生物质基δ-癸内酯的合成研究

＊王天义 汪洋

（安徽华业香料股份有限公司 安徽 246300）

1.前言

丁位癸内酯又称δ-正戊基-δ-戊内酯或δ-癸内酯，具有强烈持久的奶油香特征，是调制牛奶和奶油香精的重要原料，同时也广泛用于调配椰子、草莓、桃等香料[1]。丁位癸内酯在人造奶油、冰淇淋、软饮料、糖果、焙烤食品及调味料中大量应用，市场需求量大[2]。

由于丁位癸内酯在香料中的重要性，自上世纪70年代以来，不断研究其生产工艺、技术及工业化生产，就目前而言，主要生产包括生物发酵法、酶法和化学合成三种。发酵法由于转化率低、生产成本高，仅限于实验室研究。酶法工艺路线为：选择合适的脂肪酶，以蓖麻油为底物产出丁位癸内酯，由于后处理繁琐，很难形成工业批量生产。化学合成法路线以环戊酮路线较有成本优势，利于形成工业化规模生产，但产品带有化学品气息，香气风格的差异在食品调香中的应用受到限制。

天然丁位癸内酯在日化香精中，广泛应用于人造奶油、各类糕点香精，以及一些日化香精和烟用香精中。现有的天然丁位癸内酯生产主要采用以下两种方法：一是用环己二酮与溴代正己烷反应，再氧化开环、还原和环合而得δ-癸内酯，此法合成过程比较繁琐，产率较低；二是用戊二酸二乙酯进行迪克曼缩合反应缩合，再用无水碳酸钾在丙酮中与溴代正庚烷反应，经脱羧、氧化得δ-癸内酯，此法成本合理，但步骤较长，收率不高[3]。

糠醛是一种目前尚不能通过化学方法合成的重要的基础有机化工原料，是从糖类化合物中所获得的唯一一种不饱和大比容有机化学品，其化学性质十分活泼，是应用广泛的有机化工中间体，随着世界范围内能源危机和环境问题的日益严峻，对糠醛的需求量将会持续增长。本文研究以生物质基糠醛为主要原料合成生物质基δ-癸内酯，将来源广泛、价格低廉的生物质原材料转变为具有高附加值的生物质基香料产品，不仅可以降低对化石资源的依赖程度，而且反应过程也符合绿色化[4]。

2.反应原理

(1)反应路线

采用天然正戊醇和盐酸进行氯化反应，分出水层，得到氯戊烷；然后在氮气条件下，以四氢呋喃为溶剂，氯戊烷和生物质基糠醛进行格氏反应，经中和水洗后，蒸馏回收四氢呋喃，得到戊基糠醇；在高温高压条件下，戊基糠醇进行重排反应，再经加氢和脱水，得到戊基环戊酮，氧化扩环戊基环戊酮，分离提纯得到生物质基δ-癸内酯香料产品。

(2)氯戊烷的合成

氯代正戊烷作为一种重要的精细化工产品，常用作有机合成及溶剂，目前国内氯代正戊烷工业化生产线较少[5]。氯戊烷一般由正戊烷氯化而得。先将戊醇用氯化氢脱水，在蒸发器中蒸发后，在生铁制的文丘里型混合器中，以高流速与氯气混合，再将混合气送入管式蒸发器的反应器中。生成物立即送进冷却器中冷却，以抑制二氯戊烷的生成，经冷却、分馏除去氯化氢、戊烷，即得氯戊烷成品。另一种制备方法是由正戊醇与氯化氢反应，先用盐酸溶解氯化锌，然后加入正戊醇，在120℃回流3h后进行蒸馏，所得粗品经洗涤、分馏制备氯戊烷[6]。本文采用天然正戊醇与盐酸进行氯化反应，分水后得到氯戊烷，反应原理如下：

(3)中间产物戊基糠醇合成

2-呋喃酮类化合物广泛存在于许多天然产物和药物中，它们具有很好的生物活性，同时许多2-呋喃酮类化合物也是重要的有机合成中间体[7]。戊基糠醇一般由可由2-呋喃基烯酮来进行制备[8]，本文采用氯代正戊烷制备成格式试剂，在于生物质基糠醛进行格式反应，中和水洗后，蒸馏回收溶剂得到戊基糠醇，反应原理如下：

(4)中间产物氧代戊基环戊烯醇合成

荣国斌等以环戊二烯为原料，以聚乙二醇类表面活性剂为相转移催化剂,先制得戊基取代环戊二烯，然后在甲醇溶剂中进行溴化，再经过酸性水解来得到[8]，或以丁二烯与乙酰乙酸乙酯在钯催化下，先得到2-乙酰基-4,9-癸二烯酸乙酯，再选择性加氢、脱酰、酰氯化、环化等步骤来实现[9]。本文以去离子水为溶剂，戊基糠醇在高温高压条件下进行重排，得到氧代戊基环戊烯醇，反应原理如下：

(5)戊基环戊酮合成

王北方等以Pd/C作为催化剂、甲醇作溶剂，由戊烯环戊酮经过常压催化加氢反应制得戊基环戊酮[10]。本文以甲苯为溶剂，氧代戊基环戊烯醇在Pd/C催化下加氢，然后在对甲苯磺酸催化剂作用下回流脱水，再经加氢，得到戊基环戊酮，反应原理如下：

(6)生物质基δ-癸内酯合成

丁位癸内酯可以间苯二酚为原料制备5-羟基癸酸,然后再脱水环化成丁位癸内酯[11]，也可以戊二酸酐为起始原料，和溴戊烷Grignard试剂在铜盐催化下反应得到5-氧代癸酸，5-氧代癸酸钠盐经硼氢化钠还原得到5-羟基癸酸钠；最后加盐酸酸化环合得到丁位癸内酯[12]。本文采用戊基环戊酮与过氧乙酸通过Baeyer-Villige氧化扩环，生成δ-癸内酯。反应原理如下：

3.实验步骤

(1)仪器和试剂

①仪器

7890N气相色谱仪（美国安捷伦）、ACF-300型核磁共振仪（德国Bruker）、Elementar Vario ELc元素分析仪（德国Elementar）、HWCL-3恒温磁力搅拌器（郑州长城科工公司），WYA-Z自动阿贝折射仪，DM40密度计（Mettler Toledo）、2XZ-1旋片真空泵（上海万精泵阀公司）、SHBIIIA型循环水式多用真空泵（上海豫康）、BT300L蠕动泵（河北雷弗）、DC(-20℃～100℃)低温恒温槽（杭州大卫科教仪器公司）、RE52C旋转蒸发仪（郑州予创仪器设备公司）、60cm玻璃填料分馏塔（自制）。

②试剂

天然正戊醇（99%，TFA）、生物质基糠醛（99%，Arkema）四氢呋喃（99%，AR）、盐酸（35%，AR）、镁屑（99%）、碳酸氢钠（98%，AR）、溴戊烷（99%，AR）、氮气（99.9%，安庆气体公司）、氢气（99.9%，安庆气体公司）、去离子水（自制）、氢氧化钠（98%，AR）、钯炭（5%，庄信）、甲苯（99%，AR）、对甲苯磺酸（98%，AR）、过氧乙酸（35%，汉隆）。

(2)氯代正戊烷的制备

利用250ml四口烧瓶，搭建带有恒温磁力搅拌器、玻璃填料分馏塔和尾气吸收的一体化装置，先向烧瓶釜加入天然正戊醇75g，然后投入35%盐酸96g，开启搅拌器，打开冷热一体交换器对烧瓶进行升温至80～120℃，开启分馏塔节冷凝水和尾气吸收装置，在此温度下进行氯化反应4～8h，反应过程中盐酸挥发产生的氯化氢气体通过尾气吸收装置冷凝后收集到盐酸吸收液接收瓶中，通过玻璃填料分馏塔收集反应产生的氯代正戊烷粗品。

反应结束后，向氯代正戊烷粗品中加入5%碳酸氢钠溶液调节反应液pH7～8，静置30min，分出水层，油层转移到旋转蒸发仪中，升温至80～100℃除去水分，得到氯代正戊烷58.3g，收率64.3%。

(3)格式试剂的制备

向250ml三口烧瓶中充入氮气，保持烧瓶内系统微氮气，然后加入150ml四氢呋喃、1ml溴戊烷，开启冷热一体交换机，控制烧瓶内温度在20～30℃，加入12g镁屑，开启搅拌器充分搅拌15min，搅拌溶解后，通过蠕动泵，缓慢滴加25g氯代正戊烷，滴加过程中控制反应温度在80℃以下，在2h内滴加完毕后继续搅拌反应1h，然后降低温度至常温，得到氯戊烷的格式试剂。

(4)戊基糠醇的制备

利用500ml四口烧瓶，搭建带有恒温磁力搅拌器、玻璃填料分馏塔一体化装置，向烧瓶中持续氮气，保持烧瓶内系统微氮气，将上述得到的氯戊烷的格式试剂加入到烧瓶中，开启冷热一体交换机和搅拌器，控制烧瓶内温度在20～40℃，然后通过蠕动泵，缓慢向格式试剂中缓慢滴加20g生物质基糠醛，在2h内滴加完毕后，降低温度至0～5℃，缓慢向烧瓶内加入5%盐酸溶液160g进行淬灭，淬灭过程中控制水温度在30℃以下。静置，分出水层后，油层用2%氢氧化钠溶液进行洗涤后，开启水环真空泵，升温60～100℃负压回收四氢呋喃后，得到戊基糠醇63.2g，收率68.7%。

(5)氧代戊基环戊烯醇的制备

向500ml高压反应釜中加入去离子水170g和戊基糠醛25g，向釜内持续充入氮气先置换3～5次，然后保持釜内压力在0.5～0.6MPa，再开启搅拌器，对高压反应釜进行升温至釜温达170～180℃，保温保压反应6～8h后结束反应，降低釜温至常温后，将反应液转移出来静置分层30min后，分出水层，得到氧代戊基环戊烯醇17.7g，收率70.8%。

(6)戊基环戊酮的制备

向250ml加氢反应釜内分别投入甲苯120g和5%钯炭催化剂2g，然后加入氧代戊基环戊烯醇40g，通入氮气进行置换，再持续通入氢气置换3～5次，保持釜内压力在0.5～0.6MPa，再开启搅拌器，对加氢反应釜升温至25～50℃，保温保压反应8～12h，反应结束后，过滤催化剂后得到反应液。

将上述反应液加入到250ml带有回流分水装置的四口烧瓶中，加入对甲苯磺酸1g，开启冷热一体交换机和搅拌器，控制烧瓶内温度在80～105℃，回流分水，分水结束后降温至常温，加入5%碳酸钠溶液调节反应液为中性后，分出水层，油层转移到加氢反应釜中。

向250ml加氢反应釜内分别投入甲苯150g和5%钯炭催化剂2g，然后加入上述油层，通入氮气进行置换，再持续通入氢气置换3～5次，保持釜内压力在0.5～0.6MPa，再开启搅拌器，对加氢反应釜升温至25～40℃，保温保压反应8～10h，反应结束后，过滤催化剂后的反应液回收甲苯后，得到戊基环戊酮30.1g，收率82.1%。

(7)δ-癸内酯的制备

向250ml带有回流分水装置的四口烧瓶中加入戊基环戊酮50g，开启冷热一体交换机和搅拌器，控制烧瓶内温度在15～20℃，再通过蠕动泵，向烧瓶内缓慢滴加过氧乙酸100g，滴加时间控制在4～8h，滴加结束后，继续保温反应2h。

氧化反应结束后，加入清水水洗，分层，油层转移到带有恒温磁力搅拌器、玻璃填料分馏塔一体化装置，开启初真空的水环真空泵，升温至60～90℃，蒸馏出残余的乙酸和水，然后切换高真空的油泵，升温至100～120℃，收集δ-癸内酯馏分，得到生物质基δ-癸内酯44.7g，收率80.1%。

(8)产品分析

气相色谱色谱柱HP-5（30m×0.32mm×0.25μm）；检测器FID，检测器温度250℃，柱前压90kPa，进样量0.2μl，分流比100:1；色谱炉温度：线性程序升温从120～220℃，速率为10℃/min，外标法检测测定的含量为98.73%，折光指数（20℃）1.4581，相对密度0.9687（25℃）。分析结果为：HRMS m/z(ESI+)calcd for C10H18O2([M+H]+)，170.2488，产品经第三方实验室14C同位素质谱天然度检测结果为生物基碳98.59±0.22pMC。通过以上检测分析表明产物为生物质基δ-癸内酯。

4.结语

本文研究的生物质基δ-癸内酯的合成，以天然正戊醇为起始物料，与盐酸进行氯化反应后得到了氯戊烷，再与生物质基糠醛进行格式反应，生成戊基糠醇，以去离子水为溶剂和高温高压下重排，得到氧代戊基环戊烯醇，然后经加氢和催化剂作用下回流脱水再经加氢后生产戊基环戊酮，以过氧乙酸为氧化剂进行Baeyer-Villige氧化扩环，高效率的合成了生物质基碳99%的δ-癸内酯香料。采用此法合成天然的丁位内酯，所涉及的原料为市场化的工业产品具有原料容易采购的优势；所涉及的工艺都为经典的反应，反应的选择性和转率较高及原子经济性高，副产物少的特点有利于工业化的生产。所涉及的反应条件温和，所得产品的香气柔和纯正，满足调香师的需求。