生物質基δ-癸內酯的合成研究

＊王天義 汪洋

（安徽華業香料股份有限公司 安徽 246300）

1.前言

丁位癸內酯又稱δ-正戊基-δ-戊內酯或δ-癸內酯，具有強烈持久的奶油香特征，是調制牛奶和奶油香精的重要原料，同時也廣泛用于調配椰子、草莓、桃等香料[1]。丁位癸內酯在人造奶油、冰淇淋、軟飲料、糖果、焙烤食品及調味料中大量應用，市場需求量大[2]。

由于丁位癸內酯在香料中的重要性，自上世紀70年代以來，不斷研究其生產工藝、技術及工業化生產，就目前而言，主要生產包括生物發酵法、酶法和化學合成三種。發酵法由于轉化率低、生產成本高，僅限于實驗室研究。酶法工藝路線為：選擇合適的脂肪酶，以蓖麻油為底物產出丁位癸內酯，由于后處理繁瑣，很難形成工業批量生產。化學合成法路線以環戊酮路線較有成本優勢，利于形成工業化規模生產，但產品帶有化學品氣息，香氣風格的差異在食品調香中的應用受到限制。

天然丁位癸內酯在日化香精中，廣泛應用于人造奶油、各類糕點香精，以及一些日化香精和煙用香精中。現有的天然丁位癸內酯生產主要采用以下兩種方法：一是用環己二酮與溴代正己烷反應，再氧化開環、還原和環合而得δ-癸內酯，此法合成過程比較繁瑣，產率較低；二是用戊二酸二乙酯進行迪克曼縮合反應縮合，再用無水碳酸鉀在丙酮中與溴代正庚烷反應，經脫羧、氧化得δ-癸內酯，此法成本合理，但步驟較長，收率不高[3]。

糠醛是一種目前尚不能通過化學方法合成的重要的基礎有機化工原料，是從糖類化合物中所獲得的唯一一種不飽和大比容有機化學品，其化學性質十分活潑，是應用廣泛的有機化工中間體，隨著世界范圍內能源危機和環境問題的日益嚴峻，對糠醛的需求量將會持續增長。本文研究以生物質基糠醛為主要原料合成生物質基δ-癸內酯，將來源廣泛、價格低廉的生物質原材料轉變為具有高附加值的生物質基香料產品，不僅可以降低對化石資源的依賴程度，而且反應過程也符合綠色化[4]。

2.反應原理

(1)反應路線

采用天然正戊醇和鹽酸進行氯化反應，分出水層，得到氯戊烷；然后在氮氣條件下，以四氫呋喃為溶劑，氯戊烷和生物質基糠醛進行格氏反應，經中和水洗后，蒸餾回收四氫呋喃，得到戊基糠醇；在高溫高壓條件下，戊基糠醇進行重排反應，再經加氫和脫水，得到戊基環戊酮，氧化擴環戊基環戊酮，分離提純得到生物質基δ-癸內酯香料產品。

(2)氯戊烷的合成

氯代正戊烷作為一種重要的精細化工產品，常用作有機合成及溶劑，目前國內氯代正戊烷工業化生產線較少[5]。氯戊烷一般由正戊烷氯化而得。先將戊醇用氯化氫脫水，在蒸發器中蒸發后，在生鐵制的文丘里型混合器中，以高流速與氯氣混合，再將混合氣送入管式蒸發器的反應器中。生成物立即送進冷卻器中冷卻，以抑制二氯戊烷的生成，經冷卻、分餾除去氯化氫、戊烷，即得氯戊烷成品。另一種制備方法是由正戊醇與氯化氫反應，先用鹽酸溶解氯化鋅，然后加入正戊醇，在120℃回流3h后進行蒸餾，所得粗品經洗滌、分餾制備氯戊烷[6]。本文采用天然正戊醇與鹽酸進行氯化反應，分水后得到氯戊烷，反應原理如下：

(3)中間產物戊基糠醇合成

2-呋喃酮類化合物廣泛存在于許多天然產物和藥物中，它們具有很好的生物活性，同時許多2-呋喃酮類化合物也是重要的有機合成中間體[7]。戊基糠醇一般由可由2-呋喃基烯酮來進行制備[8]，本文采用氯代正戊烷制備成格式試劑，在于生物質基糠醛進行格式反應，中和水洗后，蒸餾回收溶劑得到戊基糠醇，反應原理如下：

(4)中間產物氧代戊基環戊烯醇合成

榮國斌等以環戊二烯為原料，以聚乙二醇類表面活性劑為相轉移催化劑,先制得戊基取代環戊二烯，然后在甲醇溶劑中進行溴化，再經過酸性水解來得到[8]，或以丁二烯與乙酰乙酸乙酯在鈀催化下，先得到2-乙酰基-4,9-癸二烯酸乙酯，再選擇性加氫、脫酰、酰氯化、環化等步驟來實現[9]。本文以去離子水為溶劑，戊基糠醇在高溫高壓條件下進行重排，得到氧代戊基環戊烯醇，反應原理如下：

(5)戊基環戊酮合成

王北方等以Pd/C作為催化劑、甲醇作溶劑，由戊烯環戊酮經過常壓催化加氫反應制得戊基環戊酮[10]。本文以甲苯為溶劑，氧代戊基環戊烯醇在Pd/C催化下加氫，然后在對甲苯磺酸催化劑作用下回流脫水，再經加氫，得到戊基環戊酮，反應原理如下：

(6)生物質基δ-癸內酯合成

丁位癸內酯可以間苯二酚為原料制備5-羥基癸酸,然后再脫水環化成丁位癸內酯[11]，也可以戊二酸酐為起始原料，和溴戊烷Grignard試劑在銅鹽催化下反應得到5-氧代癸酸，5-氧代癸酸鈉鹽經硼氫化鈉還原得到5-羥基癸酸鈉；最后加鹽酸酸化環合得到丁位癸內酯[12]。本文采用戊基環戊酮與過氧乙酸通過Baeyer-Villige氧化擴環，生成δ-癸內酯。反應原理如下：

3.實驗步驟

(1)儀器和試劑

①儀器

7890N氣相色譜儀（美國安捷倫）、ACF-300型核磁共振儀（德國Bruker）、Elementar Vario ELc元素分析儀（德國Elementar）、HWCL-3恒溫磁力攪拌器（鄭州長城科工公司），WYA-Z自動阿貝折射儀，DM40密度計（Mettler Toledo）、2XZ-1旋片真空泵（上海萬精泵閥公司）、SHBIIIA型循環水式多用真空泵（上海豫康）、BT300L蠕動泵（河北雷弗）、DC(-20℃～100℃)低溫恒溫槽（杭州大衛科教儀器公司）、RE52C旋轉蒸發儀（鄭州予創儀器設備公司）、60cm玻璃填料分餾塔（自制）。

②試劑

天然正戊醇（99%，TFA）、生物質基糠醛（99%，Arkema）四氫呋喃（99%，AR）、鹽酸（35%，AR）、鎂屑（99%）、碳酸氫鈉（98%，AR）、溴戊烷（99%，AR）、氮氣（99.9%，安慶氣體公司）、氫氣（99.9%，安慶氣體公司）、去離子水（自制）、氫氧化鈉（98%，AR）、鈀炭（5%，莊信）、甲苯（99%，AR）、對甲苯磺酸（98%，AR）、過氧乙酸（35%，漢隆）。

(2)氯代正戊烷的制備

利用250ml四口燒瓶，搭建帶有恒溫磁力攪拌器、玻璃填料分餾塔和尾氣吸收的一體化裝置，先向燒瓶釜加入天然正戊醇75g，然后投入35%鹽酸96g，開啟攪拌器，打開冷熱一體交換器對燒瓶進行升溫至80～120℃，開啟分餾塔節冷凝水和尾氣吸收裝置，在此溫度下進行氯化反應4～8h，反應過程中鹽酸揮發產生的氯化氫氣體通過尾氣吸收裝置冷凝后收集到鹽酸吸收液接收瓶中，通過玻璃填料分餾塔收集反應產生的氯代正戊烷粗品。

反應結束后，向氯代正戊烷粗品中加入5%碳酸氫鈉溶液調節反應液pH7～8，靜置30min，分出水層，油層轉移到旋轉蒸發儀中，升溫至80～100℃除去水分，得到氯代正戊烷58.3g，收率64.3%。

(3)格式試劑的制備

向250ml三口燒瓶中充入氮氣，保持燒瓶內系統微氮氣，然后加入150ml四氫呋喃、1ml溴戊烷，開啟冷熱一體交換機，控制燒瓶內溫度在20～30℃，加入12g鎂屑，開啟攪拌器充分攪拌15min，攪拌溶解后，通過蠕動泵，緩慢滴加25g氯代正戊烷，滴加過程中控制反應溫度在80℃以下，在2h內滴加完畢后繼續攪拌反應1h，然后降低溫度至常溫，得到氯戊烷的格式試劑。

(4)戊基糠醇的制備

利用500ml四口燒瓶，搭建帶有恒溫磁力攪拌器、玻璃填料分餾塔一體化裝置，向燒瓶中持續氮氣，保持燒瓶內系統微氮氣，將上述得到的氯戊烷的格式試劑加入到燒瓶中，開啟冷熱一體交換機和攪拌器，控制燒瓶內溫度在20～40℃，然后通過蠕動泵，緩慢向格式試劑中緩慢滴加20g生物質基糠醛，在2h內滴加完畢后，降低溫度至0～5℃，緩慢向燒瓶內加入5%鹽酸溶液160g進行淬滅，淬滅過程中控制水溫度在30℃以下。靜置，分出水層后，油層用2%氫氧化鈉溶液進行洗滌后，開啟水環真空泵，升溫60～100℃負壓回收四氫呋喃后，得到戊基糠醇63.2g，收率68.7%。

(5)氧代戊基環戊烯醇的制備

向500ml高壓反應釜中加入去離子水170g和戊基糠醛25g，向釜內持續充入氮氣先置換3～5次，然后保持釜內壓力在0.5～0.6MPa，再開啟攪拌器，對高壓反應釜進行升溫至釜溫達170～180℃，保溫保壓反應6～8h后結束反應，降低釜溫至常溫后，將反應液轉移出來靜置分層30min后，分出水層，得到氧代戊基環戊烯醇17.7g，收率70.8%。

(6)戊基環戊酮的制備

向250ml加氫反應釜內分別投入甲苯120g和5%鈀炭催化劑2g，然后加入氧代戊基環戊烯醇40g，通入氮氣進行置換，再持續通入氫氣置換3～5次，保持釜內壓力在0.5～0.6MPa，再開啟攪拌器，對加氫反應釜升溫至25～50℃，保溫保壓反應8～12h，反應結束后，過濾催化劑后得到反應液。

將上述反應液加入到250ml帶有回流分水裝置的四口燒瓶中，加入對甲苯磺酸1g，開啟冷熱一體交換機和攪拌器，控制燒瓶內溫度在80～105℃，回流分水，分水結束后降溫至常溫，加入5%碳酸鈉溶液調節反應液為中性后，分出水層，油層轉移到加氫反應釜中。

向250ml加氫反應釜內分別投入甲苯150g和5%鈀炭催化劑2g，然后加入上述油層，通入氮氣進行置換，再持續通入氫氣置換3～5次，保持釜內壓力在0.5～0.6MPa，再開啟攪拌器，對加氫反應釜升溫至25～40℃，保溫保壓反應8～10h，反應結束后，過濾催化劑后的反應液回收甲苯后，得到戊基環戊酮30.1g，收率82.1%。

(7)δ-癸內酯的制備

向250ml帶有回流分水裝置的四口燒瓶中加入戊基環戊酮50g，開啟冷熱一體交換機和攪拌器，控制燒瓶內溫度在15～20℃，再通過蠕動泵，向燒瓶內緩慢滴加過氧乙酸100g，滴加時間控制在4～8h，滴加結束后，繼續保溫反應2h。

氧化反應結束后，加入清水水洗，分層，油層轉移到帶有恒溫磁力攪拌器、玻璃填料分餾塔一體化裝置，開啟初真空的水環真空泵，升溫至60～90℃，蒸餾出殘余的乙酸和水，然后切換高真空的油泵，升溫至100～120℃，收集δ-癸內酯餾分，得到生物質基δ-癸內酯44.7g，收率80.1%。

(8)產品分析

氣相色譜色譜柱HP-5（30m×0.32mm×0.25μm）；檢測器FID，檢測器溫度250℃，柱前壓90kPa，進樣量0.2μl，分流比100:1；色譜爐溫度：線性程序升溫從120～220℃，速率為10℃/min，外標法檢測測定的含量為98.73%，折光指數（20℃）1.4581，相對密度0.9687（25℃）。分析結果為：HRMS m/z(ESI+)calcd for C10H18O2([M+H]+)，170.2488，產品經第三方實驗室14C同位素質譜天然度檢測結果為生物基碳98.59±0.22pMC。通過以上檢測分析表明產物為生物質基δ-癸內酯。

4.結語

本文研究的生物質基δ-癸內酯的合成，以天然正戊醇為起始物料，與鹽酸進行氯化反應后得到了氯戊烷，再與生物質基糠醛進行格式反應，生成戊基糠醇，以去離子水為溶劑和高溫高壓下重排，得到氧代戊基環戊烯醇，然后經加氫和催化劑作用下回流脫水再經加氫后生產戊基環戊酮，以過氧乙酸為氧化劑進行Baeyer-Villige氧化擴環，高效率的合成了生物質基碳99%的δ-癸內酯香料。采用此法合成天然的丁位內酯，所涉及的原料為市場化的工業產品具有原料容易采購的優勢；所涉及的工藝都為經典的反應，反應的選擇性和轉率較高及原子經濟性高，副產物少的特點有利于工業化的生產。所涉及的反應條件溫和，所得產品的香氣柔和純正，滿足調香師的需求。