唐瑞仁，李菲，張瑞榮，周亞平

(中南大學 化學化工學院，湖南 長沙，410083)

1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮是合成稀有香料脫落酸的重要中間體[1-2]，也是一種重要的香料[3]，被廣泛地用于食品、化妝品等行業(yè)[4]。其合成通常以 α-紫羅蘭酮或3-氧代-α-紫羅蘭酮為原料，通過氧化得到。有專利報道[5]：在強堿叔丁醇鉀體系中，以二甲亞砜為溶劑，可將3-氧代-α-紫羅蘭酮氧化為1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮，產率只有35%；Bum等[6]用叔丁基鉻酸鹽為氧化劑，將 α-紫羅蘭酮直接被氧化為 1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮，總收率達41%，或用三氧化鉻為氧化劑，收率為27%。但是，上述反應普遍存在反應條件苛刻，需使用金屬鉻或強堿等對環(huán)境造成污染的試劑等問題，影響其應用范圍。氧化鋁是一種被廣泛使用的吸附劑和固體酸堿催化劑[7]，其吸附活性和催化功能在表面部分脫羥基后顯露出來[8]。目前，有關Al2O3催化氧化的報道并不多，谷源鵬等[9]用酸性氧化鋁做催化劑，以過氧化氫為氧化劑對蓖麻油進行環(huán)氧化，反應克服了硫酸等催化劑在環(huán)氧化過程中需加添加劑、存在副反應和后處理繁瑣等不利因素，所得產物的環(huán)氧值高；張勇等[10]以浸漬法制備的 Al2O3負載金屬氧化物為催化劑，丙酮為溶劑，用氧氣氧化巴豆醛制備巴豆酸，克服了生產成本高、反應條件苛刻、分離困難、環(huán)境污染嚴重等缺點。本文作者在前期開展紫羅蘭酮等化合物烯丙位氧化工作基礎上[11-15]，采用廉價、綠色的空氣作氧化劑，在溫和的條件下，將反應底物3-氧代-α-紫羅蘭酮負載吸附在三氧化鋁上，之后緩慢通入空氣將 3-氧代-α-紫羅蘭酮氧化制備 1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮。考察反應溫度、反應時間、Al2O3用量、Al2O3酸堿性等對反應的影響，優(yōu)化反應工藝條件。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

試劑為：3-氧代-α-紫羅蘭酮(自制)；薄層色譜板(GF-254，德國Merck公司生產)；其他試劑，均為市售分析純或化學純試劑。

儀器為：Varian INOVA-300 MHz型核磁共振儀(美國Varian公司生產)，TMS為內標，CD3Cl為溶劑；Agilent GC-MS 6890-5973型氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(美國安捷公司生產)。

1.2 3-氧代-α-紫羅蘭酮的空氣氧化

在100 mL圓底燒瓶中，將10.0 g (0.052 mol)3-氧代-α-紫羅蘭酮用適量正己烷溶解，加入一定量的中性或堿性柱層析Al2O3，在室溫下充分攪拌30 min，減壓蒸餾除溶劑后，3-氧代-α-紫羅蘭酮吸附在 Al2O3上，靜置12 h；轉移至色譜柱中，通過空氣壓縮機從上端緩慢通入空氣，空氣流量為0.6 MPa/min，進行催化氧化反應。反應一定時間后，定時取出少量吸附在Al2O3上的反應物，用體積比為5∶1的 CHCl3-CH3OH浸泡，洗脫吸附在Al2O3上的有機物，用GC-MS檢測，跟蹤反應進程(見圖1)。反應完成后，用CHCl3-CH3OH混合溶劑洗滌 Al2O3，使反應產物轉移至溶劑中進行分離，減壓蒸餾除去溶劑得產物1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮，產物用 GC-MS進行定性和定量檢測。根據(jù)氣相色譜中各物質峰面積計算反應的轉化率及各產物的產率。

圖1 空氣氧化3-氧代-α-紫羅蘭酮制備1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮Fig.1 Preparation of 1-hydroxy-4-oxo-α-ionone from 3-oxo-α-ionone oxidized by air

反應物3-氧代-α-紫羅蘭酮保留時間為19.26 min，產物 1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮的保留時間為 16.2 min。粗產品用CHCl3-CH3OH重結晶，得白色固體，沸點為68～70 ℃；MS(m/z)：220(M+)，207，180，166，124，43(見圖 2)；1HNMR：δ1.027(s, 3H, CH3)，δ1.111(s,3H, CH3)，δ1.890(s, 3H, CH3)，δ2.309(s, 3H, CH3)，δ2.367(d, 1H,J=9.0 Hz)，δ2.535(d, 1H)和δ2.478(d, 1 H)，δ5.960(d, 1H,J=2.4 Hz)，δ6.470(d, 1H,J=15.6 Hz)和δ6.840(d, 1H,J=15.6 Hz)。

圖2 1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮的質譜圖Fig.2 MS spectrum of 1-hydroxy-4-keto-α-ionone

1.3 色譜條件和質譜條件

1.3.1 色譜條件

采用 HP-Ultra2毛細管色譜柱；柱溫采取程序升溫：初溫為100 ℃，保持1 min后，以8 ℃/min 的速度升溫至280 ℃，在280 ℃保留2 min，進樣口溫度為250 ℃，質譜接口溫度為280 ℃；載氣為高純氦氣，進樣體積為1.0 μL；柱流速為1.0 mL/min；分流進樣，分流比為 20∶1。

1.3.2 質譜條件

連接桿溫度為250 ℃；電離方式為電子轟擊(EI)，電離能量為70 eV；離子源溫度為200 ℃；檢測器電壓為1 kV；溶劑延時3 min；掃描范圍為m/z=50～550。

1.4 產率計算

采用內標法，根據(jù)產物的氣相色譜圖中各物質峰面積計算轉化率及收率，根據(jù)分離后所得產物純品的質量計算其產率。設定總的峰面積為 100，計算公式如下：

其中：η為轉化率，%；S0為氧代-α-紫羅蘭酮的峰面積；δ為收率，%；S′為 1-羥基-氧代-α-紫羅蘭酮的峰面積。

2 結果與討論

2.1 Al2O3用量對收率的影響

Al2O3在本反應中既作為反應物的載體，也作為反應的催化劑。實驗首先考察了Al2O3與3-氧代-α-紫羅蘭酮的質量分數(shù)比w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)分別為 35∶1，35∶2，10∶1，7∶1 和 4∶1 時對反應結果的影響，結果如表1所示。由表1可知：隨著w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)的增加，反應的轉化率和 1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮的產率大體上增加，當w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)由 7∶1 增加到 10∶1 時(實驗 3～7)，在相同反應時間內，變化最明顯，反應的轉化率和1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮的收率和轉化率分別由46.1%，58.2%，增加到 86.1%和 92.8%；當w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)≥10∶1 時，反應 13～20 h，反應效果相差不大(實驗1～4)，其轉化率最高可達到100%，1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮的收率為 84.2%以上；當w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)為 4∶1 時，反應物 Al2O3表面吸附的分散度很小，反應難以進行，其轉化率和收率僅為 42.9%和 6.1%。Al2O3的用量越多，3-氧代-α-紫羅蘭酮在其表面吸附分散得越好，同時與空氣接觸的機會越多，故 Al2O3催化性能越強，反應的轉化率和收率增加。Al2O3的大量使用，對反應效果沒有很明顯的改善，且造成不必要的浪費。實驗表明：在w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)達到 10∶1 時，反應20 h左右，反應轉化率接近100%。最后，確定Al2O3的用量為w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)=10∶1。

表1 Al2O3用量對氧化反應的影響Table 1 Influence of amount Al2O3 on oxidation reaction

2.2 Al2O3的酸堿性對反應的影響

氧化鋁的活性與氧化鋁表面的酸堿性有關。有研究[8]表明：酸性部位的數(shù)量和它們的酸強度是影響氧化鋁催化活性的重要因素。市售不同類型的氧化鋁催化3-氧代-α-紫羅蘭酮氧化反應的結果如表2所示。結果表明：當w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)為 10∶1 時，分別使用堿性和中性 Al2O3，在相同反應時間內，反應的轉化率和產物的收率相近，收率均為85%左右(實驗1和2)；而用酸性Al2O3負載3-氧代-α-紫羅蘭酮時，在相同條件下，反應的轉化率和目標產物的收率都減少(實驗3)。酸性氧化鋁與堿性氧化鋁的主要差異在于酸性氧化鋁的堿中心基本被屏蔽，這說明堿性中心在3-氧代-α-紫羅蘭酮氧化反應中表現(xiàn)出較強的催化作用。因此，選用中性或堿性的 Al2O3作為氧化反應的載體。

表2 Al2O3類型對氧化反應的影響Table 2 Influence of type of Al2O3 on oxidation reaction

2.3 Al2O3顆粒大小對反應的影響

分別使用顆粒粒徑為 18.8，37.5～75.0和 75.0～112.5 μm的Al2O3進行實驗，發(fā)現(xiàn)Al2O3顆粒粒徑對反應有一定影響：Al2O3顆粒粒徑太大，其比表面積小，底物難以吸附上去，反應無法進行；雖然 Al2O3顆粒粒徑越小，其比表面積越大，反應物在 Al2O3表面分散得越好，其催化性能可能越強，但當使用粒徑為75.0～112.5 μm的Al2O3時，空氣通過Al2O3速度較慢，使反應不能進行；當選用粒徑為37.5～75.0 μm的Al2O3時，底物的吸附較好且空氣通過順暢，故粒徑為37.5～75.0 μm的Al2O3是較為適合的。

2.4 空氣濕度對反應的影響

空氣濕度對反應有較大的影響，主要表現(xiàn)在當空氣比較潮濕、空氣中水分含量較大時，反應速率較快，在相同的反應時間內，轉化率較高。這可能是因為：催化劑氧化鋁堿中心量隨著水含量的增加而增加，當吸附水達一定值后，導致堿性中心表現(xiàn)出較高的活性[16]。當w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)=10∶1 時，分別導入經濃硫酸干燥和未經干燥的空氣，實驗結果如表3所示。結果表明：當空氣經干燥時，反應轉化率和產物收率都降低，反應難以進行(實驗4～6)；而未經干燥時，收率可達到 80%左右(實驗 1～2)。因此，選擇未經干燥的空氣為氧化劑。

表3 空氣濕度對氧化反應的影響Table 3 Influence of humidity of air on oxidation reaction

2.5 溫度對反應的影響

以粒徑為37.5～75.0 μm的中性或堿性Al2O3為催化劑，當w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)=10∶1 時，分別在25 ℃和60 ℃水浴溫度下反應，考察溫度對實驗結果的影響。導入未經干燥的空氣，反應4 h，在60 ℃時，1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮的收率為37.0%，比25℃時的收率高0.2%。這說明在不同反應溫度下，Al2O3催化性能相似，對反應的影響遠遠小于空氣濕度對反應的影響。因此，選擇在室溫下進行反應。以氧化鋁為催化劑，H—H鍵的活化(鍵解離)在78～150 K即能進行；C—H鍵的活化(如雙鍵異構化)在300 K就能進行；在氧化鋁表面，室溫就能使烷烴的C—H鍵解離。因此，在理論上說，堿性氧化鋁完全有可能在室溫下有效地催化反應的進行。同時，反應在室溫下進行，便于操作。

2.6 反應時間對反應的影響

分別在不同的反應時間段，取產物進行 GC-MS檢測，考察時間對反應的影響，結果如表4所示。從表 4 可見：當w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)為 10∶1時，隨著反應的進行，反應的轉化率和產物的收率逐漸增加，前8 h增加最為明顯；8 h后，反應轉化率達83.6%，1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮的收率達 69.6%；隨著反應的進行，吸附于Al2O3上的3-氧代-α-紫羅蘭酮濃度減小，與空氣的接觸機會減小，反應速率減慢；8 h后，目標產物收率增幅趨于緩和，反應速率減慢；反應15 h，轉化率和收率分別為92.8%和86.1%，與12 h反應的結果(89.7%和83.6%)相比，增幅不大；15 h以后，反應進行很慢，當反應20 h時，收率幾乎不變。因此，確定15～20 h為合適的反應時間。

表4 反應時間對氧化反應的影響Table 4 Influence of reaction time on oxidation reaction

2.7 Al2O3的回收與套用

Al2O3干燥活化后重復使用，當反應20 h后，反應轉化率可達100%，當使用次數(shù)分別為1, 2, …, 6次時，目標產物的收率分別為 85.1%, 86.4%, 87.9%,88.0%, 88.3%和87.6%，表明Al2O3的重復使用性很好?；厥绽煤?，Al2O3的催化和吸附性能未減弱或失活，反而隨重復次數(shù)的增加，收率略有提高，可能因為攪拌過程中，Al2O3顆粒粒徑變小，其比表面積增加，更有利于反應物的吸附，Al2O3催化性能反而增強。

3 反應催化機理探討

氧化鋁表面的Bronsted酸性很弱，但Lewis酸性很強，因此，氧化鋁表面酸主要是Lewis酸。這主要是由于脫水的氧化鋁表面產生了歪扭的 Al—O—Al鍵。在形成Lewis酸中心的同時，生成的表面O離子起到堿中心作用。也就是說，Lewis酸中心越多，對應的堿中心也越多。氧化鋁水合物經脫水而產生Lewis酸中心及堿中心，這一過程可用圖3進行描述。反應過程中，3-氧代-α-紫羅蘭酮被吸附于堿性氧化鋁的活性部位，堿中心進攻反應物活性H部位，再在氧氣條件下進行自由基反應產生 1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮。此過程可由圖4來描述。

圖3 氧化鋁表面酸中心和堿中心的形成Fig.3 Forming of acidic core and basic core on surface of Al2O3 gel

圖4 氧化鋁負載催化氧化3-氧代-α-紫羅蘭酮為1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮Fig.4 Catalytic oxidation of 3-oxo-α-ionone to 1-hydroxy-4-oxo-α-ionone supported on Al2O3

4 結論

(1)以廉價、清潔、環(huán)境友好型的空氣為氧化劑，以顆粒粒徑為37.5～75.0 μm的中性或堿性Al2O3為載體進行催化氧化，w(Al2O3)∶w(3-氧代-α-紫羅蘭酮)為10∶1，室溫下通未經干燥的空氣反應20 h，3-氧代α-紫羅蘭酮的轉化率接近100%，產物1-羥基-4-氧代-α-紫羅蘭酮的收率達85%以上。

(2)產物經體積比為5∶1的CHCl3-CH3OH混合溶劑洗脫與催化劑分離，Al2O3活化后，重復使用性好。

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