超临界二氧化碳介入的α-松油醇催化合成1，8-桉叶素

洪燕珍，王笛，李卓昱，徐亚南，王宏涛，苏玉忠，彭丽，李军

（厦门大学化学化工学院，福建厦门361005）

引 言

1,8-桉叶素具有良好的抗菌、消炎、防腐和杀虫驱蚊作用，广泛地应用于香精香料、卫生和医药等领域，具有广阔的市场前景[1-5]。目前制备1,8-桉叶素方法主要包括天然提取法和化学合成法[6-13]。天然提取法存在桉叶油出油率低、杂质多、萃取得率低等问题，而且由于桉树自身生长特性，易给生态环境造成不利的影响，多地政府已陆续出台限桉令或禁桉令，天然提取法的原料来源成为难题。因此，化学合成法将是制备1,8-桉叶素的主要途径。

Mitchell[14]、Fariña 等[15]和崔军涛等[16]利用液体酸催化松油醇合成1,8-桉叶素，但液体酸用量大且回收利用困难。Leão Lana 等[17-18]和张东丽等[19-20]采用固载型磷钨酸/二氧化硅为催化剂，催化α-松油醇异构合成1,8-桉叶素，α-松油醇的转化率和1,8-桉叶素的选择性最高分别为100%和42.60%，但存在PW易被洗脱、活性低等问题[21-22]。

本课题组前期探索了磷钨酸/聚离子液体(PW/PIL)催化剂催化α-松油醇异构合成1,8-桉叶素，在环己烷为溶剂，环己烷/α-松油醇/催化剂的质量比为33.7∶1∶0.388 时，常压50℃反应8 h，α-松油醇的转化率为100%，1,8-桉叶素的选择性为51.7%[23-25]。但该条件下有机溶剂用量较大，不利于工业化生产。为此，寻找合适的溶剂体系，兼具提高溶胀效应和降低溶剂极性的作用，有效地降低有机溶剂的用量，并进一步提高1,8-桉叶素的选择性成为亟需解决的问题。

超临界CO2具有无毒、无残留、扩散阻力小等优势，用超临界CO2替代反应过程中大量使用的有机溶剂，引起了研究者的广泛关注。本研究提出并建立超临界CO2介入α-松油醇异构合成1,8-桉叶素的方法，以降低有机溶剂用量，提高1,8-桉叶素选择性，开发一种绿色环保高效的1,8-桉叶素催化合成工艺。以二极管阵列检测器测定超临界CO2下体系的极性，并研究超临界CO2对溶剂体系极性和溶胀效应的影响，以理解超临界CO2中α-松油醇异构合成1,8-桉叶素的反应机理。

1 实验材料和方法

1.1 试剂与仪器

CO2，≥99.9%，林德气体（厦门）有限公司；环己烷，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；α-松油醇，≥98.0%，百灵威科技有限公司；酚蓝，97%，Sigma-Aldrich 公司；1,8-桉叶素，≥99.5%，福建省闽山化工有限公司。磷钨酸，AR，国药集团化学试剂有限公司。1-丁基-3-乙烯基咪唑溴盐，99%，兰州雨陆精细化工有限公司。超临界CO2反应装置，自制；气相质谱联用仪，岛津制作所，QP2010 型；气相色谱仪，安捷伦科技有限公司，GC7890A。

1.2 PW/PIL催化剂的制备

称取一定量的1-丁基-3-乙烯基咪唑溴盐溶解于甲醇中，加入引发剂偶氮二异丁腈进行聚合反应，真空干燥获得固体PIL。PW 与1-丁基-3-乙烯基咪唑溴盐单体摩尔比为1∶3，将PW乙醇溶液以固定的速度滴加至PIL 乙醇溶液中搅拌反应，反应所得悬浊液采用超临界CO2进行干燥，制备得PW/PIL催化剂[23,26]。

1.3 1，8-桉叶素的合成

自制的超临界CO2反应装置如图1 所示，称取3 g α-松油醇和相应比例的环己烷置于高压釜中，加热至预设温度，加入定量所制备的PW/PIL 催化剂，密封高压釜。通过压缩机注入CO2达到反应压力，搅拌反应至预定时间后，缓慢泄压并降温收集产物。采用气相质谱联用仪和气相色谱仪对产物进行分析。

2 实验结果与讨论

2.1 常压下环己烷用量的影响

由于聚离子液体具有柔性骨架，PW/PIL 在环己烷体系中出现明显的溶胀现象，有利于活性组分PW 在反应体系中充分暴露，促进α-松油醇的催化反应。常压下，PW/PIL 催化剂与α-松油醇的摩尔比为0.0163∶1，50℃反应8 h 时，考察了溶剂环己烷用量对催化效果的影响。采用分光光度计，通过酚蓝的溶剂化显色效应，测量了不同环己烷/α-松油醇组成下的体系最大吸收波长，结果见图2。

图1 超临界CO2反应装置图Fig.1 The schematic diagram for reaction in supercritical CO2

由图可知，随着环己烷量的减少，体系最大吸收波长增大，体系极性逐渐增大，催化剂的溶胀效应减弱呈团聚趋势，活性组分PW 的分散性降低，导致转化率和选择性均下降。当环己烷/α-松油醇的质量比降低到10∶1 以下时，催化剂出现团聚现象，推测体系极性对催化效果具有非常重要的影响。据此，提出了挥发性和非极性的超临界CO2介入该反应体系，与非挥发性和极性的离子液体可形成性能独特的两相体系，将降低有机溶剂用量，推动催化过程绿色化。

2.2 超临界CO2对极性的影响

当溶剂极性变高时，最大吸收波长向短波移动，即蓝移；最大吸收波长向长波移动，即红移。Kelley 等[27]采用高压紫外可见光谱装置检测了CO2/有机溶剂混合体系的极性变化，随着CO2含量的增大，混合体系的最大吸收波长向短波移动，体系极性降低。本研究则采用二极管阵列检测器（超临界流体色谱仪自带，美国Waters 公司，SFC Pre30 型）测量高压下α-松油醇/环己烷/CO2体系的最大吸收波长，与常压下的环己烷/α-松油醇的最大吸收波长进行比较（表1），当CO2压力增大时，体系的最大吸收波长减小。

由图3 可知，在一定压力下，随着CO2的增加，α-松油醇/环己烷/CO2体系的最大吸收峰的位置向短波移动，体系的最大吸收波长减小，体系极性减小。该方法具有良好的准确性，快速、简便地获取高压体系的极性变化趋势，可指导α-松油醇催化过程研究。

表1 α-松油醇/环己烷体系的最大吸收波长Table 1 The maximum absorption wavelength of the α-terpineol/cyclohexane mixture

图3 超临界CO2下α-松油醇/环己烷体系的最大吸收波长Fig.3 The maximum absorption wavelength of the α-terpineol/cyclohexane mixture in supercritical carbon dioxide

2.3 超临界CO2对α-松油醇/环己烷体系的溶胀作用

一定温度、压力下，采用高压可视釜[28-29]，研究了超临界CO2/环己烷、超临界CO2/α-松油醇以及超临界CO2/α-松油醇/环己烷的溶胀情况；利用Peng-Robinson状态方程结合Panagiotopoulos-Reid 混合规则，对超临界CO2/环己烷体系的溶胀率进行计算，结果如图4 所示。在二元体系中，随着CO2压力的增大，环己烷的体积增大，说明环己烷可被二氧化碳溶胀；在CO2压力较小时，环己烷的溶胀效果较不明显，当CO2压力在临界值附近，其溶胀效果突增，与计算结果吻合。超临界CO2对α-松油醇的溶胀效果不明显，表明CO2在α-松油醇中的溶解度较低。在三元体系中，超临界CO2溶胀α-松油醇/环己烷混合溶液的趋势，与纯环己烷的基本一致。由此说明，超临界CO2可以较好地溶胀α-松油醇/环己烷体系。

图4 超临界CO2/α-松油醇/环己烷体系的溶胀曲线Fig.4 Volume expansion of the supercritical carbon dioxide/α-terpineol/cyclohexane systems

2.4 超临界CO2介质中环己烷用量的影响

在CO2压力13.0 MPa，环己烷为溶剂，PW/PIL催化剂/α-松油醇的摩尔比0.0163∶1，50℃反应8 h 的条件下，考察了环己烷用量对α-松油醇转化率和1,8-桉叶素选择性的影响（图5）。随着环己烷/α-松油醇的质量比的增大，α-松油醇转化率和1,8-桉叶素选择性均呈增大趋势。当质量比升高至10∶1后，1,8-桉叶素的选择性基本稳定，保持在50%左右，α-松油醇的转化率略有增高。相较于常压溶剂体系（图2），当环己烷/α-松油醇的质量比小于10∶1时，CO2的介入显著提高α-松油醇的转化率和1,8-桉叶素的选择性。

超临界CO2的介入，既能溶胀环己烷又能充当溶剂，使催化剂得到更好的分散，活性组分PW 更易暴露于反应体系中，提高催化效果。同时，超临界CO2的介入降低了溶剂体系的极性（表1），改善催化剂的团聚现象，促进PW/PIL-4 的催化作用。当环己烷与α-松油醇质量比为10∶1时，1,8-桉叶素的选择性可达到55.8%。综合转化率和经济性，较佳的环己烷/α-松油醇的质量比为10∶1。

2.5 反应压力的影响

在环己烷为溶剂，PW/PIL 催化剂/α-松油醇的摩尔比为0.0163∶1，环己烷/α-松油醇的质量比为10∶1，50℃反应8 h 的条件下，分别考察了CO2压力为5.0、7.0、13.0、19.0 MPa下的α-松油醇转化率和1,8-桉叶素选择性，结果如图6所示。

图5 超临界CO2中溶剂用量对催化活性的影响Fig.5 Effect of solvent usage in supercritical carbon dioxide on catalytic activity

图6 超临界CO2中压力对催化活性的影响Fig.6 Effect of pressure in supercritical carbon dioxide on catalytic activity

由图可知，当压力增大时，可提高α-松油醇的转化率和1,8-桉叶素的选择性。当压力为19.0 MPa时，α-松油醇的转化率89.3%，1,8-桉叶素的选择性为54.6%。

超临界CO2压力越高，超临界CO2/环己烷溶剂体系的渗透性越强，越有利于α-松油醇进入催化剂的活性中心进行反应，提高了α-松油醇的转化率；同时超临界CO2的介入降低了溶剂体系的极性，不仅改善催化剂的团聚现象，还有助于极性较低的1,8-桉叶素从活性中心脱附出来，进入聚离子液体的疏水相，提高了1,8-桉叶素的选择性。考虑到操作的实际性，避免过高压力，较佳的压力为19.0 MPa。

2.6 超临界CO2介入下PW/PIL 催化α-松油醇可能的反应机理

PW/PIL 催化α-松油醇合成1,8-桉叶素的过程中，载体PIL的亲油性质与活性组分PW 的亲水性形成了催化剂表面微环境的亲疏水平衡，促进极性分子α-松油醇迅速从催化剂表面进入PW 阴离子建构的“假液相”[30-32]体相内，α-松油醇在“假液相”内被质子化形成中间产物，中间产物脱水生成1,8-桉叶素及其副产物，极性较低的产物1,8-桉叶素从活性中心不断地脱附，进入PIL 的疏水相内，从而促进α-松油醇异构合成1,8-桉叶素，提高了1,8-桉叶素的选择性[23-24]。

超临界CO2介入，起到了充当共溶剂、膨胀溶剂和降低体系极性的三重作用，更有助于极性分子α-松油醇迅速进入PW/PIL 催化剂构成的“假液相”中，被质子化生成中间体C10H17OH2+和C10H18OH+。随着CO2压力增大，溶剂体系极性降低，α-松油醇更易于被质子化生成中间体C10H18OH+进而生成1,8-桉叶素，且极性较低的1,8-桉叶素也更易于从活性中心脱附，有效地促进了主反应的正向进行，提高了1,8-桉叶素的选择性和收率。

3 结 论

(1)提出了超临界CO2介入α-松油醇异构合成1,8-桉叶素的绿色高效方法，有效地降低了有机溶剂的用量，提高了1,8-桉叶素的选择性。当CO2压力为5.0～19.0 MPa，随着压力增大，α-松油醇的转化率和1,8-桉叶素的选择性均增大。优化出超临界CO2介入的催化条件：环己烷/α-松油醇的质量比10∶1，PW/PIL 催化剂/α-松油醇的摩尔比0.0163∶1，CO2压力19.0 MPa，50℃反应8 h，α-松油醇的转化率为89.3%，1,8-桉叶素的选择性为54.6%。

(2) 探讨了超临界CO2作为共溶剂介入下PW/PIL催化α-松油醇可能的反应机理，溶剂膨胀，体系极性降低，催化剂更好地分散在溶剂中，从而促进α-松油醇被质子化生成中间体C10H18OH+，抑制α-松油醇被质子化生成中间体C10H17OH+2，有利于α-松油醇异构生成1,8-桉叶素。