[转帖]羟基香茅醛的合成化学

泥泥 · 发表于 2004-8-21 10:57:00

张建斌甄宏爝*

（广州百花香料股份有限公司科研中心  广州市  510370）

Synthetic  Chemistry  Of  Hydroxycitronellal

Zhang Jianbin , Zhen Hongjue*

( Research &Development Center of Guangzhou BaiHua Flavours&Fragrances Co.Ltd.

Guangzhou  510370  China)

Abstract  The paper describes the character and various methods to synthesis of hydroxycitronellal. When hydroxycitronellal is synthesized by the method which diethanolamine is used for protecting aldehyde. For several traces impurities, it is difficult to get the good product which acceptable to the perfumer. Some works have to be done. There are introduced with an emphasis.

Key words  Hydroxycitronellal Diethanolamine Traces impurities

  提要  本文阐述了羟基香茅醛的性质及其各种化学合成方法，重点介绍了二乙醇胺法保护醛基制备羟基香茅醛时，为得到高质量香气的产品，应该采取的一些措施。

  关键词羟基香茅醛、二乙醇胺、微量杂质

一、

引言

羟基香茅醛（Hydroxycitronellal）自1908年被芬美意（Firmenich S.A.）公司以商品名“Cyclosia base”推出后获得了极大成功，至今仍是为数不多的大宗香料化学品之一。其化学名为7-羟基-3，7-二甲基辛醛(7-Hydroxy-3,7-dimethyl octanal);CAS 107-75-5;分子式C10H20O;结构式如右。至今尚未有存在自然界的报导。但国际上生产厂商较多，故名称最少有30个以上。

羟基香茅醛呈较稠的无色液体，沸点116℃/6.7Kpa或85~87℃/0.13Kpa;d4200.920~0.925；nD201.447~1.451；不同路线稍有差别。具有细腻愉快的铃兰、百合花香，清甜有力，是制铃兰型香精的主要组分，并能起到调和作用。用于碱性介质中稳定不变色，质量好的可适用食用香精；但应引起注意的是其在香精中的用量目前已受到限制，据IFRA1987年建议用量限度为5%，不过尽管用量受到限制，羟基香茅醛在香料工业中的世界范围用量仍达到了1100吨/年[1]。

   羟基香茅醛有两种对映体，其构型如下图。有学者自胡薄荷酮合成了（+）和（-）羟基香茅醛，对其香气特征进行了较为详细的研究[2]。指出两种对映体均有似铃兰花（Convallaria  majalis  L.）的愉快花香；R型具有强而甜的气息，而S型则带有新鲜绿叶气息并略带凉的薄荷香韵（undertone）；消旋体具有两种旋光体的香气，但其中凉薄荷香韵仍可被鉴别出来。

二、    羟基香茅醛的合成

1、香茅醛醛基保护法

1939年赖波恩（Labaune)发表论文，详细叙述了由香茅醛经亚硫酸氢钠保护醛基从而制备羟基香茅醛的方法（以下称亚硫酸氢钠法），此后，该法的改进在专利中相继出现。其要点为：先将香茅醛与重亚硫酸钠加成以保护醛基，然后在酸催化下水合，最后用碱或甲醛处理释出醛基而成。也因为羟基香茅醛作为香料工业少有的大宗商品，国内外专家学者及业界单位对其制备方法的改进热潮持续了近半个世纪。制备工艺的改进大多数是围绕保护醛基方式的不同而形成不同的制备方法，主要的可归纳为以下五种（反应式如图1）：

图1：保护醛基法制备羟基香茅醛的反应式

方法（2）（3）是用乙酐与香茅醛反应生成二乙酸酯和烯醇酯以保护醛基，然后以60%左右的硫酸在-20℃下反应2h，但如果在50℃下则反应只需数分钟，后步水解则基本同方法（1）；文献指出此法利于进行连续反应[3，4]；连续反应的得率约为75%。而在后来的改进专利中将上述的酯在水合后于乙酸钠存在下在甲醇中加热皂化，并不断蒸出甲醇，得率可达97%[5]。

  （1）~（3）的工艺较为经典，尤以工艺（1）为最，这也是大多数生产厂所采用的工艺。但此三种工艺都存在一个最大的缺点：操作繁琐，三废严重。

有学者曾述及以亚硫酸氢铵替代亚硫酸氢钠的改进工艺[6]，其原理基本同(1)，但不用甲醛。认为降低了工艺成本，三废减少，操作减少，得率提高。但仍未能从根本上解决问题。

而在二十世纪七十年代初开始出现的方法（4）（5）是采用氨和胺类使之变成烯胺和亚胺化合物，然后水合羟化、碱作用得到羟基香茅醛。其优点在于无SO2排出，不用甲醛置换醛基，因此三废极少甚至无三废产生。以二甲胺保护为例：Vilkas等用二甲胺与香茅醛形成烯胺，再用42%硫酸在-10~-20℃水合，最后以碱液中和水解得较纯的成品[7、8]，其他还有氨[9]、二乙醇胺[10、11]、吗啉[12]、哌啶[13]等保护醛基。日本学者Ishino等以此类化合物与香茅醛反应制成噁唑烷、烯胺、亚胺等中间体再水合，水解制备羟基香茅醛，对其得率进行了比较。指出此类保护法可减少异胡薄荷醇和3，8-对孟烷二醇等副产物的生成，得率也较高[14]。

胺类保护法中学者们多采用了二乙醇胺法（以下简称DEA法），国内多位学者在90年代初期进行了较多的研究[15-17]。二乙醇胺法具有以下优点：（1）原料DEA的价格相对较低；（2）DEA法是胺类法中得率最高的之一（参见文献14）。

DEA法是将DEA与香茅醛在30-50℃左右反应30分钟，然后分出水和香茅醛的前馏分，得到较高纯度的噁唑烷产品；噁唑烷在浓度为45-65%的1.45-2.0倍重量的浓硫酸中控制在30℃以下水化一定时间，再中和水解近中性，甲苯萃取，分馏得产品。

值得注意的是从香料开发者的角度来考虑，不能片面追求纯度、得率与操作简便。因为香料化学品中的某些微量成分或许不被分析仪器所检出，但仍能被有经验的调香师所察觉，而调香师对香原料质量评价始终是以“纯正”香气为佳品。Skorianetz等曾指出若羟基香茅醛中含有微量诸如烃类、香茅醛、异胡薄荷醇之类的杂质成分，则此羟基香茅醛商品是不被调香师所接受的[18]。

有鉴于此，在开发DEA法制备羟基香茅醛的工艺过程中采用了以下一些方法来保证产品的香气质量：（1）制备噁唑烷的过程与噁唑烷的水合过程不能连续操作，且在制备噁唑烷时将噁唑烷、香茅醛及DEA的纯度严格控制在一定适度范围内；（2）选择合适的酸浓度、水合温度及水解温度在保证一定得率的情况下控制反应过程的杂质；（3）反应过程中增加一步萃取分离过程；（4）利用我公司的高效真空分馏装置提高分馏效果。

经过上述工作后所获得的产品，质量明显有了提高，基本达到了我公司引进IFF的羟基香茅醛工艺的香气标准。

2、醇脱氢或加氢法

除上述介绍的香茅醛保护法外，国外学者亦有依据当地资源或企业实际情况选择以醇（香茅醇、香叶醇）脱氢或脱氢芳樟醇生成二醇再加氢的方法制备羟基香茅醛。归纳如下图2。

图2：醇类制备羟基香茅醛的反应式

方法（1）中以香茅醇酸化水化，然后用铜锌、铜铬、氧化铜等等脱氢；原苏联及日本学者对不同催化剂的脱氢效果都进行了较深入的研究。日本专利[19、20]报导了用铜、铊或铟作催化剂在氧存在下脱氢。而Cyxopyкова等[21]的研究表明用Cu/SiO2、Cu/硅藻土、ZnO或MgO为催化剂，效果不佳；以铜粉脱氢，产物仅含51%羟基香茅醛；改用铜铬催化剂ГИПХ105时，效果较好，优化条件后得率可达75%。

在特殊情况下也有用方法（2）制备的，先将香叶醇酸化水合转化为羟基香叶醇，然后再用铜锌、铜铬等将之异构化得羟基香茅醛。或者用方法（3）先将柠檬醛用吗啉作用保护羰基，接着在-10℃低温酸性条件下催化水合，再氢化也可得到同样结果[22]。

方法（4）则是以脱氢芳樟醇催化水合生成二醇，再催化氧化转化为羟基柠檬醛，经选择性加氢得到羟基香茅醛[23]。但需要说明的是这几种方法的工业化意义不是很大，因为过程步骤多，脱氢加氢设备复杂，投资大。

3、其它合成方法

有资料介绍以羟基香叶基胺（Hydroxygeranylamine）为起始原料经异构化再脱胺最终获得羟基香茅醛产品[24、25]。反应式如下:

也有资料介绍以2，6-二甲基-2-羟基-7-辛烯为起始原料经次氯酸钙酸化后生成二醇，再碱化，后水化得羟基香茅醛[26]。反应式如下:

还有文献介绍以2，6-二甲基-1-庚烯-6-醇为起始原料，在高压、催化剂存在下通入CO-H的混合气体进行氢甲酰化反应得产品[27、28]。反应式如下:

另外，还有学者以蒎烯热裂产物月桂烯（Myrcene）为起始原料经多步反应进行制备的[29]，其反应大致过程可参见下图。

三、羟基香茅醛在合成香料中的应用

羟基香茅醛是比较特殊的大批量使用的香料化学品之一，其应用也与香料密不可分。以下是几个常见的应用实例。

1、前面介绍以DEA法制备羟基香茅醛时，制备得肟唑烷后，若水合羟化用甲醇、硫酸则最后所得为略带青气、清甜花香的甲氧基香茅醛（Melonia-Hoffmann-La Roche产品）。反应式见下图：

2、以羟基香茅醛和邻氨基苯甲酸甲酯（MA）等克分子静置12小时、然后水浴加热减压蒸馏脱水可得橙花素（Auralva;Anthralal;Londonflor），（反应式如图3）一种具有甜橙花花香的香料，克服了羟基香茅醛的不稳定和MA易变色的弊端。

               图3：橙花素制备反应式

3、复合基Indolene：为IFF商品名，以2分子的吲哚与1分子的羟基香茅醛脱水缩合可得（反应式如图4）。具有十分持久的新鲜花香;可用于茉莉、晚香玉等花香型香精中。

图4：Indolene制备反应式

参考文献：

[1] Somogyi,L.P., Chemistry & industry ,NO 5 (1996),170-173

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[4] P.S.Gradeff et al.,Ger Offen.2,221,093(1973);C.A.78,43768(1973)

[5] P.S.Gradeff et al.,U.S.3,917,713(1975);РЖХ 17P625(1976)

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[11]覃海错等应用化学 1992，9（2）：P119~122

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[26] Brit. Pat.  923,901, Apirl 18,1962

[27] R.Van Helden et al.,Brit.1,551,729(1979)

[28] Himmel et al.,Ger.Offen.1,964,962  July 1,1976

[29] Bain, U.S.Pat. 3,060,237. Oct.23 ,1962

  致谢：参加本项目实验工作的还有宋春玲、高艳辉，作者在此一并表示诚挚的谢意。

  第一作者简介：张建斌，男，1999年毕业于南开大学化学系，目前主要从事于合成香料的开发与研究工作。

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