罗汉柏木烯合成罗汉柏木二醇研究

张 胜， 朱 凯,2*， 毛 萍

(1.南京林业大学 化学工程学院,江苏 南京 210037;2.南京林业大学 江苏省林业资源高效加工 利用协同创新中心,江苏 南京 210037；3.南京欧亚香精香料有限公司，江苏 南京 210037)

柏木二醇系列化合物是一种具有木香和可贵的动物香气息的柏木香料[1]，主要由α，β-柏木烯为原料制备得到[2-3]。其中罗汉柏木二醇是一种具有淡淡木香香气且留香时间较长的柏木系香料，可用于日用香精的调配[4]。罗汉柏木二醇是以罗汉柏木烯为原料通过双羟基化反应得到的[5]，但相关研究国内尚未有报道，国外的相关报道也比较少。罗汉柏木烯和α,β-柏木烯均来源于柏木油[6-7]。其中罗汉柏木烯可直接用于调香[8-10]，也可进行深加工合成附加值更高的天然等同香料[11-13]。但相比较而言，α,β-柏木烯在高端柏木系香料合成方面研究的较多[14]，而罗汉柏木烯没有被很好利用。因此，以罗汉柏木烯为原料合成罗汉柏木二醇的研究具有重要价值和工业化应用前景。罗汉柏木二醇大都以罗汉柏木烯为原料，四氧化锇为氧化剂合成得到[15]，但锇是贵金属，价格昂贵，且四氧化锇为管制品，有剧毒，因此，在实际使用中会受到一定限制。也有研究采用高锰酸钾为氧化剂[16]，在低温条件下，以丙酮为溶剂，用碱性的高锰酸钾水溶液缓慢滴加氧化罗汉柏木烯得到罗汉柏木二醇，但此条件下反应得到的副产物多，二醇得率只有25%，另有27%的罗汉柏木烯未参与反应，这可能是由于罗汉柏木烯不溶于水，以丙酮为溶剂无法做到KMnO4水溶液与罗汉柏木烯完全反应。本研究采用叔丁醇/水为溶剂，KMnO4为氧化剂，将低浓度的高锰酸钾水溶液滴入碱性的罗汉柏木烯中，在NaOH存在下进行双羟基化反应合成罗汉柏木二醇，并对其合成工艺进行优化。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

罗汉柏木烯(质量分数65%)，三明市梅列香料厂；KMnO4、NaOH，市售分析纯；叔丁醇(纯度≥99%)。Trace ISQ-LT气相色谱-质谱联用(GC-MS)仪，FINNIGAN公司；Nicolet- 6700型红外光谱(FT-IR)仪，美国Thermo Electron公司；AV- 600 MHz核磁共振波谱(1H NMR)仪，瑞士Bruker Biospin公司。

1.2 实验方法

将一定量的罗汉柏木烯、叔丁醇(38 mL)、H2O(19 mL)、NaOH(0.627 g)加入四口烧瓶中，搅拌下加热到一定温度，缓慢滴加60 mL的KMnO4水溶液，反应若干小时。反应完毕后，静置冷却至室温，减压抽滤，在滤液中加入乙酸乙酯进行萃取，分离出有机相，依次用10% Na2CO3溶液、蒸馏水洗涤有机相至中性，然后加入饱和NaCl溶液进行洗涤，用无水硫酸镁干燥，旋蒸除去溶剂得到粗产物，采用石油醚重结晶得到罗汉柏木二醇。

1.3 分析方法

1.3.1GC-MS分析 GC-MS分析条件：DB-5MS毛细管柱(30 m×0.25 μm×0.25 μm)；初温100 ℃(保持3 min)，一阶升温速率5 ℃/min，终温200 ℃，二阶升温升温速率10 ℃/min，终温280 ℃(保留5 min)，气化室温度280 ℃，进样量为0.4 μL。EI离子源，质量范围35～460 u。

1.3.2FT-IR测定 采用红外光谱仪对产物进行表征，测定范围为500～4000 cm-1。

1.3.31H NMR测定 采用核磁共振波谱仪对产物进行表征，溶剂为CDCl3。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1反应时间 以罗汉柏木烯为原料，叔丁醇/水(体积比2 ∶1，下同)为溶剂，KMnO4为氧化剂，在n(KMnO4) ∶n(罗汉柏木烯)=1.2 ∶1，反应温度0 ℃，60 mL质量分数为4.5%的KMnO4水溶液条件下，考察了不同反应时间对罗汉柏木烯双羟基化反应的影响，结果如图1(a)。

由图可知，当反应时间从1 h增加到3 h时，罗汉柏木烯的转化率和罗汉柏木二醇的得率都有明显提高；当反应时间达到3 h时，罗汉柏木二醇的得率达到最高，为81.8%；当反应时间超过3 h，罗汉柏木二醇的得率有较明显的下降趋势。这可能是由于随着反应时间的延长，在反应过程中有副产物产生，从而降低了罗汉柏木二醇的得率。因此，反应时间选择3 h最为合适。

2.1.2反应温度 以罗汉柏木烯为原料，叔丁醇/水为溶剂，KMnO4为氧化剂，在n(KMnO4) ∶n(罗汉柏木烯)=1.2 ∶1，60 mL质量分数为4.5%KMnO4水溶液，反应时间3 h的条件下，考察了不同反应温度对罗汉柏木烯双羟基化反应的影响，结果如图1(b)所示。

由图可知，当温度从10 ℃升至40 ℃时，罗汉柏木烯的转化率和罗汉柏木二醇的得率都有明显提高，这可能是由于随着温度的升高，反应体系的活性增加，进而提高了催化效率；反应温度为40 ℃时，罗汉柏木二醇的得率达到最高，为84.7%。当温度高于40 ℃时，罗汉柏木二醇的得率开始出现明显的下降趋势，可能是因为温度过高，出现了副反应。因此，反应温度为40 ℃最为合适。

2.1.3KMnO4水溶液质量分数 以罗汉柏木烯为原料，叔丁醇/水为溶剂，KMnO4为氧化剂，在n(KMnO4) ∶n(罗汉柏木烯)=1.2 ∶1，反应时间3 h，反应温度40 ℃，KMnO4水溶液体积60 mL的条件下，考察了不同KMnO4水溶液质量分数对罗汉柏木烯双羟基化反应的影响，结果如图1(c)所示。

由图可知，当KMnO4水溶液质量分数小于5%时，随着KMnO4水溶液质量分数的增大，罗汉柏木烯的转化率和罗汉柏木二醇的得率也随之增加；当KMnO4水溶液质量分数达到5%时，罗汉柏木烯转化率和罗汉柏木二醇得率达到最大，分别为98.6%、 85.7%；当KMnO4水溶液质量分数大于5%时，罗汉柏木二醇得率开始下降，可能是因为随着KMnO4水溶液质量分数增大，反应体系中会产生副产物，影响罗汉柏木二醇得率。因此，KMnO4水溶液质量分数为5%时最为合适。

2.1.4物料物质的量比 以罗汉柏木烯为原料，叔丁醇/水为溶剂，KMnO4为氧化剂，在反应温度40 ℃，60 mL质量分数为5%KMnO4水溶液，反应时间3 h的条件下，考察了不同物料物质的量比对罗汉柏木烯双羟基化反应的影响，结果如图1(d)所示。

a.反应时间reaction time; b.反应温度reaction temperature; c.KMnO4水溶液质量分数mass fraction of KMnO4 aqueous solution；d.KMnO4与罗汉柏木烯物质的量比值molar ratio of KMnO4 and thujopsene图1 反应条件对罗汉柏木烯双羟基化反应的影响Fig.1 Effects of reaction conditions on the dihydroxylation reaction of thujopsene

由图可知，当KMnO4与罗汉柏木烯物质的量比小于1.6 ∶1时，随着KMnO4用量的增多，罗汉柏木烯的转化率和罗汉柏木二醇的得率也随之增加，二者物质的量比为1.6 ∶1时，罗汉柏木烯转化率和罗汉柏木二醇得率达到最大，分别为98.8%、 87.2%；当二者物质的量比大于1.6 ∶1时，罗汉柏木二醇得率开始下降，可能是因为随着KMnO4的用量增加，反应体系无法做到完全活化全部的KMnO4。因此，n(KMnO4) ∶n(罗汉柏木烯)=1.6 ∶1最为合适。

2.2 正交试验

以罗汉柏木二醇的得率作为考察指标，在单因素试验基础上，选定反应时间、反应温度、KMnO4水溶液质量分数和物料物质的量比4个因素进行正交试验，寻求最佳条件，结果见表1。

通过表1可知，各个因素对罗汉柏木二醇得率影响的大小次序为：物料比n(KMnO4) ∶n(罗汉柏木烯)>反应温度>KMnO4水溶液质量分数>反应时间。最优的实验方案：反应时间3 h，反应温度40 ℃，KMnO4水溶液质量分数为 5%，物料比n(KMnO4) ∶n(罗汉柏木烯)=1.8 ∶1。在此条件下，罗汉柏木二醇的收率为88.7%，罗汉柏木烯的转化率为98.3%，罗汉柏木二醇的选择性为90.2%。在最佳工艺条件下进行3次重复实验，罗汉柏木二醇得率分别为88.2%、 88.9%和89.2%，说明该实验条件稳定。

表1 正交试验结果Table 1 Results of orthogonal experiment

2.3 产物结构表征

2.3.1GC-MS分析 图2(a)为罗汉柏木二醇的质谱图。由图2(a)可知，m/z238为产物的分子离子峰，与目标产物罗汉柏木二醇的相对分子质量相符；m/z223处的峰为产物分子失去一个—CH3后的碎片离子峰；m/z205、 177处的峰为碎片离子峰m/z223依次失去H2O、CO后的碎片离子峰；m/z151处的峰为碎片离子峰m/z177 失去C2H2后的碎片离子峰。剩下的低m/z对应的是一些不饱和碳氢碎片峰，以及不饱和含氧碎片峰。

2.3.2FT-IR分析 图2(b)为罗汉柏木二醇红外光谱图。由图2(b)可知，3405和3307 cm-1处为邻位羟基的特征吸收峰；3062 cm-1为环烷烃的吸收峰；3002、 2929和2869 cm-1为CH3和CH2的C—H伸缩振动吸收峰；1461和1365 cm-1为CH3和CH2的C—H弯曲振动吸收峰，1037 cm-1处为C—O的伸缩振动吸收峰。这些峰与罗汉柏木二醇的主要特征峰相符。

2.3.31H NMR分析 图2(c)为罗汉柏木二醇的核磁共振谱图。

图2 罗汉柏木二醇的质谱图(a),红外光谱(b)和1H NMR谱图(c)Fig.2 MS(a),FT-IR(b) and 1H NMR(c) of thujopsane-8,9-diol

由图2(c)可知，在δ0.44处为1号位亚甲基氢；δ0.56处为2号位甲基氢；δ0.79和0.84处分别为3、4号位甲基氢；δ1.02处为5号位氢；δ1.06处为6号位甲基氢；δ1.12～1.45处为7、 8、 9和10号位亚甲基氢；δ2.13处为11号位氢；δ4.14和3.72处分别为2个羟基氢。由此可判定该化合物为罗汉柏木二醇。

2.4 讨论

对原有的高锰酸钾双羟基化罗汉柏木烯方法进行改进，将原来的低浓度碱性KMnO4滴入罗汉柏木烯改为低浓度KMnO4滴入碱性罗汉柏木烯，不仅将反应时间由12 h缩减到了3 h，二醇得率由25%提高到了88.7%，还无需低温反应，操作更简捷方便[16]。

3 结 论

3.1以KMnO4为氧化剂，叔丁醇/水(体积比2 ∶1)为溶剂，对罗汉柏木烯双羟基化合成罗汉柏木二醇的工艺进行优化，得到最佳工艺条件为：反应温度40 ℃，n(KMnO4) ∶n(罗汉柏木烯)1.8 ∶1，反应时间3 h，KMnO4水溶液质量分数为5%。在此条件下，罗汉柏木二醇的收率为88.7%，罗汉柏木烯的转化率为98.3%，罗汉柏木二醇的选择性为90.2%。

3.2通过FT-IR、和1H NMR等对合成产物的结构进行表征，确定产物为罗汉柏木二醇。