6-O-孟氧羰基-D-半乳糖酯的合成及应用

沈 怡, 孙玉峰, 杨 涓, 闻 静, 章 岚, 郑 健, 李 力

(四川中烟工业有限责任公司 技术中心 卷烟减害降焦四川省重点实验室， 四川 成都 610066)

卷烟保润剂具有维持烟支含水率稳定、减少香精香料挥发、保持卷烟内在质量相对稳定和降低烟气刺激性等作用。化学合成或修饰、从植物中提取制备是开发新型卷烟保润剂的两个重要途径。在化学合成或修饰开发保润剂方面，许春平等[1]对怀山药多糖进行了羧甲基化修饰；卢昶彤等[2]合成了2-L-丙氨酸-2-脱氧-D-葡萄糖；邹鹏等[3]合成了聚丙烯酸葡萄糖酯；唐丽等[4]合成了硬脂酸改性普鲁兰多糖衍生物；本课题组[5]合成了1-O-[3-(2-呋喃基)丙烯酰基]-β-D-吡喃果糖；陈芝飞等[6-7]合成了1-O-羧甲基-D-果糖、1-O-羟乙基-D-果糖和6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖；曾世通等[8]合成了β-紫罗兰醇葡糖苷。在从植物中提取制备开发保润剂方面，王小莉等[9]采用水提醇沉法从香加皮中提取了香加皮多糖；黄芳芳等[10]采用不同的提取分离方法从铜藻中得到四种铜藻多糖提取物；陶陶等[11]采用闪式提取方法得到葫芦巴多糖；邹鹏等[12]采用超滤分离方法获得香菇多糖。目前尚未见薄荷型卷烟保润剂的研究报道。

Scheme 1

薄荷型卷烟是中式卷烟大品类中的一个细分品类，其口味以清凉著称。由于薄荷醇具有很强的挥发性，在生产过程中易挥发转移，烟草化学研究人员和卷烟设计人员在薄荷醇的稳定性和持久性方面做了大量工作[13]。本文采用功能基团拼合策略，将薄荷醇与具有保润性能的半乳糖进行拼合，设计并合成了一种6-O-孟氧羰基-D-半乳糖酯(I)目标物，期望该目标物在具有保润作用的同时具有潜香作用，在卷烟燃烧过程中热裂解释放出薄荷类香味成分，以克服薄荷型卷烟在生产和贮存过程中薄荷醇易挥发损失的不足。在参照文献[14-15]的基础上，以薄荷醇(1)和半乳糖(4)为起始原料，经4步反应合成了6-O-孟氧羰基-D-半乳糖酯(I)(Scheme 1)。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

PerkinElmer 341型旋光仪；Unity INOVA 400 MHz 型核磁共振仪(DMSO-d6为溶剂，TMS为内标)；Waters Q-TOF Premier型质谱仪；Clarus 600型气相色谱-质谱联用仪；Pyroprobe 5200型热裂解仪。

云南陆良C2F等级单料烟丝(四川中烟工业有限责任公司)；其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1) 氯甲酸薄荷醇酯(3)的合成

称取碳酸三氯甲基酯(2)6.83 g(23.0 mmol)溶解于200 mL 无水CH2Cl2中，室温搅拌至固体全溶后，将反应瓶置冰盐浴中，降温至0 ℃后，加入薄荷醇(1)10.3 g(66.0 mmol)，搅拌均匀后，滴加无水吡啶5.6 mL(69.0 mmol)，控制滴加速度，使反应液温度维持在0 ～10 ℃，滴毕，升温至室温搅拌过夜，即得氯甲酸薄荷醇酯(3)的二氯甲烷溶液，直接用于下步反应。

(2) 1,2:3,4-二-O-异丙叉基-D-半乳糖(5)的合成

依次称取半乳糖(4)9.91 g(55.0 mmol)、无水CuSO421.90 g(137.5 mmol)和浓H2SO4(1.10 mL)溶解于300 mL丙酮中，室温搅拌12 h(TLC监测)。抽滤，滤液用Ca(OH)2调节pH至中性，抽滤，所得滤液减压浓缩得淡黄色油状液体1,2:3,4-二-O-异丙叉基-D-半乳吡喃糖(5) 13.80 g，收率95.6%。

(3) 6-O-孟氧羰基-1,2:3,4-二-O-异丙叉基-D-半乳糖酯(6)的合成

称取1,2:3,4-二-O-异丙叉基-D-半乳吡喃糖(5)粗品13.80 g(52.6 mmol)和三乙胺14.64 mL(105.2 mmol)溶解于100 mL二氯甲烷中，搅拌均匀后，将反应液置冰盐中冷却至0～5 ℃，滴加上步制得的氯甲酸薄荷醇酯(3)的二氯甲烷溶液，控制滴加速度，使反应液温度不超过5 ℃，约15 min滴完，室温反应20 h(TLC监测)。将反应液转入分液漏斗中，有机层依次用100 mL 5%盐酸水溶液、100 mL饱和NaHCO3水溶液和饱和NaCl水溶液(2×100 mL)洗涤，无水Na2SO4干燥，过滤，减压除去溶剂得棕黄色油状液体6-O-孟氧羰基-1,2:3,4-二-O-异丙叉基-D-半乳糖酯(6)粗品22.65 g，此粗品无需纯化直接用于下步反应。

(4) 6-O-孟氧羰基-D-半乳糖酯(I)的制备

1.3 物理保润性能

参照文献[16]的方法进行化合物I的物理保润性能测试。按照4 g/kg 的用量分别将I和丙二醇均匀添加于单料烟丝中，制得I和丙二醇的加样烟丝，另取未作添加的单料烟丝作为空白烟丝。将3种烟丝置于温度22 ℃、相对湿度65%的恒温恒湿箱中平衡48 h后，各取6份，每份10 g；其中两份用烘箱法测定初始含水率，两份置于温度22 ℃、相对湿度38%的玻璃干燥器中(底部有浓度为84%的丙三醇溶液并置于22 ℃恒温房间内)，两份置于温度22 ℃、相对湿度85%的玻璃干燥器中(底部有氯化钾饱和溶液并置于22 ℃恒温房间内)。第1 d称重两次，以后每天称重一次；至含水率变化速率降低时，改为每两天称重一次；至含水率接近平衡时，逐步延长称重间隔直至含水率基本恒定。根据样品初始含水率，用差量法计算各份烟丝在不同测试时间的即时含水率，测定结果取两份平行样的均值。

1.4 热裂解-气质联用

取10 μg目标化合物I，置于裂解仪中，在空气氛围中，分别于200、 300、 500、 700和900 ℃下进行热裂解，并采用GC/MS分析其裂解产物。

1.5 感官评吸

按照4 g/kg 的用量分别将I和丙二醇均匀添加于单料烟丝中，制得I试验卷烟和丙二醇对照卷烟，另取未作添加的单料烟丝制得空白对照卷烟，并置于温度22 ℃、相对湿度60%的环境中平衡48 h，由7人组成的专业评吸小组按照GB 5606.4-005进行感官评吸评价。

2 结果与讨论

2.1 合成

D-半乳糖分子中存在多个羟基，反应选择性差，若用氯甲酸薄荷醇酯(3)直接与D-半乳糖(4)反应，虽然可以得到目标化合物(I)，但酯化产物组分较复杂，纯化困难；为此，参考相关文献[14]，先用异丙叉基将D-半乳糖(4)的1,2和3,4位羟基进行保护，再与氯甲酸薄荷醇酯(3)反应，最后脱除异丙叉基保护基即可区域选择性地得到目标化合物6-O-孟氧羰基-D-半乳糖酯(I)。在6-O-孟氧羰基-1,2:3,4-二-O-异丙叉基-D-半乳糖酯(6)脱除异丙叉基的反应中，在参照文献[15]的基础上，选择以50%的三氟乙酸水溶液来脱除异丙叉基保护基，可以较高产率制得目标化合物，且反应条件温和、操作简便。另外，由于合成的6-O-孟氧羰基-D-半乳糖酯(I)在其半乳糖基的C1位羟基存在差向异构化，所得到的目标物为α-和β-异构体混合物，通过1H NMR中的积分面积，计算得目标物中α-和β-异构体的比例约为2/3。

2.2 物理保润性能

在温度22 ℃、相对湿度38%条件下放置至含水率平衡时，空白烟丝、添加丙二醇和I的烟丝的含水率分别比初始含水率下降69.40%、 65.58%和61.80%；添加I的烟丝的平衡含水率分别比添加丙二醇的烟丝和空白烟丝高12.03%和22.20%； 3种烟丝的含水率变化曲线见图1。对其含水率差异显著性进行分析，F统计量值远大于F临界值(P< 0.05)，表明此实验条件下添加剂对烟丝含水率的影响极显著，即干燥条件下目标化合物I的保润性能优于丙二醇。

Time/d

Time/d

在温度22 ℃、相对湿度85%条件下放置至含水率平衡时，空白烟丝、添加丙二醇和I的烟丝的含水率分别升高88.58%、 89.30%和84.97%；添加I的烟丝的平衡含水率分别比添加丙二醇的烟丝和空白烟丝低1.36%和3.98%； 3种烟丝的含水率变化曲线见图2。对其含水率差异显著性进行分析，F统计量值远大于F临界值(P< 0.05)，表明此实验条件下添加剂对烟丝含水率的影响极显著，即潮湿条件下目标化合物I的防潮性能优于丙二醇。

2.3 热裂解-气质联用

不同温度下目标化合物I的热裂解-气质联用分析结果：200 ℃和300 ℃时，I几乎不裂解；在500～900 ℃，I的主要裂解产物为薄荷醇和薄荷烯，另含有少量薄荷醇的进一步裂解产物，如：4-甲基-1-异丙稀环己烷、环己烯、甲苯和苯；900 ℃时，薄荷醇和薄荷烯的相对百分含量之和为83.81%(表1)。结果表明，目标化合物I热裂解时主要释放出薄荷类香味成分。

表1 I的主要热裂解产物

2.4 感官评吸

感官评吸结果：与添加丙二醇的对照卷烟相比，添加I的烟支在感官评吸时薄荷味明显、烟气干燥感和刺激性降低、余味改善，综合得分较添加丙二醇的烟支高2.8分，较空白卷烟提高4.7分(表2)。

表2 I的感官评吸结果

以半乳糖和薄荷醇为起始原料合成了目标化合物6-O-孟氧羰基-D-半乳糖酯，其结构经1H NMR、13C NMR和ESI-MS确证。结构表明：添加I和丙二醇的烟丝在温度22 ℃、相对湿度38%的条件下含水率分别比初始含水率下降61.80%和65.58%，在温度22 ℃、相对湿度85%的条件下含水率分别比初始含水率升高84.97%和89.30%，表明I在干燥条件下的保润性能和在潮湿条件下的防潮性能优于丙二醇。I热裂解时主要释放出薄荷类香味成分，900 ℃时，薄荷醇和薄荷烯的相对百分含量之和达83.81%。与添加丙二醇的对照卷烟相比，添加I的烟支在感官评吸时薄荷味明显、烟气干燥感和刺激性降低、余味改善，综合得分较添加丙二醇的烟支高2.8分，较空白卷烟提高4.7分；表明I可用于薄荷型卷烟保润剂的研制。