甲基三氧化錸催化過氧化氫氧化異丁香酚合成香蘭素的研究

何金義，朱凱

(南京林業大學 化學工程學院，江蘇 南京 210037)

香蘭素(化學名3-甲氧基-4-羥基苯甲醛)是具有香莢蘭特征香氣和濃厚的奶香氣息，是世界上需求量最大的單體香料之一[1-3]，廣泛應用于食品、化妝品及煙草用香精的調香[4]，也可以用于醫藥行業中[5-6]。香蘭素天然存在于香莢蘭豆等植物當中，由于香子蘭花莢植物對土壤和氣候因素要求非常高，并且天然加工的發酵處理工藝很復雜，所以香蘭素的天然來源極其有限，價格非常昂貴[7-8]。目前，市場上的香蘭素產品主要依靠化學方法合成得到。

傳統異丁香酚氧化方法是以重鉻酸鉀為氧化劑，此工藝過程繁鎖、流程長，收率和質量均不夠理想，除此之外，此方法對設備腐蝕嚴重，副產物多，且會對環境帶來嚴重污染[9]，不符合綠色生產的理念。近來研究發現，過渡金屬[10-12]在氧化等反應的催化方面顯現出了不錯的環保性和選擇性，而Re[13]催化劑因催化性能優異，受到了學界的廣泛關注。本文以異丁香酚為原料，CH3ReO3為催化劑，H2O2為氧化劑，進行氧化合成香蘭素的研究，并對工藝進行優化。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

異丁香酚、CH3ReO3、H2O2、叔丁醇等均為分析純。

60SXR紅外光譜儀；Aglient6890型氣相色譜儀；TRACE ISQ-LT型氣質聯用儀；AV-600 MHz1H NMR核磁共振波譜儀。

1.2 異丁香酚的氧化

將一定量的異丁香酚、催化劑及溶劑加入三口瓶中，水浴加熱，升溫到60 ℃，緩慢滴加30%(質量分數)H2O2水溶液，反應4 h后，降至室溫，經處理后得到產品。

1.3 GC-MS定量分析

質譜分析條件：離子源(EI)：整體鉬制，獨立控溫，初溫90 ℃(保留3 min)，升溫速度15 ℃/min，終溫270 ℃(保留2 min)，質量范圍35～460 amu，分辨率：全質量范圍內為單位質量分辨率，掃描速度11 000 u/s，信噪比80∶1。FID檢測器，SE-54非極性色譜柱，初溫90 ℃(保留3 min)，升溫速度15 ℃/min，終溫270 ℃，汽化室溫度270 ℃，檢測室溫度270 ℃，進樣取0.15 μL。

2 結果與討論

2.1 溶劑的篩選

不同溶劑下的香蘭素得率見表1。

表1 不同溶劑對異丁香酚氧化效果的比較Table 1 Effects of different solvents on isoeugenol oxidation

注：反應條件：溶劑40 mL，CH3ReO38 mg，H2O23.1 g，異丁香酚 5 g，5 h。

由表1可知，在強極性非質子溶劑如DMSO和乙腈中，香蘭素的得率很低，只有3.5%和3.7%；在非極性溶劑如環己烷中，香蘭素得率為51.3%；在中等極性質子溶劑如乙醇中，香蘭素得率為86.4%；異丙醇中得率為86.7%；叔丁醇中得率為87.6%。所以，選取叔丁醇作為香蘭素合成的溶劑。

2.2 反應溫度對異丁香酚轉化率和香蘭素得率的影響

在催化劑量0.7%、H2O2為3.1 g、反應時間3 h的條件下，反應溫度對異丁香酚轉化率和香蘭素得率的影響見圖1。

由圖1可知，溫度升高時，異丁香酚的轉化率和香蘭素的得率提高，反應溫度60 ℃時，異丁香酚的轉化率和香蘭素的得率達到最高，分別為53.2% 和46.6%，在60 ℃后出現下降的趨勢。這可能是由于溫度過高時，香蘭素與異丁香酚易發生副反應，導致產物的變化，也有可能是溫度過高時，雙氧水被分解，導致香蘭素得率降低。因此，反應溫度在60 ℃最合適。

圖1 反應溫度對異丁香酚轉化率和香蘭素得率的影響Fig.1 The influence of temperature on isoeugenol conversion and vanillin yield

2.3 反應時間對異丁香酚轉化率和香蘭素得率的影響

在催化劑量0.7%、H2O2為3.1 g、反應溫度60 ℃的條件下，反應時間對異丁香酚轉化率和香蘭素得率的影響見圖2。

圖2 反應時間對異丁香酚轉化率和香蘭素得率的影響Fig.2 The influence of time on isoeugenol conversion and vanillin yield

由圖2可知，隨著反應時間增加，異丁香酚的轉化率和香蘭素的得率提高，4 h時香蘭素的得率58.7%，反應時間>4 h時，香蘭素的得率與4 h相差不大，異丁香酚轉化率下降。這可能是由于反應到一定時間時，可能會有副反應進行，從而降低了異丁香酚的轉化率。所以，反應時間4 h最為合適。

2.4 催化劑的量對異丁香酚轉化率和香蘭素得率的影響

在反應時間4 h、H2O2為3.1 g、反應溫度60 ℃的情況下，催化劑用量對異丁香酚轉化率和香蘭素得率的影響見圖3。

由圖3可知，催化劑用量增加，異丁香酚的轉化率和香蘭素的得率提高，催化劑用量0.9%時，異丁香酚的轉化率和香蘭素得率達到最高，分別為86.3%和82.9%，繼續提高催化劑的用量，異丁香酚的轉化率和香蘭素的得率無明顯變化，甚至呈現下降趨勢。這可能是由于催化劑到達一定量時，可能導致副反應的進行，從而導致異丁香酚的轉化率和香蘭素的得率的降低，因此，催化劑的用量0.9%最為合適。

圖3 催化劑的量對異丁香酚轉化率和香蘭素得率的影響Fig.3 The influence of catalyst mass on isoeugenol conversion and vanillin yield

2.5 香蘭素合成工藝條件優化

以香蘭素的得率作為考察指標，對反應溫度、反應時間、催化劑用量3個因素進行正交實驗，尋求最佳條件。因素水平和實驗結果見表2和表3。

表2 正交實驗因素水平表Table 2 The chart of orthogonal experiment factors and levels

表3 正交實驗結果Table 3 Results of orthogonal experiment

通過表3可知，在CH3ReO3催化下，各個因素對香蘭素得率的影響排序為C>A>B，即催化劑用量>反應溫度>反應時間，最優的實驗方案為A3B2C3，即反應溫度70 ℃，反應時間4 h，催化劑用量0.9%。在此條件下，香蘭素的得率為90.3%。

2.6 香蘭素的表征

2.6.1 GC-MS 分析 圖4為香蘭素的質譜圖。

圖4 香蘭素的質譜圖Fig.4 Mass spectrum of vanillin

2.6.2 紅外光譜分析 圖5為香蘭素紅外譜圖。

圖5 香蘭素的紅外譜圖Fig.5 Infrared spectrum of vanillin

2.6.31H NMR分析 圖6為香蘭素核磁共振光譜圖。

圖6 香蘭素的核磁共振譜圖Fig.6 1H NMR of vanillin

由圖6可知，在δ=3.97為11號位甲基氫的化學位移；δ=6.21為3號位羥基氫的化學位移；δ=7.42為5號位氫的化學位移；δ=7.43為1號位氫的化學位移；δ=7.04為2號位氫的化學位移；δ=9.83為醛基氫的化學位移。

3 結論

(1)以叔丁醇為異丁香酚氧化的溶劑，香蘭素的最佳合成工藝條件為：反應溫度70 ℃，反應時間4 h，催化劑用量0.9%。在此條件下，香蘭素平均得率為90.3%。

(2)FTIR、GC-MS和1H NMR等分析表明，產物為香蘭素。