CoCl2·6H2O协同NaBH4催化还原柠檬烯合成1-甲基-4-异丙基环己-1-烯

王小淑，朱守记

(1.广西科技师范学院食品与生化工程学院 广西高校制糖工程综合技术重点实验室，广西 来宾 546199；2.韩山师范学院化学与环境工程学院，广东 潮州 521041)

柠檬烯又称苧烯，是一种重要的单萜烯类化合物，广泛存在于柑橘类植物精油中，被FDA鉴定为安全的化合物[1-3]。柠檬烯有两个C=C，分别位于环内和环外，化学性质活泼，通过化学改性得到的含对孟烷结构的衍生物具有良好的生物活性，如除草活性、抑菌活性等[4-9]，已成为研究者的关注热点。但在化学改性过程中会有较多副产物产生，导致目标产物选择性低，分离提纯难度大。如Bortnick[10]通过Ritter反应将柠檬烯转化为N,N-二甲酰基-1,8-对孟烷二胺，并进一步水解制备1,8-对孟烷二胺，产率仅为37%；Bambagiotti等[11]利用柠檬烯在醋酸汞作用下进行羟汞化反应，并通过硼氢化钠进一步还原制备桉叶油素(含对孟烷结构单元)，产率不足30%。柠檬烯结构中的两个C=C反应活性有差异，环外C=C活性官能团空间位阻较小，更易被还原。因此，可先通过加氢选择性还原环外C=C不饱和键合成中间体1-甲基-4-异丙基环己-1-烯，再进一步通过化学改性合成含对孟烷结构的衍生物，以提高目标产物产率。

路易斯酸和NaBH4协同催化还原不饱和双键是制备饱和化合物的一种常见方法[12-13]。在DMF等介质中，NaBH4在过渡金属氯化物的协同作用下是一种温和的加氢试剂，在常温条件下即可将C=C加氢还原[14-15]。基于此，作者以DMF为溶剂，对常温条件下CoCl2·6H2O协同NaBH4催化还原柠檬烯合成1-甲基-4-异丙基环己-1-烯进行研究，以期为提高含对孟烷结构衍生物产率提供帮助。

1 实验

1.1 试剂与仪器

柠檬烯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)、硼氢化钠(NaBH4)等均为分析纯。

Agilent 6890N/5973N型气质联用仪，美国Agilent公司；GC-2014AF型气相色谱仪，日本Shimadzu公司。

1.2 方法

1.2.1 合成方法

常温条件下，以DMF为溶剂，通过CoCl2·6H2O协同NaBH4催化还原柠檬烯(Ⅰ)合成1-甲基-4-异丙基环己-1-烯(Ⅱa)，化合物Ⅱa通过异构化后可转变为1-甲基-4-异丙基环己-3-烯(Ⅱb)，也可进一步被还原为顺-1,8-对孟烷(Ⅱc)和反-1,8-对孟烷，以顺-1,8-对孟烷(Ⅱc)为主。合成路线如图1所示。

图1 CoCl2·6H2O协同NaBH4催化还原柠檬烯的路线

称取柠檬烯(Ⅰ)1.36 g(10 mmol)和一定量CoCl2·6H2O(其物质的量约为NaBH4物质的量的88%)，置于100 mL单口圆底烧瓶中，磁力搅拌下加入20 mL二氯甲烷及20 mL DMF；称取一定量NaBH4加入到15 mL DMF中，超声溶解后再缓慢滴加至圆底烧瓶中，常温下进行柠檬烯还原反应。反应结束后，对反应液进行分析。

1.2.2 分析方法

采用气质联用仪对化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc进行GC-MS分析，采用气相色谱仪对反应液中各组分含量进行分析。

色谱条件：FDI检测器，HP-5型石英毛细管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)，以N2为载气，检查器和进样口温度均为270 ℃。升温程序：初温70 ℃，保持2 min；以3 ℃·min-1升温至100 ℃；再以10 ℃·min-1升温至270 ℃，保持2 min。

2 结果与讨论

2.1 还原产物的组成与结构表征

在常温条件下，以DMF为溶剂，CoCl2·6H2O协同NaBH4催化还原柠檬烯的产物有3种：Ⅱa、Ⅱb和Ⅱc。反应液的气相色谱图如图2所示，化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc的GC-MS图谱如图3所示。

图2 反应液的气相色谱图(反应时间1.5 h)

从图3可知，化合物Ⅱa的GC-MS图谱与1-甲基-4-异丙基环己-1-烯的标准图谱的匹配度为95；化合物Ⅱb的GC-MS图谱与1-甲基-4-异丙基环己-3-烯的标准图谱的匹配度为96；化合物Ⅱc的GC-MS图谱与顺-1,8-对孟烷的标准图谱的匹配度为96。据此可推断，CoCl2·6H2O协同NaBH4催化还原柠檬烯的产物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc分别为1-甲基-4-异丙基环己-1-烯、1-甲基-4-异丙基环己-3-烯和顺-1,8-对孟烷，其主要质谱碎片如下：Ⅱa，EI-MS,m/z:138.2[M]+,123.1[M-CH3]+,95.1[M-CH(CH3)2]+；Ⅱb，EI-MS,m/z:138.2[M]+,123.1[M-CH3]+,95.1[M-CH(CH3)2]+；Ⅱc，EI-MS,m/z:140.2[M]+,125.2[M-CH3]+,97.1[M-CH(CH3)2]+。

图3 化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc的GC-MS图谱(a、b、c)及对应的标准图谱(d、e、f)

2.2 合成条件优化

2.2.1 反应时间对产率的影响

在NaBH4与柠檬烯物质的量比为1∶1时，反应时间对化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc产率的影响如图4所示。

从图4可知，反应不同时间，目标化合物Ⅱa的产率最高(57%～70%)；在1.0～2.5 h范围内，随着反应时间的延长，目标化合物Ⅱa和化合物Ⅱb的产率逐渐降低，化合物Ⅱc的产率逐渐升高。实验发现，当NaBH4与柠檬烯物质的量比为1∶1、反应1.0 h时，原料柠檬烯已被完全还原，转化率为100%，目标化合物Ⅱa的产率和选择性均达到70%。随着反应时间的延长，目标化合物Ⅱa会被进一步还原为化合物Ⅱc，所以反应时间不宜过长；但反应时间过短(<1.0 h)，原料柠檬烯尚未被完全还原。因此，反应时间以1.0 h较合适。

图4 反应时间对化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc产率的影响

2.2.2 NaBH4与柠檬烯物质的量比对产率的影响

催化剂与原料物质的量比是影响原料转化率和目标化合物产率的重要因素之一。在反应时间为1.0 h时，NaBH4与柠檬烯物质的量比对产率的影响如图5所示。

从图5可知，随着NaBH4与柠檬烯物质的量比的增大，目标化合物Ⅱa的产率先快速升高后趋于稳定，在NaBH4与柠檬烯物质的量比为1∶1时，产率达到最高。这是因为，当NaBH4与柠檬烯物质的量比较小(0.5∶1)时，催化剂NaBH4的用量不足，不能提供足够的氢还原柠檬烯，导致目标化合物Ⅱa的产率较低；随着NaBH4用量的增加，有助于原料和催化剂的充分接触，促使柠檬烯被还原得更加彻底，目标化合物Ⅱa的产率相应升高。实验发现，NaBH4与柠檬烯物质的量比对化合物Ⅱb的产率影响不大，而化合物Ⅱc的产率随着NaBH4与柠檬烯物质的量比的增大而缓慢升高。综合考虑，NaBH4与柠檬烯物质的量比以1∶1较合适。

图5 NaBH4与柠檬烯物质的量比对化合物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc产率的影响

3 结论

在常温条件下，以DMF为溶剂，CoCl2·6H2O协同NaBH4能够快速催化还原柠檬烯合成1-甲基-4-异丙基环己-1-烯，副产物为1-甲基-4-异丙基环己-3-烯和顺-1,8-对孟烷等。在NaBH4与柠檬烯物质的量比为1∶1、反应时间为1.0 h的优化条件下，柠檬烯的转化率达到100%，1-甲基-4-异丙基环己-1-烯的产率达到70%。该方法具有反应条件温和、产率高等优点，对具有生物活性的含对孟烷结构衍生物的开发具有积极意义，为丰富农药和医药产品奠定了良好的基础。