固体乙醛酸法合成香兰素工艺中氧化反应研究

马境含，刘福胜

(青岛科技大学 化工学院,山东 青岛 266042)

香兰素，俗称香草醛或香兰醛，化学名称为3-甲氧基-4-羟基苯甲醛，是一种白色或浅黄色结晶状粉末，具有香荚兰特有的香气及浓郁奶香味[1]。香兰素是一种广谱型香料，广泛应用于食品、化工、医药等行业。此外香兰素还是重要的有机合成中间体，其下游产品有 4,5-三甲氧基苯甲醛(TMB)、儿茶酸(3,4-二羟基苯甲酸)、藜芦醛(3,4-二甲氧基苯甲醛)等诸多产品，国内应用前景广阔[2]。目前，主要有三类方法获取香兰素：化学合成法、生物合成法和天然获取法[3-5]。但由于天然香兰素的产量难以满足世界的需求，仍需要人工合成。其中生物合成法目前还处于实验室研究阶段[6-7]，难以大量生产，故化学法仍是合成香兰素的主流方法。化学法可分为乙醛酸法、木质素法、黄樟素法、丁香酚法、对羟基苯甲醛法等。木质素法[8]合成工艺路线生成废料多，在国外正被陆续淘汰；丁香酚法[9]采用价位较高的丁香酚为原料，但丁香酚来源难保证；黄樟素法[10]工艺复杂，路线长，同时生成异香兰素，产品收率低；而我国对羟基苯甲醛[11]产量极低使得该法难以工业化。其中以乙醛酸为原料制备香兰素，因其具有工艺路线成熟、反应程度易于控制、产品收率较高、整体环境污染较小的优点，因而该工艺的深入研究很有必要[12-14]，但目前市面上多采用液体乙醛酸作为原料，乙醛酸水溶液中存在一定量的水，而且含有大量的醛类杂质如乙二醛等，难以满足高纯度香兰素制备的需求，故选择固体乙醛酸法合成香兰素，对氧化反应阶段的合成工艺进行了研究，考察了催化剂的种类及用量、反应时间、反应温度、反应体系碱性强弱、氧气压力等因素对实验结果的影响，得到了较为满意的研究结果。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

固体乙醛酸：工业品，青岛国林实业有限责任公司；愈创木酚：分析纯，天津市光复化工研究所；氢氧化钠、硫酸、甲苯：分析纯，莱阳经济技术开发区精细化工厂。

红外光谱仪：Nicolet 510P FT-IR，美国Thermo Nicolet公司； 超导核磁共振波谱仪：AVANCE500，布鲁克光谱仪器有限公司；气相色谱仪：Varian CP-3800，美国Varian公司；色谱柱DB-5：30 m×0.25 mm×0.25 μm，进样口温度250 ℃，检测器温度250 ℃，柱温：初始温度60 ℃保持1 min后，以25 ℃/ min的速率升温至220 ℃，在220 ℃保持12 min，分流比10∶1，直接进样，进样量1 μL。

1.2 实验原理

实验原理如下。

1.3 实验方法

(1) 在三口烧瓶中加入愈创木酚，用氢氧化钠调节pH值为碱性，在搅拌条件下同时滴加固体乙醛酸的水溶液和剩余氢氧化钠溶液，升温反应，反应结束后加入硫酸调节其为酸性，用甲苯萃取，水相为扁桃酸，待用。

(2) 向扁桃酸水溶液中加入氧化催化剂并调节溶液为碱性，转移至高压反应釜中，充入氧气，升温反应。

(3) 将反应后的产品进行脱羧，并用甲苯萃取，经减压蒸馏后得到粗品香兰素，计算收率。重结晶后，采用气相色谱法测产品纯度。香兰素收率通过以下公式计算：Y=m2/m1×100%，其中，m1为香兰素的理论产量；m2为香兰素的实际产量。

2 结果与讨论

2.1 氧化催化剂的选择

选取不同催化剂，在n(催化剂)∶n(扁桃酸)=0.67∶1，pH=13，pO2=2.0 MPa，反应温度控制在93 ℃，反应时间为8 h条件下，考察了氧化催化剂种类对收率的影响，结果见表1。

表1 催化剂种类对反应的影响1)

1) 收率以扁桃酸计。

由表1可知，选用了4种氧化性较弱的过渡金属铜作为催化剂，其中选取氧化铜为催化剂时，实验为非均相反应，香兰素收率不高，选择后三种铜盐作催化剂时，产品收率明显提升，羧酸铜作为催化剂具有较高的收率，因此选取羧酸铜为该反应的催化剂。

2.2 氧化催化剂用量的影响

选取羧酸铜为催化剂，在pH=13，pO2=2.0 MPa，反应温度控制在93 ℃，反应时间为8 h条件下，考察了氧化催化剂用量对收率的影响，结果见图1。

n(羧酸铜)∶n(扁桃酸)图1 氧化催化剂用量对香兰素收率的影响

由图1可见，以羧酸铜为氧化催化剂进行实验，催化剂过少，氧化反应未能完全进行，因而香兰素收率较低，随着氧化催化剂用量的增加，香兰素收率明显增加，但过量的铜盐会降低实验收率，生成树脂状物质。经实验，初步确定n(羧酸铜)∶n(扁桃酸)=0.67∶1时收率最高为86.9%。

2.3 反应时间的影响

在n(羧酸铜)∶n(扁桃酸)=0.67∶1，pH=13，pO2=2.0 MPa，反应温度控制在93 ℃条件下，考察了反应时间对收率的影响，结果见图2。

t/h图2 反应时间对香兰素收率的影响

由图2可见，随着时间的延长，香兰素的收率呈上升趋势，但在约8 h时，达到峰值，随后收率开始下降，因此选择8 h为较佳反应条件。

2.4 反应温度的影响

在n(羧酸铜)∶n(扁桃酸)=0.67∶1，pH=13，pO2=2.0 MPa，反应时间控制在8 h条件下，考察了反应温度对收率的影响，结果见图3。

t/℃图3 反应温度对香兰素收率的影响

由图3可知，随着反应温度的升高，收率有明显提升，在93 ℃时有较高的收率，随后收率开始下降，是因为温度过高产生黑色焦油，有副产物生成，大大影响了产品收率。

2.5 碱性强弱的影响

在n(羧酸铜)∶n(扁桃酸)=0.67∶1，pO2=2.0 MPa，反应时间为8 h，反应温度控制在93 ℃条件下，考察了碱性强弱对收率的影响，结果见图4。

pH图4 反应pH值对香兰素收率的影响

在该反应中，当反应体系的pH<12时，反应体系中的二价铜离子在碱性条件下先是以氢氧化铜的形式存在，随着反应体系温度升高，氢氧化铜脱水生成氧化铜，即二价铜离子始终是以氧化铜的形式存在，该状态的二价铜离子氧化效果并非最佳，反应体系在气液固三相共存的条件下，反应物之间的接触效果不佳直接导致了香兰素最终产率的降低。

2.6 氧气压力的影响

在n(羧酸铜)∶n(扁桃酸)=0.67∶1，pH=13，反应温度为93 ℃，反应时间控制在8 h条件下，考察了氧气压力对收率的影响，结果见图5。

pO2/MPa图5 氧气压力对香兰素收率的影响

由图5可以看出，随着氧气的通入，香兰素的收率有明显提升，在2.0 MPa时收率最高为86.4%。因为在反应时，溶液中的氢氧化铜被还原为氢氧化亚铜，易失水生成氧化亚铜，降低了催化剂的利用率。通入氧气，使氧化亚铜被氧气氧化为氢氧化铜，既减少了催化剂的用量，又提高了产品的收率。但通入的氧气过多则易造成过氧化，降低收率。

2.7 较佳条件下的重复性实验

由上述实验确定的较佳反应条件为n(羧酸铜)∶n(扁桃酸)=0.67∶1，pH=13，pO2=2.0 MPa，釜内温度控制在93 ℃，反应时间为8 h。在该条件下进行5次重复性实验，结果见表2。

表2 较佳条件下重复实验结果

由表2可知，在较佳条件下，产品收率可达约86%，实验结果的重复性较好。

2.8 产品的表征

采用气相色谱法对所得到的香兰素的纯度进行了分析，结果表明，产品质量分数99.5% 。

所得产物的红外谱图见图6。

σ/cm-1图6 香兰素红外谱图

所得产物的1H NMR谱图见图7。

δ图7 香兰素的核磁共振氢谱图

1H NMR(500 MHz，CDCl3)：δ=9.83(s，1H，—CHO)，δ=7.43(s，1H，—CH)，δ=7.27(s，1H，—CH)，δ=6.48(s，1H，—OH)，δ=7.05(s，1H，—CH)，δ=3.97(s，3H，—OCH3)。

通过上述表征可以确定，所得产物为香兰素。

3 结 论

(1) 以固体乙醛酸、愈创木酚、氢氧化钠为原料，选择羧酸铜做催化剂对香兰素合成中的氧化阶段进行了考察。确定的较佳反应条件为n(羧酸铜)∶n(扁桃酸)=0.67∶1、pO2=2.0 MPa、pH=13、温度93 ℃，反应时间8 h。在上述条件下，香兰素收率约在86%(以扁桃酸计)；

(2) 采用FT-IR和1H NMR对产物的结构进行了表征，证明所得产物结构正确。

参 考 文 献：

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