CN111747910B - 一种γ-癸内酯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备γ‑癸内酯的方法，所述方法包括：一定的温度下，在酸催化剂和水存在下，3‑羟基癸酸经催化发生脱水反应，生成β,γ‑不饱和癸烯酸和α,β‑不饱和癸烯酸，进而β,γ‑不饱和癸烯酸经催化发生成环反应，生成γ‑癸内酯，其中，通过向反应体系中连续的加入气提剂，将反应生成的γ‑癸内酯从反应体系中分离，从而得到γ‑癸内酯粗产品。该方法生产γ‑癸内酯过程产生的三废少，流程简单，具有工业化前景，得到的产品香型好。

Description

一种γ-癸内酯的制备方法

技术领域

本发明属于有机化学领域，涉及一种γ-癸内酯的制备方法。

背景技术

γ-癸内酯(gamma decalactone),又名丙位癸内酯。γ-癸内酯是一种重要的含有五元内酯环的芳香化合物，呈愉快桃子和椰子香气，在香料工业中得到了广泛的应用。γ-癸内酯天然存在于桃子、杏仁、草莓等水果中，因此可以从水果中提取得到γ-癸内酯，但其在水果中的含量极低，经济效益低。

除天然提取法之外，γ-癸内酯的获取方法还有生物制备法和化学合成法。

生物法制备γ-癸内酯的研究中，较为成熟的为生物转化法。在生物转化法制备γ-癸内酯的研究中，采用最多的底物为蓖麻油，也有少量文献中提到用蓖麻油酸作为转化合成γ-癸内酯的底物。当底物为蓖麻油酸时，该生物转化体系中存在很多困难，如蓖麻油酸对酵母细胞的毒性、酵母对蓖麻油酸的利用率低、转化周期长、γ-癸内酯产量低等，严重阻碍了对蓖麻油酸为底物生物转化制备γ-癸内酯的研究及其工业化的路程。而且，在生物转化法制备γ-癸内酯时，当发酵液中γ-癸内酯的含量积累到一定浓度时，γ-癸内酯会与酵母细胞中的内酯酶的结合位点结合，进而造成产物的开环降解，即使当发酵液中底物充足时，γ-癸内酯被大量降解的情况依然存在。因此，有研究采用原位分离的方法，如向发酵液中添加大孔吸附树脂、利用双液相萃取法进行生物转化等，以此来将发酵液中γ-癸内酯部分移除，降低酵母对γ-癸内酯的降解；但这些方法在生产中仍存在明显的缺点，如生产成本高、两相分离提纯复杂、树脂易被污染造成转化过程非常容易染菌或交叉污染等。

传统的化学合成法合成γ-癸内酯一般采用以下方式：

1、由ω-癸烯酸与硫酸共热而得。反应时双键位置由链转移到β、γ位置上，而后再内酯化。用ω-癸烯酸与硫酸共热反应，在反应过程中会生成较多的副产物，所以造成反应产率偏低，副产物较多，同样反应选择性比较低、效率偏低。

2、用铈、钒等高价醋酸盐或醋酸锰作氧化剂，由α-庚烯与醋酸反应而得。用金属或对应的醋酸盐作为氧化剂，反应结束后有大量的含重金属的废水产生，从绿色化学、环保等角度考虑，此路线的成本较高，不利于规模化生产。

3、Reformatsky反应合成法，将一羰基化合物(辛醛)与β-卤代酯(β-溴代丙酸酯)在锌存在下进行缩合，得γ-羟基酸酯，然后在酸催化下脱水生成相应的γ-癸内酯。合成过程中用到了有机锌试剂，且须在惰性溶剂中反应，对于实现工业化还须作进一步研究。

4、使用正庚醇同丙烯酸或丙烯酸甲酯在自由基引发剂存在下进行自由基加成反应制取丙位癸内酯，这是目前能够形成规模化生产的丙位癸内酯合成路线。以正庚醇和丙烯酸为起始原料，以二叔丁基过氧化物为引发剂，加入反应溶剂，先采用“一锅煮”的方式，游离基加成合成丙位癸内酯粗品，蒸馏回收反应溶剂，然后通过精馏提纯制备丙位癸内酯。在此合成过程中，副产物不能够及时从反应体系中分离出来，导致反应收率下降，反应时间延长，且产品中低沸点、高沸点杂质的气味会影响最终产品香气质量。

基于上述方案存在的缺点，需要提出一种新的可以工业化的制备高质量γ-癸内酯的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的制备高质量γ-癸内酯的方法，该方法流程简单，三废少，制得的γ-癸内酯具有较好的香气。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种由3-羟基癸酸制备γ-癸内酯的方法，所述方法包括以下过程：

一定的温度下，在酸催化剂和水的存在下，3-羟基癸酸经催化发生脱水反应，生成β,γ-不饱和癸烯酸和α,β-不饱和癸烯酸；β,γ-不饱和癸烯酸进一步经催化发生成环反应，生成γ-癸内酯；其中，通过向反应体系中加入气提剂，将反应生成的γ-癸内酯从反应体系中分离，从而得到γ-癸内酯粗产品。

反应方程式如下：

本发明所述的方法中，反应体系需要有水，初始加入的3-羟基癸酸与初始加入的水的质量比为0.1-4，优选为0.25-1。

本发明所述的方法中，3-羟基癸酸在酸催化剂的催化下发生脱水和环化反应，所述的酸催化剂可以是硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、苯磺酸、对甲苯磺酸、萘磺酸等，优选为硫酸和/或磷酸，更优选为硫酸。所述酸催化剂通常可以是浓的酸的水溶液，如98％的浓硫酸、85％的浓磷酸。

本发明所述的方法中，所述的酸催化剂的加入量是初始加入的3-羟基癸酸与初始加入的水质量总和的1-10％，优选为4-6％。

本发明方法中，3-羟基癸酸脱水得到的α,β-不饱和癸烯酸和β,γ-不饱和癸烯酸的双键非常活泼，在反应过程中易形成聚合物，一方面导致反应过程3-羟基癸酸的收率偏低，另一方面使得反应产物变得粘稠，无法从反应物中分离得到γ-癸内酯。本发明在反应体系中加入助剂以提高原料3-羟基癸酸的有效利用率，避免反应生成的β,γ-不饱和癸烯酸和α,β-不饱和癸烯酸发生聚合反应。所述助剂是可以降低副反应发生的化合物，具体的说这些助剂可以是但不限于乙醇胺，硝基苯，N-甲基吡咯烷酮，邻硝基苯酚，亚硝酸钠等。助剂添加的量可以是初始加入的3-羟基癸酸、酸催化剂和水的总重的0.01％-2％，优选0.2-1％。

3-羟基癸酸在酸催化下发生脱水反应，生成少量β,γ不饱和癸烯酸和绝大部分的α,β不饱和癸烯酸，β,γ不饱和癸烯酸进一步在酸催化下环化生成γ-癸内酯，但α,β不饱和癸烯酸无法生成目标产物γ-癸内酯。α,β不饱和癸烯酸可以发生水合反应，生成3-羟基癸酸和2-羟基癸酸，而2-羟基癸酸可以再脱水生成α,β不饱和癸烯酸。

本发明采用将反应产物γ-癸内酯通过气提剂不断带出的方法，使得3-羟基癸酸脱水反应生成的β,γ-不饱和癸烯酸不断被消耗，利用上述的平衡反应，实现了3-羟基癸酸绝大部分转变为β,γ-不饱和癸烯酸，进而提高了由3-羟基癸酸制备γ-癸内酯的收率。本发明所述的方法中，3-羟基癸酸的脱水与β,γ-不饱和癸烯酸的成环反应几乎是同时进行的，因此，在反应器温度升高到反应温度之后，开始通入气提剂，在反应进行时一直保持汽提剂的存在。所述的气提剂是水。

本发明所述的方法，所述气提剂为一次性或者连续的加入到反应体系中，优选连续加入到反应体系中。连续加入时，气提剂加入的质量速率与初始水和初始3-羟基癸酸总质量的比值为1-10h^-1(即：每小时加入的气提剂的质量为初始水和初始3-羟基癸酸总质量的1-10倍)，优选为2-5h^-1。

本发明所述的方法中，反应的温度范围为100-250℃，优选150-200℃。

本发明所述的方法中，反应的时间(小时)取决于起始添加到系统中的3-羟基癸酸、酸催化剂中的H⁺的摩尔比，该摩尔比通常为0.1-0.5mol3-羟基癸酸/molH⁺/h(即：m_{3-羟基癸酸}/m_{酸催化剂中的H+}的比值除以反应的小时数，结果为0.1-0.5)，优选为0.2-0.4mol3-羟基癸酸/molH⁺/h。

本发明的有益效果在于：

1)提供了一种以3-羟基癸酸为原料制备γ-癸内酯的新方法，该方法生产γ-癸内酯过程产生的三废少，流程简单，具有工业化前景，所得到γ-癸内酯具有较好的香气。

2)γ-癸内酯的主要用途为香料，本发明以3-羟基癸酸作为原料，目前3-羟基癸酸的来源主要生物发酵过程，所得的3-羟基癸酸为生物基，因此采用本发明方法，所得的γ-癸内酯亦是生物基的γ-癸内酯，在香型上要好于市售的现有路线制备的石化基γ-癸内酯。

附图说明：

图1是本发明制备γ-癸内酯的工艺流程简图。

图1中：

1：3-羟基癸酸等原料；2：气提剂；3：反应器；4：夹带γ-癸内酯的气提剂；5：冷凝器；6：冷凝液；7：粗γ-癸内酯储罐；

具体实施方式：

为了更好的描述本发明的技术要点，下面结合附图对本发明进一步详细说明，但本发明并不受限于此。

本发明制备γ-癸内酯的工艺流程如图1所示：3-羟基癸酸、水、催化剂、助剂等原料1加入到反应器3中，升高温度到设定值，开始通入气提剂2，在通入气提剂的同时，通过控制反应器3的外加热功率，使得反应器内液位基本保持不变，蒸出夹带γ-癸内酯的气提剂4，经过冷凝器5冷却为冷凝液6，储存在粗γ-癸内酯储罐7中。

现通过实施例对本发明做更进一步的说明，但本发明并不受限于此。实施例中原料来源：本发明实施例中所涉及的原料均为市售。

分析方法：

采用超高效液相串联三重四级杆质谱(Xevo-TQD)进行本发明提供方法中反应物料的分析，所述分析方法如下：

安捷伦1260液相色谱

色谱柱：ACQUITY UPLC BEH Amide(1.7μm，3.0×150mm)；

柱温：35℃；

流速：0.3ml/min

流动相及梯度：A:0.1％的氨水；B：乙腈；

0min-90％B，4min-50％B，7min-50％B，7.1min-90％B，12min-90％B

电离方式：电喷雾电离，负离子模式；

检测方式：多反应监测(MRM)

电喷雾电压：2.8kv

离子源温度：150℃

雾化气温度及流量：400℃，600L/h

定量离子对：163.06/102.97；锥孔电压16v，碰撞电压6v

定性离子对：163.06/59(88.98)；锥孔电压16v，碰撞电压6v

实施例1

向如附图1所示的反应器3(1L)内加入100g 3-羟基癸酸、400g水、25g 98％的浓硫酸，1g邻硝基苯酚，开搅拌转速到500转/min，升温到200℃。当温度升高到200℃后，向反应器3中以1000g/h的速率加水，通过控制反应器加热功率的方式，控制反应器内水的蒸发量，使得反应釜内液体的液位基本保持不变。将反应器内蒸出的水蒸气冷却，收集。反应共进行210分钟，收集到冷凝液，分为上层含γ-癸内酯的油相和下层水相。分离得到55.3g油相，用液相色谱分析，γ-癸内酯纯度约为98.1％，该过程γ-癸内酯的收率为60％。

实施例2

向如附图所示的反应器3(1L)内加入175g 3-羟基癸酸、325g水、20g 85％的浓磷酸，3g亚硝酸钠，开搅拌转速到500转/min，升温到175℃。当温度升高到175℃后，向反应器3中以1750g/h的速率加水，通过控制反应器加热功率的方式，控制反应器内水的蒸发量，使得反应器内液体的液位基本保持不变。将反应器内蒸出的水蒸气冷却，收集。反应共进行430分钟，收集到冷凝液，分为上层含γ-癸内酯的油相和下层水相。分离得到102.4g油相，用液相色谱分析，γ-癸内酯纯度约为97.5％，该过程γ-癸内酯的收率为63％。

实施例3

向如附图所示的反应器3(1L)内加入250g 3-羟基癸酸、250g水、30g 98％的浓硫酸，2g硝基苯，开搅拌转速到500转/min，升温到150℃。当温度升高到150℃后，向反应器3中以2500g/h的速率加水，通过控制反应器加热功率的方式，控制反应器内水的蒸发量，使得反应器内液体的液位基本保持不变。将反应器内蒸出的水蒸气冷却，收集。反应共进行400分钟，收集到冷凝液，分为上层含γ-癸内酯的油相和下层水相。分离得到143.8g油相，用液相色谱分析，γ-癸内酯纯度约为97.8％，基于加入的3-羟基癸酸，γ-癸内酯的收率为62％。

Claims (12)

1.一种制备γ-癸内酯的方法，所述方法包括：

100-250℃的温度下，在酸催化剂和水存在下，3-羟基癸酸经催化发生脱水反应，生成β,γ-不饱和癸烯酸和α,β-不饱和癸烯酸，进而β,γ-不饱和癸烯酸经催化发生成环反应，生成γ-癸内酯；其中，通过向反应体系中加入气提剂，将反应生成的γ-癸内酯从反应体系中分离，所述的气提剂为水；

初始加入的3-羟基癸酸与水的质量比为0.1-4；

所述酸催化剂选自硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、苯磺酸、对甲苯磺酸、萘磺酸中的一种或多种，酸催化剂的加入量为初始加入的3-羟基癸酸和水质量总和的1-10％；

在反应体系中还需要加入助剂，所述助剂选自乙醇胺、硝基苯、N-甲基吡咯烷酮、邻硝基苯酚、亚硝酸钠中的一种或多种，所述助剂的添加量是初始加入的3-羟基癸酸、酸催化剂和水总重的0.01％-2％。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，初始加入的3-羟基癸酸与水的质量比为0.25-1。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸催化剂为硫酸。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的酸催化剂的加入量为初始加入的3-羟基癸酸和水质量总和的4-6％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述助剂的添加量是初始加入的3-羟基癸酸、酸催化剂和水总重的0.2-1％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，反应的温度范围为150-200℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气提剂为一次性或者连续加入到反应体系中。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述气提剂为连续加入到反应体系中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，气提剂连续加入时，气提剂的质量速率与初始水和3-羟基癸酸总质量比值为1-10h^-1。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，气提剂连续加入时，气提剂的质量速率与初始水和3-羟基癸酸总质量比值为2-5h^-1。

11.根据权利要求1-10任一项所述的方法，其特征在于，反应的小时数取决于初始添加到系统中的3-羟基癸酸、酸催化剂中的H⁺的摩尔比，该摩尔比为0.1-0.5mol3-羟基癸酸/molH⁺/h。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，反应的小时数取决于初始添加到系统中的3-羟基癸酸、酸催化剂中的H⁺的摩尔比，该摩尔比为0.2-0.4mol3-羟基癸酸/molH⁺/h。

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