CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯合成1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯

王小淑，朱守記

(1.廣西科技師范學(xué)院食品與生化工程學(xué)院 廣西高校制糖工程綜合技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 來(lái)賓 546199；2.韓山師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 潮州 521041)

檸檬烯又稱(chēng)苧烯，是一種重要的單萜烯類(lèi)化合物，廣泛存在于柑橘類(lèi)植物精油中，被FDA鑒定為安全的化合物[1-3]。檸檬烯有兩個(gè)C=C，分別位于環(huán)內(nèi)和環(huán)外，化學(xué)性質(zhì)活潑，通過(guò)化學(xué)改性得到的含對(duì)孟烷結(jié)構(gòu)的衍生物具有良好的生物活性，如除草活性、抑菌活性等[4-9]，已成為研究者的關(guān)注熱點(diǎn)。但在化學(xué)改性過(guò)程中會(huì)有較多副產(chǎn)物產(chǎn)生，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物選擇性低，分離提純難度大。如Bortnick[10]通過(guò)Ritter反應(yīng)將檸檬烯轉(zhuǎn)化為N,N-二甲酰基-1,8-對(duì)孟烷二胺，并進(jìn)一步水解制備1,8-對(duì)孟烷二胺，產(chǎn)率僅為37%；Bambagiotti等[11]利用檸檬烯在醋酸汞作用下進(jìn)行羥汞化反應(yīng)，并通過(guò)硼氫化鈉進(jìn)一步還原制備桉葉油素(含對(duì)孟烷結(jié)構(gòu)單元)，產(chǎn)率不足30%。檸檬烯結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)C=C反應(yīng)活性有差異，環(huán)外C=C活性官能團(tuán)空間位阻較小，更易被還原。因此，可先通過(guò)加氫選擇性還原環(huán)外C=C不飽和鍵合成中間體1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯，再進(jìn)一步通過(guò)化學(xué)改性合成含對(duì)孟烷結(jié)構(gòu)的衍生物，以提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)率。

路易斯酸和NaBH4協(xié)同催化還原不飽和雙鍵是制備飽和化合物的一種常見(jiàn)方法[12-13]。在DMF等介質(zhì)中，NaBH4在過(guò)渡金屬氯化物的協(xié)同作用下是一種溫和的加氫試劑，在常溫條件下即可將C=C加氫還原[14-15]。基于此，作者以DMF為溶劑，對(duì)常溫條件下CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯合成1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯進(jìn)行研究，以期為提高含對(duì)孟烷結(jié)構(gòu)衍生物產(chǎn)率提供幫助。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

檸檬烯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、六水合氯化鈷(CoCl2·6H2O)、硼氫化鈉(NaBH4)等均為分析純。

Agilent 6890N/5973N型氣質(zhì)聯(lián)用儀，美國(guó)Agilent公司；GC-2014AF型氣相色譜儀，日本Shimadzu公司。

1.2 方法

1.2.1 合成方法

常溫條件下，以DMF為溶劑，通過(guò)CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯(Ⅰ)合成1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯(Ⅱa)，化合物Ⅱa通過(guò)異構(gòu)化后可轉(zhuǎn)變?yōu)?-甲基-4-異丙基環(huán)己-3-烯(Ⅱb)，也可進(jìn)一步被還原為順-1,8-對(duì)孟烷(Ⅱc)和反-1,8-對(duì)孟烷，以順-1,8-對(duì)孟烷(Ⅱc)為主。合成路線如圖1所示。

圖1 CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯的路線

稱(chēng)取檸檬烯(Ⅰ)1.36 g(10 mmol)和一定量CoCl2·6H2O(其物質(zhì)的量約為NaBH4物質(zhì)的量的88%)，置于100 mL單口圓底燒瓶中，磁力攪拌下加入20 mL二氯甲烷及20 mL DMF；稱(chēng)取一定量NaBH4加入到15 mL DMF中，超聲溶解后再緩慢滴加至圓底燒瓶中，常溫下進(jìn)行檸檬烯還原反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行分析。

1.2.2 分析方法

采用氣質(zhì)聯(lián)用儀對(duì)化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc進(jìn)行GC-MS分析，采用氣相色譜儀對(duì)反應(yīng)液中各組分含量進(jìn)行分析。

色譜條件：FDI檢測(cè)器，HP-5型石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)，以N2為載氣，檢查器和進(jìn)樣口溫度均為270 ℃。升溫程序：初溫70 ℃，保持2 min；以3 ℃·min-1升溫至100 ℃；再以10 ℃·min-1升溫至270 ℃，保持2 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 還原產(chǎn)物的組成與結(jié)構(gòu)表征

在常溫條件下，以DMF為溶劑，CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯的產(chǎn)物有3種：Ⅱa、Ⅱb和Ⅱc。反應(yīng)液的氣相色譜圖如圖2所示，化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc的GC-MS圖譜如圖3所示。

圖2 反應(yīng)液的氣相色譜圖(反應(yīng)時(shí)間1.5 h)

從圖3可知，化合物Ⅱa的GC-MS圖譜與1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯的標(biāo)準(zhǔn)圖譜的匹配度為95；化合物Ⅱb的GC-MS圖譜與1-甲基-4-異丙基環(huán)己-3-烯的標(biāo)準(zhǔn)圖譜的匹配度為96；化合物Ⅱc的GC-MS圖譜與順-1,8-對(duì)孟烷的標(biāo)準(zhǔn)圖譜的匹配度為96。據(jù)此可推斷，CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4催化還原檸檬烯的產(chǎn)物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc分別為1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯、1-甲基-4-異丙基環(huán)己-3-烯和順-1,8-對(duì)孟烷，其主要質(zhì)譜碎片如下：Ⅱa，EI-MS,m/z:138.2[M]+,123.1[M-CH3]+,95.1[M-CH(CH3)2]+；Ⅱb，EI-MS,m/z:138.2[M]+,123.1[M-CH3]+,95.1[M-CH(CH3)2]+；Ⅱc，EI-MS,m/z:140.2[M]+,125.2[M-CH3]+,97.1[M-CH(CH3)2]+。

圖3 化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc的GC-MS圖譜(a、b、c)及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖譜(d、e、f)

2.2 合成條件優(yōu)化

2.2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響

在NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比為1∶1時(shí)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc產(chǎn)率的影響如圖4所示。

從圖4可知，反應(yīng)不同時(shí)間，目標(biāo)化合物Ⅱa的產(chǎn)率最高(57%～70%)；在1.0～2.5 h范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，目標(biāo)化合物Ⅱa和化合物Ⅱb的產(chǎn)率逐漸降低，化合物Ⅱc的產(chǎn)率逐漸升高。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比為1∶1、反應(yīng)1.0 h時(shí)，原料檸檬烯已被完全還原，轉(zhuǎn)化率為100%，目標(biāo)化合物Ⅱa的產(chǎn)率和選擇性均達(dá)到70%。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，目標(biāo)化合物Ⅱa會(huì)被進(jìn)一步還原為化合物Ⅱc，所以反應(yīng)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)；但反應(yīng)時(shí)間過(guò)短(<1.0 h)，原料檸檬烯尚未被完全還原。因此，反應(yīng)時(shí)間以1.0 h較合適。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc產(chǎn)率的影響

2.2.2 NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比對(duì)產(chǎn)率的影響

催化劑與原料物質(zhì)的量比是影響原料轉(zhuǎn)化率和目標(biāo)化合物產(chǎn)率的重要因素之一。在反應(yīng)時(shí)間為1.0 h時(shí)，NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比對(duì)產(chǎn)率的影響如圖5所示。

從圖5可知，隨著NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比的增大，目標(biāo)化合物Ⅱa的產(chǎn)率先快速升高后趨于穩(wěn)定，在NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比為1∶1時(shí)，產(chǎn)率達(dá)到最高。這是因?yàn)椋?dāng)NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比較小(0.5∶1)時(shí)，催化劑NaBH4的用量不足，不能提供足夠的氫還原檸檬烯，導(dǎo)致目標(biāo)化合物Ⅱa的產(chǎn)率較低；隨著NaBH4用量的增加，有助于原料和催化劑的充分接觸，促使檸檬烯被還原得更加徹底，目標(biāo)化合物Ⅱa的產(chǎn)率相應(yīng)升高。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比對(duì)化合物Ⅱb的產(chǎn)率影響不大，而化合物Ⅱc的產(chǎn)率隨著NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比的增大而緩慢升高。綜合考慮，NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比以1∶1較合適。

圖5 NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比對(duì)化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc產(chǎn)率的影響

3 結(jié)論

在常溫條件下，以DMF為溶劑，CoCl2·6H2O協(xié)同NaBH4能夠快速催化還原檸檬烯合成1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯，副產(chǎn)物為1-甲基-4-異丙基環(huán)己-3-烯和順-1,8-對(duì)孟烷等。在NaBH4與檸檬烯物質(zhì)的量比為1∶1、反應(yīng)時(shí)間為1.0 h的優(yōu)化條件下，檸檬烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%，1-甲基-4-異丙基環(huán)己-1-烯的產(chǎn)率達(dá)到70%。該方法具有反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)具有生物活性的含對(duì)孟烷結(jié)構(gòu)衍生物的開(kāi)發(fā)具有積極意義，為豐富農(nóng)藥和醫(yī)藥產(chǎn)品奠定了良好的基礎(chǔ)。