堿金屬/THF體系不對稱還原樟腦制備右旋龍腦

趙鵬,王寧輝,曾明榮,王維德

(華僑大學化工學院,福建泉州362021)

堿金屬/THF體系不對稱還原樟腦制備右旋龍腦

趙鵬,王寧輝,曾明榮,王維德

(華僑大學化工學院,福建泉州362021)

利用樟腦還原中間產(chǎn)物的分子熱力學穩(wěn)定性差異,在堿金屬/THF(四氫呋喃)體系中進行樟腦的不對稱還原研究,考察堿金屬用量、溶劑用量、反應時間和反應溫度對反應的影響.結果表明,最優(yōu)反應條件為堿金屬與樟腦的量比為2.8,溶劑用量與樟腦的量比為22.5,反應時間為3 h,反應溫度為25℃.在此條件下,反應所得樟腦轉化率為93%,右旋龍腦產(chǎn)率為72%.

樟腦;右旋龍腦;四氫呋喃;不對稱還原

龍腦分為天然右旋龍腦(梅片)、天然左旋龍腦(艾片)和合成消旋龍腦(冰片、機片)3種.它是一種無色透明或者白色的片狀結晶,具有通諸竅、散郁火、去翳明目、消腫止痛、開竅醒腦、清熱解毒的功能,同時也是名貴的定香劑和配制高級香水重要原料.研究表明,右旋龍腦的消炎、鎮(zhèn)痛作用優(yōu)于左旋和消旋龍腦,右旋龍腦的香氣評定等級遠高于其他龍腦產(chǎn)品[1].文[2-3]研究表明,用右旋聯(lián)萘酚改性過的氫化鋁鋰和還原劑/無水乙醇體系分別為手性還原劑對樟腦的不對稱還原.本文利用樟腦還原中間產(chǎn)物的分子熱力學穩(wěn)定性的差異[4-5],在堿金屬/THF體系中不對稱還原制備右旋龍腦.

圖1 堿金屬/THF還原樟腦的反應機理Fig.1 Reaction mechanism of reduced campho r in alkali/THF

1 實驗部分

1.1 實驗原理

堿金屬/四氫呋喃(THF)還原樟腦的反應機理,如圖1所示.還原過程中,樟腦分子酮基上加上一個電子后和帶相反電荷的堿金屬離子A+結合,所形成的游離羰基陰離子結構與內型C-O鍵的錐形結構相似.另一個電子和堿金屬離子加到游離羰基陰離子結構上,得到數(shù)量不等的2種差向異構體的二價陰離子結構(R2C--O-)a1和a2,并且數(shù)量較多的是內型C-O鍵結構(a1).

這兩個堿金屬正離子位于帶負電荷離子的中心,a1,a2可以通過具有SP3雜化負碳離子結構的b結構互變,而這種結構互變需要松開-O-A+結構的共價鍵.但是,鍵的松開遠遠慢于a1和a2的碳質子化過程.中間體a1,a2分別結合溶劑提供的H+,得到b1,b2,然后再結合一個H+,最終可得到龍腦、異龍腦.

1.2 樟腦預處理

將樟腦溶解在無水乙醚中,過濾除去不溶性雜質,減壓蒸餾回收溶劑,固體干燥后待用.

1.3 不對稱還原反應

將預處理所得樟腦加入100 mL的三口燒瓶中,用四氫呋喃(THF)充分溶解,置于水浴鍋中恒溫.達到反應溫度后,分批加入堿金屬進行不對稱還原.將反應后的混合物用無水乙醚萃取,水洗數(shù)次后,減壓蒸餾除去萃取劑,可得到樟腦、龍腦和異龍腦的混合物.

1.4 產(chǎn)物檢測

用GC-102M型氣相色譜儀(柱長3 m,內徑2 mm,固定相SE-30)分析產(chǎn)物組成.色譜條件:柱室溫度為155℃,進樣器溫度為200℃,檢測器溫度為190℃,氫氣流量為28 mL·min-1.

2 結果與討論

2.1 堿金屬用量的影響

在反應溫度θ為25℃、反應時間t為3 h、溶劑THF與樟腦的量比m為30條件下,改變堿金屬的用量(n,即堿金屬與樟腦的量比),考察其對樟腦的轉化率(η1)與龍腦的產(chǎn)率(η2)的影響,結果如圖2所示.由圖2可以看出,樟腦轉化率和龍腦產(chǎn)率隨著堿金屬用量增大而增大.因為增大堿金屬的用量,可使樟腦反應的更完全更徹底.隨著堿金屬用量的增加,樟腦轉化率和龍腦產(chǎn)率增加趨勢從較大變?yōu)榫徛?直到增加的趨勢趨于平滑.這說明樟腦轉化率和龍腦產(chǎn)率的增加并不是隨著堿金屬用量增加無限制的增加.堿金屬用量存在一個較好值,在較好的反應結果下考慮使用較少的堿金屬,因此,取堿金屬與樟腦的量比為2.8.

2.2 溶劑用量的影響

考察在n=2.8,θ=25℃和t=3 h的條件下,THF用量對樟腦轉化率和龍腦產(chǎn)率的影響.從圖3可以看出,樟腦轉化率和龍腦產(chǎn)率隨著溶劑用量增加是一個減小的過程.這是因為隨著溶劑THF用量的增加,樟腦溶液濃度變小,樟腦與堿金屬接觸的機會相應減少,反應變慢.綜合考慮,取溶劑THF與樟腦的量比m為22.5.

圖3 溶劑用量對不對稱還原反應的影響 Fig.3 Effect of solvent volume on the asymmetric reduction

圖2 堿金屬用量對不對稱還原反應的影響Fig.2 Effect of alkali amount on the asymmetric reduction

2.3 反應時間的影響

考察在n=2.8,θ=25℃和m=22.5的條件下,反應時間(t)對反應的影響,如圖4所示.由圖4可知,樟腦轉化率和龍腦產(chǎn)率是一個從較快增長到緩慢增長的過程.樟腦轉化率和龍腦產(chǎn)率從1 h到4 h逐漸升高,2.5 h以后變化較慢,說明反應趨于平衡.當反應進行到3.5 h,樟腦轉化率和龍腦產(chǎn)率基本不再變化,說明樟腦還原基本達到了平衡.為了盡可能提高轉化率,取反應時間為3 h.

2.4 反應溫度的影響

考察在n=2.8,t=3 h和m=22.5的條件下,反應溫度(θ)對反應的影響,如圖5所示.由圖5可以看出,樟腦的轉化率和龍腦的產(chǎn)率隨溫度升高逐漸減小.原因是在較低溫度下中間體更穩(wěn)定,平衡常數(shù)較大,達到反應平衡時樟腦的轉化率和龍腦產(chǎn)率就高.同時反應溫度升高時發(fā)現(xiàn)還原產(chǎn)物有黃色物質生成,說明有雜質生成.從變化趨勢可以看出反應溫度在高于30℃時,樟腦轉化率和龍腦產(chǎn)率下降趨勢加快,綜合考慮取反應溫度為常溫25℃.

圖4 反應時間對不對稱還原反應的影響Fig.4 Effect of reaction time on the asymmetric reduction

圖5 反應溫度對不對稱還原反應的影響 Fig.5 Effect of reaction temperature on the asymmetric reduction

3 結論

采用THF為溶劑,利用堿金屬為還原劑考察堿金屬用量、溶劑用量、反應時間和反應溫度對樟腦轉化率和龍腦產(chǎn)率的影響.實驗結果表明,堿金屬用量和反應時間增加能夠增加樟腦轉化率和龍腦產(chǎn)率,而溶劑用量和反應溫度的增加則不利于還原反應的進行,而且增加了后續(xù)分離的難度.在最優(yōu)反應條件n=2.8,t=3 h,m=22.5和θ=25℃下,樟腦的轉化率為93%,龍腦的產(chǎn)率為72%.

[1] 宋永芳,羅嘉梁.高純度天然右旋龍腦的制備研究[J].林產(chǎn)化學與工業(yè),2003,23(3):11-14.

[2] 王寧輝,趙鵬,王維德,等.樟腦手性合成右旋龍腦[J].華僑大學學報:自然科學版,2006,27(1):89-91.

[3] 王維德,黃穎芬,王寧輝,等.天然腦粉不對稱還原制右旋龍腦[J].華僑大學學報:自然科學版,2007,28(4):410-413.

[4] PRADHAN S K,SANKARAN R.Counterion effect on stereochemistry of reduction of cycloalkanones by alkali metals in ammonia[J].Tetrahdron,1994,50(10):3149-3158.

[5] PRADHAN S K.Mechanism and stereochemistry of alkalimetal reductions of cyclic saturated and unsaturated ketones in p rotic solvents[J].Tetrahedron,1986,42(23):6351-6388.

Study of D-Borneol by Asymmetric Reduction of Camphor in AlkaliMetals/THF System

ZHAO Peng,WANG Ning-hui, ZENG M ing-rong,WANGWei-de
(College of Chemical Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

The asymmetric reduction of campho r into D-borneol was carried out in alkalimetals/THF(tetrahydrofuran) system by using the differenceof themolecular thermodynamics stability of midway p roductsof camphor reduction.In order to get theop timal reaction condition,the amountof alkalimetals,the volumeof solvent,the reaction time and the reaction temperature were investigated.The experimental results showed that the conversion rate of campho r is 93%and the p roductivity rate of D-borneol is 72%under optimal reaction condition:alkalimetals:campho r dosage of 2.8,THF: camphor dosage of 22.5,reaction temperature of 25℃,and reaction time of 3 h.

campho r;D-borneol;tetrahydrofuran;asymmetric reduction

O 621.3+4;O 636.9

A

(責任編輯:黃曉楠 英文審校:陳國華)

1000-5013(2010)06-0671-03

2009-06-03

趙鵬(1975-),男,講師,主要從事反應工程與分離工程的研究.E-mail:zhaopeng@hqu.edu.cn.

福建省科技計劃重點項目(2007Y0027);華僑大學科研基金資助項目(06X0085)