纳米二氧化钛负载不同金属化合物催化合成龙脑的研究

王忠龙等

摘要 [目的]研究新催化剂催化α-蒎烯酯化-皂化合成龙脑，提高传统催化剂合成龙脑的产率和质量。[方法]采用TiO2对硅钨酸、氧化镧、硫酸铜进行负载作为催化剂，在不同条件下用于传统方法催化合成龙脑，考查催化剂催化最优反应条件。用FT-IR和SEM对催化剂表面和结构进行表征，对硅钨酸/TiO2和硫酸铜/TiO2作为催化剂在最优条件下催化得到产品的组成进行GC检测分析。[结果]25%负载量的硅钨酸/TiO2、15%负载量的氧化镧/TiO2、30%负载量的硫酸铜/TiO2在反应时间分别为6、5、6 h，反应温度为80 ℃时效果最好，α-蒎烯转化率分别达到86.32%、37.45%、87.14%，龙脑产品产率分别达到38.36%、 14.83%、44.31%。以硅钨酸/TiO2为催化剂在最优条件下合成龙脑产品中正龙脑相对含量为50%，正龙脑含量/异龙脑含量为1.41。以硫酸铜/TiO2为催化剂在最优条件下合成龙脑产品中正龙脑相对含量为53.85%，正龙脑含量/异龙脑含量为2.38。[结论]硫酸铜/TiO2催化剂相比传统催化剂对龙脑产率和质量有更好的效果。关键词：α-蒎烯； 酯化； TiO2； 催化剂； 龙脑

中图分类号：S509.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）08-009-04

冰片为无色透明或白色半透明的片状松脆结晶。它可以作为香料和医药使用。按生产途径来分，龙脑可分为天然龙脑和合成龙脑。它有正龙脑和异龙脑2个差向异构体，其中正龙脑具有较高的药用价值和经济价值，异龙脑相比正龙脑毒性较高。天然龙脑主要从龙脑香科植物中提取而得，资源稀少，价格昂贵。用于合成龙脑的原料主要是松节油。松节油可以从松科植物中获得，产量较大，资源十分丰富，而且制得的合成龙脑价格低廉。所以，合成龙脑不仅可以解决天然龙脑相对短缺的问题，而且可以使得龙脑生产走向产业化。以松节油、无水草酸以及硼酸酐为原料，经酯化和皂化合成冰片是目前工业上生产冰片的主要途径[1-2]。

近几十年来，对合成龙脑方法的研究越来越多，并且龙脑对人的药理作用受到很大的关注，研究也日益增多[3-5]。现在用于合成龙脑的方法主要有直接催化水合法、有机镁化合物分解法、氯乙酸法、硼钛基复合催化法、樟脑还原法、生物合成法等[6-12]。目前，工厂主要

采用的是硼酸酐催化α-蒎烯酯化-皂化法合成龙脑。这个方法合成的龙脑中正龙脑含量较低，产率偏下，生产中易发生爆炸，安全性低，易污染环境。

采用纳米TiO2作为负载物分别负载硅钨酸、氧化镧、硫酸铜，对传统的酯化反应中的硼酸酐催化剂进行改进[13-14]。该方法反应条件相对温和，操作安全，设备腐蚀较小，污染较少，产率较高，正龙脑含量较多，是一种可用于冰片生产的新型的催化材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料 α-蒎烯（经GC分析纯度为98.27%，云南林缘香料有限公司）；无水草酸（工业品，云南林缘香料有限公司）；纳米TiO2，硅钨酸，氧化镧，硫酸铜，氢氧化钠（分析纯，上海国药集团有限公司）。

美国安捷伦GC-7890A气相色谱仪：毛细管柱30 m×320 μm×0.25 μm，氢火焰检测器，采用峰面积归一法计算各组分含量，气化室温度200 ℃，检测器温度300 ℃，柱温（程序升温） 80 ℃（保温1 min）以10 ℃/min升温至220 ℃（保温1 min），分流比50∶1，进样量1 μl，N2为载气，乙醇为溶剂；美国 Varian 1000 FT-IR光谱仪（KBr压片）；日本HITACHI S-3000N扫描电子显微镜。

1.2 硅钨酸/TiO2、氧化镧/TiO2、硫酸铜/TiO2的制备 称取一定量的干燥至恒重后的纳米TiO2，加入已配置好的一定浓度的硅钨酸水溶液、氧化镧浑浊液、硫酸铜水溶液，在室温置于磁力搅拌仪上搅拌24 h，抽滤，放入烘箱100 ℃干燥6 h，研磨成细粉状之后于550 ℃焙烧3 h，制得不同负载量的硅钨酸/TiO2、氧化镧/TiO2、硫酸铜/TiO2催化剂。

1.3 催化剂表征 红外光谱表征采用美国 Varian 1000 FT-IR光谱仪，KBr压片。扫描电镜采用日本HITACHI S-3000N扫描电子显微镜。

1.4 龙脑合成 将0.8 g催化剂、20 g α-蒎烯、5 g无水草酸加入250 ml三口烧瓶中，加热搅拌回流，滤去催化剂，取少量处理后进行气相色谱分析，而后水汽蒸馏蒸出轻油得到草酸龙脑酯，加入40 ml浓度19% NaOH溶液皂化5 h，并且再次进行水汽蒸馏收集龙脑，干燥后称取质量，并且对产品进行气相色谱分析和红外分析。

1.5 产物 FT-IR表征 FT-IR检测在傅里叶红外光谱仪上进行，所得产品的红外光谱如图1所示。由图1可知，3 374 cm-1是分子间氢键O-H的伸缩振动，2 951 cm-1是环上CH2的伸缩振动，2 875 cm-1是环上CH的伸缩振动，1 663 cm-1是C=O的伸缩振动，1 454 cm-1是-OH的伸缩振动，1 055 cm-1是-CH-OH的伸缩振动。

2 结果与分析

2.1 催化剂表征

2.1.1 FT-IR检测结果分析。

用傅立叶红外光谱仪对硅钨酸/TiO2、硫酸铜/TiO2、氧化镧/TiO2进行红外分析。已知硅钨酸的主要特征吸收峰是在982、532 cm-1等处，而TiO2则在3 419、1 630 cm-1处都有其特征吸收峰存在。由图2可知，硅钨酸/TiO2主要特征吸收峰出现在538、977、1 630、3 419 cm-1，硅钨酸/TiO2与硅钨酸和TiO2的特征吸收峰基本吻合。硫酸铜/TiO2主要特征吸收峰出现在1 149、1 630、3 419 cm-1，其中1 149 cm-1处是SO-24的吸收峰，表明硫酸铜的存在，1 630、3 419 cm-1处是TiO2特征吸收峰。氧化镧/TiO2主要特征吸收峰出现在448、656、1 463、1 630、3 419 cm-1，其中1 630、3 419 cm-1处是TiO2特征吸收峰，已知氧化镧的主要特征峰出现在1 463、2 963 cm-1，氧化镧/TiO2在1 463 cm-1处存在吸收峰，但在2 963 cm-1左右未见吸收。综合来说，硅钨酸/TiO2、硫酸铜/TiO2不仅很好地保存了TiO2的基本骨架特征吸收峰，而且具备硅钨酸、硫酸铜的特征吸收峰，说明硅钨酸/TiO2、硫酸铜/TiO2中硅钨酸、硫酸铜结构保持完好，而氧化镧/TiO2相较于前两者虽然保持TiO2结构，但负载的氧化镧吸收峰不明显，所以负载后结构不明显[15]。

2.1.2 SEM检测结果分析。由图3可知，在浓度10%硫酸铜/TiO2上，硫酸铜只有一小部分吸附在TiO2上，吸附量很少，而在浓度30%硫酸铜/TiO2上则有相当数量的硫酸铜吸附在TiO2上，它与硫酸铜产生相互作用，吸附量相对较多，吸附基本达到饱和。在浓度35%硫酸铜/TiO2上，硫酸铜大量地堆积在TiO2表面上，硫酸铜过载，造成吸附不均匀，所以硫酸铜/TiO2的最佳负载量为30%。

2.2 酯化反应条件的选择

2.2.1 催化剂负载量对酯化反应的影响。

确保其他条件不变（温度80 ℃，反应时间6 h，催化剂用量0.8 g），仅改变催化剂负载量，研究催化剂负载量对酯化反应的影响。由图4可知，随着催化剂负载量的不断增大，α-蒎烯转化率开始逐渐增大。这是由于吸附在TiO2上硅钨酸、氧化镧、硫酸铜数量不断增加，进而可以充分与α-蒎烯接触，从而催化α-蒎烯的性能不断增强。当硅钨酸/TiO2、氧化镧/TiO2、硫酸铜/TiO2负载量分别为25%、15%、30%时，α-蒎烯转化率达到最大，分别为86.32%、38.76%、87.14%；如果继续增加负载量，那么α-蒎烯转化率会逐渐减小，这是由于 TiO2吸附已达到饱和，TiO2上数量不断增加的硅钨酸、氧化镧、硫酸铜堆积，使得α-蒎烯与催化剂接触时流动性减小，外面的α-蒎烯无法进入与催化剂反应。

由图5可知，随着催化剂负载量不断增大，产率不断增大，这是由于在TiO2上数量不断增加的硅钨酸、氧化镧、硫酸铜与α-蒎烯反应，催化α-蒎烯酯化生成草酸龙脑酯；当硅钨酸/TiO2、氧化镧/TiO2、硫酸铜/TiO2负载量分别为25%、15%、30%时，龙脑产率增长率达到最大，产率分别为38.36%，13.71%，44.32%；如果继续增加负载量，那么龙脑产率增长变得缓慢，这是由于负载已达到饱和，α-蒎烯无法充分地与催化剂中有效催化物接触，导致α-蒎烯异构化速率变低，进而使得部分α-蒎烯朝着生成草酸龙脑酯的方向转化，所以龙脑产率还不断增加，但是由于过载使得整体的转化速率下降，故龙脑产率增长率变慢。

2.2.2 反应时间对酯化反应的影响。

确保其他条件不变（负载量分别为25%、15%、30%的硅钨酸/TiO2、氧化镧/TiO2、硫酸铜/TiO2用量皆为0.8 g，反应温度80 ℃），仅改变酯化反应时间，研究反应时间对酯化反应的影响。由图6可知，随着反应时间的延长，α-蒎烯转化率不断增加，这是因为随着时间的不断增加，α-蒎烯可以在搅拌之下充分与催化剂接触；反应时间在4 h以后，α-蒎烯转化率变低，由于α-蒎烯异构化在一定温度以上才可以大量进行，4 h以后α-蒎烯已与催化剂基本作用完毕，而异构化温度又尚未达到，所以转化率变低。

由图7可知，随着反应时间的延长，龙脑产率开始逐渐增加，当反应时间在6 h之后，随着反应时间的延长，龙脑产率会有所下降。这可能是由于已生成的草酸龙脑酯部分分解。

由此可知，硅钨酸/TiO2、氧化镧/TiO2、硫酸铜/TiO2的最佳酯化反应时间分别为6、5、6 h，此时α-蒎烯转化率分别为86.32%、37.45%、87.14，龙脑产率分别为38.36%、14.83%、44.31%。

2.2.3 反应温度对酯化反应的影响。

确保其他条件不变（负载量分别为25%、15%、30%的硅钨酸/TiO2、氧化镧/TiO2、硫酸铜/TiO2用量皆为0.8 g，反应时间为6 h），仅改变反应温度，研究反应温度对酯化反应的影响。由图8可知，随着反应温度的不断增加，α-蒎烯转化率不断增加。这是由于温度的不断增加，α-蒎烯不断异构化，但转化率的增加不是很明显。这是因为α-蒎烯异构化主要是在100 ℃以上时才会大量发生。

由图9可知，随着反应温度的不断增加，龙脑产率不断增加。当温度达到80 ℃时，再增加反应温度，冰片产率增加较少。反应温度对龙脑的产率影响较大，温度过低时α-蒎烯不能有效转化，温度过高则会使α-蒎烯向着异构化的方向前进，从而使得产品中正龙脑含量过低，而有毒副作用的异龙脑含量增加。

由此可知，硅钨酸/TiO2、氧化镧/TiO2、硫酸铜/TiO2最佳酯化反应温度为80 ℃。

2.2.4 硅钨酸/TiO2、氧化镧/TiO2、硫酸铜/TiO2 催化活性比较。

对硅钨酸/TiO2、氧化镧/TiO2、硫酸铜/TiO2催化剂的最优活性进行比较。由图10可知，硫酸铜/TiO2催化剂活性最高，氧化镧/TiO2的催化活性较低，硅钨酸/TiO2的催化活性介于前面两者中间。

2.2.5 产物GC检测结果分析。

将温度为80 ℃、酯化时间为6 h、催化剂为25%负载量的硅钨酸/TiO2的产品进行GC检测。由表1可知，异龙脑保留时间为4.677 min，正龙脑保留时间为4.786 min。此外，在不同的保留时间有其他物质出现，除去乙醇峰，可以计算出由硅钨酸/TiO2为催化剂合成的产品中正龙脑相对含量为50%，异龙脑相对含量为35.57%，正龙脑含量/异龙脑含量为1.41。

将温度为80 ℃、酯化时间为6 h、催化剂为30%负载量的硫酸铜/TiO2的产品进行GC检测。由表2可知，异龙脑保留时间为4.689 min，正龙脑保留时间为4.810 min。此外，在保留时间为14.682 min时，有其他物质出现，除去乙醇峰，可以计算出由硫酸铜/TiO2为催化剂合成的产品中正龙脑相对含量为53.85%，异龙脑相对含量为22.60%，正龙脑含量/异龙脑含量为2.38。

与以硅钨酸/TiO2为催化剂合成的产品相比，以硫酸铜/TiO2为催化剂合成的产品中不仅正龙脑含量高，而且杂质较少，正龙脑/异龙脑比例较高。综合考虑，硫酸铜/TiO2在合成冰片的过程中催化性能优于硅钨酸/TiO2。

3 结论

（1）通过3种催化剂催化α-蒎烯酯化-皂化合成龙脑，对比其催化效果，发现硫酸铜/TiO2在最优条件下催化生成龙脑的得率为44.31%，正龙脑相对含量为53.85%，相比传统催化剂催化效果（得率为35%～37%，正龙脑相对含量为40%～45%），其催化效果有明显的提升，硅钨酸/TiO2在最优条件下催化生成龙脑的得率为38.36%，正龙脑相对含量为50%，与传统催化剂的催化效果相当，但产品中正龙脑相对含量较高。氧化镧/TiO2催化效果不理想。综合来说，硫酸铜/TiO2是在合成冰片的中较理想的一种催化剂。

（2）通过3种催化剂催化α-蒎烯酯化-皂化合成龙脑，可以确定它们各自的最佳反应条件，其中以硅钨酸/TiO2为催化剂反应最佳条件为：催化剂负载量25%，反应温度80 ℃，反应时间6 h。以硫酸铜/TiO2 为催化剂反应最佳条件为： 催化剂负载量30%，反应温度80 ℃，反应时间6 h。以氧化镧/TiO2为催化剂反应最佳条件为： 催化剂负载量15%，反应温度80 ℃，反应时间5 h。

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