吐纳麝香合成及工艺优化

吴秀芹,邓瑞雪,刘 普,尹卫平

(河南科技大学化工与制药学院,河南洛阳 471003)

0 前言

吐纳麝香是一种高档的日用型调香香料[1],具有良好的麝香香气[2],广泛用于肥皂、化妆品[3-4]、香水和浴油中[5]。文献[6-9]报道吐纳麝香的合成为两步反应法:首先是在无水 AlCl3催化下由伞花烃(PCM)或伞花烯与六碳的烯烃或醇反应生成中间体 1,1,3,4,4,6-六甲基四氢化萘(HMT),然后, HMT和乙酰氯通过酰基化反应生成 7-乙酰基-1,1,3,4,4,6-六甲基四氢化萘即吐纳麝香(AHMT)[10]。在整个吐纳麝香的全合成中,第一步中间体(HMT)的合成产率,是决定该产品合成的关键步骤[11-12]。目前关于吐纳麝香的合成,有广泛文献报道[11-12],尤其在国内,吐纳麝香香料的工业化生产仍是亟待解决的问题之一。本文基于该品种国内外市场需求,考察了该产品中间体 HMT合成中的影响因素,对催化剂组成、反应时间、溶剂化效应进行了优化,仍然采用两步合成法,探索出了一种成本低、收率高、易操作的吐纳麝香合成方法。研究结果为我国吐纳麝香的工业化生产奠定了技术基础。

1 实验部分

1.1 原料与主要仪器

对异丙基甲苯购自厦门鑫皇化工有限公司;2,3-二甲基-1-丁烯购自大连凯飞化学股份有限公司;叔丁基氯购自中山凯丰化工贸易有限公司;浓硫酸购自天津申泰化学试剂有限公司;无水三氯化铝,环己烷,二氯甲烷,乙酰氯等。以上试剂均为分析纯。

CP-3800高效气相色谱仪购自美国Varian公司;RE-52A型旋转蒸发仪购自上海亚荣生化仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 中间体HMT的合成

在装有恒压滴液漏斗、温度计的250m L三口烧瓶中加入0.3 g浓H2SO4,72 g环己烷,剧烈搅拌下将3.5 g无水AlCl3分批加入。保持反应在2025℃,将67 g对异丙基甲苯、21 g的2,3-二甲基-1-丁烯、25 g叔丁基氯反应原料混合均匀后,用恒压滴液漏斗将反应混合液在 1 h内滴加到反应液中,用TLC或GC跟踪反应进程,继续反应10m in即达到反应终点。将反应物倒入冰盐浴中,搅拌0.5 h,用环己烷萃取后,合并有机层。有机层经10%Na2CO3溶液、H2O洗涤至中性后,用无水Na2SO4干燥。旋蒸回收溶剂,在减压(115120℃/35 mmHg)下蒸除未反应的原料对异丙基甲苯后,得到中间体HMT 48 g,产率为86%。

1.2.2 产品AHMT的合成

在装有恒压滴液漏斗、温度计的250mL三口烧瓶中,将50mL的CH2Cl2,35 g的无水AlCl3在剧烈搅拌下被分批加入。将上步反应得到的中间体48 g HMT、20 g乙酰氯和50mLCH2Cl2混合搅拌至完全溶解后,用恒压滴液漏斗缓慢滴加到反应液中。温度保持在 05℃,用 TLC跟踪反应进程。至反应终止后,将反应液倒入冰盐浴中,加几滴浓盐酸,搅拌0.5 h后,再用 CH2Cl2萃取后,合并有机层。有机层分别用饱和Na2CO3溶液,饱和NaCl溶液洗涤至中性后,无水Na2SO4干燥。旋蒸回收溶剂后得到粗品吐纳麝香AHMT 45 g,产率为95%。

粗产品AHMT的纯化:粗品AHMT 45 g加入无水乙醇加热溶解后,缓慢降温至0℃,放置24 h,析出白色固体,减压抽滤并烘干后得到产品 38 g,熔点为 5556℃,纯度 ＞95%,收率为 85%。

1.2.3 产品分析方法

气相色谱采用Wcot Fused Silica毛细管柱(25 m×0.32mm×0.20μm),程序升温为80℃(1min)150℃(3.5 min),面积归一法定量,进样量0.2μL,不分流,气化温度 280℃,检测器温度 280℃,氮气流速3.00mL/min。

2 结果与讨论

2.1 中间体HMT的合成

2.1.1 催化剂的选择

合成中间体HMT多用无水AlCl3或浓H2SO4作催化剂。但单一使用一种催化剂副产物多,产率也很低(见图1)。根据该碳正离子反应机理,HMT合成产率与碳正离子中间体的稳定性有关。本文采用了lewis酸和无机强酸混合使用,即通过改变催化剂的组成,目的是加速反应中间体的碳正离子的形成或增大碳正离子的稳定性,使得对异丙基甲苯与 2,3-二甲基-1-丁烯发生亲电加成时,有利于加成成环反应,从而避免了碳正离子重排的副反应,有效提高了反应主产物的产率。实验证明:当催化剂组成的摩尔比为n(无水AlCl3)∶n(浓H2SO4)=10∶1时,催化剂与反应原料摩尔比为n(无水AlCl3)∶n(2,3-二甲基-1-丁烯)=0.1∶1时,产率最高(见图2)。

图1 无水AlCl3催化下的HMT合成的气相色谱图

2.1.2 反应溶剂的选择和用量

(1)反应溶剂的选择

付-克烷基化反应的溶剂通常用烃类化合物和卤化物。在反应温度为 2025℃时,原料比 n (2,3-二甲基-1-丁烯):n(对异丙基甲苯)∶n (叔丁基氯)=1∶2∶1.1不变的情况下,分别考察了二氯甲烷和环己烷两种溶剂对产率的影响。结果表明:使用环己烷作溶剂,产率为57%;而用二氯甲烷作溶剂时,产率仅为 31%,而且反应副产物多,产品纯度低。故该合成反应溶剂选用环己烷。

图2 无水AlCl3与H2SO4混合催化下的HMT气相色谱图

(2)反应溶剂的用量

该反应的原料对异丙基甲苯采用过量。溶剂的量对反应产率也有影响。实验表明:随着溶剂环己烷的量的增加,产率会提高;然而当溶剂与反应物的摩尔比为n(环己烷)∶n(2,3-二甲基-1-丁烯)=3.5∶1时,产率达到平衡(见表1)。所以合成中确定溶剂与反应物的摩尔比为n(环己烷)∶n(2,3-二甲基-1-丁烯)=3.5∶1。

表1 溶剂环己烷和原料2,3-二甲基-1-丁烯摩尔比对中间体HMT合成收率的影响

2.1.3 反应时间的影响

付-克烷基化反应中形成的碳正离子通常不稳定,容易发生碳正离子的重排,生成重排副产物,而降低主产物的产率。此外,付-克烷基化反应是个可逆反应,因此延长反应时间会降低反应产率。实验中用薄层色谱和高相气相色谱检测追踪反应进程,考察了反应物滴加时间对中间体 HMT合成产率的影响。当滴加时间分别为0.5 h,1 h,1.5 h,2 h,2.5 h,3.0 h时,中间体HMT的产率分别为42.0%,53.6%, 44.2%,39.2%,37.8%,38.0%。随着上述反应时间的延长,反应副产物增多,导致主产物产率降低,这是该合成反应中影响产率的主要因素。因此实验确定,该反应物的滴加时间为 1 h,然后继续反应 10 min即达到反应的终点。然而以往所有文献报道,中间体HMT的合成都在4 h左右。

2.2 产品吐纳麝香AHMT的合成与纯化

如1.2.2中实验步骤所示,中间体 HMT与乙酰氯发生付克酰基化反应,一步生成产品吐纳麝香AHMT。该步反应副产物少,产率较高。然而产品的纯化是决定最终产品收率的关键。吐纳麝香的提纯一般采用减压精馏和重结晶两步操作,由于AHMT沸点较高(230℃),而减压精馏需要较高的温度和真空度,工业生产耗能较大,对设备的要求高。另一方面,蒸馏温度过高,产物容易碳化,影响产品产率和纯度。本实验采用无水乙醇低温结晶法,将产品粗品热溶解在无水乙醇中,缓慢降温至 0℃,待白色固体析出,抽滤烘干后得到纯品,纯度 ＞95%,产率总计达 80%。

3 结论

综上所述,对吐纳麝香的合成工艺进行了优化研究,通过改变催化剂的组成,中间体HMT合成反应时间从原来的文献报道的4 h缩短到70min;最终产品AHMT用饱和无水乙醇低温结晶法,取代了原有的减压精馏和重结晶操作。因此,该合成工艺具有单元操作简单,反应平稳快速,产品易于纯化以及收率高的特点,研究结果为我国吐纳麝香的工业化生产奠定了技术基础。

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