以檸檬醛合成酮類香料的研究進展及市場應用

劉新新，王 敏

（富海研發(fā)有限公司，山東 東營 257400）

檸檬醛（citral）是一種非常重要的精細化學中間品，具有正反異構體——香葉醛（反式）和橙花醛（順式）兩種結構[1]，天然檸檬醛存在于很多植物中，其中檸檬草、丁香羅勒、山蒼子等植物中含量尤其豐富，精油中檸檬醛含量占60%以上，工業(yè)上可以從天然精油中提取而得。但天然檸檬醛有一定的揮發(fā)性，在日常環(huán)境中易發(fā)生化學變化，不能被廣泛應用，因此，采用化學合成方式制備檸檬醛具有重要意義。合成檸檬醛的方法主要有兩條路線：（1）以甲基庚烯酮、乙炔為原料合成脫氫芳樟醇再經(jīng)重排后制得；（2）以異丁烯為原料合成異戊烯醇、異戊烯醛，再進行醛醇縮合重排制得。

目前，全球只有3 家檸檬醛生產(chǎn)商，分別是德國巴斯夫集團（BASF），新和成控股集團有限公司（NHU）和日本可樂麗株式會社（Kuraray）。2018 年，全球檸檬醛總產(chǎn)能約為5.3 萬 t·a-1,產(chǎn)量約為 4.1 萬 t。隨著巴斯夫與馬來西亞國家石油公司（Petronas）合資在馬來西亞新建的4 萬t·a-1檸檬醛裝置逐漸釋放產(chǎn)

能，國內萬華化學計劃新建的4 萬t·a-1檸檬醛及下游衍生物項目上馬，全球檸檬醛供應將趨于過剩。

工業(yè)中，接近2 萬t 檸檬醛用作合成β-紫羅蘭酮，進而用于合成維生素A。同時，紫羅蘭酮也是市場用量極大的香料品種之一，在香料領域紫羅蘭酮年消耗量超過3000t。因此，掌握紫羅蘭酮系列衍生物的合成方法，并以此開發(fā)新型香精香料對檸檬醛生產(chǎn)企業(yè)尤為關鍵，將對有效消化新增產(chǎn)能起到積極作用。

1 紫羅蘭酮類香料

1.1 假性紫羅蘭酮

假性紫羅蘭酮是合成紫羅蘭酮的必需中間體，應用比較廣泛。企業(yè)一般合成假性紫羅蘭酮后繼續(xù)用來合成紫羅蘭酮或其他酮類衍生物，假性產(chǎn)品流通量較小，國外也少有產(chǎn)品進行直接銷售。

目前，工業(yè)上生產(chǎn)假性紫羅蘭酮的一般方法是用檸檬醛與丙酮在NaOH 水溶液中發(fā)生醇醛縮合反應生成。

顧勝華等[2]采用浸漬法制備了KNO3/Al2O3固體堿催化劑，在催化合成假性紫羅蘭酮的縮合反應中表現(xiàn)出良好的活性，當活性組分KNO3的負載質量分數(shù)為25%、浸漬時間為6h、焙燒溫度為600℃時，所制備的催化劑催化合成假性紫羅蘭酮產(chǎn)率可達87.5%。

近年來，微波輻照法在化學反應中常有應用，高頻率的微波能夠給予分子足夠的反應能，從而有效的促進反應進行，進而縮短反應時間。趙揚等[3]在微波條件下進行了固體堿合成假性紫羅蘭酮的探索，探索出合成假性紫羅蘭酮的適宜工藝條件：0.1mol檸檬醛，使用NaOH/KOH 混合催化劑，摩爾比為1∶1，催化劑用量為1∶8，微波功率設置在400W，反應溫度設定為50℃。在上述條件下反應2h，假性紫羅蘭酮產(chǎn)物收率可達93.4%。微波輻射法也有一定的缺點，即微波發(fā)射器的功率大，不能長時間保持開啟狀態(tài)，必須使用一段時間后對其進行關機降溫，只能間歇生產(chǎn)，工業(yè)上不適用于放大生產(chǎn)，無法滿足大規(guī)模工業(yè)應用的需求。

1.2 α-紫羅蘭酮

紫羅蘭酮是香料行業(yè)極其重要的調香原料之一，又名香堇酮。由于雙鍵位置不同使之有α、β、γ 3種同分異構體，天然提取物多是α 體和β 體的混合物，γ 體相對少見。其中α-紫羅蘭酮香氣柔和淳厚，接近紫羅蘭酮花香，給人以溫和嗅感，市場售價相對較高。

胡鐵等[4]以檸檬醛為原料，經(jīng)過假性紫羅蘭酮這一中間體合成紫羅蘭酮。合成假性紫羅蘭酮的適宜工藝條件為反應溫度40～45℃，NaOH 用量3.0（wt）%，丙酮∶檸檬醛摩爾比6∶1，反應 4h，假性紫羅蘭酮的反應收率90.6%；合成紫羅蘭酮的適宜工藝條件為反應溫度50℃，假性紫羅蘭酮∶85% H3PO4摩爾比1∶3，反應2h，紫羅蘭酮收率達到89.8%，其中α 體質量分數(shù)為81.4%，β 體質量分數(shù)為15.6%；從檸檬醛合成α-紫羅蘭酮收率為73.1%。

梁達文[5]用檸檬醛合成假性紫羅蘭酮，假性產(chǎn)品不經(jīng)分餾提純，直接進入下一步環(huán)化，使用較高濃度H3PO4在苯中反應1.5h，α-紫羅蘭酮的收率可達87.87%，從檸檬醛合成α-紫羅蘭酮的收率經(jīng)核算為81.54%。

丁健樺[6]同樣采用微波技術促進反應, 使用制備和后處理簡單且環(huán)保的固體催化劑, 合成了α-紫羅蘭酮。

1.3 β-紫羅蘭酮

β-紫羅蘭酮在室溫下具有特殊的紫羅蘭花香，是十分重要的精細化學中間體，一般用來合成維生素A，是紫羅蘭酮系列產(chǎn)品中使用量最大的一種。近年來研究人員也發(fā)現(xiàn)它在藥理學、藥物學上的特殊應用，例如β-紫羅蘭酮可明顯地抑制雌激素陽性（ER+）人乳腺癌 MCF-7 細胞的增殖，并誘導該細胞產(chǎn)生凋亡[7]。

β-紫羅蘭酮天然存在于樹毒、紫羅蘭等多種植物中，工業(yè)中也可由檸檬醛與丙酮在金屬或堿土金屬水溶液中縮合，再使用酸催化劑環(huán)化制得。

萬華化學[8]以改性酸性功能化離子液體作為催化劑，將假性紫羅蘭酮環(huán)化成β-紫羅蘭酮。采用改性酸性功能化離子液體作為催化劑，實現(xiàn)了高反應轉化率和β-紫羅蘭酮收率，反應轉化率達到99%以上，β-紫羅蘭酮收率達到94%；并且催化劑分離套用多次后仍保持較高的轉化率和收率，反應轉化率仍然在99%以上，反應收率仍維持90%以上。

上海應用技術大學[9]的專利CN109970535A 使用發(fā)煙硫酸作為環(huán)合劑，并加入石油醚、甲醇作為溶劑，使環(huán)合過程中的β-紫羅蘭酮選擇性明顯增加，含量達到97%以上。

超重力反應器具有強化混合的優(yōu)勢,賀曉勤[10]在攪拌釜和超重力反應器中進行了假性紫羅蘭酮在濃硫酸環(huán)境中催化合成β-紫羅蘭酮的探索研究，與機械攪拌的釜式反應器相比，超重力實驗采用的循環(huán)工藝能夠降低有機溶劑用量，提高目標產(chǎn)物收率，并且處理量大，β-紫羅蘭酮收率能夠達到93%以上。

1.4 甲基紫羅蘭酮

甲基紫羅蘭酮是一種具有獨特香氣的香料，其香氣盛甜，既有紫羅蘭的香氣，又有鶯尾幽雅的甜香，還帶有金合歡的氣息，因此在香料調配方面用途廣泛。

甲基紫羅蘭酮是一種無色至淡黃色液體，由6種同分異構體組成:α-異甲基紫羅蘭酮,α-正甲基紫羅蘭酮,β-異甲基紫羅蘭酮、β-正甲基紫羅蘭酮、γ-異甲基紫羅蘭酮、γ-正甲基紫羅蘭酮; 其中以α-異甲基紫羅蘭酮香氣最為優(yōu)雅、柔和。

經(jīng)過市場檢驗，流通最廣泛的甲基紫羅蘭酮是α-構型混合物，即α-正甲基紫羅蘭酮和α-異甲基紫羅蘭酮，多以混合物進行出售，其他構型在市場流通上并不多見。

甲基紫羅蘭酮與紫羅蘭酮構型類似，多了一個甲基。采用類似的合成路線，使用甲基乙基酮與檸檬醛反應，即可得到假性甲基紫羅蘭酮的異構體，然后再關環(huán)重排即可生成正（異）甲基紫羅蘭酮[11]。

山東新和成藥業(yè)有限公司[12]的專利CN108017 525A 中一鍋法高效地合成了α-異甲基紫羅蘭酮，獲得的成品中α-異甲基紫羅蘭酮的選擇性達到95.0%以上。

黃喜根[13]以TiO2/SO2-4固載強酸做催化劑，實驗研究了以假性異甲基紫羅蘭酮合成甲基紫羅蘭酮的方法。在的投料比下，反應溫度控制在15-25℃，反應時間為1.5h。該優(yōu)化條件下，反應收率為92%～93%，其中α體質量分數(shù)為77%左右。

2 其它酮類衍生物

2.1 鳶尾酮

鳶尾酮（irones）為鳶尾精油香氣的主要成分，是一種無色或淡黃色的油狀液體。因具有柔和、持久、淳厚的木香或紫羅蘭香氣，鳶尾酮被公認為是紫羅蘭酮系列香料中最高檔、最名貴的一種，它可廣泛用于食品、煙草、香皂、化妝品、衣物、書畫和紙張等產(chǎn)品中，添加痕量即可芳香四溢。雖合成路線有多種，但研究表明，用檸檬醛合成鳶尾酮雖難度很大，但路線卻相對簡單、經(jīng)濟性較強。

胡鐵[14]研究了以9,10-環(huán)亞甲基假紫羅蘭酮為原料，經(jīng)關環(huán)反應合成鳶尾酮的工藝，關環(huán)反應的收率達到90.1%，產(chǎn)品中α-鳶尾酮的含量達到60.2%。

2.2 木材酮

木材酮（timberone）具有在香料工業(yè)中非常受歡迎的樹木/唬拍香味。Werner BF 等[15]發(fā)明了木材酮的制備方法。

圖1 木材酮合成路線Fig.1 Synthesis route of timberone

2.3 甲位二氫突厥酮

甲位二氫突厥酮香氣獨特，備受調香師及用戶喜愛。生活中，部分名貴的煙草中添加痕量該類物質，便使得香煙香味更加清香柔和，沁人心脾。

Elisabetta Azzari[16]使用（Me3Si）2CuLi.LiCN 為試劑，成功合成出了甲位二氫突厥酮，總收率為22%。具體路徑如下:

圖2 甲位二氫突厥酮合成路線Fig.2 Synthesis route of α-Dihydroturkinone

2.4 β-大馬烯酮

β-大馬烯酮，又名β-突厥烯酮，是大馬士革玫瑰（Rosa damascena）精油香氣的重要成分，具有清甜的玫瑰花香、干草香氣、草莓和蘋果等水果香韻等香氣特征。

任天鷺[17]在課題組工作的基礎上，使用5L 反應釜單次合成了300g β-大馬烯酮產(chǎn)品，并使用減壓蒸餾提純裝置對產(chǎn)物進行分離純化，最終得到純度達到94%的β-大馬烯酮產(chǎn)品，收率高于80%。

圖3 β-大馬烯酮合成路線Fig.3 Synthesis route of β-Damascenone

3 結語

檸檬醛作為一種重要的維生素及香料中間體，有著廣泛的應用，但近年來國際化工巨頭對檸檬醛大規(guī)模的新建及擴建加劇了檸檬醛的市場銷售壓力，因此，向下游延伸產(chǎn)業(yè)鏈對檸檬醛生產(chǎn)企業(yè)保持行業(yè)競爭力十分重要。紫羅蘭酮系列產(chǎn)品雖合成路線相對成熟，但如何在傳統(tǒng)的路線上進行改進，提高目標產(chǎn)品（特別是流通量大的香料產(chǎn)品）收率，仍需加大研究力度。同時，由于檸檬醛特殊的化學結構，同步開展以檸檬醛為原料合成其它新型香料產(chǎn)品的研究，同樣值得人們關注，有助于進一步豐富調香師的選擇，滿足人們對不同香氣產(chǎn)品的需求。