钛酸异丙酯催化脱氢芳樟醇合成柠檬醛

赵宁波，朱志庆（华东理工大学化工学院，上海 200237）



钛酸异丙酯催化脱氢芳樟醇合成柠檬醛

赵宁波，朱志庆
（华东理工大学化工学院，上海 200237）

摘要：以钛酸异丙酯为主催化剂，氯化亚铜为助催化剂，在氮气保护和有机酸的存在下，研究了脱氢芳樟醇经迈耶－舒斯特重排反应合成柠檬醛。优化的反应条件如下：n(钛酸异丙酯)∶n(氯化亚铜)=4∶1，催化剂（钛酸异丙酯+氯化亚铜）和对甲基苯甲酸的用量分别为原料脱氢芳樟醇质量的3.5％和10％，在110℃下反应3h，得到脱氢芳樟醇的转化率为98.8％，生成柠檬醛的收率为88.4％。采用水蒸气蒸馏的方法分离反应液，得到纯度≥97％的柠檬醛，采用FTIR对产物进行表征，确定了产品柠檬醛中所含有的主要杂质。最后，探讨了脱氢芳樟醇合成柠檬醛的反应机理。

关键词：钛酸异丙酯；氯化亚铜；脱氢芳樟醇；柠檬醛

第一作者：赵宁波(1990—)，男，硕士研究生。联系人：朱志庆，教授，主要从事有机合成与催化剂的研究。E-mail zhuzq@ecust.edu.cn。

柠檬醛具有浓郁的柠檬香味，可用于生产柑橘香味食品香料直接用于饮料和食品加工。柠檬醛作为最重要的开链单萜之一，是一种重要的精细化工中间体，可用于合成异胡薄荷醇、羟基香茅醛和紫罗兰酮，还可转化成生产维生素E、维生素A、异植物醇等的重要起始原料[1]。天然柠檬醛存在于山苍子油等许多植物精油中，从中可以提取生产柠檬醛[2]，但是产量和规模受到原料资源的限制。柠檬醛也可以通过不同的化学方法合成，其中，由脱氢芳樟醇在催化剂的作用下，通过迈耶-舒斯特（Meyer-Schuster）重排反应，直接合成柠檬醛，具有原料易从石油化工制得、反应条件相对温和的优点，适合于规模化大生产。脱氢芳樟醇是以石油化工产品异戊二烯为初始原料合成香料芳樟醇的一个中间产品[3]，由脱氢芳樟醇经重排反应合成柠檬醛的技术关键则是开发催化剂。目前，国内外研究的催化剂主要有钒系和钼系两大类[4-8]，作者课题组前期研究了一种钌基催化剂[9]，具有很高的反应活性和选择性，但是这些催化剂的制备过程都比较复杂，且价格较贵。也有研究以钛酸丁酯为催化剂的报道[10-11]，反应是在有机溶剂中进行，生成柠檬醛的收率在74％以下，尚不具备工业应用价值。脱氢芳樟醇重排反应式如图1所示。

图1　脱氢芳樟醇催化重排合成柠檬醛

本研究选择价廉易得、未见报道的钛酸异丙酯为主催化剂，氯化亚铜为助催化剂，反应在有机酸存在下进行，不添加溶剂，经过滤极易将催化剂从反应液中除去。在优化的反应条件下，柠檬醛的收率为88.4％，并采用简单的水蒸气蒸馏方法，从反应液中分离得到纯度≥97％柠檬醛。本文的研究结果对以脱氢芳樟醇为原料生产柠檬醛的产业化具有一定意义。

1　实验部分

1.1试剂与仪器

脱氢芳樟醇（质量分数≥98％），上海石油化工股份有限公司；钛酸异丙酯，AR，阿达玛斯试剂有限公司；柠檬醛、氯化亚铜、对甲基苯甲酸，AR，国药集团化学试剂有限公司。GC9800型气相色谱分析仪，上海科创色谱仪器有限公司；Nicolet iS50傅里叶变换红外光谱仪，赛默飞世尔科技（中国）有限公司。

1.2柠檬醛的合成与提纯

在装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气连接管的四口烧瓶中，依次加入脱氢芳樟醇、钛酸异丙酯、氯化亚铜和有机酸。通入氮气置换空气并保持连续通入，打开搅拌，油浴加热至指定温度进行反应。反应结束，经冷却过滤后，取样定量分析，然后进行水蒸气蒸馏提纯。

将水蒸气发生器的出口导管插入装有反应液的蒸馏瓶，加热通入蒸汽并确保气密性良好。然后，控制适宜的蒸馏速度，当馏出液中没有明显的油珠，且澄清透明时，即结束蒸馏操作。关闭水蒸气发生器热源，移去导管，避免发生倒吸现象。将蒸出液进行油水分离，得到柠檬醛产品，经色谱分析和红外光谱表征，得到柠檬醛产品的纯度及所含主要杂质。

气相色谱分析条件：FID检测器，FFAP 60m× 0.32mm×0.5μm毛细管色谱柱，柱箱温度190℃，汽化温度240℃，检测温度240℃。以苯甲醇为内标定量分析，计算反应物的转化率和产品收率。

2　结果与讨论

2.1催化剂的配比对反应的影响

以原料脱氢芳樟醇的质量计，催化剂（钛酸异丙酯+氯化亚铜）的量为3.5％，有机酸对甲基苯甲酸的量为10％，反应温度110℃，反应时间3h，改变钛酸异丙酯与氯化亚铜的摩尔比，得到如图2所示的反应结果。由图2可见，钛酸异丙酯与氯化亚铜之间存在适宜的摩尔比。根据炔醇类的Meyer-Schuster重排反应的机理研究表明[12]，在有机酸的作用下，钛酸酯与炔醇生成钛氧代炔丙基络合物中间体，助催化剂氯化亚铜的作用是活化该中间体中的碳碳三键生成氧代丙二烯，因此，单独使用钛酸异丙酯或氯化亚铜，则不能构成Meyer-Schuster重排反应的催化循环。实验结果表明，适宜的催化剂配比为n(钛酸异丙酯)∶n(氯化亚铜)=4∶1，得到脱氢芳樟醇的转化率＞98％，生成柠檬醛的收率＞88％。以下实验均采用该催化剂的摩尔配比。反应液的分析结果表明，主要副产物是2,4-葵二烯醛、顺式和反式异环柠檬醛、顺式和反式香芹醇等，与文献报道基本吻合[13]，这些副产物约占5％～10％。

图2　钛酸异丙酯与氯化亚铜的摩尔比对反应的影响

2.2不同有机酸对反应的影响

在Meyer-Schuster重排反应中，有机酸的作用是与底物和钛醇盐的配体发生交换反应生成中间体钛氧代炔丙基络合物[10]，而活化形成了活性种。因此，有机酸强度将影响该活性种的生成。由于柠檬醛在加热下不稳定，所以酸性不能过强。选择有机酸的摩尔用量和反应条件同2.1节，考察苯甲酸（pKa=4.19）、对甲基苯甲酸（pKa=4.38）、对甲氧苯甲酸（pKa=4.47）和丙酸（pKa=4.87）对反应的影响，反应结果见表1。可以看出，采用对甲基苯甲酸，脱氢芳樟醇的转化率和生成柠檬醛的收率较高，因此优选对甲基苯甲酸。

表1　不同有机酸对反应的影响

2.3有机酸用量对反应的影响

有机酸的用量将直接影响活性种的生成速度。原料配比和反应条件同2.1节，改变对甲基苯甲酸的用量（以原料脱氢芳樟醇的量计），结果见图3。实验结果表明，当对甲基苯甲酸的用量较少时，脱氢芳樟醇没有完全转化，柠檬醛的收率偏低。当对甲基苯甲酸用量为10％时，脱氢芳樟醇的转化率和柠檬醛的收率都很高。继续增加酸用量导致柠檬醛的收率下降，其原因是柠檬醛具有活泼的α-氢，在酸的作用下容易发生异构化反应。所以，适宜的对甲基苯甲酸用量为原料脱氢芳樟醇质量的10％。

图3　对甲基苯甲酸的用量对反应的影响

2.4反应温度的影响

原料配比和反应条件同2.1节，改变反应温度的实验结果如图4所示。可以看出，随着反应温度的提高，脱氢芳樟醇的转化率逐渐增加，柠檬醛的收率则在反应温度为110℃时达到最高，为88.4％。因为脱氢芳樟醇重排合成柠檬醛是吸热反应，所以适当提高反应温度有利于柠檬醛的生成。但是当反应温度偏高时，不仅会加快脱氢芳樟醇热环化副反应的速度[14]，也会加剧柠檬醛的聚合与热分解[15]，导致柠檬醛的收率下降，因此反应温度宜选110℃。

图4　反应温度对反应的影响

图5　反应时间对反应的影响

2.5反应时间的影响

在上述实验结果得到的适宜的反应条件下，改变反应时间，考察其对脱氢芳樟醇转化率和柠檬醛收率的影响，结果如图5所示。可以看出，脱氢芳樟醇的转化率是随着反应时间的增加而逐渐增加的，柠檬醛的收率则在反应3h达到最高为88.4％。之后，柠檬醛的收率随反应时间增加而出现下降，其原因是副反应和柠檬醛的热不稳定性造成的，当有催化剂存在时更容易发生聚合与热分解，结果导致收率下降。因此，不宜在加热条件下反应时间过长，较佳反应时间为3h。

2.6产物的分离与表征

由于脱氢芳樟醇和柠檬醛的沸点都比较高，且在高温下易发生热环化与聚合反应[14-15]，通常需要在高真空下进行精馏分离，工艺条件和设备要求都比较高；化学纯化方法中要使用强碱溶液，会产生更多的副产物，不太适合用于分离提纯合成的反应液。本实验采用简便易行的水蒸汽蒸馏方法，避开了工艺条件要求较高、设备造价贵的精馏法，从反应液中分离得到的产品柠檬醛，外观呈浅黄色，色谱分析纯度达到≥97％，主要残留杂质是原料脱氢芳樟醇和微量的顺式异环柠檬醛。该分离方法简便，不使用化学试剂和有机溶剂，所用的水可以循环使用，环境友好。

采用红外光谱分析方法，对反应原料脱氢芳樟醇和柠檬醛进行表征，得到红外光谱图，见图6。如图6所示，脱氢芳樟醇的特征峰非常明显，其中≡C—H伸缩振动吸收在3306cm−1处且较强，在700～600cm−1区域有≡C—H弯曲振动吸收。图中1680cm−1处为醛基的吸收峰，是柠檬醛的特征峰。对比合成产物与柠檬醛标样的红外光谱图，可见产物在3500cm−1处有较宽的吸收峰，这是水中H—O键的伸缩振动吸收峰，且未能明显观察到其他杂质的吸收峰。结合色谱分析结果，可知提纯的柠檬醛产品中主要含有少量的水和脱氢芳樟醇，以及微量的顺式异环柠檬醛。

图6　红外光谱定性分析

2.7反应机理探讨

根据文献[16]以及实验现象结果，提出如图7可能的反应机理。首先，钛酸异丙酯与脱氢芳樟醇在有机酸的作用，生成中间体钛氧代炔丙基络合物a，氯化亚铜与a配位并激活端炔键发生亲核攻击生成b，中间体b经过[3,3]单键转移重排生成氧代丙二烯c，中间体c发生配体解离得中间体d，同时消除氯化亚铜。最后，中间体d自发异构重排生成不饱和柠檬醛，同时再生出催化剂，从而完成催化循环。实验中发现，当氯化亚铜过量时，发生反应飞温现象，据此推测，反应①、②和③均为快反应，而反应④比较慢，是控制步骤，氯化亚铜过量会使反应①→③的放热量增加，导致温度急剧上升。

图7　脱氢芳樟醇合成柠檬醛重排反应的机理

3　结论

钛酸异丙酯与氯化亚铜共同构成了脱氢芳樟醇重排合成柠檬醛反应的良好催化剂，在优化的反应条件下，脱氢芳樟醇的转化率达到98.8％，生成柠檬醛的收率为88.4％。相比其他催化剂具有价廉易得、反应条件温和、产物收率高的特点。反应过程中不使用溶剂，反应温度相对比较低，有利于工业化生产。采用水蒸气蒸馏的方法，从反应液中分离出纯度≥97％的产物柠檬醛，其中主要残留杂质是原料脱氢芳樟醇和微量的顺式异环柠檬醛，以及含有少量的水分，纯度达到了用作精细化工原料的工业化要求。该分离方法过程简单，环境友好。

参考文献

[1]秦婷，吕奇琦，李兴宇，等. 以柠檬醛为原料的香料合成研究进展[J]. 广州化工，2014，42（20）：19-20，33.

[2]黄敏，刘杰凤，周如金，等. 分子蒸馏新技术在天然香料分离中的应用[J]. 化工进展，2006，25（3）：340-342.

[3]常慧，汤育娟，赵剑萍，等. 去氢芳樟醇加氢催化剂的制备与活性评价[J]. 化工进展，2009，28（6）：958-961.

[4]ANDREWS D A，HINDLEY N C. Vanadate oxide and silanol catalyst system：US3912656[P].1975-10-14.

[5]CHABARDES P，KUNTZ E. Process for the preparation of citral：US4463196[P].1984-07-31.

[6]蒋淇忠，徐俊，马紫峰，等. 脱氢芳樟醇合成柠檬醛[J].高等化学工程学报，2002（2）：185-188.

[7]伯拉斯 W. 制备柠檬醛的新方法：1234382[P].1999-11-10.

[8]BONRATH W. Process for the manufacture of citral：US6198006[P].2001-03-06.

[9]朱志庆，许惠明，孙春水，等. 一种通过脱氢芳樟醇重排反应制备柠檬醛的方法：104292087[P]. 2015-01-21.

[10]CHABARDES Pierre. Ti/Cu and Ti/Ag catalysts for the isomerisation of α-acetylenic alcohols into α,β-ethylenic carbonyl derivatives[J]. Tetrahedron Letters，1988，29（48）：6253-6256.

[11]诸富根，周山花. 脱氢芳樟醇催化重排合成柠檬醛试探[J].香料香精化妆品，2003（1）：1-4.

[12]LORBER C Y，YOUINOU M T，KRESS J，et al. Isomerization of 2-methyl-3-butyn-2-ol into prenal：mechanistic observations on tricomponent catalyst systems of the type Ti(OR)4-CuCl-R'CO2H.Crystal structure of [CuCl(Me2C(OH)C≡CH)]4[J].Polyhedron，2000，19：1693-1698.

[13]徐乐，刘文青，张茜. 气相色谱法测定去氢芳樟醇合成柠檬醛样品含量[J]. 化学工程与装备，2014（11）：203-206.

[14]翁羽飞，郭世卓，王雅辉，等. 脱氢芳樟醇减压精馏过程形成的杂质结构表征[J].化工进展，2012，31（2）：300-303.

[15]吕胜建. 柠檬醛热敏性试验[J].青海大学学报（自然科学版），2002，20（3）：23-24.

[16]VICTORIO Cadierno，PASCALE Crochet，SERGIO E G G，et al. Metal-catalyzed transformations of propargylic alcohols into α,β-unsaturated carbonyl compounds：from the Meyer–Schuster and Rupe rearrangements to redox isomerizations[J]. The Royal Society of Chemistry，2010，39：4015-4031.

·本刊讯·

Synthesis of citral from dehydrolinalool catalyzed by titanium isopropylate

ZHAO Ningbo，ZHU Zhiqing
（School of Chemical Engineering，East China University of Science & Technology，Shanghai 200237，China）

Abstract：With titanium isopropylate as the primary catalyst and cuprous chloride as promoter，citral was synthesized from dehydrolinalool through Meyer-Schuster rearrangement in the presence of organic acid under nitrogen atmosphere. The optimized conditions were as follow：n(titanium isopropylate)∶n(cuprous chloride) was 4∶1，the dosage of catalyst (titanium isopropylate + cuprous chloride) was 3.5％ of dehydrolinalool，the amount of 4-methylbenzoic acid was 10％ of dehydrolinalool，the reaction was operated at 110℃ for 3h. The conversion of dehydrolinalool was 98.8％ and the yield of citral was 88.4％. Citral with purity of ≥97％ was separated from reaction mixtures by steam distillation. The product was characterized by means of FTIR and the main impurities in the citral were also identified . The synthesis mechanism of citral from dehydrolinalool was discussed.

Key words：titanium isopropylate; cuprous chloride; dehydrolinalool; citral

中图分类号：TQ 651+.1

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）04–1203–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.038

收稿日期：2015-09-09；修改稿日期：2015-09-21。