甜味剂中间体3羟基4甲氧基苯丙烯醛的合成工艺优化及其结构表征

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(1.华南理工大学食品科学与工程学院,广东广州 510640；2.山东奔月生物科技有限公司，山东东营 257000；3.喀什大学生命与地理科学学院，新疆喀什 834000)

爱德万甜(Advantame)是一种新型高倍甜味剂,甜度可达蔗糖的20000倍,是迄今人类利用的最高甜度的物质[1-2]。Advantame安全性高,不参与代谢,稳定性和水溶性均良好,可广泛应用于多种食品[3]。而且,Advantame热量值为零,在人体内几乎不被吸收,可适应低热量、低脂肪的现代健康食品发展趋势,具有广阔的市场前景[4-5]。

采用醛类和还原剂对阿斯巴甜进行还原烷基化处理是Advantame常用的有机合成方法[6],其中3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛是合成过程的关键中间体[7]。研究表明,以肉桂酸为原料,经三步反应可以合成3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛,但该路线合成反应过程需使用光气(COCl2),且得率极低,不易实现工业化生产[8]。还有研究将3-羟基-4-甲氧基苯甲醛与丙二酸在甲醇钠、苯胺等催化下,五步合成3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛,但制备工艺繁琐[9]。因此Advantame的高效率、低成本、低污染的合成工艺还有待研究。

本文对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的合成路线进行了改进,选用具有羟基或甲氧基等供电子基团的苯甲醛衍生物和乙醛为原料,经羟醛缩合得到3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛(合成路线如图1所示),以3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率为指标,考察反应温度、乙醛滴加时间、NaOH浓度对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影响,并以响应面法优化合成工艺,以期为3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛工业化生产提供技术理论支撑,为Advantame中间体的简易、安全、绿色合成提供参考。

图1 3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的合成路线Fig.1 Reaction route of preparing of 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

异香兰素 山东奔月生物科技有限公司;乙醛、36%盐酸 广州化学试剂厂;氢氧化钠 天津市福晨化学试剂厂;甲醇 天津市津东天正精细化学试剂厂。

S212-3L型双层玻璃反应釜 杭州明远仪器有限公司;DW-40型多功能低温浴槽 北京博医康实验仪器有限公司;HL-200B型恒流泵 上海精科仪器有限公司;恒温磁力搅拌器 苏州乐声电器厂;RE-52E型旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;TU-1810型紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限公司;VERTEX 33型傅里叶红外光谱仪、Agilent1290型超高压液相色谱-高分辨质谱联用仪、D8 ADVANCE型X射线多晶衍射仪 德国Bruker公司。

1.2 实验方法

1.2.1 3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的合成 称取一定量的氢氧化钠与12.2 g 3-羟基-4-甲氧基苯甲醛,加入200 mL蒸馏水,玻璃棒快速搅拌至完全溶解。转入到已预冷至一定温度的双层玻璃反应釜中,用蠕动泵按一定速度，向此碱溶液中缓慢连续滴加25%～30%乙醛水溶液29 mL,控制转速为120 r/min,滴加完成后，继续搅拌1 h,并通过向其中缓慢添加36%的盐酸,调节pH至7,破坏均相体系使产物3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛析出。用布氏漏斗过滤反应溶剂,所得沉淀在-5 ℃下冷冻干燥,得到淡黄色固体。

1.2.2 3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的重结晶 将所得淡黄色固体23.12 g溶解于45 mL 65%的甲醇水溶液中,过滤除去不溶性固体杂质，得到上清液,于40 ℃恒温水浴搅拌1 h,静置冷却至室温,将所得反应样液于冰箱内(5 ℃)静置12 h析晶,抽滤,弃去滤液,将滤出晶体粉末平铺于蒸发皿中,在40 ℃,0.1 MPa下真空干燥,即得成品。

1.2.3 单因素实验 采用1.2.1方法合成3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛。当乙醛滴加时间为2 h,NaOH浓度为12%时,考察不同反应温度(-10、-5、0、5和10 ℃)对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影响;当反应温度-5 ℃,NaOH浓度为12%时,考察不同乙醛滴加时间(0.5、1、1.5、2、2.5、3 h)对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影响,当反应温度为-5 ℃,乙醛滴加时间为2 h时,考察不同NaOH浓度(4%、8%、12%、16% 和20%)对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影响。3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率按下式计算:

3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率(%)=产品质量(g)/反应理论质量(g)×100

式(1)

1.2.4 响应面试验设计 以单因素实验结果为基础,每个因素选取三个对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率影响较大的水平,建立三因素三水平的Box-Benhnken中心组合实验。以A(乙醛滴加时间)、B(反应温度)和C(NaOH浓度)为自变量,3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率为响应值设计实验(表1)。

表1 响应面试验因素及水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment

1.2.5 结构表征

1.2.5.1 紫外分析 称取0.1 mg 3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛样品溶于5 mL甲醇中,以甲醇为对照,在紫外可见分光光度计上进行全波长扫描,波长扫描范围为200～800 nm,扫描间隔为0.2 nm。

1.2.5.2 红外分析 称取3 mg结晶干燥后的3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛样品，置于玛瑙研钵,加入KBr粉末,研细并压片,通过傅里叶红外光谱仪在400～4000 cm-1区间扫描测定[10]。

1.2.5.3 质谱分析 采用电喷雾电离(ESI)方式,在高分辨率质谱仪中对样品进行检测。仪器采用正离子模式运行,主要操作参数如下:毛细管电压3500 V;雾化温度180 ℃;离子导入分析池时间5 ms;氩气为碰撞气体,碰撞能16 eV;质量扫描范围50～1000 m/z。

1.2.5.4 X射线衍射(XRD)分析 取适量样品压平于样品板的凹槽中,置于样品台,采用连续扫描方式,以Cu靶Kα射线为X射线源,管电压为50 kV,扫描角度范围2θ=5 °～70 °,强度单位为CPS(计数/s),步长0.01 °。

1.3 数据处理

采用Origin 7.5和Design-Expert 8.0软件对结果进行作图和统计分析。每组实验至少重复3次(n≥3)。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 温度对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影响 由图2可知,当反应温度在0 ℃以下时,3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率随着温度上升而略有下降,但并不明显,反应温度在0 ℃以上时,随着温度的上升,3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的得率出现较大程度的下降。原因可能是乙醛沸点极低(20.8 ℃),在0 ℃以下时,以生成3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛反应为主,而反应温度高于0 ℃时,乙醛易发生自身的羟醛缩合反应生成副产物,从而导致3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率下降明显[11]。因此,优选在0 ℃以下反应,考虑到经济成本,减少能耗,选取-5 ℃为最佳反应温度。

图2 温度对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影响Fig.2 Effect of temperatures on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

2.1.2 乙醛滴加时间对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影响 由图3可知,在制备3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的反应过程中,3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率随乙醛滴加时间的延长呈现先上升后下降的趋势,在乙醛滴加时间增至2 h时,3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率达到最高值,为65.65%。乙醛滴加时间较短时,3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率较低,原因可能是滴加时间过快,反应不充分;乙醛滴加时间较长时,反应时间延长,乙醛易自身缩合或生成的3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛易发生氧化还原反应,发生副反应的概率加大,反应得率降低。由此可见,反应体系对乙醛滴加时间较为敏感,只有控制好乙醛滴加时间,才能使反应向交叉羟醛缩合的方向进行,从而提高3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率。因此,选择2 h为最佳乙醛滴加时间。

图3 乙醛滴加时间对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影响Fig.3 Effect of aldehyde dropwise time on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

2.1.3 NaOH浓度对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影响 由图4可知,随着NaOH浓度的增大,3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率逐渐增大;当NaOH浓度达到12%时,得率最高为61.23%,而继续增大NaOH浓度,得率下降。原因可能是由于乙醛的α-H呈弱碱性,易与碱液中的-OH反应生成碳负离子,进攻3-羟基-4-甲氧基苯甲醛的羰基,在高浓度碱性条件下,先生成羟醛后，迅速脱水形成-α,-β不饱和醛。因此,适当增加NaOH浓度,有利于产物得率的提高,但当碱浓度过大时,3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛易发生副反应，生成其他副产物。因此,选择12%为最佳碱液浓度。

图4 NaOH浓度对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影响Fig.4 Effect of NaOH concentration on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

2.2 响应面实验结果及分析

2.2.1 响应面试验结果 根据单因素实验结果,每个因素选取三个对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率影响较大的水平,以反应温度、乙醛滴加时间和NaOH浓度为自变量,以3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率为响应值,以-1、0和1分别代表变量的水平,建立三因素三水平的Box-Benhnken实验,实验设计与结果见表2。

表2 响应面实验设计与结果Table 2 Design and results of response surface experiment

2.2.2 回归模型的建立和方差分析 以3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率为响应值,经过回归拟合得到二次多项式回归方程:

Y=63.83-3.82A+0.95B-3.95C+0.22AB-1.45AC+5.64BC-14.49A2-10.11B2-5.55C2

式(2)

对该模型进行方差分析,结果见表3。由表3可知,回归方程模型p<0.0001,表明该模型极显著。失拟项不显著(p>0.05),表明数据无异常点,模型适当。回归方程决定系数R2=0.9902,表明该模型拟合性较好,正确反映了3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率与反应温度、乙醛滴加时间和NaOH浓度的关系[12]。结果表明,乙醛滴加时间(A)、NaOH浓度(C)、时间二次项(A2)、温度二次项(B2)、NaOH浓度二次项(C2)、温度与NaOH浓度交互项(BC)对响应值影响极显著(p<0.01)。由F检验值可得,三个因素对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率影响的大小顺序依次为:C>A>B,即NaOH浓度>乙醛滴加时间>反应温度。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

2.2.3 交互作用分析 固定一个因素于零水平,研究另外两个因素的交互作用,得到3个影响因子(乙醛滴加时间、反应温度和NaOH浓度)的两两交互作用的响应面图。

图5～图7直观反映了各因素间的交互作用对响应值的影响。随着各因素水平的升高,3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率呈现先上升后下降的趋势;各曲面图均开口朝下,表明实验结果(3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率)在实验区域内有最大值[13]。反应温度与乙醛滴加时间的交互作用和NaOH浓度与乙醛滴加时间的交互作用对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的影响不显著,而反应温度与NaOH浓度的交互作用对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率具有显著影响。

图5 反应温度和乙醛滴加时间交互影响对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的响应面Fig.5 Response surface plots of effects of reaction temperature and aldehyde dropwise time on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

图6 乙醛滴加时间和NaOH浓度交互影响对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的响应面Fig.6 Response surface plots of effects of aldehyde dropwise time and NaOH concentration on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

图7 反应温度和NaOH浓度交互影响对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率的响应面Fig.7 Response surface plots of effects of reaction temperature and NaOH concentration on the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein yield

2.2.4 验证试验 运用Design Expert 8.0软件对试验数据进行优化预测,得到模型最优试验条件为:乙醛滴加时间1.89 h,反应温度-5.29 ℃,NaOH浓度11.53%。此时,3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率可达64.75%。

考虑到实际试验的可操作性和经济性,将最佳工艺参数确定为:反应温度-5 ℃,乙醛滴加时间2 h,NaOH浓度12%,在此条件下进行3次平行实验验证,得到3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率为61.28%±1.37%,与回归模型预测值64.75%基本相符,两者的RSD值为3.32%,表明此数学模型可靠,对优化工艺具有可行性。

2.3 结构表征

2.3.1 紫外分析 苯环的紫外光谱是在180 nm以上,由三个轮廓清晰的吸收带组成,E1带为芳香环的结构特征谱带,无精细结构;E2带在204 nm附近有分辨不清的振动结构,与E1带相重叠;B带,吸收波谱在230 nm到270 nm处出现细微结构[14]。

当吸电子基(如-NO2)或给电子基(含未成键p电子的杂原子基团,如-OH、-OR等)连接到分子中的共轭体系时,可导致共轭体系电子云的流动性增大,分子中π→π*跃迁的能级差减小,最大吸收波长向长波方向移动[15]。

图8为3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的紫外扫描光谱,由图8可推断,220 nm为3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛分子结构中苯环的E2带,249 nm为3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛分子结构中苯环的B带,3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的最大吸收波长为341 nm,间接验证了中间体3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛分子结构中含有给电子基(-OH、-OCH3)。

图8 3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的紫外扫描光谱Fig.8 UV-Vis spectrum of the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein

2.3.2 红外光谱分析 采用傅里叶红外光谱仪对中间体3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的结构进行测定,得到如图9所示的红外光谱图。苯环、吡啶环及其他杂环芳烃的骨架伸缩振动位于1600～1400 cm-1范围内,这些结构经常出现多条谱带[16],图中1600、1510和1445 cm-1处的峰可能是由3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的苯环骨架伸缩振动引起的。680～880 cm-1范围内是苯环C-H面外弯曲振动,进一步证明分子中存在苯环。

图9 3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的红外光谱Fig.9 IR spectrum of the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein

2.3.3 质谱分析 图10为中间体3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的高分辨质谱图。中间体3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的分子量为178。结果表明,在正离子模式下,产物质谱峰中m/z=201.0531的[M+Na]+为基峰。有碎片m/z=325.08[2M-CHO]+的生成,可判断物质结构中含有醛基。另外发现,在电喷雾离子源(ESI)中,不仅发生了化学基团碎裂,还发生了其他形式的加成反应,m/z=379.1158为目标产物二聚合物结合了Na+信号的离子峰,产生二聚合物的原因可能是产物中含有醛基,易使分子间发生聚合[20]。离子峰m/z=265.1046为目标产物,结合了两个甲醇分子与一个Na+,这可能是含有的醛酮类化学类基团在质谱中发生重排的结果。综上所述,该物质分子中除含有醛基结构外,另外可能含酚羟基和甲氧基[21]。结合红外分析可确定合成产物即为3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛。

图10 3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的质谱图Fig.10 Mass spectra of the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein

2.3.4 XRD分析 当特定波长X射线照射到结晶性物质上时,在碰到物质内部有序排列的离子或原子时发生散射,使其相位在特定方向上得到增强,显示与结晶结构相对应的衍射现象[22]。图11为样品的X射线衍射图谱,图谱显示样品的结晶衍射峰峰形尖锐,表明结晶状态良好。在2θ=13.38°、16.51°、22.96°和27.49°左右处出现四个明显的衍射峰,表明中间体3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛是一种结晶态物质。并在13.38°和27.49°出现最高峰,与相关文献报道一致[23]。

图11 3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛的X-射线衍射谱图Fig.11 X ray spectra of the 3-hydroxy-4 methoxy benzal acrolein

3 结论

结果表明:各因素对3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛制备工艺的影响次序为NaOH浓度>乙醛滴加时间>反应温度;响应面法优化后工艺条件参数为NaOH浓度12%、乙醛滴加时间2 h，反应温度-5 ℃,此时3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛得率达61.28%±1.37%,与回归模型预测值64.75%基本相符,故回归方程模型可用来预测实验条件范围内3-羟基-4-甲氧基苯丙烯醛制备工艺参数,有一定实践参考价值;通过紫外、红外、质谱和XRD对中间体结构进行了表征,初步判定目标产物为Advantame中间体3-羟基4-甲氧基苯丙烯醛。研究结果可为Advantame中间体的简便绿色、高效安全的合成提供方法参考和数据支撑。