堿金屬/THF體系不對(duì)稱還原樟腦制備右旋龍腦

趙鵬,王寧輝,曾明榮,王維德

(華僑大學(xué)化工學(xué)院,福建泉州362021)

堿金屬/THF體系不對(duì)稱還原樟腦制備右旋龍腦

趙鵬,王寧輝,曾明榮,王維德

(華僑大學(xué)化工學(xué)院,福建泉州362021)

利用樟腦還原中間產(chǎn)物的分子熱力學(xué)穩(wěn)定性差異,在堿金屬/THF(四氫呋喃)體系中進(jìn)行樟腦的不對(duì)稱還原研究,考察堿金屬用量、溶劑用量、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響.結(jié)果表明,最優(yōu)反應(yīng)條件為堿金屬與樟腦的量比為2.8,溶劑用量與樟腦的量比為22.5,反應(yīng)時(shí)間為3 h,反應(yīng)溫度為25℃.在此條件下,反應(yīng)所得樟腦轉(zhuǎn)化率為93%,右旋龍腦產(chǎn)率為72%.

樟腦;右旋龍腦;四氫呋喃;不對(duì)稱還原

龍腦分為天然右旋龍腦(梅片)、天然左旋龍腦(艾片)和合成消旋龍腦(冰片、機(jī)片)3種.它是一種無色透明或者白色的片狀結(jié)晶,具有通諸竅、散郁火、去翳明目、消腫止痛、開竅醒腦、清熱解毒的功能,同時(shí)也是名貴的定香劑和配制高級(jí)香水重要原料.研究表明,右旋龍腦的消炎、鎮(zhèn)痛作用優(yōu)于左旋和消旋龍腦,右旋龍腦的香氣評(píng)定等級(jí)遠(yuǎn)高于其他龍腦產(chǎn)品[1].文[2-3]研究表明,用右旋聯(lián)萘酚改性過的氫化鋁鋰和還原劑/無水乙醇體系分別為手性還原劑對(duì)樟腦的不對(duì)稱還原.本文利用樟腦還原中間產(chǎn)物的分子熱力學(xué)穩(wěn)定性的差異[4-5],在堿金屬/THF體系中不對(duì)稱還原制備右旋龍腦.

圖1 堿金屬/THF還原樟腦的反應(yīng)機(jī)理Fig.1 Reaction mechanism of reduced campho r in alkali/THF

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

堿金屬/四氫呋喃(THF)還原樟腦的反應(yīng)機(jī)理,如圖1所示.還原過程中,樟腦分子酮基上加上一個(gè)電子后和帶相反電荷的堿金屬離子A+結(jié)合,所形成的游離羰基陰離子結(jié)構(gòu)與內(nèi)型C-O鍵的錐形結(jié)構(gòu)相似.另一個(gè)電子和堿金屬離子加到游離羰基陰離子結(jié)構(gòu)上,得到數(shù)量不等的2種差向異構(gòu)體的二價(jià)陰離子結(jié)構(gòu)(R2C--O-)a1和a2,并且數(shù)量較多的是內(nèi)型C-O鍵結(jié)構(gòu)(a1).

這兩個(gè)堿金屬正離子位于帶負(fù)電荷離子的中心,a1,a2可以通過具有SP3雜化負(fù)碳離子結(jié)構(gòu)的b結(jié)構(gòu)互變,而這種結(jié)構(gòu)互變需要松開-O-A+結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵.但是,鍵的松開遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于a1和a2的碳質(zhì)子化過程.中間體a1,a2分別結(jié)合溶劑提供的H+,得到b1,b2,然后再結(jié)合一個(gè)H+,最終可得到龍腦、異龍腦.

1.2 樟腦預(yù)處理

將樟腦溶解在無水乙醚中,過濾除去不溶性雜質(zhì),減壓蒸餾回收溶劑,固體干燥后待用.

1.3 不對(duì)稱還原反應(yīng)

將預(yù)處理所得樟腦加入100 mL的三口燒瓶中,用四氫呋喃(THF)充分溶解,置于水浴鍋中恒溫.達(dá)到反應(yīng)溫度后,分批加入堿金屬進(jìn)行不對(duì)稱還原.將反應(yīng)后的混合物用無水乙醚萃取,水洗數(shù)次后,減壓蒸餾除去萃取劑,可得到樟腦、龍腦和異龍腦的混合物.

1.4 產(chǎn)物檢測(cè)

用GC-102M型氣相色譜儀(柱長(zhǎng)3 m,內(nèi)徑2 mm,固定相SE-30)分析產(chǎn)物組成.色譜條件:柱室溫度為155℃,進(jìn)樣器溫度為200℃,檢測(cè)器溫度為190℃,氫氣流量為28 mL·min-1.

2 結(jié)果與討論

2.1 堿金屬用量的影響

在反應(yīng)溫度θ為25℃、反應(yīng)時(shí)間t為3 h、溶劑THF與樟腦的量比m為30條件下,改變堿金屬的用量(n,即堿金屬與樟腦的量比),考察其對(duì)樟腦的轉(zhuǎn)化率(η1)與龍腦的產(chǎn)率(η2)的影響,結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出,樟腦轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率隨著堿金屬用量增大而增大.因?yàn)樵龃髩A金屬的用量,可使樟腦反應(yīng)的更完全更徹底.隨著堿金屬用量的增加,樟腦轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率增加趨勢(shì)從較大變?yōu)榫徛?直到增加的趨勢(shì)趨于平滑.這說明樟腦轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率的增加并不是隨著堿金屬用量增加無限制的增加.堿金屬用量存在一個(gè)較好值,在較好的反應(yīng)結(jié)果下考慮使用較少的堿金屬,因此,取堿金屬與樟腦的量比為2.8.

2.2 溶劑用量的影響

考察在n=2.8,θ=25℃和t=3 h的條件下,THF用量對(duì)樟腦轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率的影響.從圖3可以看出,樟腦轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率隨著溶劑用量增加是一個(gè)減小的過程.這是因?yàn)殡S著溶劑THF用量的增加,樟腦溶液濃度變小,樟腦與堿金屬接觸的機(jī)會(huì)相應(yīng)減少,反應(yīng)變慢.綜合考慮,取溶劑THF與樟腦的量比m為22.5.

圖3 溶劑用量對(duì)不對(duì)稱還原反應(yīng)的影響 Fig.3 Effect of solvent volume on the asymmetric reduction

圖2 堿金屬用量對(duì)不對(duì)稱還原反應(yīng)的影響Fig.2 Effect of alkali amount on the asymmetric reduction

2.3 反應(yīng)時(shí)間的影響

考察在n=2.8,θ=25℃和m=22.5的條件下,反應(yīng)時(shí)間(t)對(duì)反應(yīng)的影響,如圖4所示.由圖4可知,樟腦轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率是一個(gè)從較快增長(zhǎng)到緩慢增長(zhǎng)的過程.樟腦轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率從1 h到4 h逐漸升高,2.5 h以后變化較慢,說明反應(yīng)趨于平衡.當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到3.5 h,樟腦轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率基本不再變化,說明樟腦還原基本達(dá)到了平衡.為了盡可能提高轉(zhuǎn)化率,取反應(yīng)時(shí)間為3 h.

2.4 反應(yīng)溫度的影響

考察在n=2.8,t=3 h和m=22.5的條件下,反應(yīng)溫度(θ)對(duì)反應(yīng)的影響,如圖5所示.由圖5可以看出,樟腦的轉(zhuǎn)化率和龍腦的產(chǎn)率隨溫度升高逐漸減小.原因是在較低溫度下中間體更穩(wěn)定,平衡常數(shù)較大,達(dá)到反應(yīng)平衡時(shí)樟腦的轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率就高.同時(shí)反應(yīng)溫度升高時(shí)發(fā)現(xiàn)還原產(chǎn)物有黃色物質(zhì)生成,說明有雜質(zhì)生成.從變化趨勢(shì)可以看出反應(yīng)溫度在高于30℃時(shí),樟腦轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率下降趨勢(shì)加快,綜合考慮取反應(yīng)溫度為常溫25℃.

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)不對(duì)稱還原反應(yīng)的影響Fig.4 Effect of reaction time on the asymmetric reduction

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)不對(duì)稱還原反應(yīng)的影響 Fig.5 Effect of reaction temperature on the asymmetric reduction

3 結(jié)論

采用THF為溶劑,利用堿金屬為還原劑考察堿金屬用量、溶劑用量、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度對(duì)樟腦轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,堿金屬用量和反應(yīng)時(shí)間增加能夠增加樟腦轉(zhuǎn)化率和龍腦產(chǎn)率,而溶劑用量和反應(yīng)溫度的增加則不利于還原反應(yīng)的進(jìn)行,而且增加了后續(xù)分離的難度.在最優(yōu)反應(yīng)條件n=2.8,t=3 h,m=22.5和θ=25℃下,樟腦的轉(zhuǎn)化率為93%,龍腦的產(chǎn)率為72%.

[1] 宋永芳,羅嘉梁.高純度天然右旋龍腦的制備研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2003,23(3):11-14.

[2] 王寧輝,趙鵬,王維德,等.樟腦手性合成右旋龍腦[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,27(1):89-91.

[3] 王維德,黃穎芬,王寧輝,等.天然腦粉不對(duì)稱還原制右旋龍腦[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,28(4):410-413.

[4] PRADHAN S K,SANKARAN R.Counterion effect on stereochemistry of reduction of cycloalkanones by alkali metals in ammonia[J].Tetrahdron,1994,50(10):3149-3158.

[5] PRADHAN S K.Mechanism and stereochemistry of alkalimetal reductions of cyclic saturated and unsaturated ketones in p rotic solvents[J].Tetrahedron,1986,42(23):6351-6388.

Study of D-Borneol by Asymmetric Reduction of Camphor in AlkaliMetals/THF System

ZHAO Peng,WANG Ning-hui, ZENG M ing-rong,WANGWei-de
(College of Chemical Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

The asymmetric reduction of campho r into D-borneol was carried out in alkalimetals/THF(tetrahydrofuran) system by using the differenceof themolecular thermodynamics stability of midway p roductsof camphor reduction.In order to get theop timal reaction condition,the amountof alkalimetals,the volumeof solvent,the reaction time and the reaction temperature were investigated.The experimental results showed that the conversion rate of campho r is 93%and the p roductivity rate of D-borneol is 72%under optimal reaction condition:alkalimetals:campho r dosage of 2.8,THF: camphor dosage of 22.5,reaction temperature of 25℃,and reaction time of 3 h.

campho r;D-borneol;tetrahydrofuran;asymmetric reduction

O 621.3+4;O 636.9

A

(責(zé)任編輯:黃曉楠 英文審校:陳國(guó)華)

1000-5013(2010)06-0671-03

2009-06-03

趙鵬(1975-),男,講師,主要從事反應(yīng)工程與分離工程的研究.E-mail:zhaopeng@hqu.edu.cn.

福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2007Y0027);華僑大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目(06X0085)