CN101830779B - 一种选择性合成正冰片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种选择性合成正冰片的方法，包括以下步骤：(1)将α-蒎烯与无水草酸在催化剂作用下进行反应，得到草酸龙脑酯；(2)将草酸龙脑酯进行皂化反应生成冰片并纯化。所述的催化剂通过如下方法制备：将十八水硫酸铝置于400～600℃下焙烧1～3小时后粉碎，再于400～600℃下焙烧0～3小时。本发明的生产方法与现有技术相比，所使用的催化剂原料价廉易得、制备简便，只需将原料进行焙烧、研细两步处理即可使用。
Description
技术领域
本发明涉及有机合成技术领域，尤其涉及一种选择性合成正冰片的方法。
背景技术
冰片，又名龙脑，分子式为C10H18O，化学名：内桥-1，7，7-三甲基二环[2.2.1]-2-庚醇，是一种无色透明或白色的片状晶体，因其外观晶莹如玉，故称为冰片。冰片具有类似樟脑及薄荷的混合香气，味辛、凉，有挥发性，点燃有浓烟。历史上我国从婆罗洲及苏门答拉等地获得天然冰片，用“龙脑”示其名贵。冰片的应用历史悠久，其应用始载于唐。中医认为冰片味辛、苦，微寒，归心、脾、肺经，具有开窍醒神，清热止痛之功效。《本草纲目》中记载，冰片能“通诸窍，散郁火”。冰片在抗菌、抗炎、止痛、抗生育等许多方面都有显著的作用，许多名贵的中成药都把它作为主要组成药物之一，如冰硼散、吼症丸、六神丸、六应丸、牛黄解毒丸、安宫牛黄丸、牛黄上清丸、苏合香丸、以及宽心贴、麝香保心丸和健心片等。冰片也是使用历史最悠久的香料之一，常用于调配薰衣草型、柑橘型等化妆品和古龙水等，也用于浴用剂、室内清香剂、口腔用品、油墨等。此外，冰片还广泛用于坚果和调味等实用香精。
由于冰片存在着正冰片和异冰片两个差向异构体，其中正冰片的香味优于异冰片，故在香料和化妆品工业上正冰片的用途比异冰片大。此外在药用效果方面，虽然二者在抗菌、消炎、止痛、抗生育等方面效果相当，但医药上一般认为异冰片的副作用远大于正冰片。因此在市场上正冰片价格要比异冰片贵得多，异冰片主要作为合成樟脑等的原料。目前在市场上合成冰片产品的正冰片含量越高，异冰片含量越低，产品的品质越好，价格越贵。
CN85102398A公开了一种合成龙脑新工艺及催化剂，该催化剂的特征在于它是一种以脱铝氢型丝光沸石为基础再交换上少量金属离子的具有强酸性和强氧化-还原中心的固体酸催化剂，其化学组成为(重量百分比)SiO275-95％，Al2O31.5-5％，H2O约为1％左右，金属阳离子1％以下。虽然该专利申请可获得含正龙脑99％以上的高旋光度的纯正龙脑，但催化剂制备工艺繁琐复杂，耗时长，制作成本高，且反应产率较低，因而不利于工业化。
CN1058953A公开了一种以工业松节油和氯乙酸为原料合成冰片的方法，包括酯化、皂化两步反应。酯化反应采用经过浓硫酸处理的凹凸棒土为催化剂，工业松节油和催化剂、氯乙酸的重量比为1∶0.03～0.1∶0.3～0.55。反应温度60～120℃，反应时间6～60小时。皂化反应中烧碱的投料量为工业松节油的重量的0.15～0.25倍，反应温度60～120℃，反应时间2～8小时。冰片合成过程中基本上抑制了松油醇的生成，反应产物易于提纯，产品得率可达40％以上。该工艺反应时间长，效率低，产品中正龙脑含量不高，而且反应要用到非极性溶剂，增加了生产成本，并给后面反应中间体的分离、提纯带来了困难，因而不符合绿色化工的要求，也不利于工业生产。
中国专利申请200810040881.4公开了一种冰片的绿色合成工艺，将α-蒎烯与无水草酸、催化剂硫酸锆加入反应瓶中，在搅拌下加热至40～150℃进行酯化反应，反应1～10小时后过滤回收催化剂，滤液除去轻油，得到草酸二冰片酯，再加入氢氧化钠水溶液进行皂化反应，边蒸馏边收集产物，所得产物为冰片，产物中正冰片含量在50％左右且正冰片和异冰片含量相差不大。
CN1074210公开了一种合成龙脑的新方法，该发明以锡、钛、铝的氯化物或硫酸盐为原料经水解、热处理和引入0.5％的硫酸亚铁，再经过酸处理、热片理制备了一种适合于α-蒎烯酯化反应的固体酸催化剂GIC-90。采用该催化剂催化α-蒎烯与C1-C4有机酸及芳香族羟酸进行程序升温式酯化反应，反应安全、平稳、易控制，酯化反应物经皂化生成龙脑，产品得率为40-45％，含正龙脑60-75％。该发明所用催化剂制备过程仍较复杂，耗时长，要经历50小时以上才能制成，且得到的龙脑产品要用汽油进行重结晶，危险性较大，产品的正龙脑含量也不是很高，反应选择性不佳。
CN1153764公开了一种新的蒎烯酸催化酯化-皂化合成龙脑的方法，该发明应用BTiG催化剂催化蒎烯酯化-皂化合成龙脑，可使部分龙脑产品中的正龙脑的含量达到80％以上。
CN1229073公开了一种利用高光学纯度的α-蒎烯原料以及利用化学分化、物理分馏的原理从粗龙脑产品中获得三种高纯合成龙脑的方法。该发明先通过α-蒎烯酯化-皂化法得到粗龙脑产品，产品中正、异龙脑含量相差不大，再让异龙脑水解生成莰烯，然后通过分馏精制获得三种高纯度龙脑，该方法选择性不高，异龙脑损失较大，几乎都生成了莰烯。
JP62019546A公开了一种从粗龙脑产品中获得高纯度正龙脑的方法，该方法在特定的温度下，利用固体酸催化剂选择性地使异龙脑发生脱水反应生成莰烯，然后通过蒸馏从龙脑粗产品中除去莰烯，从而获得正龙脑。方法公开了正、异龙脑的分离方法，并未涉及到选择性合成。
杨义文等公开了一种SO4 2-/TiO2固体超强酸催化合成冰片的方法(SO4 2-/TiO2固体超强酸催化合成冰片的研究，江西师范大学学报(自然科学版)，2002，26(4))，冰片产率大于45％，正冰片含量大于97％。此外，此外还公开了固体超强酸SO4 2-/Al2O3催化a-蒎烯合成龙脑的方法(固体超强酸SO4 2-/Al2O3催化a-蒎烯合成龙脑“，化学试剂，2009，31(5))，产品中正龙脑含量也达到85％，上述两种方法虽然正龙脑含量较高，但其催化剂的制备过程相对比较复杂，需要经过四十至五十小时才能制成催化剂，工序复杂，耗费大量人力、物力，给工业应用带来了较大的困难。
综上所述，现有方法合成正冰片均存在催化剂制备过程繁琐、工序复杂、耗时长、制作成本高或产品中收率较低、正冰片选择性不高等缺点。
发明内容
本发明提供了一种选择性合成正冰片的方法，解决了传统方法合成正冰片含量不高或者催化剂制备工艺复杂的问题。
一种选择性合成正冰片的方法，包括以下步骤：
(1)将α-蒎烯与无水草酸在催化剂作用下进行反应，得到草酸龙脑酯；
(2)将草酸龙脑酯进行皂化反应生成冰片并纯化。
所述的催化剂通过如下方法制备：
将十八水硫酸铝置于400～600℃下焙烧1～3小时后粉碎，再于400～600℃下焙烧0～3小时。
步骤(1)所述的α-蒎烯与无水草酸的物质的量比优选为1∶0.1～0.5。
步骤(1)所述的反应温度优选为50～120℃，更优选为60～100℃。
步骤(1)所述的反应时间控制在1～10小时，更优选4～8小时。
步骤(1)所述的催化剂用量优选为α-蒎烯重量的5～10％。
优选的，将α-蒎烯与无水草酸利用催化剂反应所得的反应液过滤，回收催化剂，达到重复利用催化剂的目的。
步骤(2)中纯化的方法优选为将冰片复溶于JET A-1型航空煤油中进行重结晶，比传统工业采用汽油作溶剂具有更高的安全性，因而可操作性更强。正冰片含量在90％以上，异冰片含量低于10％，比目前市场上销售的合成冰片(产品中正冰片含量为50-60％，异冰片含量为30-40％)品质更好。
本发明的生产方法与现有技术相比，所使用的催化剂原料价廉易得、制备简便，只需将原料进行焙烧、研细两步处理即可使用。
在催化剂的催化作用下，本发明方法合成冰片的反应平稳、温和，无剧烈放热及冲料、爆炸现象，且催化剂活性强，反应选择性好，
本发明方法催化剂只需通过过滤就可与产物实现分离，不腐蚀设备，不污染环境，而且催化剂可以重复使用，并可活化再生。
具体实施方式
实施例1
固体酸催化剂的制备：将十八水硫酸铝于500℃焙烧1小时后研细，再于500℃焙烧2小时。
正冰片的制备：将23.3毫升α-蒎烯、0.056摩尔无水草酸加入反应瓶中，在磁力搅拌下将反应液加热升温至80℃，然后加入2克催化剂催化α-蒎烯进行异构化、加成反应，80℃恒温反应6小时后过滤回收催化剂，滤液采用精馏方法除去轻油(分子量低于150，沸点低于200℃，包括莰烯、双戊烯、异松油烯、α-松油烯、对孟烯等萜烯，下同)，然后进行皂化反应(采用氢氧化钠为碱，温度80℃，水解3小时，下同)，对皂化反应产物进行升华(升华温度120℃，下同)收集冰片，产率为39％。冰片溶解于JET A-1型航空煤油后经重结晶可得到正冰片含量很高的冰片产品，经GC法(美国安捷伦6890N气相色谱仪)测定，其中正冰片含量为91.3％，异冰片含量为8.4％。
上述反应草酸过量，其产率通过如下公式计算得到(下同)：
产率＝(冰片的质量/冰片的分子量)/(2×草酸的质量/草酸的分子量)
实施例2
固体酸催化剂的制备：将十八水硫酸铝于500℃焙烧1小时后研细，再于500℃焙烧2小时。
正冰片的制备：将23.3毫升α-蒎烯、0.056摩尔无水草酸加入反应瓶中，在磁力搅拌下将反应液加热升温至70℃，然后加入2克催化剂催化α-蒎烯进行异构化、加成反应，70℃恒温反应6小时后过滤回收催化剂，滤液采用精馏方法除去轻油后进行皂化反应，然后采用升华的方法收集冰片，产率为43％。冰片溶解于JETA-1航空煤油后经重结晶可得到正冰片含量很高的冰片产品，经GC法测定，其中正冰片含量为95.2％，异冰片含量为4.5％。
实施例3
固体酸催化剂的制备：将十八水硫酸铝于500℃焙烧3小时后研细即可。
正冰片的制备：将23.3毫升α-蒎烯、0.029摩尔无水草酸加入反应瓶中，在磁力搅拌下将反应液加热升温至60℃，然后加入2克催化剂催化α-蒎烯进行异构化、加成反应，将反应液在60℃恒温反应1小时后，再升温至80℃恒温反应4小时，最后升温至90℃恒温反应1小时后过滤回收催化剂，滤液采用精馏方法除去轻油(同实施例1)后进行皂化反应(同实施例1)，然后采用升华(同实施例1)的方法收集冰片，产率为61％(计算方法同实施例1)。冰片溶解于JETA-1航空煤油后经重结晶可得到正冰片含量很高的冰片产品，经GC法测定，其中正冰片含量为92.7％，异冰片含量为6.8％。
实施例4
固体酸催化剂的制备：将十八水硫酸铝于500℃焙烧3小时后研细即可。
正冰片的制备：将23.3毫升α-蒎烯、0.014摩尔无水草酸加入反应瓶中，在磁力搅拌下将反应液加热升温至60℃，然后加入2克催化剂催化α-蒎烯进行异构化、加成反应，将反应液在60℃恒温反应1小时后，再升温至80℃恒温反应4小时，最后升温至90℃恒温反应1小时后过滤回收催化剂，滤液采用精馏方法除去轻油后进行皂化反应，然后采用升华的方法收集冰片，产率为62％。冰片溶解于JETA-1航空煤油后经重结晶可得到正冰片含量很高的冰片产品，经GC法测定，其中正冰片含量为94.1％，异冰片含量为5.3％。
实施例5
固体酸催化剂的制备：将十八水硫酸铝于450℃焙烧3小时后研细即可。
正冰片的制备：将23.3毫升α-蒎烯、0.056摩尔无水草酸加入反应瓶中，在磁力搅拌下将反应液加热升温至60℃，然后加入2克催化剂催化α-蒎烯进行异构化、加成反应，将反应液在60℃恒温反应1小时后，再升温至80℃恒温反应4小时，最后升温至90℃恒温反应1小时后过滤回收催化剂，滤液采用精馏方法除去轻油后进行皂化反应，然后采用升华的方法收集冰片，产率为33％。冰片溶解于JET A-1航空煤油后经重结晶可得到正冰片含量很高的冰片产品，经GC法测定，其中正冰片含量为90.4％，异冰片含量为9.1％。
实施例6
固体酸催化剂的制备：将十八水硫酸铝于600℃焙烧3小时后研细即可。
正冰片的制备：将23.3毫升α-蒎烯、0.056摩尔无水草酸加入反应瓶中，在磁力搅拌下将反应液加热升温至60℃，然后加入2克催化剂催化α-蒎烯进行异构化、加成反应，将反应液在60℃恒温反应1小时后，再升温至80℃恒温反应4小时，最后升温至90℃恒温反应1小时后过滤回收催化剂，滤液采用精馏方法除去轻油后进行皂化反应，然后采用升华的方法收集冰片，产率为30％。冰片溶解于JETA-1航空煤油后经重结晶可得到正冰片含量很高的冰片产品，经GC法测定，其中正冰片含量为91.5％，异冰片含量为8.1％。
实施例7
固体酸催化剂的制备：将十八水硫酸铝于500℃焙烧3小时后研细即可。
正冰片的制备：将23.3毫升α-蒎烯、0.071摩尔无水草酸加入反应瓶中，在磁力搅拌下将反应液加热升温至60℃，然后加入2克催化剂催化α-蒎烯进行异构化、加成反应，将反应液在60℃恒温反应1小时后，再升温至80℃恒温反应4小时，最后升温至90℃恒温反应1小时后过滤回收催化剂，滤液采用精馏方法除去轻油后进行皂化反应，然后采用升华的方法收集冰片，产率为31％。冰片溶解于航空煤油后经重结晶可得到正冰片含量很高的冰片产品，经GC法测定，其中正冰片含量为92.4％，异冰片含量为7.1％。
实施例8
固体酸催化剂的制备：将十八水硫酸铝于500℃焙烧3小时后研细即可。
正冰片的制备：将23.3毫升α-蒎烯、0.056摩尔无水草酸加入反应瓶中，在磁力搅拌下将反应液加热升温至60℃，然后加入1克催化剂催化α-蒎烯进行异构化、加成反应，将反应液在60℃恒温反应1小时后，再升温至80℃恒温反应4小时，最后升温至90℃恒温反应1小时后过滤回收催化剂，滤液采用精馏方法除去轻油后进行皂化反应，然后采用升华的方法收集冰片，产率为30％。冰片溶解于航空煤油后经重结晶可得到正冰片含量很高的冰片产品，经GC法测定，其中正冰片含量为91.8％，异冰片含量为7.6％。
实施例9
固体酸催化剂的制备：将十八水硫酸铝于500℃焙烧3小时后研细即可。
正冰片的制备：将23.3毫升α-蒎烯、0.056摩尔无水草酸加入反应瓶中，在磁力搅拌下将反应液加热升温至60℃，然后加入1.4克催化剂催化α-蒎烯进行异构化、加成反应，将反应液在60℃恒温反应1小时后，再升温至80℃恒温反应4小时，最后升温至90℃恒温反应1小时后过滤回收催化剂，滤液采用精馏方法除去轻油后进行皂化反应，然后采用升华的方法收集冰片，产率为40％。冰片溶解于航空煤油后经重结晶可得到正冰片含量很高的冰片产品，经GC法测定，其中正冰片含量为90.1％，异冰片含量为9.6％。
Claims (7)
1.一种选择性合成正冰片的方法，包括以下步骤：
（1）将α-蒎烯与无水草酸在催化剂作用下进行反应，得到草酸龙脑酯；所述的催化剂用量为α-蒎烯重量的5～10%；
（2）将草酸龙脑酯进行皂化反应生成冰片并纯化，纯化的方法为将冰片复溶于JET A-1型航空煤油中进行重结晶；
所述的催化剂通过如下方法制备：
将十八水硫酸铝置于400～600℃下焙烧1～3小时后粉碎，再于400～600℃下焙烧0～3小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的α-蒎烯与无水草酸的物质的量比为1：0.1～0.5。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的反应温度为50～120℃。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的反应温度为60～100℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的反应时间控制在1～10小时。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的反应时间控制在4～8小时。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将α-蒎烯与无水草酸利用催化剂反应所得的反应液过滤，回收催化剂。
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