爱德万甜中间体3-羟基-4-甲氧基肉桂醛的合成

方聪，刘怡雪，黎四芳

（厦门大学化学化工学院，福建 厦门 361005）

3-羟基-4-甲氧基肉桂醛（HMCA）是一种重要的精细化工中间体，主要用来合成在低糖和无糖食品以及饮料中具有很好应用前景的新型二肽超高甜度甜味剂爱德万甜[1-11]。早期Nagashima 等[12]使用3-羟基-4-甲氧基肉桂酸为原料，在四氢呋喃中进行催化氢化反应得到HMCA，但原料及催化剂较为昂贵，不易工业化。目前HMCA 通常由异香兰素与乙醛在强碱性条件下进行羟醛缩合反应而得到[13]，反应式见图1。Mori 等[13]最早将异香兰素溶解于10 倍物质的量的NaOH 水溶液中，在反应温度-10℃下连续滴加质量分数为28%的乙醛水溶液进行反应，反应时间需要45h以上。陈博儒等[14]在双层玻璃反应釜中使用恒流泵慢慢通入25%～30%乙醛水溶液与异香兰素的碱溶液发生反应，收率最高为61.28%±1.37%，后续通过柱层析对所得粗产品进行了分离纯化[15]。

上述反应条件比较苛刻。为此，吴美红等[16]采用质量分数为5%的氢氧化钾溶液，同时加入总量2%的聚乙二醇200，在常温常压下反应4h，HMCA收率为49.8%。刘怡雪[17]使用十六烷基三甲基溴化铵有效降低了NaOH用量，合成收率达到64.9%。

在该羟醛缩合反应中具有活性α-H 的乙醛易发生自身缩合反应，虽然反应需要在较低的温度和大大过量的强碱存在的条件下进行以减少副反应，但是副反应始终无法避免，因此HMCA 收率难以提高[18]。为解决这一问题，本文研究用乙酸乙烯代替乙醛与异香兰素发生反应合成HMCA，反应式见图2。该合成方法相较于羧酸催化氢化法[12]不仅反应原料更为经济，且无须使用昂贵的催化剂。而相比于异香兰素-乙醛合成法[13-17]，乙酸乙烯不会像乙醛那样发生自身缩合反应，因此反应可在温和的条件下进行，副产物少、产物的收率和纯度较高。本文用单因素试验分别研究反应温度、反应时间、氢氧化钠浓度和异香兰素与乙酸乙烯反应配比对该反应转化率和HMCA 收率的影响，并进行响应面优化，还探索了在反应体系中添加相转移催化剂以进一步强化反应过程。

图2 异香兰素与乙酸乙烯合成HMCA的反应式

1 实验方法

1.1 试剂

异香兰素（工业级，99%）；乙酸乙烯（AR）；氢氧化钠（AR）；盐酸（AR）；乙醇（AR）；十二烷基硫酸钠（AR）；十二烷基苯磺酸钠（AR）；十六烷基三甲基溴化铵（AR）；聚乙烯吡咯烷酮K30（PVP K30，AR）；乙二醇（EG，AR）；聚乙二醇200（PEG-200，AR）；聚乙二醇300（PEG-300，AR）；聚乙二醇400（PEG-400，AR）。

1.2 仪器

DC-2006低温恒温槽，无锡沃信实验设备有限公司；显微熔点仪，上海仪电物理光化学仪器有限公司；HPLC 高效液相色谱仪A1200，美国Agilent公司；Nicolet iS50 红外光谱仪，Thermo Fisher；Thermo共聚焦显微激光拉曼光谱仪，Raman；液质联用仪LCMS-2020，岛津；400M 核磁共振波谱仪，瑞士Bruker公司。

1.3 合成方法

在插有温度计、电动搅拌器并置入低温恒温槽内的100mL 三口烧瓶中投加50mL 去离子水，依次投加一定质量的氢氧化钠和异香兰素，充分搅拌，待全部溶解后，控制一定的温度，用恒压漏斗缓慢滴加一定质量的乙酸乙烯开始反应，在一定时间内全部滴完，而后再持续搅拌反应30min。向反应混合物中滴加36% HCl 调整pH 为2，静置12h 后抽滤，用500mL 去离子水多次冲洗滤饼，所得粗产品于60℃空干燥24h。粗产品在乙醇中重结晶即得HMCA精品。

1.4 单因素实验

按照上述合成方法，进行单因素实验，分别研究各工艺条件对反应转化率和HMCA 收率的影响。固定异香兰素与乙酸乙烯摩尔比1∶2、氢氧化钠浓度4.5mol/L 和反应时间12h，探究改变反应温度（0℃、5℃、10℃、15℃和20℃）对异香兰素转化率和HMCA 收率的影响；固定反应温度为10℃、异香兰素与乙酸乙烯摩尔比1∶2 和氢氧化钠浓度4.5mol/L，探究改变反应时间（4h、8h、12h、16h和20h）对反应转化率和HMCA收率的影响；固定异香兰素与乙酸乙烯摩尔比1∶2、反应温度10℃和反应时间12h，探究改变氢氧化钠浓度（2.5mol/L、3.5mol/L、4.5mol/L、5.5mol/L 和6.5mol/L）对反应转化率和HMCA 收率的影响；固定氢氧化钠浓度4.5mol/L、反应温度10℃和反应时间12h，探究改变异香兰素和乙酸乙烯摩尔比（1.5∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5和1∶3）对异香兰素转化率和HMCA收率的影响。

1.5 响应面实验设计

为进一步探究上述实验因素对合成HMCA 的影响程度，根据上述单因素实验的结果选择最佳反应条件两侧的水平，设计了4 因素3 水平的Box-Behnken响应面中心组合实验，如表1所示。

表1 响应面实验因素水平设计

1.6 相转移催化

在异香兰素和乙酸乙烯反应摩尔比1∶2、NaOH浓度4.5mol/L、反应温度10℃、反应时间12h的条件下，分别加入各种相转移催化剂（PEG-200、PEG-300、PEG-400、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和PVP K30）进行反应，研究相转移催化剂对异香兰素转化率和HMCA收率的影响。

1.7 异香兰素和3-羟基-4-甲氧基肉桂醛含量的分析方法

使用1200 Agilent 型液相色谱仪检测异香兰素和HMCA 的含量， 色谱柱为Agilent C18ODS（250mm×46mm，5µm），柱温为35℃，流动相为乙腈和水（体积比为30∶70），流速为1.0mL/min，紫外检测波长为338nm，进样量20µL。

2 结果与讨论

2.1 单因素变量对反应结果的影响

分别研究了反应温度、反应时间、NaOH 浓度和异香兰素与乙酸乙烯的反应投料比对异香兰素转化率与HMCA收率的影响。

2.1.1 反应温度的影响

异香兰素转化率随着反应温度的不断上升而逐渐提高，说明升高温度能够促进该反应的进行，而HMCA收率在10℃时达到最大，为73.21%（图3）。随后进一步升温，HMCA收率则明显降低，这可能是由于乙酸乙烯在较高的温度和碱性条件下发生水解，水解产生的乙烯醇迅速发生重排生成乙醛，而乙醛易于自身缩合。因此，本反应对温度的控制要求较高。

图3 反应温度对异香兰素转化率和HMCA收率的影响

2.1.2 反应时间的影响

反应时间对异香兰素转化率和HMCA 收率的影响见图4。当反应时间从4h延长至12h时，异香兰素转化率和HMCA 收率均逐渐增加。反应时间较短时，两者反应不充分，逐渐延长反应时间能够促进该反应的进行。当反应时间为12h 时，HMCA收率最高，为71.25%。反应时间超过12h后，异香兰素转化率不再增加，而HMCA 收率则下降，这可能是部分生成的HMCA进一步发生副反应了。

图4 反应时间对异香兰素转化率和HMCA收率的影响

2.1.3 氢氧化钠浓度的影响

如图5 所示，当氢氧化钠浓度从2.5mol/L 提高到4.5mol/L时，异香兰素转化率和HMCA收率均增加，并在氢氧化钠浓度为4.5mol/L 时达到最大值；而当继续提高氢氧化钠浓度时，异香兰素转化率略有下降，HMCA收率则明显降低。氢氧化钠在反应中充当催化剂以促进烯醇离子的生成，但碱性过高加快异香兰素发生Cannizzaro 反应[19]，造成HMCA收率明显降低。

图5 NaOH浓度对异香兰素转化率和HMCA收率的影响

2.1.4 异香兰素和乙酸乙烯反应投料比的影响

如图6所示，乙酸乙烯的量较少，不利于反应进行完全。乙酸乙烯的量过多，导致水解副反应增加，也会对实验结果产生不利影响。因此，每次反应选取异香兰素和乙酸乙烯的投料比为1∶2 时较为合适。

图6 异香兰素和乙酸乙烯反应投料比对实验的影响

2.2 响应面实验结果与分析

基于单因素实验的结果，以A为反应时间，B为反应温度，C为氢氧化钠浓度，D为异香兰素与乙酸乙烯摩尔比，HMCA收率为响应值，开展4因素3水平的响应面优化实验，结果如表2所示。

表2 响应面实验结果表

以HMCA的收率为响应值，经拟合得到如式（1）的二次多项式回归方程。

该方程R2=0.9956，说明拟合结果良好。P<0.0001（表3），显示该方程具有极其显著的统计学差异。方差分析表明，反应温度（B）、反应时间二次项（A2）、反应温度二次项（B2）、氢氧化钠浓度二次项（C2）、异香兰素与乙酸乙烯摩尔比二次项（D2）对产品收率的影响非常显著（P<0.0001），氢氧化钠浓度（C）对产品收率的影响较为显著（P<0.05）。由统计检定值F的大小可以判断，反应温度对HMCA 收率的影响最大，其次为氢氧化钠浓度，反应时间次之，异香兰素与乙酸乙烯摩尔比的影响排在最后。

表3 方差分析

图7～图12绘出了反应时间、反应温度、NaOH浓度和异香兰素与乙酸乙烯摩尔比之间的交互作用的响应面图。可见，各曲面在实验范围内均具有最大值，反应温度与NaOH浓度的交互作用的响应面图形最为陡峭，对HMCA 收率影响最大；而反应时间和异香兰素与乙酸乙烯摩尔比的交互作用的响应面图形较为平缓，对HMCA收率影响程度最小。

图7 反应时间与反应温度的交互影响响应面

图8 反应时间与NaOH浓度的交互影响响应面

图9 反应温度与NaOH浓度的交互影响响应面

图10 反应时间与异香兰素和乙酸乙烯摩尔比的交互影响响应面

图11 反应温度与异香兰素和乙酸乙烯摩尔比的交互影响响应面

图12 NaOH浓度与异香兰素和乙酸乙烯摩尔比的交互影响响应面

采用Design Expert 8.0 求得最优解：反应时间为12.15h，反应温度为9.68℃，NaOH 浓度为4.5mol/L，异香兰素与乙酸乙烯摩尔比为1∶2.01，在此条件下产品收率为71.61%。在实际操作过程中，以反应温度10℃、反应时间12h、NaOH 浓度4.5mol/L 和异香兰素与乙酸乙烯摩尔比1∶2 的条件，进行5 次平行反应验证，结果HMCA 收率为71.44%±2.21%，与理论值较为接近。

2.3 相转移催化

为了进一步提高HMCA 的收率，分别在反应体系中加入相转移催化剂PEG-200、PEG-300、PEG-400、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和PVP K30进行反应，结果表明，十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和PVP K30对异香兰素与乙酸乙烯的反应没有明显的催化作用，虽然这些物质对其他的一些羟醛缩合反应起到了相转移催化作用[20-24]。只有PEG 显示了明显的催化作用，其中PEG-200 强化反应最为显著。这可能是分子量更小的PEG-200 螺旋形结构的孔穴大小更加适中，与金属Na+比较匹配。从反应机理分析，OH-与乙酸乙烯形成烯醇碳负离子是控制步骤，而OH-在水相，乙酸乙烯在有机相。PEG-200携带OH-使其从水相转移到有机相中，促进了OH-与乙酸乙烯形成烯醇碳负离子。在10℃、NaOH 浓度4.5mol/L 和反应12h的条件下，探究了PEG-200的用量对异香兰素转化率和HMCA 收率的影响，结果见图13。PEG-200 用量为1.5g 时，HMCA 收率最高，为83.12%±2.18%。

图13 PEG-200用量对异香兰素转化率和HMCA收率的影响

2.4 产品鉴定

首先使用显微熔点仪对产物进行熔点测定，设置加热速度为10℃/min，待温度升至100℃后再将加热速度调整为1℃/min。测得熔点为145.4～146.7℃（文献值为147℃[13]）。

对重结晶后的产物进行研磨，添加产物到KBr中进行压片处理，在400～4000cm-1区间经傅里叶红外光谱仪扫描，结果见图14。继续对该产物在700～4000cm-1区间进行拉曼光谱扫描，结果见图15。红外光谱中峰值在1610cm-1、1507cm-1和1447cm-1及拉曼图谱中1570cm-1处的峰由产物的苯环结构伸缩振动引起。红外谱图中3210cm-1处宽而强的峰表示在苯环上羟基的振动，而在拉曼光谱中，3088cm-1处的弱峰则代表苯环上羟基的存在。红外光谱中2984cm-1处为甲基的伸缩振动峰，同时吸收峰1284cm-1为苯环上的C—O 键伸缩振动引起的，1135cm-1处为甲基C—O键的伸缩振动吸收峰；拉曼光谱中1118cm-1处由C—O—C 的反对称振动引起，表明有甲氧基存在。产物的红外光谱1675～1640cm-1区域有一个显著的C==C 键峰，峰值在1655cm-1，同样对应拉曼光谱中1602cm-1的强伸缩振动。红外光谱在2842cm-1和1655cm-1处是醛基的典型吸收，而拉曼光谱中1650cm-1处的C==O 振动则较弱，表明—CHO存在。

图14 产物的红外光谱图

图15 产物的拉曼光谱图

取适量样品铺满整个玻璃凹槽，在2θ=5°～80°范围内进行XRD 扫描，结果如图16 所示。在2θ=10°～30°范围内具有明显而尖锐的衍射峰。在2θ=13.74°、16.48°、24.38°和27.70°处出现四个明显的衍射峰，与相关文献报道一致[13]。

图16 产物的XRD衍射图

产物的质谱测试采用电喷雾离子源(ESI)，以正离子模式运行，溶剂为乙腈，结果见图17。3-羟基-4-甲氧基肉桂醛分子式为C10H10O3，分子量为178。质谱峰中m/z=179.20 的[M+H]+为基峰。有碎片m/z=146.25的[M—OCH3]+生成，表明有甲氧基存在。m/z=129.35是m/z=146.25失去质量为17的碎片（—OH）产生的，m/z=101.35 是失去—CHO 后得到的离子峰。m/z=74.50 则为断裂侧链双键后苯环的特征峰。可判断产物为3-羟基-4-甲氧基肉桂醛。

图17 产物的质谱图

最后使用核磁共振氢谱和碳谱对重结晶后的产物进行了鉴定。1H NMR 和13C NMR 谱在AVANCEⅢHD 400 谱仪（Bruker Biospin Gmbh）上进行，工作频率为400mHz，结果如图18 和图19 所示。

图18 产物的核磁共振氢谱图

图19 产物的核磁共振碳谱图

1H NMR (CDCl3－d)δ：9.72～9.65 (dd，J=7.8Hz，0.9Hz，1H)，7.45～7.37 (d，J=15.8Hz，1H)，7.22～7.17 (d，J=2.1Hz，1H)，7.16～7.09 (dd，J=8.3Hz，2.1Hz，1H)，6.95～6.89(d，J=8.3Hz，1H)，6.67～6.57(ddd，J=15.8Hz，7.8Hz，0.9Hz，1H)，5.81～5.76 (s，1H)，4.04～3.96 (d，J=0.9Hz，3H)。13C NMR (CDCl3—d)δ：193.75 (C—12)，152.90(C—5)，149.39 (C—3)，146.12 (C—6)，127.78 (C—11)，127.11 (C—10)，122.44 (C—)，113.60 (C—1)，110.73(C—4)，56.13(C—9)。

3 结论

对于3-羟基-4-甲氧基肉桂醛的制备，以乙酸乙烯代替乙醛，经过单因素实验和响应面实验优化，发现反应温度对收率的影响最大，其次为NaOH浓度，而反应时间的影响最小。最优操作参数为反应温度10℃、反应时间12h、NaOH 浓度4.5mol/L、异香兰素与乙酸乙烯摩尔比1∶2，此时3-羟基-4-甲氧基肉桂醛收率可达71.44%±2.21%。相转移催化剂PEG-200 对异香兰素与乙酸乙烯反应合成3-羟基-4-甲氧基肉桂醛的过程具有明显的催化作用，可使3-羟基-4-甲氧基肉桂醛收率从71.44%±2.21%提升到83.12%±2.18%。所得产品经熔点测定、红外光谱、拉曼光谱、质谱、X射线衍射、1H NMR和13C NMR进行了表征和确认。