硫酸催化紫苏葶液相脱肟制高纯度紫苏醛
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摘 要 研究了硫酸催化剂存在下紫苏葶脱肟制备紫苏醛的反应，反应的实质是紫苏葶与多聚甲醛在酸催化下的交换反应.考察了反应条件对紫苏葶转化率和紫苏醛产率的影响，研究结果表明，用硫酸作催化剂时，在硝基甲烷溶剂中，以2倍物质的量的多聚甲醛于60 ℃反应4 h，紫苏葶转化率可达约97%，紫苏醛的选择性为100%，为高纯度紫苏醛的合成提供了一条便捷的途径.
关键词 紫苏醛；紫苏葶；酸催化；脱肟；高纯度
中图分类号 O62351文献标识码 A文章编号 10002537（2014）03003204
紫苏醛天然存在于紫苏油、橘皮油以及柑橘类果实中，是天然紫苏油的特征香成分[1]，被FEMA认定GRAS（一般认为安全，FEMA № 3557），FDA批准食用[2].紫苏醛具有杀菌防腐作用，广泛应用于化妆品、药品和食品等的防腐杀菌[35] 并对一些癌症具有防治作用[6]；作为有机合成中间体，紫苏醛可用来合成医药、农药及抗菌杀虫等药物[710].紫苏醛可从天然精油中单离[11]或通过化学方法合成[1215]，但因其化学活泼性和热稳定性较差，通常难以获得高纯度的紫苏醛产品；然而，低含量（40%～50%）的天然紫苏醛或化学合成品均易定量肟化转化成紫苏葶，后者经重结晶提纯[1112]后可通过脱肟反应转化成相应的醛[1618].文献[16]探讨了质子酸催化紫苏葶的脱肟反应，但硝酸和盐酸都是挥发性无机酸，考虑到甲醛溶液的毒性，工业应用上也有其不足之处.而硫酸催化的紫苏葶脱肟反应，也能获得较好的紫苏醛产率，因此作者进一步考察了硫酸催化脱肟的反应条件，并尝试用多聚甲醛代替甲醛水溶液.本文旨在研究酸催化条件下紫苏葶脱肟的反应，寻找合适的质子酸催化剂及最佳脱肟反应条件，为高纯度紫苏醛的制备提供一条新的途径，并对酸催化脱肟机理作了一些讨论.
1 实验
1.1 主要原料
紫苏葶，工业品，长沙凯美香精香料有限公司生产，气相色谱分析含量99%以上；多聚甲醛、硫酸，硝基甲烷均为分析纯试剂；水为二次蒸馏水，其他试剂均为化学纯.
1.2 实验操作
在装有回流冷凝器的25 mL圆底烧瓶中，加入准确称量的紫苏葶和粉末状多聚甲醛，再加入一定量的催化剂，置于磁力搅拌器中搅拌加热至所需温度，恒温搅拌反应至所需反应时间，定时取样.样品经适当处理后进行GC 和GCMS 分析.反应完毕后，分出油层，水层用溶剂萃取2次，合并有机相，加无水硫酸镁干燥，常压蒸馏回收溶剂硝基甲烷，余液减压蒸馏，收集386～388 K/2.67 kPa馏分，得无色油状液体紫苏醛：n20D=1500，d420 = 1.021，[α]20D=-102.2°；IR，v/cm-1：3 080，2 932，2 814，2 719，1 686，1 645，1 435，1 377，1 211，1 167，891，816，771，692；MS（m/z）：150（M+），135，122，107，93，79，68（100），53，39；1H NMR（CDCl3，δ）：1.68（s，3H），1.76～2.58（m， 7H），4.74～4.80（s， 2H），6.79～6.86（m， 1H），9.43（s， 1H）.
1.3 原料及产物的分析鉴定
1.3.1 原料及产物的含量测定 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SE30，氢火焰检测器，载气N2，，进料量0.2 μL，汽化室温度250 ℃，柱温160 ℃，检测器温度250 ℃.
1.3.2 产物成分鉴定 采用Saturn 2100T型气相色谱质谱（ GCMS） 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 结果与讨论
2.1 硫酸用量的影响
固定物质的量n（紫苏葶）∶n（多聚甲醛）=1∶2，溶剂为硝基甲烷.由于多聚甲解聚需要一定的温度，因而选用强酸H2SO4催化80 ℃反应.不同用量硫酸存在下，紫苏葶脱肟反应的结果见表1.
结果表明，随着硫酸用量增大，反应达到平衡所需的时间缩短.如硫酸物质的量分数为2.5%、5.0%、15%、30%时，紫苏醛最大产率和所需时间分别为：97.2%（4 h）、96.9%（2 h）、96.1%（0.5 h）、96.2%（0.25 h）；但随着催化剂硫酸用量的增大，因副反应程度增加，紫苏醛平衡产率稍有降低.因此，催化剂硫酸物质的量分数以5%为宜.
2.2 多聚甲醛用量的影响
固定硫酸用量为紫苏葶投料物质的量的5%，改变多聚甲醛的用量，结果见表2.
从表2的数据可以看出，多聚甲醛用量较少时，紫苏醛平衡产率低，如多聚甲醛与紫苏葶物质的量比为0.5时，紫苏醛平衡产率仅约56%.随着多聚甲醛用量的增大，反应速率增大，紫苏醛平衡产率升高.但由于多聚甲醛的解聚控制整个反应的速率，不同多聚甲醛用量条件下，紫苏葶脱肟反应达到平衡所需的时间差别很小，约需2 h. 当多聚甲醛与紫苏葶物质的量比大于2时，紫苏醛平衡产率在96%～98%.
2.3 反应温度的影响
不同反应温度下，硫酸催化的紫苏葶与多聚甲醛交换反应的结果列于表3.
2.4 液相脱肟反应机理的讨论
根椐脱肟产物的气质联用分析结果（反应产物中未检测到其他杂质），作者认为，质子酸催化的紫苏葶液相脱肟反应的机理可描述如图1所示.
HOCH2（OCH2）n-2OCH2OHn HCHO+H2O
图1 质子酸催化的紫苏葶脱肟反应机理
Fig.1 Proposed deoximation mechanism of perillartine catalyzed by Brnsted acid
紫苏葶的脱肟反应实质上包含了多聚甲醛的解聚和紫苏葶与甲醛的交换反应两个过程.第一步，多聚甲醛解聚生成甲醛；第二步，紫苏葶a在质子酸催化条件下水解成紫苏醛b和羟胺4a；第三步，羟胺4a在质子酸催化下与甲醛反应生成热力学上更稳定的甲醛肟.后两步反应都是可逆的，第二步反应的平衡偏向于紫苏醛的形成，而第三步的反应则偏向于甲醛肟的形成；由于甲醛与羟胺反应的活性远高于紫苏醛，且反应条件下甲醛肟比紫苏葶更稳定，反应的结果是在过量甲醛存在下，脱肟反应向生成紫苏醛和甲醛肟的方向进行，适当增大甲醛用量，可有效促进紫苏葶脱肟反应的顺利进行.
3 结论
在稍过量的多聚甲醛存在下，硫酸可有效催化紫苏葶的液相脱肟反应，使紫苏葶顺利地转化为紫苏醛.脱肟反应的最佳条件是：硫酸催化剂用量为紫苏葶投料量的5%，紫苏葶与甲醛物质的量比为1∶2，以硝基甲烷作溶剂，于60～80 ℃搅拌反应4 h ，紫苏醛产率可达97%左右.该法反应条件温和，操作简单，产品纯度高，是制备高纯度紫苏醛的有效途径，具有良好的工业应用前景.
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