不同催化体系对氧化芳樟醇合成影响研究

杨海宽，温世钫，邱凤英，章挺，伍艳芳

(1.江西省林业科学院，江西 南昌 330032；2.江西省木本油料与香精香料高效利用工程研究中心，江西 南昌 330032)

氧化芳樟醇(linalool oxide)又称2-甲基-2-乙烯基-5-(α-羟基异丙基)四氢呋喃，具有强烈的甜香、木香和花香香气，广泛用于配制日化行业[1-3]。其在植物精油中含量较低，一般通过芳樟醇制备而成，产物主要有呋喃型和吡喃型两种成分，两种成分均具有顺反异构体，市售产品是呋喃型氧化芳樟醇，吡喃型产品一般作为副产物。当温度过高或氧化剂过量等因素，主要生成副产物环氧氧化芳樟醇，主要反应过程如下：

据目前文献报道，对于氧化芳樟醇合成研究较少，催化体系比较单一。谷运璀等[4]以过氧乙酸以及甲酸-双氧水催化芳樟醇合成氧化芳樟醇，较优工艺下产率44.0%。马建强等[5]以双氧水催化合成氧化芳樟醇，结合酸性试剂重排，获得呋喃型和吡喃型总含量77.92%的氧化芳樟醇合成工艺。贾晓春等[6]以双氧水催化制备氧化芳樟醇，获得了呋喃型和吡喃型总含量89.27%的氧化芳樟醇合成工艺。陆文聪等[7]研究了金属过氧化物与有机酸催化体系下，经两步法制备氧化芳樟醇，反应产率有所提高，但在过氧化物及酸性试剂的选择上较为苛刻。现有研究对氧化芳樟醇合成工艺未开展系统研究，较高得率下反应条件主要以过氧有机酸催化为主，但过氧有机酸一般存在危险性和毒性较大等诸多问题。本文首次通过比较4种催化体系对合成反应的影响，并结合方差分析等数据处理方法，筛选适宜催化体系，并研究其工艺条件。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

芳樟醇(天然，GC含量>98.5%)，工业级；双氧水(30%)、乙酸酐、乙酸、甲酸、草酸、氢氧化钠、无水乙醇、无水硫酸镁均为分析纯。

DJ1C-90W型电动搅拌器；HWS-12型恒温水浴锅；SHZ-D型水循环真空泵；ZNCL-T-C磁力搅拌控温电热套；Thermo移液枪；岛津GC2010 plus气相色谱(色谱柱：SH-RXI-5SILMS，30 m×0.25 mm×0.25 μm)；岛津QP2020 GC-MS型气相色谱-质谱联用仪(色谱柱：SH-Rtx-1，30 m×0.25 mm×0.25 μm)。

1.2 实验方法

1.2.1 氧化芳樟醇制备 四口烧瓶中以设定比例加入芳樟醇和双氧水(30%)，充分搅拌并调节体系温度，开始缓慢滴加乙酸、甲酸、醋酐于反应体系中；采用草酸时，三口烧瓶中按设定比例加入芳樟醇和草酸，充分搅拌后并调节体系温度，缓慢滴加双氧水于反应体系中。滴加过程，控制体系温度及滴加速度。反应结束后，体系先用25% 氢氧化钠溶液碱洗，再经多次水洗，直至pH=7～8。静置分层后，分出水相，油层经干燥后进行GC、GC-MS检测。有机相经减压蒸馏，收集氧化芳樟醇组分。

1.2.2 样品检测 分别吸取20 μL产物加入无水乙醇定容至1 000 μL，至专用进样瓶内，采用GC、GC-MS进行检测。

1.2.2.1 GC检测程序 80 ℃保留2 min，8 ℃/min升至160 ℃，再以8 ℃/min升至250 ℃，保留2 min。每次进样量1.0 μL，载气Ne流速1.0 mL/min，分流比20∶1。进样口温度280 ℃，FID温度260 ℃。采用峰面积归一法，计算各组分相对百分含量。

1.2.2.2 GC-MS程序 80 ℃保留2 min，8 ℃/min升至160 ℃，再以8 ℃/min升至250 ℃，保留 2 min。每次进样量1.0 μL，分流比20∶1，进样口温度280 ℃，EI离子源温度230 ℃，连接线温度200 ℃。MS扫描范围(m/z)：50～650。采用NIST8.0结合保留指数法，对各离子峰进行成分检索及鉴定，采用峰面积归一法，计算各组分相对百分含量。

1.2.3 数据分析 采用spss17.0软件对相关实验数据进行分析。

2 结果与讨论

2.1 物料摩尔比对合成反应的影响

分别选择甲酸、乙酸、醋酐和草酸4种不同试剂，以等摩尔比加入双氧水，分别研究原料摩尔比n(双氧水+酸液)∶n(芳樟醇)=1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1和6∶1对合成反应的影响，反应温度60 ℃，反应时间2 h。结果见表1。

表1 物料摩尔比对合成反应的影响Table 1 Effect of material mole ratio on synthesis reaction

注：LSDα=0.05。

由表1并结合GC-MS结果可知，甲酸-双氧水、乙酸-双氧水和醋酐-双氧水3种不同催化体系下，摩尔比<3∶1时，产物中氧化芳樟醇含量随物料摩尔比增大而显著增加，此后随着摩尔比增加，产物中氧化芳樟醇含量呈现下降趋势。对于草酸-双氧水催化体系，物料摩尔比4∶1时，氧化芳樟醇含量达到最大值。此结果主要原因是，物料摩尔比增加，反应向正向移动，原料芳樟醇主要转化为呋喃型氧化芳樟醇和吡喃型氧化芳樟醇，目标化合物含量逐渐增加。但物料摩尔比超过一定值时，反应体系中由于过量氧化试剂存在，主要发生副反应而生产环氧氧化芳樟醇，使产物中目标化合物含量降低。

比较此工艺条件下，4种不同催化体系，物料摩尔比3∶1时，乙酸-双氧水、醋酐-双氧水催化条件下，产物中氧化芳樟醇含量最高可达50.0%以上，甲酸-双氧水催化条件下，产物中氧化芳樟醇含量接近50.0%。而草酸-双氧水体系下，产物中氧化芳樟醇最高含量略高于30.0%，表明在此工艺条件下，乙酸-双氧水和醋酐-双氧水催化效率最高，甲酸-双氧水效率次之，草酸-双氧水催化效率最低。同时根据方差分析结果，对于不同催化体系，当物料摩尔比由3∶1提高至5∶1时，产物中氧化芳樟醇含量随着物料摩尔比的增加，含量即显著减小(p<0.05)，体系发生较多副反应。

2.2 反应温度对合成反应的影响

选择醋酐、甲酸、乙酸和草酸4种不同试剂，以等摩尔比加入双氧水，以物料摩尔比n(双氧水+甲酸)∶n(芳樟醇)、n(双氧水+乙酸)∶n(芳樟醇)和n(双氧水+醋酐)∶n(芳樟醇)=3∶1，n(双氧水+草酸)∶n(芳樟醇)=4∶1分别加入原料，设定反应时间2 h。研究反应温度20，30，40，50，60，70 ℃对合成反应的影响，结果见表2。

表2 反应温度对合成反应的影响Table 2 Effect of reaction temperature on synthesis reaction

注：LSDα=0.05。

由表2可知，不同催化体系下，温度对于合成反应具有显著影响(p<0.05)。对于甲酸-双氧水和乙酸-双氧水催化体系，产物中氧化芳樟醇含量随着温度的升高呈现先增大后减小的趋势。对于醋酐-双氧水催化体系，产物中氧化芳樟醇含量随着温度的升高呈先增大而后基本保持不变的趋势。甲酸-双氧水催化体系中，反应温度由20 ℃升至50 ℃时，氧化芳樟醇含量变化不明显，原料芳樟醇转化率、反应选择性均变化不明显，反应温度>50 ℃，随着温度的升高，催化体系活化能增加，氧化芳樟醇含量显著升高。乙酸-双氧水催化体系中，体系中氧化芳樟醇含量随着温度的升高而显著升高。对于这两种催化体系，当反应温度达到60 ℃时，产物中氧化芳樟醇含量达到最大值。此后随着反应温度的升高，氧化芳樟醇含量显著降低。根据GC-MS结果，产物中环氧氧化芳樟醇含量增多，表明温度过高时，发生副反应较多。对于醋酐-双氧水催化体系，当反应温度由20 ℃升至60 ℃时，氧化芳樟醇含量缓慢增加，并于60 ℃时达到最大值，温度继续升高后，氧化芳樟醇含量变化不明显。因此由表2结果，也可表明醋酐-双氧水催化体系具有较好的稳定性。

比较表2结果，对于乙酸-双氧水和醋酐-双氧水催化体系，当反应温度60 ℃时，产物中氧化芳樟醇含量均高于50.0%，其分别可达51.38%和57.77%；甲酸-双氧水催化体系下，60 ℃时氧化芳樟醇含量49.85%。对于草酸-双氧水催化体系，当反应温度70 ℃时，产物中目标化合物含量41.54%，达到最大值。结合实验现象，甲酸、乙酸和醋酐滴加至反应体系过程中，立即与双氧水剧烈作用，放热明显，过程必须严格控制滴加速度，并控制体系温度。草酸-双氧水催化体系下，反应较为缓和，过程放热不明显。通过比较表2中不同反应温度下，氧化芳樟醇含量，醋酐-双氧水体系下，氧化芳樟醇含量均高于其他3种催化体系。表明醋酐-双氧水催化体系，效率最高。

2.3 反应时间对合成反应的影响

选择醋酐、甲酸、乙酸和草酸4种不同试剂，以等摩尔比加入双氧水，以物料摩尔比n(双氧水+甲酸)∶n(芳樟醇)、n(双氧水+乙酸)∶n(芳樟醇)和n(双氧水+醋酐)∶n(芳樟醇)=3∶1分别加入原料，设定反应温度60 ℃。n(双氧水+草酸)：n(芳樟醇)=4∶1加入原料，设定反应温度70 ℃。分别于0.5，1，1.5，2，3，4 h取样进行GC、GC-MS分析，研究反应时间对于合成反应的影响，结果见表3。

表3 反应时间对合成反应的影响Table 3 Effect of reaction time on synthesis reaction

注：LSDα=0.05。

由表3可知，对于4种不同催化体系，当反应时间<2 h时，氧化芳樟醇含量随反应时间的增加而显著增加，过程中取样GC-MS结果表明，随着反应的进行，原料芳樟醇含量不断减小，目标化合物含量不断增加。当反应时间>2 h后，产物中氧化芳樟醇呈现缓慢增加直至变化不大的趋势，原料芳樟醇反应完全，氧化芳樟醇含量基本保持不变。结果表明，醋酐-双氧水催化体系下，产物中氧化芳樟醇含量最高，表明此工艺条件下，其催化效果最佳。当反应温度3 h时，氧化芳樟醇含量最高值接近60%。因此对于醋酐-双氧水催化体系，适宜的反应时间为3 h。

2.4 验证实验

比较单因素实验结果，醋酐-双氧水催化体系可作为合成氧化芳樟醇适宜的催化体系。根据优化的工艺条件，进行3次重复验证实验。四口烧瓶中加入154.0 g芳樟醇(1.0 mol)和170.0 g 30%双氧水(1.5 mol)，向体系中缓慢滴加153.0 g醋酐(1.5 mol)，滴加过程严格控制反应温度，醋酐于0.5 h滴完。滴毕后，调节体系温度，60 ℃下反应3 h。反应结束后，产物先经25%氢氧化钠溶液碱洗，再经多次水洗，直至pH=7～8，静置分层后收集油相。3次实验分别获得油相146.2，143.1，151.5 g。油相经GC测定其中氧化芳樟醇含量分别为：58.33%，60.12%和58.65%，平均值59.03%，结果符合预期，重现性较好。合并油相进行精馏处理，精馏过程调节回流比，共收集97 kPa下105～108 ℃馏分231.27 g，GC测定主成分含量>95.0%，反应产率45.35%。

3 结论

(1)通过比较4种不同酸性与双氧水催化体系，醋酐-双氧水催化条件下，氧化反应效率最高，且催化体积较为稳定。因此，醋酐-双氧水可作为制备氧化芳樟醇适宜的催化体系。反应具有高转化率、高选择性、副产物少、易于控制等特点。此催化体系在其他萜类化合物的氧化合成反应也可进行应用。

(2)醋酐-双氧水催化芳樟醇合成氧化芳樟醇，较优工艺条件是：n(双氧水)∶n(醋酐)∶n(芳樟醇)=1.5∶1.5∶1，反应温度60 ℃，反应时间3 h。较优工艺条件下，产物中氧化芳樟醇含量59.03%，合成反应产率45.35%。

(3)本研究的局限性是只对不同催化体系进行了对比性单因素实验，未能研究酸性试剂与双氧水用量比对合成反应的影响。后期可针对合成工艺，开展正交实验、多因素交互实验等，以及过量酸液回收利用等方面，进一步优化相应工艺条件。