石云飛， 張 檜， 鐘旭陽， 段欣穎， 陳淑蘭， 廖圣良*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院;國家林業(yè)和草原局木本香料(華東)工程技術(shù)研究中心;國家林業(yè)和 草原局/江西省樟樹工程技術(shù)研究中心;江西特色林木資源培育與利用協(xié)同創(chuàng)新中心， 江西 南昌 330045； 2.江西省林業(yè)科技推廣總站，江西 南昌 330038)

我國是松脂生產(chǎn)大國，年產(chǎn)量可達(dá)到70萬噸左右，其中大部分用于初加工生產(chǎn)松香、松節(jié)油，帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益并不明顯[1]。松節(jié)油的主要成分為α-蒎烯、β-蒎烯以及少量其它萜烯，國產(chǎn)松節(jié)油前期大多來自馬尾松，其中β-蒎烯含量較低，約為4%～10%[2]。從美國引種的濕地松，其所產(chǎn)松節(jié)油中β-蒎烯的含量較高，達(dá)到25%～30%,甚至超過30%[3]。近年來，隨著濕地松產(chǎn)業(yè)的逐漸發(fā)展，各地都建立起自己的濕地松采脂林[4-7]，β-蒎烯的產(chǎn)量日益提高，對它的深加工利用逐漸成為松脂加工利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。β-蒎烯可以通過化學(xué)改性，合成眾多衍生物，如：諾蒎酮[8]、諾卜醇[9]、桃金娘烷醇[10]等，其中諾蒎酮可作為許多衍生物合成的中間體，從而使其合成及應(yīng)用備受關(guān)注。目前已報(bào)道的有關(guān)諾蒎酮合成的方法主要有：高錳酸鉀氧化法、空氣氧化法、臭氧氧化法等?？諝庋趸ㄟx擇性較好，但反應(yīng)時(shí)間長且轉(zhuǎn)化率僅有15%[11]；臭氧氧化法報(bào)道最多，此法效果較好，但反應(yīng)條件苛刻，需在超低溫下進(jìn)行，不適合工業(yè)化生產(chǎn)[12-16]。諾蒎酮的合成方法較多，但在反應(yīng)效率和選擇性等方面仍需進(jìn)一步改進(jìn)。劉兵等[17]選擇高錳酸鉀氧化β-蒎烯，可使β-蒎烯的轉(zhuǎn)化率提高為94.15%，選擇性為89.19%?；诖耍狙芯吭谇叭搜芯康幕A(chǔ)上，對諾蒎酮合成工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性，縮短反應(yīng)時(shí)間，降低諾蒎酮合成的成本。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料、試劑與儀器

β-蒎烯，分析純，阿拉丁(上海)生化科技有限公司; 18-冠醚- 6、 2-溴乙基三甲基溴化銨(BETAB)、高錳酸鉀、丙酮、濃硫酸、乙酸乙酯、二氯甲烷；十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)、四丁基溴化銨(TBAB)，均為分析純。

810-3型磁力攪拌器；AM120Z-P型機(jī)械攪拌器；N-1200B型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海泉杰儀器有限公司;GC9790氣相色譜儀，浙江溫嶺福利分析儀器有限公司。

1.2 諾蒎酮的合成

諾蒎酮的合成原理見圖1。取5.00 g(0.037 mol)β-蒎烯于100 mL三口燒瓶中，將0.20 g CTAB充分溶于30 mL丙酮和3 mL 2 mol/L H2SO4后，緩慢倒入三口燒瓶中。在機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速220 r/min，溫度21～24 ℃條件下， 1 min內(nèi)加入18.60 g(0.118 mol)高錳酸鉀粉末，保溫反應(yīng)3 h。以氣相色譜儀監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程，程序升溫條件為：初始溫度100 ℃，保持1 min，以8 ℃/min的升溫速率升溫至180 ℃，再以10 ℃/min的速率升溫至240 ℃，保持10 min。待反應(yīng)完成后，將反應(yīng)液過濾，旋蒸濾液得粗品，用適量乙酸乙酯溶解粗品，超純水洗2次，再用飽和食鹽水洗至中性后，使用旋蒸儀進(jìn)行旋蒸，得到目標(biāo)產(chǎn)物諾蒎酮。

圖1 諾蒎酮合成路線Fig.1 Synthetic route of nopinone

1.3 分析與表征

利用FT-IR、1H NHR、GC-MS對諾蒎酮的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1.4 計(jì)算公式

根據(jù)氣相色譜峰面積計(jì)算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性和理論得率。

2 結(jié)果與討論

2.1 諾蒎酮合成氧化體系的初探

對不同氧化體系對諾蒎酮合成反應(yīng)的影響進(jìn)行初探，反應(yīng)結(jié)果列于表1。由表1可知，在諾蒎酮合成反應(yīng)中，以重鉻酸鉀作為氧化劑時(shí)，反應(yīng)時(shí)間達(dá)到24 h時(shí)β-蒎烯的轉(zhuǎn)化率。僅有28.1%。與重鉻酸鉀相比，以高錳酸鉀作為氧化劑時(shí)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性更高，因此高錳酸鉀更適宜作為該反應(yīng)的氧化劑。當(dāng)加入相轉(zhuǎn)移催化劑18-冠醚- 6時(shí)，β-蒎烯的轉(zhuǎn)化率出現(xiàn)下降，說明18-冠醚- 6對于該反應(yīng)具有抑制作用。當(dāng)使用二氯甲烷作為溶劑時(shí)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為32.7%，選擇性為26.8%。當(dāng)以等比例的丙酮和水作為溶劑時(shí)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率較高，達(dá)84.2%，但是反應(yīng)的選擇性只有27.2%。當(dāng)以丙酮做溶劑時(shí)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性均比上述兩種溶劑體系更高。因此，對于β-蒎烯氧化反應(yīng)，適宜選擇高錳酸鉀作為氧化劑，丙酮作為溶劑。

表1 不同氧化體系對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響Table 1 Effect of different oxidation systems on reaction conversion and selectivity

1)氧化體系中均含3 mL 2 mol/L H2SO4the oxidation system contained 3 mL 2 mol/L H2SO4;2)催化劑為18-冠醚-6 catalyst was 18-crown ether-6；3)*:25 mL (CH3)2CO+25 mL H2O；：50 mL CH2Cl2；其余都用(CH3)2CO the rest were with (CH3)2CO

2.2 諾蒎酮合成工藝的優(yōu)化

2.2.1反應(yīng)溫度 控制反應(yīng)在溶劑為30 mL丙酮，催化劑為0.20 g CTAB，3 mL 2 mol/L H2SO4，5.00 gβ-蒎烯，16.80 g高錳酸鉀(n(KMnO4)∶n(β-蒎烯)=2.9 ∶1)，反應(yīng)時(shí)間為3 h，攪拌方式為機(jī)械攪拌，探討了反應(yīng)溫度對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響，結(jié)果列于表2。由表2可知，溫度的差異對反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性有一定的影響，當(dāng)溫度較低時(shí)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率偏低，但是選擇性高。當(dāng)溫度較高時(shí)，反應(yīng)過程中分子的活性會增大，反應(yīng)更為劇烈，生成副產(chǎn)物的幾率也變大，導(dǎo)致反應(yīng)的選擇性會降低。綜合而言，溫度在21～24 ℃時(shí)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與選擇性都較高，對反應(yīng)的進(jìn)行最為有利。

2.2.2反應(yīng)時(shí)間 控制反應(yīng)溫度為21～24 ℃，5.00 gβ-蒎烯，溶劑為30 mL丙酮，催化劑為1.25 g DTAB，3 mL 2 mol/L H2SO4，5.00 gβ-蒎烯，16.80 g高錳酸鉀，攪拌方式為機(jī)械攪拌，探討了反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響，結(jié)果列于表2。由表2可知，反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)的選擇性有較大的影響，反應(yīng)時(shí)間為2、3和4 h時(shí)，β-蒎烯的轉(zhuǎn)化率分別為98.8%、98.9%和98.9%，三者相差不大，反應(yīng)3 h時(shí)，諾蒎酮的選擇性最好，隨著時(shí)間的延長，選擇性降低，由此可見，最佳的反應(yīng)時(shí)間為3 h。

2.2.3催化劑類型及用量 控制反應(yīng)溫度為21～24 ℃，溶劑為30 mL丙酮，1.10 g催化劑， 3 mL 2 mol/L H2SO4， 5.00 gβ-蒎烯，16.80 g高錳酸鉀，反應(yīng)時(shí)間為 4 h，攪拌方式為機(jī)械攪拌，探討了不同的季銨鹽對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響，結(jié)果列于表2。

表2 不同條件對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響Table 2 Effect of different conditions on reaction conversion and selectivity

續(xù)表2

反應(yīng)條件1)condations轉(zhuǎn)化率/%conversion rate選擇性/%selectivity催化劑類型catalysttypeDTAB98.985.2CTAB96.489.6BETAB98.389.3TBAB93.286.718-冠醚-6 18-crown ether-690.288.1催化劑用量dosage of catalyst0.2 g96.489.60.4 g94.688.70.6 g96.489.80.8 g94.688.11.0 g97.388.6

1) DTAB:十二烷基三甲基溴化銨dodecyl trimethyl ammonium bromides;CTAB:十六烷基三甲基溴化銨cetyl trimethyl ammonium bromide;BETAB:2-溴乙基三甲基溴化銨(2-bromoethyl)trimethylammonium bromide;TBAB:四丁基溴化銨tetrabutyl ammonium bromide

由表2可知，不同季銨鹽催化劑對反應(yīng)都具有促進(jìn)作用，與沒有催化劑的反應(yīng)相比(轉(zhuǎn)化率 90.7%，選擇性83.1%)，轉(zhuǎn)化率和選擇性都有提高。不同季銨鹽催化劑對反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇的影響存在差異。DTAB、CTAB 和 BETAB的加入分別使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率提高到98.9%、96.4%和98.3%，相應(yīng)的理論得率分別為84.3%、86.4%和87.8%。結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程現(xiàn)象分析可知，向反應(yīng)體系中加入相轉(zhuǎn)移催化劑之后，高錳酸鉀更易溶于溶劑，反應(yīng)也更為劇烈，使得反應(yīng)能夠快速進(jìn)行。因此，DTAB、CTAB和BETAB均可以高效催化β-蒎烯氧化反應(yīng)，其中CTAB和BETAB催化性能接近。由于CTAB更加廉價(jià)，出于成本考慮，選用CTAB更加合適。

控制反應(yīng)溫度為21～24 ℃，溶劑為30 mL丙酮，選擇CTAB為催化劑， 3 mL 2 mol/L H2SO4，5.00 gβ-蒎烯，16.80 g高錳酸鉀，反應(yīng)時(shí)間為 3 h，攪拌方式為機(jī)械攪拌，探討了催化劑用量對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響，結(jié)果列于表2。由表2可知，催化劑用量對β-蒎烯氧化反應(yīng)有比較大的影響，其中催化劑用量為0.20、0.60和1.00 g時(shí)，轉(zhuǎn)化率分別為96.4%、96.4%和97.3%，選擇性分別為89.6%、89.8%和88.6%。這3種用量都對反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性都比較高，從節(jié)約生產(chǎn)成本的角度來說，催化劑用量以0.20 g為宜。

2.2.4高錳酸鉀與β-蒎烯物質(zhì)的量比 控制反應(yīng)溫度為21～24 ℃，0.20 g的CTAB為催化劑, 30 mL丙酮, 3 mL 2 mol/L H2SO4， 5.00 gβ-蒎烯，探討了高錳酸鉀與β-蒎烯物質(zhì)的量比對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響，結(jié)果列于表3。由表3可知，隨著高錳酸鉀用量的增大，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率不斷升高，當(dāng)n(KMnO4) ∶n(β-蒎烯)為3.2 ∶1時(shí)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率高達(dá)99.6%，反應(yīng)較為完全，反應(yīng)選擇性也達(dá)到91.2%，說明此反應(yīng)條件下反應(yīng)能夠進(jìn)行的比較完全，n(KMnO4) ∶n(β-蒎烯)=3.2 ∶1為最佳比例。

表3 氧化劑KMnO4用量對反應(yīng)的影響Table 3 Effect of the dosage of oxidant KMnO4 on reaction

2.2.5攪拌方式 控制反應(yīng)溫度為21～24 ℃，溶劑為30 mL丙酮，催化劑CTAB 0.20 g， 5.02 g的β-蒎烯， 16.87 g 高錳酸鉀， 3 mL 2 mol/L H2SO4，反應(yīng)時(shí)間為3 h，探討了不同攪拌方式對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響，結(jié)果表明：機(jī)械攪拌時(shí)β-蒎烯的轉(zhuǎn)化率(98.8%)遠(yuǎn)高于磁力攪拌的(89.3%)，但是選擇性(89.3%)略低于磁力攪拌的(91.5%)，這種情況可能是由于機(jī)械攪拌時(shí)反應(yīng)更為劇烈，使得β-蒎烯轉(zhuǎn)化率更高，但也更容易生成副產(chǎn)物，使得選擇性略低。綜合考量，采用機(jī)械攪拌可以加快反應(yīng)速率，節(jié)省時(shí)間成本，更為經(jīng)濟(jì)。

2.3 重復(fù)性試驗(yàn)

諾蒎酮合成的優(yōu)化工藝為5.00 gβ-蒎烯，KMnO4為氧化劑，n(KMnO4) ∶n(β-蒎烯)為3.2 ∶1，30 mL丙酮作溶劑，0.20 g CTAB為催化劑，3 mL 2 mol/L H2SO4,溫度21～24 ℃，反應(yīng)時(shí)間3 h，采用機(jī)械攪拌。選擇此工藝條件進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，4次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似，轉(zhuǎn)化率分別為99.2%、99.5%、99.7%和99.6%，選擇性分別為93.3%、91.9%、91.4%和92.2%。因此，在最佳工藝條件下，該反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性分別達(dá)到99.5%和92.2%。

2.4 產(chǎn)物的表征

圖2 產(chǎn)物的FT-IR圖Fig.2 FT-IR of product

2.5 討論

現(xiàn)有合成諾蒎酮的工藝均存在不同的缺點(diǎn)，或產(chǎn)物選擇性低、轉(zhuǎn)化率低，或所用試劑昂貴，或合成條件苛刻、可操作性差等。本研究利用高錳酸鉀作為諾蒎酮合成反應(yīng)的氧化劑，加入適當(dāng)?shù)南噢D(zhuǎn)移催化劑(如十六烷基三甲基溴化銨)，獲得了一種操作簡便、反應(yīng)條件溫和(21～24 ℃)、安全、可執(zhí)行性強(qiáng)的諾蒎酮制備工藝，且在一定程度上縮短了反應(yīng)時(shí)間，減少了副產(chǎn)物，并大大提高了反應(yīng)選擇性和β-蒎烯轉(zhuǎn)化率，同時(shí)可以減少使用冷凝或加熱裝置，降低成本，為諾蒎酮的制備提供一定的理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

對β-蒎烯氧化制備諾蒎酮的合成工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到較優(yōu)條件為： 5.00 gβ-蒎烯，3 mL 2 mol/L H2SO4，氧化劑為高錳酸鉀，高錳酸鉀與β-蒎烯的物質(zhì)的量比3.2 ∶1，以十六烷基三甲基溴化銨為催化劑，催化劑用量為0.20 g，溶劑為丙酮，反應(yīng)時(shí)間3 h，反應(yīng)溫度21～24 ℃，采用機(jī)械攪拌，此條件下反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為99.5%，反應(yīng)的選擇性為92.2%。