吐納麝香合成及工藝優化

吳秀芹,鄧瑞雪,劉 普,尹衛平

(河南科技大學化工與制藥學院,河南洛陽 471003)

0 前言

吐納麝香是一種高檔的日用型調香香料[1],具有良好的麝香香氣[2],廣泛用于肥皂、化妝品[3-4]、香水和浴油中[5]。文獻[6-9]報道吐納麝香的合成為兩步反應法:首先是在無水 AlCl3催化下由傘花烴(PCM)或傘花烯與六碳的烯烴或醇反應生成中間體 1,1,3,4,4,6-六甲基四氫化萘(HMT),然后, HMT和乙酰氯通過酰基化反應生成 7-乙酰基-1,1,3,4,4,6-六甲基四氫化萘即吐納麝香(AHMT)[10]。在整個吐納麝香的全合成中,第一步中間體(HMT)的合成產率,是決定該產品合成的關鍵步驟[11-12]。目前關于吐納麝香的合成,有廣泛文獻報道[11-12],尤其在國內,吐納麝香香料的工業化生產仍是亟待解決的問題之一。本文基于該品種國內外市場需求,考察了該產品中間體 HMT合成中的影響因素,對催化劑組成、反應時間、溶劑化效應進行了優化,仍然采用兩步合成法,探索出了一種成本低、收率高、易操作的吐納麝香合成方法。研究結果為我國吐納麝香的工業化生產奠定了技術基礎。

1 實驗部分

1.1 原料與主要儀器

對異丙基甲苯購自廈門鑫皇化工有限公司;2,3-二甲基-1-丁烯購自大連凱飛化學股份有限公司;叔丁基氯購自中山凱豐化工貿易有限公司;濃硫酸購自天津申泰化學試劑有限公司;無水三氯化鋁,環己烷,二氯甲烷,乙酰氯等。以上試劑均為分析純。

CP-3800高效氣相色譜儀購自美國Varian公司;RE-52A型旋轉蒸發儀購自上海亞榮生化儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 中間體HMT的合成

在裝有恒壓滴液漏斗、溫度計的250m L三口燒瓶中加入0.3 g濃H2SO4,72 g環己烷,劇烈攪拌下將3.5 g無水AlCl3分批加入。保持反應在2025℃,將67 g對異丙基甲苯、21 g的2,3-二甲基-1-丁烯、25 g叔丁基氯反應原料混合均勻后,用恒壓滴液漏斗將反應混合液在 1 h內滴加到反應液中,用TLC或GC跟蹤反應進程,繼續反應10m in即達到反應終點。將反應物倒入冰鹽浴中,攪拌0.5 h,用環己烷萃取后,合并有機層。有機層經10%Na2CO3溶液、H2O洗滌至中性后,用無水Na2SO4干燥。旋蒸回收溶劑,在減壓(115120℃/35 mmHg)下蒸除未反應的原料對異丙基甲苯后,得到中間體HMT 48 g,產率為86%。

1.2.2 產品AHMT的合成

在裝有恒壓滴液漏斗、溫度計的250mL三口燒瓶中,將50mL的CH2Cl2,35 g的無水AlCl3在劇烈攪拌下被分批加入。將上步反應得到的中間體48 g HMT、20 g乙酰氯和50mLCH2Cl2混合攪拌至完全溶解后,用恒壓滴液漏斗緩慢滴加到反應液中。溫度保持在 05℃,用 TLC跟蹤反應進程。至反應終止后,將反應液倒入冰鹽浴中,加幾滴濃鹽酸,攪拌0.5 h后,再用 CH2Cl2萃取后,合并有機層。有機層分別用飽和Na2CO3溶液,飽和NaCl溶液洗滌至中性后,無水Na2SO4干燥。旋蒸回收溶劑后得到粗品吐納麝香AHMT 45 g,產率為95%。

粗產品AHMT的純化:粗品AHMT 45 g加入無水乙醇加熱溶解后,緩慢降溫至0℃,放置24 h,析出白色固體,減壓抽濾并烘干后得到產品 38 g,熔點為 5556℃,純度 ＞95%,收率為 85%。

1.2.3 產品分析方法

氣相色譜采用Wcot Fused Silica毛細管柱(25 m×0.32mm×0.20μm),程序升溫為80℃(1min)150℃(3.5 min),面積歸一法定量,進樣量0.2μL,不分流,氣化溫度 280℃,檢測器溫度 280℃,氮氣流速3.00mL/min。

2 結果與討論

2.1 中間體HMT的合成

2.1.1 催化劑的選擇

合成中間體HMT多用無水AlCl3或濃H2SO4作催化劑。但單一使用一種催化劑副產物多,產率也很低(見圖1)。根據該碳正離子反應機理,HMT合成產率與碳正離子中間體的穩定性有關。本文采用了lewis酸和無機強酸混合使用,即通過改變催化劑的組成,目的是加速反應中間體的碳正離子的形成或增大碳正離子的穩定性,使得對異丙基甲苯與 2,3-二甲基-1-丁烯發生親電加成時,有利于加成成環反應,從而避免了碳正離子重排的副反應,有效提高了反應主產物的產率。實驗證明:當催化劑組成的摩爾比為n(無水AlCl3)∶n(濃H2SO4)=10∶1時,催化劑與反應原料摩爾比為n(無水AlCl3)∶n(2,3-二甲基-1-丁烯)=0.1∶1時,產率最高(見圖2)。

圖1 無水AlCl3催化下的HMT合成的氣相色譜圖

2.1.2 反應溶劑的選擇和用量

(1)反應溶劑的選擇

付-克烷基化反應的溶劑通常用烴類化合物和鹵化物。在反應溫度為 2025℃時,原料比 n (2,3-二甲基-1-丁烯):n(對異丙基甲苯)∶n (叔丁基氯)=1∶2∶1.1不變的情況下,分別考察了二氯甲烷和環己烷兩種溶劑對產率的影響。結果表明:使用環己烷作溶劑,產率為57%;而用二氯甲烷作溶劑時,產率僅為 31%,而且反應副產物多,產品純度低。故該合成反應溶劑選用環己烷。

圖2 無水AlCl3與H2SO4混合催化下的HMT氣相色譜圖

(2)反應溶劑的用量

該反應的原料對異丙基甲苯采用過量。溶劑的量對反應產率也有影響。實驗表明:隨著溶劑環己烷的量的增加,產率會提高;然而當溶劑與反應物的摩爾比為n(環己烷)∶n(2,3-二甲基-1-丁烯)=3.5∶1時,產率達到平衡(見表1)。所以合成中確定溶劑與反應物的摩爾比為n(環己烷)∶n(2,3-二甲基-1-丁烯)=3.5∶1。

表1 溶劑環己烷和原料2,3-二甲基-1-丁烯摩爾比對中間體HMT合成收率的影響

2.1.3 反應時間的影響

付-克烷基化反應中形成的碳正離子通常不穩定,容易發生碳正離子的重排,生成重排副產物,而降低主產物的產率。此外,付-克烷基化反應是個可逆反應,因此延長反應時間會降低反應產率。實驗中用薄層色譜和高相氣相色譜檢測追蹤反應進程,考察了反應物滴加時間對中間體 HMT合成產率的影響。當滴加時間分別為0.5 h,1 h,1.5 h,2 h,2.5 h,3.0 h時,中間體HMT的產率分別為42.0%,53.6%, 44.2%,39.2%,37.8%,38.0%。隨著上述反應時間的延長,反應副產物增多,導致主產物產率降低,這是該合成反應中影響產率的主要因素。因此實驗確定,該反應物的滴加時間為 1 h,然后繼續反應 10 min即達到反應的終點。然而以往所有文獻報道,中間體HMT的合成都在4 h左右。

2.2 產品吐納麝香AHMT的合成與純化

如1.2.2中實驗步驟所示,中間體 HMT與乙酰氯發生付克酰基化反應,一步生成產品吐納麝香AHMT。該步反應副產物少,產率較高。然而產品的純化是決定最終產品收率的關鍵。吐納麝香的提純一般采用減壓精餾和重結晶兩步操作,由于AHMT沸點較高(230℃),而減壓精餾需要較高的溫度和真空度,工業生產耗能較大,對設備的要求高。另一方面,蒸餾溫度過高,產物容易碳化,影響產品產率和純度。本實驗采用無水乙醇低溫結晶法,將產品粗品熱溶解在無水乙醇中,緩慢降溫至 0℃,待白色固體析出,抽濾烘干后得到純品,純度 ＞95%,產率總計達 80%。

3 結論

綜上所述,對吐納麝香的合成工藝進行了優化研究,通過改變催化劑的組成,中間體HMT合成反應時間從原來的文獻報道的4 h縮短到70min;最終產品AHMT用飽和無水乙醇低溫結晶法,取代了原有的減壓精餾和重結晶操作。因此,該合成工藝具有單元操作簡單,反應平穩快速,產品易于純化以及收率高的特點,研究結果為我國吐納麝香的工業化生產奠定了技術基礎。

[1] 劉樹文.合成香料技術手冊[M].北京:中國輕工業出版社,2008:507-508.

[2] 劉樹文.多環麝香的分子結構和香氣結構的關系[J].香料香精化妝品,2004(6):24-29.

[3] 譚世語,朱必玨,羅婷.佳樂麝香合成工藝的改進[J].化工進展,2010,29(1):146-149.

[4] 唐健.佳樂麝香的合成及應用[J].當代化工,2008,37(4):218-220.

[5] 晁建平,楊春育,焦玉海,等.粉檀麝香的合成研究[J].香料香精化妝品,2001(3):5-7.

[6] 陳煦,王寶豐,楊恩翠,等.吐納麝香的合成[J].精細石油化工,2000(2):28-31.

[7] 汪多仁.合成吐納麝香[J].化學世界,1996(12):644-647.

[8] 王春,魯波,陳志榮,等.六甲基萘滿的合成優化[J].化學反應工程與工藝,2005,21(1):89-93.

[9] 孫熀彬.吐納麝香的合成研究[D].天津:天津大學,2008.

[10] 孫天旭,王立.三氯化鋁系列催化劑在Friedal-Crafts酰基化反應中的應用進展[J].精細石油化工,2006,23(1):57-62.

[11] Wood T F,EasterW M,Carpenter M S,etal.Polycyclic Musks.I.Acyl-and Dinitropolyalkyltetralin Derivatives[J].Org Chem,1963,28(9):2248-2255.

[12]Thomas F,Wayne W,Heilweil E,et al.Process for Producing 1,1,3,4,4,6-Hexamethyl 1,2,3,4-Tetrahydronaphthalene(HMT):US,3856875[P].1974-11-24.