超臨界二氧化碳介入的α-松油醇催化合成1，8-桉葉素

洪燕珍，王笛，李卓昱，徐亞南，王宏濤，蘇玉忠，彭麗，李軍

（廈門大學化學化工學院，福建廈門361005）

引 言

1,8-桉葉素具有良好的抗菌、消炎、防腐和殺蟲驅(qū)蚊作用，廣泛地應(yīng)用于香精香料、衛(wèi)生和醫(yī)藥等領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景[1-5]。目前制備1,8-桉葉素方法主要包括天然提取法和化學合成法[6-13]。天然提取法存在桉葉油出油率低、雜質(zhì)多、萃取得率低等問題，而且由于桉樹自身生長特性，易給生態(tài)環(huán)境造成不利的影響，多地政府已陸續(xù)出臺限桉令或禁桉令，天然提取法的原料來源成為難題。因此，化學合成法將是制備1,8-桉葉素的主要途徑。

Mitchell[14]、Fari?a 等[15]和崔軍濤等[16]利用液體酸催化松油醇合成1,8-桉葉素，但液體酸用量大且回收利用困難。Le?o Lana 等[17-18]和張東麗等[19-20]采用固載型磷鎢酸/二氧化硅為催化劑，催化α-松油醇異構(gòu)合成1,8-桉葉素，α-松油醇的轉(zhuǎn)化率和1,8-桉葉素的選擇性最高分別為100%和42.60%，但存在PW易被洗脫、活性低等問題[21-22]。

本課題組前期探索了磷鎢酸/聚離子液體(PW/PIL)催化劑催化α-松油醇異構(gòu)合成1,8-桉葉素，在環(huán)己烷為溶劑，環(huán)己烷/α-松油醇/催化劑的質(zhì)量比為33.7∶1∶0.388 時，常壓50℃反應(yīng)8 h，α-松油醇的轉(zhuǎn)化率為100%，1,8-桉葉素的選擇性為51.7%[23-25]。但該條件下有機溶劑用量較大，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。為此，尋找合適的溶劑體系，兼具提高溶脹效應(yīng)和降低溶劑極性的作用，有效地降低有機溶劑的用量，并進一步提高1,8-桉葉素的選擇性成為亟需解決的問題。

超臨界CO2具有無毒、無殘留、擴散阻力小等優(yōu)勢，用超臨界CO2替代反應(yīng)過程中大量使用的有機溶劑，引起了研究者的廣泛關(guān)注。本研究提出并建立超臨界CO2介入α-松油醇異構(gòu)合成1,8-桉葉素的方法，以降低有機溶劑用量，提高1,8-桉葉素選擇性，開發(fā)一種綠色環(huán)保高效的1,8-桉葉素催化合成工藝。以二極管陣列檢測器測定超臨界CO2下體系的極性，并研究超臨界CO2對溶劑體系極性和溶脹效應(yīng)的影響，以理解超臨界CO2中α-松油醇異構(gòu)合成1,8-桉葉素的反應(yīng)機理。

1 實驗材料和方法

1.1 試劑與儀器

CO2，≥99.9%，林德氣體（廈門）有限公司；環(huán)己烷，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；α-松油醇，≥98.0%，百靈威科技有限公司；酚藍，97%，Sigma-Aldrich 公司；1,8-桉葉素，≥99.5%，福建省閩山化工有限公司。磷鎢酸，AR，國藥集團化學試劑有限公司。1-丁基-3-乙烯基咪唑溴鹽，99%，蘭州雨陸精細化工有限公司。超臨界CO2反應(yīng)裝置，自制；氣相質(zhì)譜聯(lián)用儀，島津制作所，QP2010 型；氣相色譜儀，安捷倫科技有限公司，GC7890A。

1.2 PW/PIL催化劑的制備

稱取一定量的1-丁基-3-乙烯基咪唑溴鹽溶解于甲醇中，加入引發(fā)劑偶氮二異丁腈進行聚合反應(yīng)，真空干燥獲得固體PIL。PW 與1-丁基-3-乙烯基咪唑溴鹽單體摩爾比為1∶3，將PW乙醇溶液以固定的速度滴加至PIL 乙醇溶液中攪拌反應(yīng)，反應(yīng)所得懸濁液采用超臨界CO2進行干燥，制備得PW/PIL催化劑[23,26]。

1.3 1，8-桉葉素的合成

自制的超臨界CO2反應(yīng)裝置如圖1 所示，稱取3 g α-松油醇和相應(yīng)比例的環(huán)己烷置于高壓釜中，加熱至預(yù)設(shè)溫度，加入定量所制備的PW/PIL 催化劑，密封高壓釜。通過壓縮機注入CO2達到反應(yīng)壓力，攪拌反應(yīng)至預(yù)定時間后，緩慢泄壓并降溫收集產(chǎn)物。采用氣相質(zhì)譜聯(lián)用儀和氣相色譜儀對產(chǎn)物進行分析。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 常壓下環(huán)己烷用量的影響

由于聚離子液體具有柔性骨架，PW/PIL 在環(huán)己烷體系中出現(xiàn)明顯的溶脹現(xiàn)象，有利于活性組分PW 在反應(yīng)體系中充分暴露，促進α-松油醇的催化反應(yīng)。常壓下，PW/PIL 催化劑與α-松油醇的摩爾比為0.0163∶1，50℃反應(yīng)8 h 時，考察了溶劑環(huán)己烷用量對催化效果的影響。采用分光光度計，通過酚藍的溶劑化顯色效應(yīng)，測量了不同環(huán)己烷/α-松油醇組成下的體系最大吸收波長，結(jié)果見圖2。

圖1 超臨界CO2反應(yīng)裝置圖Fig.1 The schematic diagram for reaction in supercritical CO2

由圖可知，隨著環(huán)己烷量的減少，體系最大吸收波長增大，體系極性逐漸增大，催化劑的溶脹效應(yīng)減弱呈團聚趨勢，活性組分PW 的分散性降低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率和選擇性均下降。當環(huán)己烷/α-松油醇的質(zhì)量比降低到10∶1 以下時，催化劑出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，推測體系極性對催化效果具有非常重要的影響。據(jù)此，提出了揮發(fā)性和非極性的超臨界CO2介入該反應(yīng)體系，與非揮發(fā)性和極性的離子液體可形成性能獨特的兩相體系，將降低有機溶劑用量，推動催化過程綠色化。

2.2 超臨界CO2對極性的影響

當溶劑極性變高時，最大吸收波長向短波移動，即藍移；最大吸收波長向長波移動，即紅移。Kelley 等[27]采用高壓紫外可見光譜裝置檢測了CO2/有機溶劑混合體系的極性變化，隨著CO2含量的增大，混合體系的最大吸收波長向短波移動，體系極性降低。本研究則采用二極管陣列檢測器（超臨界流體色譜儀自帶，美國Waters 公司，SFC Pre30 型）測量高壓下α-松油醇/環(huán)己烷/CO2體系的最大吸收波長，與常壓下的環(huán)己烷/α-松油醇的最大吸收波長進行比較（表1），當CO2壓力增大時，體系的最大吸收波長減小。

由圖3 可知，在一定壓力下，隨著CO2的增加，α-松油醇/環(huán)己烷/CO2體系的最大吸收峰的位置向短波移動，體系的最大吸收波長減小，體系極性減小。該方法具有良好的準確性，快速、簡便地獲取高壓體系的極性變化趨勢，可指導(dǎo)α-松油醇催化過程研究。

表1 α-松油醇/環(huán)己烷體系的最大吸收波長Table 1 The maximum absorption wavelength of the α-terpineol/cyclohexane mixture

圖3 超臨界CO2下α-松油醇/環(huán)己烷體系的最大吸收波長Fig.3 The maximum absorption wavelength of the α-terpineol/cyclohexane mixture in supercritical carbon dioxide

2.3 超臨界CO2對α-松油醇/環(huán)己烷體系的溶脹作用

一定溫度、壓力下，采用高壓可視釜[28-29]，研究了超臨界CO2/環(huán)己烷、超臨界CO2/α-松油醇以及超臨界CO2/α-松油醇/環(huán)己烷的溶脹情況；利用Peng-Robinson狀態(tài)方程結(jié)合Panagiotopoulos-Reid 混合規(guī)則，對超臨界CO2/環(huán)己烷體系的溶脹率進行計算，結(jié)果如圖4 所示。在二元體系中，隨著CO2壓力的增大，環(huán)己烷的體積增大，說明環(huán)己烷可被二氧化碳溶脹；在CO2壓力較小時，環(huán)己烷的溶脹效果較不明顯，當CO2壓力在臨界值附近，其溶脹效果突增，與計算結(jié)果吻合。超臨界CO2對α-松油醇的溶脹效果不明顯，表明CO2在α-松油醇中的溶解度較低。在三元體系中，超臨界CO2溶脹α-松油醇/環(huán)己烷混合溶液的趨勢，與純環(huán)己烷的基本一致。由此說明，超臨界CO2可以較好地溶脹α-松油醇/環(huán)己烷體系。

圖4 超臨界CO2/α-松油醇/環(huán)己烷體系的溶脹曲線Fig.4 Volume expansion of the supercritical carbon dioxide/α-terpineol/cyclohexane systems

2.4 超臨界CO2介質(zhì)中環(huán)己烷用量的影響

在CO2壓力13.0 MPa，環(huán)己烷為溶劑，PW/PIL催化劑/α-松油醇的摩爾比0.0163∶1，50℃反應(yīng)8 h 的條件下，考察了環(huán)己烷用量對α-松油醇轉(zhuǎn)化率和1,8-桉葉素選擇性的影響（圖5）。隨著環(huán)己烷/α-松油醇的質(zhì)量比的增大，α-松油醇轉(zhuǎn)化率和1,8-桉葉素選擇性均呈增大趨勢。當質(zhì)量比升高至10∶1后，1,8-桉葉素的選擇性基本穩(wěn)定，保持在50%左右，α-松油醇的轉(zhuǎn)化率略有增高。相較于常壓溶劑體系（圖2），當環(huán)己烷/α-松油醇的質(zhì)量比小于10∶1時，CO2的介入顯著提高α-松油醇的轉(zhuǎn)化率和1,8-桉葉素的選擇性。

超臨界CO2的介入，既能溶脹環(huán)己烷又能充當溶劑，使催化劑得到更好的分散，活性組分PW 更易暴露于反應(yīng)體系中，提高催化效果。同時，超臨界CO2的介入降低了溶劑體系的極性（表1），改善催化劑的團聚現(xiàn)象，促進PW/PIL-4 的催化作用。當環(huán)己烷與α-松油醇質(zhì)量比為10∶1時，1,8-桉葉素的選擇性可達到55.8%。綜合轉(zhuǎn)化率和經(jīng)濟性，較佳的環(huán)己烷/α-松油醇的質(zhì)量比為10∶1。

2.5 反應(yīng)壓力的影響

在環(huán)己烷為溶劑，PW/PIL 催化劑/α-松油醇的摩爾比為0.0163∶1，環(huán)己烷/α-松油醇的質(zhì)量比為10∶1，50℃反應(yīng)8 h 的條件下，分別考察了CO2壓力為5.0、7.0、13.0、19.0 MPa下的α-松油醇轉(zhuǎn)化率和1,8-桉葉素選擇性，結(jié)果如圖6所示。

圖5 超臨界CO2中溶劑用量對催化活性的影響Fig.5 Effect of solvent usage in supercritical carbon dioxide on catalytic activity

圖6 超臨界CO2中壓力對催化活性的影響Fig.6 Effect of pressure in supercritical carbon dioxide on catalytic activity

由圖可知，當壓力增大時，可提高α-松油醇的轉(zhuǎn)化率和1,8-桉葉素的選擇性。當壓力為19.0 MPa時，α-松油醇的轉(zhuǎn)化率89.3%，1,8-桉葉素的選擇性為54.6%。

超臨界CO2壓力越高，超臨界CO2/環(huán)己烷溶劑體系的滲透性越強，越有利于α-松油醇進入催化劑的活性中心進行反應(yīng)，提高了α-松油醇的轉(zhuǎn)化率；同時超臨界CO2的介入降低了溶劑體系的極性，不僅改善催化劑的團聚現(xiàn)象，還有助于極性較低的1,8-桉葉素從活性中心脫附出來，進入聚離子液體的疏水相，提高了1,8-桉葉素的選擇性?？紤]到操作的實際性，避免過高壓力，較佳的壓力為19.0 MPa。

2.6 超臨界CO2介入下PW/PIL 催化α-松油醇可能的反應(yīng)機理

PW/PIL 催化α-松油醇合成1,8-桉葉素的過程中，載體PIL的親油性質(zhì)與活性組分PW 的親水性形成了催化劑表面微環(huán)境的親疏水平衡，促進極性分子α-松油醇迅速從催化劑表面進入PW 陰離子建構(gòu)的“假液相”[30-32]體相內(nèi)，α-松油醇在“假液相”內(nèi)被質(zhì)子化形成中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物脫水生成1,8-桉葉素及其副產(chǎn)物，極性較低的產(chǎn)物1,8-桉葉素從活性中心不斷地脫附，進入PIL 的疏水相內(nèi)，從而促進α-松油醇異構(gòu)合成1,8-桉葉素，提高了1,8-桉葉素的選擇性[23-24]。

超臨界CO2介入，起到了充當共溶劑、膨脹溶劑和降低體系極性的三重作用，更有助于極性分子α-松油醇迅速進入PW/PIL 催化劑構(gòu)成的“假液相”中，被質(zhì)子化生成中間體C10H17OH2+和C10H18OH+。隨著CO2壓力增大，溶劑體系極性降低，α-松油醇更易于被質(zhì)子化生成中間體C10H18OH+進而生成1,8-桉葉素，且極性較低的1,8-桉葉素也更易于從活性中心脫附，有效地促進了主反應(yīng)的正向進行，提高了1,8-桉葉素的選擇性和收率。

3 結(jié) 論

(1)提出了超臨界CO2介入α-松油醇異構(gòu)合成1,8-桉葉素的綠色高效方法，有效地降低了有機溶劑的用量，提高了1,8-桉葉素的選擇性。當CO2壓力為5.0～19.0 MPa，隨著壓力增大，α-松油醇的轉(zhuǎn)化率和1,8-桉葉素的選擇性均增大。優(yōu)化出超臨界CO2介入的催化條件：環(huán)己烷/α-松油醇的質(zhì)量比10∶1，PW/PIL 催化劑/α-松油醇的摩爾比0.0163∶1，CO2壓力19.0 MPa，50℃反應(yīng)8 h，α-松油醇的轉(zhuǎn)化率為89.3%，1,8-桉葉素的選擇性為54.6%。

(2) 探討了超臨界CO2作為共溶劑介入下PW/PIL催化α-松油醇可能的反應(yīng)機理，溶劑膨脹，體系極性降低，催化劑更好地分散在溶劑中，從而促進α-松油醇被質(zhì)子化生成中間體C10H18OH+，抑制α-松油醇被質(zhì)子化生成中間體C10H17OH+2，有利于α-松油醇異構(gòu)生成1,8-桉葉素。