檸檬醛合成紫羅蘭酮的工藝優化

胡 鐵 王 燁 皮少鋒 孫漢洲 黎繼烈

HU Tie 1 WANG Ye 2 PI Shao－feng 2 SUN Han－zhou 2 LI Ji－lie 2

（1.廣州航海學院，廣東 廣州 410208；2.經濟林培育與保護省部共建教育部重點實驗室（中南林業科技大學），湖南 長沙 410004）

（1.Guangzhou Maritime Institute，Guangzhou，Guangdong 510725，China；2.Key Laboratory of Cultivation and Protection for Non－Wood Forest Trees （Central South University of Forestry and Technology），Ministry of Education，Changsha，Hunan 410004，China）

紫羅蘭酮是極其重要的調香原料，又名香堇酮，分子式為C13H20O［1］，它存在于高莖當歸、合金歡大柱波羅尼花、西紅柿指甲花等多種植物中，因雙鍵位置不同而有α、β、γ3種同分異構體，自然界多以α體，β體這兩種異構的混合形式存在，γ－體較為少見。其中以α－紫羅蘭酮最具有紫羅蘭酮花香特性，香氣柔和淳厚，最為人們所喜愛，銷售價格也較高［2］；β－紫羅蘭酮則是醫藥工業上合成維生素A的重要原料，也用于高檔級精細日用化妝品的調香劑和增香劑［3］。在食品行業中紫羅蘭酮常用作高檔食品、飲料的增香劑，是中國GB 2760－2011規定允許使用的食用香料，主要用以配制龍眼、樹莓、黑莓、櫻桃、柑橘等型香精。

紫羅蘭酮制備工藝多數是以檸檬醛或假紫羅蘭酮為關鍵中間體合成紫羅蘭酮［4－7］，其合成工藝根據環化時不同催化劑的選擇，歸納起來主要可以分為2種：① 無機酸催化環化法［8］，② 固體酸催化環化法［9，10］，這2種方法的紫羅蘭酮收率不高（為54%～70%［8－10］），且α－紫羅蘭酮含量較低，尚有很大的提升空間。因此本研究擬以氫氧化鈉為催化劑，通過檸檬醛與丙酮進行羥醛縮合合成假紫羅蘭酮，再用磷酸催化環化得到紫羅蘭酮，旨在通過優化合成反應工藝條件，簡化處理過程，提高紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

檸檬醛：97%，湖南湘農山香油脂香料有限責任公司；

丙酮、氫氧化鈉、冰醋酸、磷酸、碳酸氫鈉、甲苯：均為國產分析純試劑。

1.2 主要儀器

氣相色譜儀：Agilent 6890N型，美國安捷倫科技有限公司；

氣相色譜－質譜聯用儀：HP7890－HP 5975C型，美國安捷倫科技有限公司；

核磁共振波譜儀：Bruker Avance DRX 500型，德國布魯克公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品定量檢測 采用氣相色譜檢測，測式條件：HP－5石英毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25μm），程序升溫：柱初始溫度70℃，保持2 min，升溫速率3℃／min，升溫至180℃，升溫速率改為10℃／min，升溫至250℃，保持5 min，載氣為氮氣，流速25 m L／min，分流比50∶1，氣化室溫度250℃（FID）。

定量數據用峰面積歸一化法進行計算，即：

式中：

Pi—— 組分i的質量分數，%；

Ai—— 組分i的峰面積；

∑A——餾出峰的總面積。

1.3.2 樣品定性檢測 采用氣相色譜－質譜聯用法，測式條件：HP－5石英毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25μm），程序升溫：柱初始溫度70℃，保持2 min，升溫速率3℃／min，升溫至180℃，升溫速率改為10℃／min，升溫至250℃。質譜EI源：70 eV，倍增器電壓：1 500 V，掃描范圍：33～500 m／z，全掃描方式。

1.3.3 樣品結構鑒定 樣品結構鑒定采用核磁共振檢測方法。核 磁 共 振 條 件 為1H NMR （500 MHz，CDCl3），13C NMR（125 MHz，CDCl3），以氘代三氯甲烷為溶劑，三甲基硅烷（TMS）為內標進行測定，將樣品用氘代三氯甲烷溶解于核磁樣品管中，置于儀器中進行掃描。

1.3.4 假紫羅蘭酮的合成 在1 000 m L的四口燒瓶中，按設定比例加入丙酮、NaOH和檸檬醛（檸檬醛30 min內滴加完畢）。反應完全后，反應液用36%的冰醋酸溶液中和至p H＝6～7，回收丙酮，有機層用60 m L飽和食鹽水洗滌后減壓蒸餾，收集沸點為110～120℃（760 Pa）的餾分，得到假紫羅蘭酮樣品，定量定性分析試驗結果。

1.3.5 紫羅蘭酮的合成 在1 000 m L的四口燒瓶中，按設定比例加入假紫羅蘭酮、甲苯和85%H3PO4（H3PO4在60 min內滴加完畢），控制反應溫度反應2 h。反應完全后，冷卻至室溫，分出磷酸層，有機層用15%的Na HCO3溶液中和至p H＝6～7，再用60 m L飽和食鹽水洗滌，回收甲苯后，減壓蒸餾，收集沸點為121～129℃（1 330 Pa）的餾分，得到紫羅蘭酮樣品，定量定性分析試驗結果。

2 結果與分析

2.1 假紫羅蘭酮的合成

2.1.1 反應溫度對假紫羅蘭酮收率的影響 按1.3.4的合成方法，考察反應溫度對假紫羅蘭酮收率的影響，結果見圖1。當反應溫度低于40℃時，假紫羅蘭酮收率降低，因為反應溫度較低時，催化劑的活性較低，反應進行得不完全。當反應溫度高于45℃時，由于反應體系中反應溫度過高，副反應加劇，假紫羅蘭酮的收率降低。因此適宜的反應溫度為40～45℃。

圖1 反應溫度對假紫羅蘭酮收率的影響Figure 1 Effects of reaction temperature on the yield of pseudoionone

2.1.2 催化劑用量對假紫羅蘭酮收率的影響 按1.3.4的合成方法，考察催化劑用量對假紫羅蘭酮收率的影響，結果見圖2。當NaOH用量為1%～3%時，假紫羅蘭酮收率隨催化劑用量的增加而增大。而當NaOH用量高于3%時，堿濃度過高，導致假紫羅蘭酮進一步縮合或發生其他副反應產生高沸物，反應收率降低。所以適宜的NaOH用量為3%。

圖2 催化劑用量對假紫羅蘭酮收率的影響Figure 2 Effects of catalyst dosage on the yield of pseudoionone

2.1.3 物料比n丙酮∶n檸檬醛對假紫羅蘭酮收率的影響 按1.3.4的合成方法，考察物料比對假紫羅蘭酮收率的影響，結果見圖3。當n丙酮∶n檸檬醛（丙酮∶檸檬醛摩爾比）＜6時，假紫羅蘭酮收率降低，因為丙酮量少不足時，導致檸檬烯基檸檬酮、二檸檬烯基酮等副產物生成。此后再增加丙酮的用量，反應收率基本保持不變。所以適宜的物料比n丙酮∶n檸檬醛為6∶1。

2.1.4 反應時間對假紫羅蘭酮收率的影響 按1.3.4的合成方法，考察反應時間對假紫羅蘭酮收率的影響，結果見圖4。假紫羅蘭酮的收率在3 h以內，隨反應時間的延長明顯增加，反應3 h時，假紫羅蘭酮的收率達到最大值90.6%。繼續延長反應時間，反應收率開始降低。因此適宜的反應時間為3 h。

圖3 物料比對假紫羅蘭酮收率的影響Figure 3 Effects of material ratio on the yield of pseudoionone

圖4 反應時間對假紫羅蘭酮收率的影響Figure 4 Effects of reaction time on the yield of pseudoionone

2.1.5 假紫羅蘭酮樣品結構鑒定 采用核磁共振波譜儀和氣－質聯用儀對所得的假紫羅蘭酮樣品進行結構鑒定。樣品為淡黃色液體，1H NMR （500 MHz，CDCl3）δ：7.44～7.26（m，1H），6.08～6.05 （dd，J ＝15 Hz，1 H），6.02～6.98（d，J ＝7.5 Hz，1H），5.10～5.06 （m，1H），2.32～2.29（d，J＝7.5 Hz，1H），2.26～2.25（dd，J＝5Hz，3H），2.15～2.12 （d，J ＝9 Hz，4H），1.99～1.88 （dd，J ＝7 Hz，3H），1.67～1.66 （d，J ＝ 4.5 Hz，3H），1.60 （s，3H）；13C NMR （125 MHz，CDCl3）δ：151.23 （s，1C），151.17（s，1C），139.64 （s，1C），139.49 （s，1C），132.67 （s，1C），132.68 （s，1C），132.68 （s，1C），128.34 （s，1C），128.17（s，1C），124.57 （s，1C），123.65 （s，1C），123.17 （s，1C），123.09（s，1C），77.25（s，1C），77.00（s，1C），76.75（s，1C），40.38 （s，1C），32.94 （s，1C），27.45 （s，1C），27.30 （s，1C），26.79 （s，1C），26.23 （s，1C），25.64 （s，1C），24.58 （s，1C），17.66（s，1C），17.48 （s，1C）；GC－MS（E1，70 e V，m／z，圖5，圖6）：192（M＋，5），55（70），69（100），109（66）。樣品經1H－NMR、13C NMR以及GC－MS確證該產物即為目標產物假紫羅蘭酮。

2.1.6 假紫羅蘭酮組分分析 采用GC－MS法對假紫羅蘭酮試驗樣品的組分進行分析，結果見圖5和圖6，假紫羅蘭酮樣品中主要組分為α－假紫羅蘭酮和β－假紫羅蘭酮，檸檬醛合成假紫羅蘭酮反應的收率為90.6%。

圖5 假紫羅蘭酮的GC譜圖Figure 5 GC chromatograms of Pseudoionone

圖6 假紫羅蘭酮的質譜圖Figure 6 MS chromatograms of Pseudoionone

2.2 紫羅蘭酮的合成

2.2.1 反應溫度對紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性的影響 按1.3.5合成方法，考察反應溫度對紫羅蘭酮收率的影響，結果見圖7。當反應溫度低于50℃時，紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性都較低，因為反應溫度較低時，反應進行得不完全。當反應溫度為50℃時，紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮的選擇性達到最大值。繼續升高反應溫度反應收率和選擇性開始下降，因為反應溫度過高，反應物或生成物發生了聚合反應，導致副產物生成。因此適宜的反應溫度為50℃。

圖7 反應溫度對環化反應的影響Figure 7 Effects of reaction temperature on Cyclization Reaction

2.2.2 催化劑用量對紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性的影響 按1.3.5的合成方法，考察催化劑用量對紫羅蘭酮收率的影響，結果見圖8。當催化劑用量n假紫羅蘭酮∶n85%磷酸（假紫羅蘭酮∶85%磷酸摩爾比）＞1∶3時，紫羅蘭酮的反應收率和α－紫羅蘭酮選擇性較低，因為催化劑用量較少時，導致催化環化的反應速率太慢，反應不完全。當催化劑用量n假紫羅蘭酮∶n85%磷酸＜1∶3時，紫羅蘭酮的反應收率和α－紫羅蘭酮選擇性開始降低，因為催化劑用量太多時，導致副反應發生。因此適宜的催化劑用量為n假紫羅蘭酮∶n85%磷酸＝1∶3。

圖8 催化劑用量對環化反應的影響Figure 8 Effects of catalyst dosage on Cyclization Reaction

2.2.3 反應時間對紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性的影響 按1.3.5的合成方法，考察反應時間對紫羅蘭酮收率的影響，結果見圖9。當反應時間少于2 h時，由于反應時間不夠，導致反應不充分，雖然反應的選擇性較好，但是紫羅蘭酮收率太低；當延長反應時間時，由于副產物增多，紫羅蘭酮收率和α－紫羅蘭酮選擇性開始下降。因此適宜的反應時間為2 h。

圖9 反應時間對環化反應的影響Figure 9 Effects of reaction time on Cyclization Reaction

2.2.4 紫羅蘭酮樣品結構鑒定 采用核磁共振波譜儀和氣－質聯用儀對所得的紫羅蘭酮樣品進行結構鑒定。樣品為淺黃 色 液 體：1H NMR （400 MHz，CDCl3）δ：1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ：1.27～1.19 （m，1H），1.51～1.42（m，1H），1.57 （s，1 H），1.77 （s，1H），3.13～3.07 （m，1 H），6.68～6.58（m，1H），6.16～6.08（m，1H），6.05（d，J ＝15.82 Hz，1H），5.50（s，1 H），2.34～2.20 （m，1H），2.11～2.00（m，1H），2.16～2.11 （m，1 H），1.64 （s，1H），7.40～7.35（m，1H），7.33～7.28 （m，1H），7.28～7.23 （m，1H），0.86（s，1H），0.93 （s，1H），1.07 （d，J ＝1.81 Hz，1H）；GC－MS（E1，70 e V，圖10、11）m／z）：192（M＋，8），55（70），69（100），109（54），124（16）。樣品經1H－NMR、GC－MS確證該產物即為目標產物紫羅蘭酮。

2.2.5 紫羅蘭酮組分分析 采用GC－MS法對紫羅蘭酮試驗樣品的組分進行分析，結果見圖10、11，紫羅蘭酮樣品中α－紫羅蘭酮質量分數81.4%，β－紫羅蘭酮的含量為15.6%。假紫羅蘭酮環化合成紫羅蘭酮收率89.8%，檸檬醛合成紫羅蘭酮兩步反應的總收率為81.4%。

圖10 紫羅蘭酮的GC譜圖Figure 10 GC chromatograms of ionone

圖11 紫羅蘭酮的質譜圖Figure 11 MS chromatograms of ionone

3 結論

以檸檬醛為原料，經過假紫羅蘭酮中間體合成紫羅蘭酮。通過反應溫度、反應時間，NaOH用量、丙酮與檸檬醛的物料比對假紫羅蘭酮收率的影響試驗，獲得了以檸檬醛為原料，合成假紫羅蘭酮中間體的最適工藝條件，假紫羅蘭酮的收率為90.6%；通過反應溫度、反應時間及催化劑用量對紫羅蘭酮收率、α－紫羅蘭酮選擇性的影響試驗，獲得了假紫羅蘭酮環化合成紫羅蘭酮最適工藝條件，紫羅蘭酮收率為89.8%，其中α－紫羅蘭酮質量分數81.4%，β－紫羅蘭酮的含量為15.6%。檸檬醛合成紫羅蘭酮兩步反應的總收率81.4%。

從工藝優化試驗結果來看，檸檬醛合成紫羅蘭酮兩步反應的總收率比較高，α－紫羅蘭酮選擇性好，達到工藝簡化、產品質優、降低成本的目的，可以為生產過程放大提供工藝數據參考。

1 余紅霞，王植.用山蒼子油合成α－紫羅蘭酮和β－紫羅蘭酮的研究［J］.湖南理工學院學報，2005，18（2）：39～41.

2 陳立軍，張心亞，黃洪，等.高純度β－紫羅蘭酮的制備方法［J］.香料香精化妝品，2005（3）：29～32.

3 黃喜根，劉曉庚.由山蒼子油合成甲基紫羅蘭酮［J］.化學世界，2003，44（8）：422～425.

4 唐健.紫羅蘭酮的合成及應用［J］.化學推進劑與高分子材料，2007，5（1）：43～45.

5 許海紅，郭岱石，蔣淇忠，等.硫酸根促進的純硅MCM－41催化假性紫羅蘭酮環化合成紫羅蘭酮的性能［J］.催化學報，2006，27（12）：1 084～1 086.

6 周襲非，于群，郭威.假性紫羅蘭酮合成條件［J］.遼寧科技大學學報，2009，32（3）：237～240.

7 趙振華，鄒雙國.Na HSO4催化假性紫羅蘭酮合成紫羅蘭酮［J］.合成化學，2004，12（6）：589～590.

8 吳琴芬，劉燕燕，祝志武，等.紫羅蘭酮的合成研究［J］.南昌大學學報，2006，28（3）：221～226.

9 李春波，馬紫峰，沈旻，等.SO／Zr O2－HZSM－5固體超強酸催化環化制β－紫羅蘭酮［J］.高?；瘜W工程學報，2003，17（4）：442～446.

10 唐斯萍，向瑞軍.TiO2－Sb2O3／SO催化合成紫羅蘭酮［J］.湖南科技學院學報，2008，29（8）：66～67.