CN101531569A - 一种合成2-甲基异莰醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓝藻次级代谢产物2－甲基异莰醇(全称为1，2，7，7－四甲基－外－双环－[2，2，1]－2－庚醇)的合成方法，其中包括d－樟脑与镁有机化合物(甲基碘化镁)通过烷基化反应合成2－甲基异莰醇。其中甲基碘化镁是由碘甲烷与金属镁在无水乙醚中反应制得的。本发明还涉及去除合成产物中的杂质、及2－甲基异莰醇的纯化与鉴定的方法。

Description

一种合成2-甲基异莰醇的方法

技术领域

本发明涉及合成嗅味物质—2-甲基异莰醇的方法，及对合成产物中的2-甲基异莰醇进行定性、定量和纯化的方法。

背景技术

富营养化是水体水质变劣、发生异嗅的主要原因。许多富营养化的湖泊都存在着不同程度的嗅味。在富营养化水体中，由于营养物质过剩，导致淡水生态系统平衡遭到破坏，进而造成一些藻类生物群落过剩生长，这些藻、菌等能够不断分泌和产生出各种具有异味的次生代谢产物。

嗅、味是人类评价饮用水质量的最早的参数，因为它能被饮用者很直观地判断。过去认为嗅、味与人体健康无关，只是限于感官性不好。但现在随着研究的深入，已经将它们与饮用者的健康联系起来，我国饮用水水质标准(GB5749-2006)规定生活饮用水不得有异嗅和异味，2-甲基异莰醇浓度低于10ng/L。

许多用户抱怨饮用水有土霉味，2-甲基异莰醇和土味素与大多数土霉味事件有关。由于购买商品化2-甲基异莰醇试剂须从国外进口，成本高；而通过培养藻类和放线菌获得2-甲基异莰醇，所需的培养周期较长，生成量较少，且所受的影响因素较多。化学合成2-甲基异莰醇所需的时间相对较短，而且成本较低，为以后对2-甲基异莰醇的定量、定性及去除方法的研究奠定了一定的物质基础。

最早制备2-甲基异莰醇的方法是在1901年报道的，以后Medsker，Rosen，Malkonen，Capman，Wood等人多次发表了关于制备2-甲基异莰醇的文章。本次发明主要是在参考了Wood和Malkonen的方法的基础上进行的。由Malkonen等人的研究可知，格氏试剂同甲基锂相比，可以使樟脑更多的发生反应，从而生成更多的2-甲基异莰醇。虽然使用甲基锂比较方便，但为了提高产量降低合成成本，本发明采用格氏试剂甲基碘化镁。

在无水乙醚中，镁可以和许多脂肪族烃和芳香族烃的卤素化合物发生反应，生成镁有机化合物；后者易和不饱和化合物，特别是在其碳原子和别的元素之间含有双键的物质发生加成反应。这种与镁的有机化合物发生的反应称为格氏反应。

樟脑是手性分子，它具有对映异构体：R型和S型。而经Wood等人验证，天然的2-甲基异莰醇是R型的。这样，合成天然的2-甲基异莰醇所需的樟脑应是D型的。2-甲基异莰醇和樟脑的对映异构体结构如图二。

发明内容

本发明目的在于提供一种由合成蓝藻次级代谢产物—2-甲基异莰醇的方法。本发明具有药品合成周期相对较短，成本较低，为以后对2-甲基异莰醇的定量、定性及去除方法的研究提供物质基础。

在反应瓶中放置新制备的甲基碘化镁(碘甲烷与金属镁在无水乙醚中反应制得)，在搅拌条件下将樟脑和无水乙醚的混合溶液(由于樟脑易溶于乙醚，在滴液漏斗中直接配制而成，以减少在空气中的暴露时间)由滴液漏斗逐滴加入，控制滴加速度，维持乙醚溶液呈微沸回流状态。在d-樟脑溶液加完后，继续将反应溶液回流2小时，并在室温放置过夜。

将含有白色沉淀物的反应液倾入碎冰中，待冰融化后，用冰醋酸将溶液pH调至6或低于6。倾析出上层的乙醚溶液，水相再用乙醚提取，合并乙醚溶液用无水硫酸钠干燥，然后用旋转蒸发器蒸干。将得到的固体溶入乙醇之后，加入盐酸羟胺溶液和碱溶液(此处加入碱溶液目的是为了将反应溶液的pH值调到6，可选用氢氧化钠溶液或氢氧化钾等强碱性溶液，调节速度较快)，混合物会分成体积大致相等的两层溶液。将上述溶液加热回流8小时后，在室温条件下放置过夜。再加入水、振匀，会生成少量沉淀。溶液用正己烷100ml、分2次提取，合并提取液，依次用氢氧化钠溶液、水冲洗。洗后的正己烷溶液用无水硫酸钠干燥后，用旋转蒸发器蒸干，得白色晶状体2-甲基异莰醇。

上述粗产物用硅胶柱分离纯化，以二氯甲烷为洗脱剂。分段定量取流出的洗脱液，用气相色谱-氢火焰监测器检测纯度，直到流出完毕。检测结果发现洗脱靠前、拖后的流出溶液不纯，含有杂质，中间部分溶液比较纯净，合并中间流出液，蒸去溶剂，得到2-甲基异莰醇。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：以甲基碘化镁和d-樟脑为起始原料，起始原料与有机溶剂在装有搅拌装置、带干燥的冷凝管和滴液漏斗的三颈瓶内发生反应，形成白色沉淀物产物，经后续反应、去除合成产物中的副产品，并经过进一步的纯化，得到纯度较高的最终产物。甲基碘化镁中的碳镁键是高度极化的，碳原子带部分负电荷，是很强的亲核试剂，镁原子带部分正电荷。甲基碘化镁与樟脑作用，则发生加成反应，甲基加到樟脑羰基的碳原子上，而-MgI部分加到氧原子上，即：具体反应如下式：

加成产物用稀酸处理(pH调至6)，即水解生成2-甲基异莰醇，即：

由樟脑合成2-甲基异莰醇虽是很容易的过程，但困难在于在合成过程中许多樟脑反应生成一种烯醇化合物，它又发生逆反应生成樟脑。因此，合成产物中除了2-甲基异莰醇，还有大量樟脑存在(M.L.Capman，Bull.Soc.Chim.Fr.，(1968)：3233，M.M.Zeiss andD.A.Pease，J Amer.Chem.Soc.，78(1956)：3182)。为了得到纯的2-甲基异莰醇，必须将樟脑从粗产品中去除。

樟脑与许多试剂都不发生反应，但同碱性的盐酸羟胺在回流状态下可以发生加成-脱水反应，生成比樟脑易于去除的肟，即：

利用肟的酸性，用氢氧化钠溶液重复多次洗涤，去除溶液中的肟而不会损失2-甲基异莰醇。

对合成后的粗产品用硅胶柱提纯时，采用不同的洗脱溶剂进行对比，如三氯甲烷和二氯甲烷，发现当采用三氯甲烷作为萃取剂其还有较多的杂质，成品纯度为93％，二氯甲烷挥发性较好，易于吹脱，同时成品纯度可达98％。

另一方面，发明人发现用正己烷溶解合成产物，在45摄氏度吹干的回收率与选用二氯甲烷作为溶剂在35摄氏度吹脱后的回收率相同。因此，在后续用硅胶柱提纯时选取的溶剂均为二氯甲烷，可以在较低的温度下(35摄氏度左右)对产物进行吹脱。

分析方法回收率

考察不同水体中对2-甲基异莰醇的加标回收率试验结果见表一，气相色谱测定见图四。由表一结果可以看出，加入不同量的内标物质樟脑后对蒸馏水、自来水、井水和江水中的2-甲基异莰醇浓度进行测定，回收率在96.6％～100.7％之间，标准偏差值比较集中，方法具有很好的精密度，重现性较好。(该方法可具体参见：周红；孙玉友；徐建中.分析测试学报，2008，11：18，帕丽达.牙合甫；余昊菲；吴文权，上海理工大学学报，2008，05：03)

表一 不同水体中2-甲基异莰醇的加标回收

表二为考察气相色谱法定量测定2-甲基异莰醇的影响因素。对不同2-甲基异莰醇和内标物质进样量，考察气相色谱中两种物质的出峰情况，结果见表二。从中可以看出，2-甲基异莰醇/内标的浓度比分别为2、1和0.2时，不同的进样体积，基本不影响检测结果中对2甲基异莰醇和内标物质的峰高比值和响应值。这说明发明中选取对发明产物的定量方法具有很高的可信度，值得信赖。

表二 气相色谱方法定量测定2-甲基异莰醇的影响因素

其中：2-甲基异莰醇储备液浓度为10.0mg/100ml甲醇；内标物质樟脑储备液浓度为8.0mg/100ml甲醇

附图说明

图1为2-甲基异莰醇的分子结构图。

图2为2-甲基异莰醇和樟脑的对映异构体结构。

图3a为2-甲基异莰醇标样质谱图。

图3b为发明制备的合成物的质谱图。

图4a为合成的最初产品产物气相色谱分布图。

图4b为合成的最初产品用盐酸羟胺处理2h后的产物气相色谱分布图。

图4c为合成的最初产品用盐酸羟胺处理7h后得产物气相色谱分布图。

图4d为合成的最初产品用正己烷萃取后产物用水稀释和氢氧化钠处理后得产物气相色谱分布图。

图4e为用正己烷提取两次后残余液体经氢氧化钠洗脱后的2-甲基异莰醇和樟脑肟气相色谱分布图。

图5为自来水中2-甲基异莰醇和内标物质(1-氯辛烷)加标回收率的气相色谱图，其中2-甲基异莰醇加入量为1μg/L，1-氯辛烷为0.8μg/L。

具体实施方式

下面通过实施例详述发明，然而本发明不限于下述的实施例。

实施例1对樟脑和盐酸羟胺反应后的产物肟的去除试验。

由于樟脑和盐酸羟胺反应后的产物肟显酸性，用蒸馏水稀释后再采用2摩尔/升的氢氧化钠溶液清洗，用正己烷萃取2次，分别对萃取后的残余溶液图4c和正己烷合并液图4d进行气相色谱测定，发现有大于98％的2-甲基异莰醇、不到50％的肟在萃取液正己烷中。

对比例1，对本发明合成的产物不用水稀释，直接用正己烷溶剂萃取4次，合并萃取液，对其测定发现有92％的2-甲基异莰醇和20％的肟。因此所以本发明选取在萃取先用一定量的水稀释，后用正己烷提取两次，这样可以大大提高后续合成中2-甲基异莰醇的产量，最后用2摩尔/升的氢氧化钠反复淋洗后可以得到纯品2-甲基异莰醇见图4e。

对比例2当使用甲基锂作为烷基化试剂时候，用6g的樟脑和1.3当量的甲基锂反应，测定产物中有67％的樟脑剩余；采用2.0当量的甲基锂时，仅仅提高有64％的樟脑剩余。而当采用3.0当量的碘化甲基镁的格氏试剂时，产量仅提高到有37％的樟脑剩余。金属镁比金属锂的价格便宜，同时2—甲基异莰醇的产率有高，因此本发明采用甲基碘化镁(碘甲烷与金属镁在无水乙醚中反应制得)作为烷基化试剂，来降低合成成本。

最终合成产物的纯化与鉴定：标样2-甲基异莰醇的质谱图如图3a所示，分子离子峰的质核比等于168，基峰的质核比等于95。将合成物溶于色谱纯甲醇，配制成一定浓度的溶液，用HP7683全自动进样器注入1微升进入气相色谱-质谱仪中进行鉴定。由此得到合成物的质谱图如图3b，比较2-甲基异莰醇标样和合成物质的质谱图，可确定本发明合成物质为2-甲基异莰醇。

实施例2

为了减少粗产品中樟脑含量，需要找到能够与樟脑发生选择性反应而生成大量衍生物的试剂。生成的衍生物需要比樟脑本身更容易与2-甲基异莰醇分离。但樟脑本身是惰性的，许多试剂都不是很有效。而发明人选择了盐酸羟胺在微沸条件下与樟脑反应，通过气相色谱对反应在线监控发现，当反应时间为2小时，残存了19％的樟脑(见图4b)；当反应时间为7小时，樟脑已经完全转化成肟的衍生物(见图4c)。最终产品的测定气相色谱结果见图4e所示。因此本发明选取8小时作为优选的回流反应时间。

上述粗产物用硅胶柱分离纯化，以二氯甲烷为优选的洗脱剂。洗脱液用具塞管依次接取，通过气相色谱-氢火焰检测器检测其纯度。检测结果发现开始流出的和最后流出的溶液不纯，含有杂质，中间部分溶液比较纯净。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1、一种合成2-甲基异莰醇的方法，其特征在于：由d-樟脑与格氏试剂烷基化反应制得2-甲基异莰醇。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：包括：

(a)在搅拌条件下将d-樟脑和无水乙醚的混合溶液，滴入的新制格氏试剂的无水乙醚溶液反应，d-樟脑溶液加完后，继续回流一段时间；

(b)将步骤(a)得到的含有白色沉淀物的反应液冷却，调节pH值低于等于6。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：还包括：

(c)将步骤(b)得到的产物溶入乙醇后，加入盐酸羟胺溶液和碱溶液，并回流一段时间，用有机溶剂提取、洗涤、干燥后得到2-甲基异莰醇粗产物。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述格氏试剂，包括烷基碘化镁，具体选自甲基碘化镁、乙基碘化镁、叔丁基碘化镁。

5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(a)中d-樟脑和无水乙醚的混合溶液在滴液漏斗中直接配制而成，并在反应时维持乙醚溶液呈微回流状态。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(a)中d-樟脑溶液加完后，继续回流1-4小时，并在室温放置过夜。

7、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(b)中用冰醋酸将混合液pH调节到5.0-6.0之间。

8、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤(c)中的混合溶液回流7-15小时。

9、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：还包括步骤(d)将合成的粗产品溶于二氯甲烷或三氯甲烷，通过硅胶柱层析、分离、纯化，以二氯甲烷或三氯甲烷为洗脱剂，得到纯产品。

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