,1 154 cm-1;HR-MS Calcd For[M+H]+152.0712,Found[M+H]+152.0711。经分析，证实为化合物Ⅲ。

1.2.3化合物Ⅳ的合成将化合物Ⅲ 226 mg(1.5 mmol)置于反应容器中，再加入溴代正戊烷247.5 mg(1.65 mmol)、相转移催化剂四丁基溴化铵22.3 mg(0.07 mmol)、乙腈8 mL和无水K2CO3621 mg (4.5 mmol)，60 ℃条件下回流反应24 h，TLC(石油醚∶乙酸乙酯=2∶1)跟踪反应监测。反应结束后，减压蒸出乙腈，在剩余物中加入约10 mL水，使K2CO3溶解，分出有机层，水相用乙酸乙酯萃取(10 mL×4)，合并有机相，无水Na2SO4干燥过夜；减压蒸去乙酸乙酯，粗产物经柱层析分离纯化，纯化后得到粘稠状液体即化合物Ⅳ268.7 mg，产率为81%。

1.3 热重分析

称取约5 mg化合物Ⅳ，以光谱纯Al2O3为参考物质，在静态空气气氛，流速为60 mL/min，加热速率为10 ℃/min，Al2O3坩埚，温度范围30～900 ℃，测定样品的热重(TG)、微分热重(DTG)及差示扫描量热(DSC)曲线。

1.4 Py-GC/MS条件

称取1.5 mg化合物Ⅳ，涂于液体进样板上，再置于已调节好预定温度的裂解炉中，分别在系列温度下进行瞬间裂解，裂解产物由载气直接导入GC/MS中进行分离和鉴定。

1.4.1热裂解条件裂解温度为300、600和900 ℃，分别保持15 s，裂解炉压力为1.03×106Pa(高于气相色谱柱头压力)，接口温度280 ℃，在氦气氛围下裂解后，裂解产物被直接导入GC/MS中进行分离和鉴定。

1.4.2质谱条件HP-FFAP弹性石英毛细管柱(60 m×320 μm×0.5 μm)。进样口温度：250 ℃；载气为He(纯度为99.999%)，流速为1.5 mL/min(气相色谱柱头压为1.80×104Pa)；升温程序：50 ℃ 保持1 min，以10 ℃/min升至240 ℃，保持30 min；分流比10∶1。EI离子源，电子能量70 eV；扫描范围：m/z29～550；传输线温度：280 ℃；四极杆温度150 ℃；电子倍增器电压1 106 V；离子源温度：200 ℃；溶剂延迟时间：2 min。

2 结果与讨论

2.1 目标化合物Ⅳ的波谱数据分析

化合物Ⅳ的结构经NMR、IR光谱、HR-MS等方法表征，其核磁谱图中H和C的归属如下所示，δ:0.90 ppm归属为5′碳上的氢，1.34 ppm归属为3′和4′碳上的氢，1.66 ppm归属为2′碳上的氢，2.45 ppm 归属为6′碳上的氢，2.61 ppm归属为8′碳上的氢，4.31 ppm归属为1′碳上的氢，7.28 ppm归属为3碳上的氢，9.49 ppm 归属为9′碳上的氢；13C NMR谱图中11.4 ppm归属5′碳，13.9 ppm归属为6′碳，22.3 ppm归属为4′碳，28.3 ppm归属为8′碳，28.7 ppm归属为3′碳，30.3 ppm归属为2′碳，45.1 ppm归属为1′碳，122.4 ppm归属为4号碳，126.6 ppm归属为5号碳，130.1 ppm归属为3号碳，143.8 ppm归属为2号碳，178.8 ppm归属为9′碳，194.2 ppm归属为7′碳。HR-MS分析[M+H]+为 222.1500，与理论值222.1494相符合。IR光谱(KBr)，υ：2 958，1 659，1 536，1 482，1 430，1 351 cm-1。由以上结果分析可以确定所合成的化合物Ⅳ即为目标化合物N-戊基-2-甲基-3-乙酰基-5-吡咯甲甲醛。化合物Ⅳ的结构见图1，其HR-MS图如图2。

图1 化合物Ⅳ的结构Fig.1 Structure of compound Ⅳ

图2 化合物Ⅳ的高分辨质谱图Fig.2 High resolution mass spectrum of compound Ⅳ

2.2 化合物Ⅳ合成条件优化

2.2.1正交试验优化在单因素试验基础上，选择反应温度(45、60、75 ℃)、反应时间(12、18、24 h)和摩尔比(n(化合物Ⅲ)/n(溴代正戊烷)=1.0∶0.9、1.0∶1.0、1.0∶1.1)作为正交试验优化条件，结果见表1。

表1 L9(34)正交试验设计及结果

由表1的极差分析结果可以看出，RA>RB>RC，3个因素对化合物Ⅳ的影响大小依次为：反应温度(A)>反应时间(B)>摩尔比(C)。3个因素中，反应温度对合成反应的影响作用最为显著。在试验设计范围内，优化得到合成化合物Ⅳ的最佳条件为A2B3C3，即反应温度60 ℃、反应时间24 h、摩尔比1.0∶1.1。

2.3 化合物Ⅳ的TG -DTG -DSC分析

图3 化合物Ⅳ的TG -DTG -DSC谱图Fig.3 TG -DTG -DSC spectra of compound Ⅳ

目标化合物Ⅳ的TG -DTG图谱表明，目标化合物从30～136.3 ℃缓慢失重，失重率1.80%。136.3～290.0 ℃间有个剧烈的失重过程，失重率达到98.58%。DTG曲线的最快失重率在275.0 ℃，290.0 ℃后TG和DTG曲线趋于稳定，说明Ⅳ基本分解完全。DSC曲线表明，目标化合物Ⅳ在180.0 ℃出现一个缓慢的放热过程，在280.0 ℃又出现一个较强的吸热过程，这与DTG曲线中失重率最快温度275.0 ℃基本一致，之后543.6 ℃处出现一个缓慢放热过程，可能是裂解产物又发生了相变或者氧化反应。化合物的Ⅳ的TG -DTG -DSC图见图3。

2.4 化合物Ⅳ的热裂解行为分析

在典型的卷烟燃烧过程中，烟支中心温度最高，在700～900 ℃，燃烧区的气相温度相对较低，达到400～700 ℃，靠近抽吸端的蒸馏区温度一般低于400 ℃[22]。因此，把热裂解实验温度设置为300、600、900 ℃三个温度，以模拟人工抽烟的过程。

在相同的GC/MS条件下，对化合物Ⅳ在300、600、900 ℃下的裂解产物进行定性分析，通过保留时间和质谱数据库检索鉴定，并用峰面积归一化法测定裂解产物的相对含量，结果如表2所示。

表2 化合物Ⅳ在300、600、900 ℃下的热裂解产物相对含量

(续表2)

Serial No.Retention(min)Prolysis productsCAS No.Relative content(%)300℃600℃900℃3010.101H-pyrrol-3-yl)acetic acid]86688-96-2-0.792.343110.422-Methyl-1H-pyrrole636-41-99-3.244.223210.553-Pyridinemethanol100-55-03.720.670.203310.663-Cyclohexene- 4-methyl-1-carboxaldehyde19876-38-1 -0.86-3410.99Nonanal124-19-61.68--3511.903-Methyl-1,6-heptadiene50871-05-13.00--3611.91Limonene 1,2-epoxide1195-92-2-0.93-3712.291-Dodecene112-41-4--7.973813.354-(3,3-Dimethyloxiran-2-yl)butan-2-one16262-93-41.43--3913.362-Methyl-3-propan-2-ylpyrazine15986-81-9-0.960.354013.43Ethyl 2-methylnicotinate1721-26-23.26--4115.29Isopulegol89-79-20.64--Total70.4672.4876.76

-：not detected.

由表2可知，化合物Ⅳ在三个温度下主要裂解出41种化合物，其中300 ℃下主要裂解出23种化合物，主要有烷烯烃类、醛酮类、酸类、醇类及杂环类化合物等，其中吡嗪的相对含量占总含量的3.52%(占该裂解温度下检测到的物质总成分的相对质量分数，下同)，苯甲醛的相对含量占总含量的4.55%，2,5-二甲基吡嗪的相对含量占总含量的5.42%。600 ℃下主要裂解出22种化合物，较300 ℃时生成有新型烯烃类、醛酮类、杂环类等物质，吡嗪的相对含量占总含量的2.04%，戊醛的相对含量占总含量的15.17%，一些醛酮物质种类增加。900 ℃时，主要裂解出17种化合物，其中有新型烯炔类及杂环类等物质产生，其中1-羟甲基吡咯的相对含量占总含量的6.87%；另外，2,3-二甲基吡咯和2-甲基吡啶的相对含量较600 ℃有明显增加，分别占总含量的10.68%和15.20%，吡嗪和戊醛消失。

在这些热解成分中：戊醛、吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、苯甲醛、(R)-氧化柠檬烯、异蒲勒醇等都是重要的香气成分或者常用的香气增香剂。其中戊醛具有特殊的香味，被广泛用作香精香料，其中包括饮料、冷饮、糖果及烘烤食品；吡嗪和2,5-二甲基吡嗪也是允许使用的食用香料添加剂，常加入肉类、巧克力、花生和爆米花等多种食品中，增加物质的自然风味。(R)-氧化柠檬烯作为柠檬烯的衍生物是存在于多种水果(主要为柑橘类)、蔬菜及香料中存在的天然成分，在柑橘类水果(特别是其果皮)、香料和草药的精油中含量较高，具有新鲜橙子香及柠檬样香气；异蒲勒醇呈有樟脑和薄荷香气，同时带有玫瑰叶和香茅香韵，是配制薄荷和浆果类香精的主要来源[23 - 25]。因此，从裂解产物上分析，化合物主要热解成分大多具有香味，加入到卷烟中，能够调和卷烟烟香，缓和刺激性，掩盖杂气，提调烟香风味的作用。

2.5 化合物Ⅳ的热裂解机理

化合物Ⅳ在不同温度下可能发生的裂解过程如下：300 ℃时，化合物Ⅳ侧链受热分解发生断裂，并伴随有侧链氧化还原反应，生成有烯烃类、醇类、醛酮类、酸类化合物；600 ℃时，吡咯环断裂甚至发生分解、重排，醛酮类及杂环类物质种类增加；900 ℃时，裂解更加充分，伴随着吡咯环的断裂，重排偶联及小分子片段经过不断地反应生成结构更复杂的芳香类杂环等物质。

根据裂解产物的定性和半定量分析，初步推测化合物Ⅳ的热裂解为简单吡咯类的机理如下式：

在高温裂解状态下，a、b、c、d键断裂形成吡咯自由基中间体，该中间体经过结合H和CH3自由基，甚至经过一系列重排反应进而产生3-甲基吡咯(16)、2-甲基吡咯(31)、2,5-二甲基吡咯(22)和2,3-二甲基吡咯(23)。该裂解机理是根据裂解产物的定性和定量分析推测的，尚需进一步验证。

3 结论

本实验以D -(+)-氨基葡萄糖盐酸盐为原料，通过环化、氧化和烷基化等系列反应合成新型目标化合物N-戊基-2-甲基-3-乙酰基-5-吡咯甲醛，通过1H NMR、13C NMR、IR光谱和HR-MS等波谱技术对其结构进行了确证。利用正交试验设计得到的最优合成条件：反应温度60 ℃、反应时间24 h、摩尔比1.0∶1.1。采用Py-GC/MS分析了该合成目标化合物在300、600、900 ℃裂解条件下的热裂解产物及其变化规律,目标化合物在三个温度下共裂解出41种化合物,其中有吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、戊醛等多种香味成分。