楊海寬，溫世鈁，邱鳳英，章挺，伍艷芳

(1.江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌 330032；2.江西省木本油料與香精香料高效利用工程研究中心，江西 南昌 330032)

氧化芳樟醇(linalool oxide)又稱2-甲基-2-乙烯基-5-(α-羥基異丙基)四氫呋喃，具有強(qiáng)烈的甜香、木香和花香香氣，廣泛用于配制日化行業(yè)[1-3]。其在植物精油中含量較低，一般通過芳樟醇制備而成，產(chǎn)物主要有呋喃型和吡喃型兩種成分，兩種成分均具有順反異構(gòu)體，市售產(chǎn)品是呋喃型氧化芳樟醇，吡喃型產(chǎn)品一般作為副產(chǎn)物。當(dāng)溫度過高或氧化劑過量等因素，主要生成副產(chǎn)物環(huán)氧氧化芳樟醇，主要反應(yīng)過程如下：

據(jù)目前文獻(xiàn)報道，對于氧化芳樟醇合成研究較少，催化體系比較單一。谷運(yùn)璀等[4]以過氧乙酸以及甲酸-雙氧水催化芳樟醇合成氧化芳樟醇，較優(yōu)工藝下產(chǎn)率44.0%。馬建強(qiáng)等[5]以雙氧水催化合成氧化芳樟醇，結(jié)合酸性試劑重排，獲得呋喃型和吡喃型總含量77.92%的氧化芳樟醇合成工藝。賈曉春等[6]以雙氧水催化制備氧化芳樟醇，獲得了呋喃型和吡喃型總含量89.27%的氧化芳樟醇合成工藝。陸文聰?shù)萚7]研究了金屬過氧化物與有機(jī)酸催化體系下，經(jīng)兩步法制備氧化芳樟醇，反應(yīng)產(chǎn)率有所提高，但在過氧化物及酸性試劑的選擇上較為苛刻?，F(xiàn)有研究對氧化芳樟醇合成工藝未開展系統(tǒng)研究，較高得率下反應(yīng)條件主要以過氧有機(jī)酸催化為主，但過氧有機(jī)酸一般存在危險性和毒性較大等諸多問題。本文首次通過比較4種催化體系對合成反應(yīng)的影響，并結(jié)合方差分析等數(shù)據(jù)處理方法，篩選適宜催化體系，并研究其工藝條件。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

芳樟醇(天然，GC含量>98.5%)，工業(yè)級；雙氧水(30%)、乙酸酐、乙酸、甲酸、草酸、氫氧化鈉、無水乙醇、無水硫酸鎂均為分析純。

DJ1C-90W型電動攪拌器；HWS-12型恒溫水浴鍋；SHZ-D型水循環(huán)真空泵；ZNCL-T-C磁力攪拌控溫電熱套；Thermo移液槍；島津GC2010 plus氣相色譜(色譜柱：SH-RXI-5SILMS，30 m×0.25 mm×0.25 μm)；島津QP2020 GC-MS型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(色譜柱：SH-Rtx-1，30 m×0.25 mm×0.25 μm)。

1.2 實驗方法

1.2.1 氧化芳樟醇制備 四口燒瓶中以設(shè)定比例加入芳樟醇和雙氧水(30%)，充分?jǐn)嚢璨⒄{(diào)節(jié)體系溫度，開始緩慢滴加乙酸、甲酸、醋酐于反應(yīng)體系中；采用草酸時，三口燒瓶中按設(shè)定比例加入芳樟醇和草酸，充分?jǐn)嚢韬蟛⒄{(diào)節(jié)體系溫度，緩慢滴加雙氧水于反應(yīng)體系中。滴加過程，控制體系溫度及滴加速度。反應(yīng)結(jié)束后，體系先用25% 氫氧化鈉溶液堿洗，再經(jīng)多次水洗，直至pH=7～8。靜置分層后，分出水相，油層經(jīng)干燥后進(jìn)行GC、GC-MS檢測。有機(jī)相經(jīng)減壓蒸餾，收集氧化芳樟醇組分。

1.2.2 樣品檢測 分別吸取20 μL產(chǎn)物加入無水乙醇定容至1 000 μL，至專用進(jìn)樣瓶內(nèi)，采用GC、GC-MS進(jìn)行檢測。

1.2.2.1 GC檢測程序 80 ℃保留2 min，8 ℃/min升至160 ℃，再以8 ℃/min升至250 ℃，保留2 min。每次進(jìn)樣量1.0 μL，載氣Ne流速1.0 mL/min，分流比20∶1。進(jìn)樣口溫度280 ℃，F(xiàn)ID溫度260 ℃。采用峰面積歸一法，計算各組分相對百分含量。

1.2.2.2 GC-MS程序 80 ℃保留2 min，8 ℃/min升至160 ℃，再以8 ℃/min升至250 ℃，保留 2 min。每次進(jìn)樣量1.0 μL，分流比20∶1，進(jìn)樣口溫度280 ℃，EI離子源溫度230 ℃，連接線溫度200 ℃。MS掃描范圍(m/z)：50～650。采用NIST8.0結(jié)合保留指數(shù)法，對各離子峰進(jìn)行成分檢索及鑒定，采用峰面積歸一法，計算各組分相對百分含量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 采用spss17.0軟件對相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 物料摩爾比對合成反應(yīng)的影響

分別選擇甲酸、乙酸、醋酐和草酸4種不同試劑，以等摩爾比加入雙氧水，分別研究原料摩爾比n(雙氧水+酸液)∶n(芳樟醇)=1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1和6∶1對合成反應(yīng)的影響，反應(yīng)溫度60 ℃，反應(yīng)時間2 h。結(jié)果見表1。

表1 物料摩爾比對合成反應(yīng)的影響Table 1 Effect of material mole ratio on synthesis reaction

注：LSDα=0.05。

由表1并結(jié)合GC-MS結(jié)果可知，甲酸-雙氧水、乙酸-雙氧水和醋酐-雙氧水3種不同催化體系下，摩爾比<3∶1時，產(chǎn)物中氧化芳樟醇含量隨物料摩爾比增大而顯著增加，此后隨著摩爾比增加，產(chǎn)物中氧化芳樟醇含量呈現(xiàn)下降趨勢。對于草酸-雙氧水催化體系，物料摩爾比4∶1時，氧化芳樟醇含量達(dá)到最大值。此結(jié)果主要原因是，物料摩爾比增加，反應(yīng)向正向移動，原料芳樟醇主要轉(zhuǎn)化為呋喃型氧化芳樟醇和吡喃型氧化芳樟醇，目標(biāo)化合物含量逐漸增加。但物料摩爾比超過一定值時，反應(yīng)體系中由于過量氧化試劑存在，主要發(fā)生副反應(yīng)而生產(chǎn)環(huán)氧氧化芳樟醇，使產(chǎn)物中目標(biāo)化合物含量降低。

比較此工藝條件下，4種不同催化體系，物料摩爾比3∶1時，乙酸-雙氧水、醋酐-雙氧水催化條件下，產(chǎn)物中氧化芳樟醇含量最高可達(dá)50.0%以上，甲酸-雙氧水催化條件下，產(chǎn)物中氧化芳樟醇含量接近50.0%。而草酸-雙氧水體系下，產(chǎn)物中氧化芳樟醇最高含量略高于30.0%，表明在此工藝條件下，乙酸-雙氧水和醋酐-雙氧水催化效率最高，甲酸-雙氧水效率次之，草酸-雙氧水催化效率最低。同時根據(jù)方差分析結(jié)果，對于不同催化體系，當(dāng)物料摩爾比由3∶1提高至5∶1時，產(chǎn)物中氧化芳樟醇含量隨著物料摩爾比的增加，含量即顯著減小(p<0.05)，體系發(fā)生較多副反應(yīng)。

2.2 反應(yīng)溫度對合成反應(yīng)的影響

選擇醋酐、甲酸、乙酸和草酸4種不同試劑，以等摩爾比加入雙氧水，以物料摩爾比n(雙氧水+甲酸)∶n(芳樟醇)、n(雙氧水+乙酸)∶n(芳樟醇)和n(雙氧水+醋酐)∶n(芳樟醇)=3∶1，n(雙氧水+草酸)∶n(芳樟醇)=4∶1分別加入原料，設(shè)定反應(yīng)時間2 h。研究反應(yīng)溫度20，30，40，50，60，70 ℃對合成反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)溫度對合成反應(yīng)的影響Table 2 Effect of reaction temperature on synthesis reaction

注：LSDα=0.05。

由表2可知，不同催化體系下，溫度對于合成反應(yīng)具有顯著影響(p<0.05)。對于甲酸-雙氧水和乙酸-雙氧水催化體系，產(chǎn)物中氧化芳樟醇含量隨著溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。對于醋酐-雙氧水催化體系，產(chǎn)物中氧化芳樟醇含量隨著溫度的升高呈先增大而后基本保持不變的趨勢。甲酸-雙氧水催化體系中，反應(yīng)溫度由20 ℃升至50 ℃時，氧化芳樟醇含量變化不明顯，原料芳樟醇轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)選擇性均變化不明顯，反應(yīng)溫度>50 ℃，隨著溫度的升高，催化體系活化能增加，氧化芳樟醇含量顯著升高。乙酸-雙氧水催化體系中，體系中氧化芳樟醇含量隨著溫度的升高而顯著升高。對于這兩種催化體系，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到60 ℃時，產(chǎn)物中氧化芳樟醇含量達(dá)到最大值。此后隨著反應(yīng)溫度的升高，氧化芳樟醇含量顯著降低。根據(jù)GC-MS結(jié)果，產(chǎn)物中環(huán)氧氧化芳樟醇含量增多，表明溫度過高時，發(fā)生副反應(yīng)較多。對于醋酐-雙氧水催化體系，當(dāng)反應(yīng)溫度由20 ℃升至60 ℃時，氧化芳樟醇含量緩慢增加，并于60 ℃時達(dá)到最大值，溫度繼續(xù)升高后，氧化芳樟醇含量變化不明顯。因此由表2結(jié)果，也可表明醋酐-雙氧水催化體系具有較好的穩(wěn)定性。

比較表2結(jié)果，對于乙酸-雙氧水和醋酐-雙氧水催化體系，當(dāng)反應(yīng)溫度60 ℃時，產(chǎn)物中氧化芳樟醇含量均高于50.0%，其分別可達(dá)51.38%和57.77%；甲酸-雙氧水催化體系下，60 ℃時氧化芳樟醇含量49.85%。對于草酸-雙氧水催化體系，當(dāng)反應(yīng)溫度70 ℃時，產(chǎn)物中目標(biāo)化合物含量41.54%，達(dá)到最大值。結(jié)合實驗現(xiàn)象，甲酸、乙酸和醋酐滴加至反應(yīng)體系過程中，立即與雙氧水劇烈作用，放熱明顯，過程必須嚴(yán)格控制滴加速度，并控制體系溫度。草酸-雙氧水催化體系下，反應(yīng)較為緩和，過程放熱不明顯。通過比較表2中不同反應(yīng)溫度下，氧化芳樟醇含量，醋酐-雙氧水體系下，氧化芳樟醇含量均高于其他3種催化體系。表明醋酐-雙氧水催化體系，效率最高。

2.3 反應(yīng)時間對合成反應(yīng)的影響

選擇醋酐、甲酸、乙酸和草酸4種不同試劑，以等摩爾比加入雙氧水，以物料摩爾比n(雙氧水+甲酸)∶n(芳樟醇)、n(雙氧水+乙酸)∶n(芳樟醇)和n(雙氧水+醋酐)∶n(芳樟醇)=3∶1分別加入原料，設(shè)定反應(yīng)溫度60 ℃。n(雙氧水+草酸)：n(芳樟醇)=4∶1加入原料，設(shè)定反應(yīng)溫度70 ℃。分別于0.5，1，1.5，2，3，4 h取樣進(jìn)行GC、GC-MS分析，研究反應(yīng)時間對于合成反應(yīng)的影響，結(jié)果見表3。

表3 反應(yīng)時間對合成反應(yīng)的影響Table 3 Effect of reaction time on synthesis reaction

注：LSDα=0.05。

由表3可知，對于4種不同催化體系，當(dāng)反應(yīng)時間<2 h時，氧化芳樟醇含量隨反應(yīng)時間的增加而顯著增加，過程中取樣GC-MS結(jié)果表明，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，原料芳樟醇含量不斷減小，目標(biāo)化合物含量不斷增加。當(dāng)反應(yīng)時間>2 h后，產(chǎn)物中氧化芳樟醇呈現(xiàn)緩慢增加直至變化不大的趨勢，原料芳樟醇反應(yīng)完全，氧化芳樟醇含量基本保持不變。結(jié)果表明，醋酐-雙氧水催化體系下，產(chǎn)物中氧化芳樟醇含量最高，表明此工藝條件下，其催化效果最佳。當(dāng)反應(yīng)溫度3 h時，氧化芳樟醇含量最高值接近60%。因此對于醋酐-雙氧水催化體系，適宜的反應(yīng)時間為3 h。

2.4 驗證實驗

比較單因素實驗結(jié)果，醋酐-雙氧水催化體系可作為合成氧化芳樟醇適宜的催化體系。根據(jù)優(yōu)化的工藝條件，進(jìn)行3次重復(fù)驗證實驗。四口燒瓶中加入154.0 g芳樟醇(1.0 mol)和170.0 g 30%雙氧水(1.5 mol)，向體系中緩慢滴加153.0 g醋酐(1.5 mol)，滴加過程嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度，醋酐于0.5 h滴完。滴畢后，調(diào)節(jié)體系溫度，60 ℃下反應(yīng)3 h。反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物先經(jīng)25%氫氧化鈉溶液堿洗，再經(jīng)多次水洗，直至pH=7～8，靜置分層后收集油相。3次實驗分別獲得油相146.2，143.1，151.5 g。油相經(jīng)GC測定其中氧化芳樟醇含量分別為：58.33%，60.12%和58.65%，平均值59.03%，結(jié)果符合預(yù)期，重現(xiàn)性較好。合并油相進(jìn)行精餾處理，精餾過程調(diào)節(jié)回流比，共收集97 kPa下105～108 ℃餾分231.27 g，GC測定主成分含量>95.0%，反應(yīng)產(chǎn)率45.35%。

3 結(jié)論

(1)通過比較4種不同酸性與雙氧水催化體系，醋酐-雙氧水催化條件下，氧化反應(yīng)效率最高，且催化體積較為穩(wěn)定。因此，醋酐-雙氧水可作為制備氧化芳樟醇適宜的催化體系。反應(yīng)具有高轉(zhuǎn)化率、高選擇性、副產(chǎn)物少、易于控制等特點。此催化體系在其他萜類化合物的氧化合成反應(yīng)也可進(jìn)行應(yīng)用。

(2)醋酐-雙氧水催化芳樟醇合成氧化芳樟醇，較優(yōu)工藝條件是：n(雙氧水)∶n(醋酐)∶n(芳樟醇)=1.5∶1.5∶1，反應(yīng)溫度60 ℃，反應(yīng)時間3 h。較優(yōu)工藝條件下，產(chǎn)物中氧化芳樟醇含量59.03%，合成反應(yīng)產(chǎn)率45.35%。

(3)本研究的局限性是只對不同催化體系進(jìn)行了對比性單因素實驗，未能研究酸性試劑與雙氧水用量比對合成反應(yīng)的影響。后期可針對合成工藝，開展正交實驗、多因素交互實驗等，以及過量酸液回收利用等方面，進(jìn)一步優(yōu)化相應(yīng)工藝條件。