香兰素1，2-辛二醇缩醛的合成

武振峰，周翔，2，丁凤美，2，邢志奇

(1.东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620;2.东华大学 生态纺织教育部重点实验室，上海 201620)

醛或酮与醇缩合生成缩醛或缩酮的反应，常被用来保护醛基或羟基，或合成化工产品中间体。缩醛在酸性条件下易水解成为原来的醛和醇，利用这一性质，可以合成可分解型化学品。

香兰素是一种广泛使用的可食用香料，作为香料、定香剂和矫味剂，用于食品、日化、烟草等行业。香兰素分子结构中含有醛基，与醇反应生成缩醛，可作为香料，也可作为化工产品的中间体。文献报道将香兰素与二元醇通过缩醛反应合成香兰素缩醛。香兰素与短链二元醇缩醛的合成有较多报道，如香兰素1，2-丙二醇缩醛［1-3］。关于香兰素与长链二元醇缩合的报道较少，有美国专利［4］提出用香兰素与C3～C12二元醇反应能生成具温热感和辛辣味的物质，用于香精香料和食品等行业。本研究拟采用香兰素与长链二元醇1，2-辛二醇缩合制备香兰素1，2-辛二醇缩醛，作为纺织印染化学品的中间体。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

香兰素、对甲苯磺酸、磷钼酸、正己烷、辛二醇(98%)、85%磷酸、环己烷均为分析纯。

DF-101s 集热式搅拌器;R213B 旋转蒸发仪;BS 2202S 电子天平;SHB-3 循环水泵;HSGF 254 薄层色谱硅胶板;Avance 400 核磁共振仪;LC-20A 高效液相色谱仪。

1.2 实验方法

将香兰素、1，2-辛二醇、85%磷酸和带水剂加入三口烧瓶，装上温度计、分水器和三通接头。向分水器中加入少量带水剂至分水器支管处，装上蛇形回流冷凝管。用循环水泵抽真空并通入氮气置换，重复3 次。磁力搅拌下，油浴加热并保持反应体系回流，反应至不再有水分出。反应式见图1。反应液为淡黄色，稍冷，加入饱和碳酸氢钾溶液中和磷酸。分液得到有机相，用饱和食盐水洗涤3 次，加入无水硫酸钠过夜脱水。旋蒸回收带水剂，得黄色黏稠液体粗品。用薄层色谱法，以正庚烷/乙酸乙酯(1∶2)为展开剂，紫外灯下观察除未反应的香兰素外，有新物质生成。将粗品移至烧杯，搅拌滴加饱和亚硫酸氢钠溶液使香兰素析出，过滤，分液，收集有机相旋蒸去除水分得淡黄色黏稠液体。

图1 香兰素与1，2-辛二醇缩醛反应Fig.1 The reaction of vanillin and 1，2-octanediol

1.3 香兰素1，2-辛二醇缩醛的结构表征

采用柱层析色谱法，以乙酸乙酯/正庚烷=1∶10为流动相，分离出无色透明粘稠液体，采用1H NMR和13C NMR 对其结构进行表征，氘代丙酮为溶剂。

1.4 产物收率测定

对黄色粘稠液体粗品，用1H NMR 内标法测定其中缩醛含量。不需引进任何校正因子，可直接根据各共振峰的积分值推算所代表的自旋核的数量，计算进样中的缩醛含量［5］。取质量为W 的粗品和质量为Ws的内标物吡嗪溶于氘代丙酮溶液中，比较样品中缩醛特定基团上质子(1H NMR 谱图中8位氢原子)引起的共振峰面积与内标物的质子共振峰面积，从内标物的质量，可计算缩醛的质量(Wx)，由式Wx=Ws×(Ax/As)×(E/Es)求得。Ws为内标物质量;Ax为缩醛峰面积(δ1=5 ～6);As为内标物峰面积(δ2=8.6);E 为δ1处质子当量，即E =缩醛分子量/δ1基团中的质子数;Es为δ2处质子当量，即Es=内标物分子量/δ2基团中的质子数。则缩醛含量ω=Wx/W×100%，产物收率=ω×粗品产物质量/理论缩醛产量。

1.5 HPLC 法测定产物纯度

高效液相色谱采用PDA 检测器，面积归一法定量，进样量1 μL。色谱柱:Waters Xbridge C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)，流动相A:0.1% NH3·H2O 水溶液，v/v，B:乙腈，梯度洗脱;检测波长220 nm，柱温40 ℃，流速1.0 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 产物结构表征和提纯

2.1.1 香兰素1，2-辛二醇缩醛产物结构表征 柱层析分离出的无色粘稠液体的1H NMR 和13C NMR谱见数据如下。(C＊表示手性碳原子)。

1H NMR(400 MHz，CD3COCD3，δ):0.90 ～0.94(3H，t，CH3，1);1.33 ～1.37(6H，m，CH2，3);1.48～1.51(2H，m，CH2，2);1.64 ～1.71(2H，m，CH2，4);2.02 ～2.06(溶剂峰);3.54 ～3.58，3.63 ～3.67(1H，t，t，C＊H，5);3.85(3H，s，OCH3，7);4. 03 ～4.27(2H，m，CH2，6);5.69，5.81(1H，s，s，C＊H，8);6.85 ～7.08(3H，m，Ar-H);7.66(1H，s，OH，12)。

13C NMR(400 MHz，CD3COCD3，δ):13. 62(CH3，1);22. 46(CH2，2);25. 67(CH2，5);29. 08(溶剂峰，CH3);31. 72(CH2，4);33. 32(CH2，6);33. 58(CH2，3);55. 39(OCH3，16);69. 7，70. 43(CH2，8);76.19，76.87(C＊H，7);102.97，103.91(C＊H，9);110. 1(Ar-C，12);114. 39(Ar-H，13);119.93(Ar-C，11);130.06(Ar-C，10);130.59(Ar-C，14);147.16(Ar-C，15);205.6(溶剂峰，CO)。

由1H NMR 谱可看到5 位氢原子出现两个三重峰，化学位移3.54 ～3.58，3.63 ～3.67，两峰积分面积之和为1(以CH3振动峰积分面积为3)，即该相邻两峰所代表氢原子数目为1;8 位氢原子出现两个单峰，化学位移5.69，5.81，两个峰的积分面积值之和也为1。对应地，在13C NMR 谱图中，7 位与9 位碳原子同样各出现两个很近的振动峰，7 位碳原子位于76.19，76.87，9 位碳原子位于102.97，103.91。这些是由于1，4-二氧戊环中两个次亚甲基均为手性碳原子形成非对映异构所致。

2.1.2 产物提纯 文献中报道香兰素1，2-丙二醇合成中以减压蒸馏分离提纯缩醛产物，条件为156～159 ℃/400 Pa［6］。本实验用亚硫酸氢钠去除未反应的香兰素，1H NMR 显示，香兰素基本除尽。HPLC 测定亚硫酸氢钠处理后产物纯度为95.2%。处理后产物颜色变淡，放置半年以上，颜色保持不变。

2.2 合成工艺条件确定

本研究试用了对甲苯磺酸和磷酸两种催化剂，探究所选定催化剂的用量、反应物料摩尔比、带水剂种类和反应时间对反应收率的影响，确定合成工艺。2.2.1 催化剂选择和用量 香兰素用量为45.6 g(0.3 mol)，辛二醇用量为65.7 g(0.45 mol)，正己烷用量为120 mL，催化剂用量为1.5 g。按1.2 节步骤进行，观察两种催化剂对反应液颜色的影响，结果见表1。

表1 催化剂对反应液颜色影响Table 1 Effect of catalyst on the color of reaction liquid

由表1 可知，当以磷酸为催化剂时，反应液呈淡黄色;当以对甲苯磺酸为催化剂时，反应液呈黑褐色。为此，将正己烷和对甲苯磺酸混合加热至回流，混合物也呈黑褐色。这说明溶液变黑是由对甲苯磺酸造成的，原因可能是对甲苯磺酸加热时与空气中的氧发生化学反应导致黑色色变。因此，从外观考虑，选择磷酸作为催化剂。

香兰素用量45.6 g(0.3 mol)、辛二醇65.7 g(0.45 mol)、正己烷120 mL，按1. 2 节步骤进行，85%磷酸用量分别为香兰素的1. 54%，2. 41%，3.29%，3.95%，对反应收率的影响，结果见表2。

表2 磷酸用量对反应收率的影响Table 2 Effect of the amount of catalyst on the yield

由表2 可知，当85%磷酸用量为3.29%时收率最高，如磷酸用量进一步增加，收率下降。可能是因为磷酸用量增大后反应液酸性增强，使平衡向反向移动，导致收率下降。

2.2.2 醛醇摩尔比 从化学反应平衡角度看，增大1，2-辛二醇用量，有利于提高香兰素的转化率，但同时考虑到原料的浪费及后处理等因素，需要选择合适的摩尔比。香兰素用量为45.6 g(0.3 mol)，磷酸用量为1.5 g，正己烷用量为120 mL，改变1，2-辛二醇加入量，使醛醇摩尔比分别为1∶1.3，1∶1.5，1∶1.7，研究其对反应收率的影响，结果见表3。由表3 可知，当醛醇摩尔比为1∶1.5 时，收率达最大值81.3%，继续增加1，2-辛二醇用量，产品收率反而降低。这可能是由于1，2-辛二醇有一定的亲水性，1，2-辛二醇用量较大时，增加了水在体系中的停留倾向，不利于反应的正向进行。因此，选择香兰素与1，2-辛二醇摩尔比为1∶1.5。

表3 醛醇摩尔比对反应收率的影响Table 3 Effect of molar ratio of vanillin and 1，2-octanediol on the yield

2. 2. 3 带 水 剂 种 类 香 兰 素 用 量 为45. 6 g(0.3 mol)，辛二醇用量为65.7 g(0.45 mol)，磷酸用量为1.5 g，带水剂分别选用正己烷、环己烷、甲苯，用量均为120 mL。按1.2 节步骤进行，研究带水剂对反应收率的影响，结果见表4。由表4 可知，带水剂效果，正己烷＞环己烷＞甲苯。三种带水剂的回流温度为甲苯(118 ℃左右)＞环己烷(90 ℃左右)＞正己烷(78 ℃左右)。带水剂为正己烷的反应收率最高，能耗最低，选择正己烷为该反应的带水剂。

表4 带水剂对反应收率的影响Table 4 Effect of water-carrying agent on the yield

2.2. 4 反应时间对收率影响 香兰素用量为45.6 g(0.3 mol)，辛二醇用量为65.7 g(0.45 mol)，正己烷用量为120 mL，磷酸用量为1.5 g，按1.2 节步骤进行，研究反应时间对反应收率的影响，结果见表5。

表5 反应时间对反应收率的影响Table 5 Effect of reaction time on the yield

由表5 可知，反应时间8 ～10 h 收率较高，超过10 h 后收率变化不大。从生产成本和收率方面考虑，反应时间以8 h 为宜。

2.3 较佳工艺条件下反应收率

根据以上实验确定较佳工艺条件:香兰素用量0.3 mol，n(香兰素)∶n(1，2-辛二醇)=1∶1.5，磷酸用量为香兰素的3. 29%，带水剂正己烷120 mL，78 ℃左右回流8 h。按此工艺条件进行了3 次平行实验，反应收率分别为82.2%，82.3%，83.4%，反应重现性较好。经提纯，缩醛产物为淡黄色黏稠液体，HPLC 测定产物纯度为95.2%。

3 结论

(1)以长碳链二元醇1，2-辛二醇与香兰素在磷酸催化下合成缩醛，通过柱层析色谱分离得到无色透明液体，用1H NMR 和13C NMR 确认了香兰素1，2-辛二醇缩醛产物结构，该产物包含非对映异构体。

(2)研究得到合成的较佳工艺条件为:n(香兰素)∶n(1，2-辛二醇)=1∶1.5，催化剂85%磷酸用量为香兰素的3.29%，带水剂正己烷体积与香兰素质量比为2.63 mL/g，78 ℃左右回流8 h。收率最高达83.4%，反应重现性较好。

(3)提纯工艺，用亚硫酸氢钠饱和溶液去除未反应的香兰素，代替常用的减压蒸馏法，可降低能源消耗。产物为淡黄色黏稠液体，颜色较处理前淡，HPLC 测定缩醛产物纯度为95.2%。

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