龙脑合成工艺及酯化—皂化法催化剂的研究进展_王香港.pdf

第52卷 第1期2 0 2 3年 2月Vol.52，No.1Feb.，2 0 2 3上海师范大学学报（自然科学版）Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）龙脑合成工艺及酯化-皂化法催化剂的研究进展王香港，魏超*，张文祥，陈臣举，张春雷*（上海师范大学 化学与材料科学学院，上海 200234）摘 要：龙脑作为松节油深加工的下游产品，被广泛应用于医药、香精香料和日用化学品，但天然龙脑资源有限，而合成龙脑目前存在产率不高、产品品质低以及皂化反应污染环境等问题.文章综述了龙脑的合成方法及用途，并对目前工业上最广泛采用的酯化-皂化法催化剂进行了系统的总结.为了提高合成龙脑的产率，降低具有一定副作用的异构体异龙脑含量，国内外研究人员从酯化过程中所用的催化剂着手，展开了广泛而深入的研究.催化剂主要选用含硼类、钛类、硼钛复合类、固体超强酸类及离子液体等.关键词：龙脑；合成工艺；酯化-皂化法；催化剂中图分类号：TQ 423.93 文献标志码：A 文章编号：1000-5137（2023）01-0139-07Research progress of borneol synthesis process and esterification-saponification catalystWANG Xianggang，WEI Chao*，ZHANG Wenxiang，CHEN Chenju，ZHANG Chunlei*（College of Chemistry and Materials Science，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）Abstract：As a downstream product of turpentine that has deep processed，borneol is widely used in medicine，flavors and fragrances，daily chemicals.However，natural borneol resources are limited.At present，synthetic borneol has some disadvantages such as low yield，low product quality，and environmental pollution.In this paper，the synthesis methods and applications of borneol are reviewed.Furthermore，esterification-saponification method that is widely used in the industry and its catalysts are systematically summarized.In order to improve the yield of synthetic borneol and reduce the isoborneol content of isomers with certain side effects，extensive and in-depth research has been carried out on the catalysts used in the esterification process.The catalysts are mainly boron-containing，titanium-containing，boron-containing titanium composites，solid superacids，and ionic liquids，etc.DOI：10.3969/J.ISSN.1000-5137.2023.01.019收稿日期：2022-07-15基金项目：上海师范大学科研基金（SK202218）作者简介：王香港（1997），男，硕士研究生，主要从事工业催化方面的研究.E-mail：*通信作者：魏 超（1990），男，讲师，主要从事工业催化与功能材料方面的研究.E-mail：weichao107 ；张春雷（1968），男，教授，主要从事工业催化和化学工艺方面的研究.E-mail：zhangchunlei 引用格式：王香港，魏超，张文祥，等.龙脑合成工艺及酯化皂化法催化剂的研究进展 J.上海师范大学学报（自然科学版），2023，52（1）：139145.Citation format：WANG X G，WEI C，ZHANG W X，et al.Research progress of borneol synthesis process and esterification-saponification catalyst J.Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2023，52（1）：139145.2023年上海师范大学学报（自然科学版）J.Shanghai Normal Univ.（Nat.Sci.）Key words：borneol；synthesis process；esterification-saponification method；catalyst0 引 言 龙脑，用于医药领域又名冰片，具有较强的药理活性1-2，是许多药品的中间体.龙脑也用于香精香料，其香味具有不可替代性，是许多名贵香精和食品的定香剂和原料.此外，龙脑还具有去腐防腐、驱虫避害的功效，用于家用清洁剂和洗涤剂.天然龙脑（右旋龙脑）一般为龙脑香料植物新鲜枝、叶、树干经提炼加工制成的晶体.艾片（左旋龙脑）为艾纳香树叶经提取加工制成的结晶.龙脑有正龙脑和异龙脑2种同分异构体，如图1所示，异龙脑具有一定的毒副作用，且香气较弱，因此在工业上合成龙脑需要提高正龙脑的选择性，而催化剂的选择就至关重要.目前市场上龙脑供给极不平衡，龙脑市场短缺，而自然界中天然龙脑较少且价格极其昂贵，需要合成龙脑来补充短缺.合成龙脑主要来源于对松节油的深加工，松节油是我国丰富可再生的林业资源，年产量居世界第一，但是其深加工产品技术匮乏，主要靠出口原材料和进口加工后的产品，经济效益差.-蒎烯为松节油的主要成分，以松节油为原料深加工后可以得到许多高附加值产物，龙脑是其中一种.龙脑的市场广阔，研究其合成方法和催化剂对改善龙脑质量，提高松节油资源的有效利用具有重要意义3.本文作者对龙脑合成方法的工艺和工艺条件以及相关的催化剂进行了综述，重点是对近年来-蒎蒎烯与羧酸催化酯化-皂化法工艺的发展和催化剂体系进行归纳总结，对各个催化剂的优缺点和发展的前景进行评述和展望.1 龙脑合成工艺 龙脑的合成方法有樟脑还原法4、有机镁化合物分解法5、生物合成法6、-蒎烯直接水合法7以及-蒎烯酯化-皂化法8.实现工业生产的是-蒎烯酯化-皂化法，其以-蒎烯为原料，在催化剂作用下与有机酸发生重排-加成反应生成龙脑酯，然后经皂化反应生成龙脑.1.1樟脑还原法樟脑还原法是人们最早采用的化学合成龙脑的方法.樟脑还原法合成龙脑的原料是天然脑粉，天然脑粉主要成分是樟脑.最初人们通过钠、钴、铜等金属还原剂一步反应制得龙脑，如图2所示，其基本原理是利用樟脑和龙脑的结构相近，将樟脑分子上的羰基还原成羟基即得到龙脑.如HUANG4在碱金属钠/无水乙醇体系中将右旋樟脑不对称还原为龙脑的工艺，得到最高樟脑转化率为78.3，最高龙脑产率为62.8.后来研究者拓展了还原剂的种类，如硼氢化钠、氢化锂铝、烷基氢铝和铜镉复合催化剂等.YANG等9拓展了电化学还原法合成龙脑，以铝片为阳极，石墨为阴极，在无隔膜电解槽中电还原樟脑，在40、电解8 h条件下，龙脑产率为40.8，其中正龙脑产率为31.3，异龙脑产率为8.7，正龙脑和异龙脑质量比值为3.6 1.0.图1龙脑的异构体3140第1期王香港，魏超，张文祥，等：龙脑合成工艺及酯化-皂化法催化剂的研究进展樟脑还原法过程简单，操作便捷，但其原料获取困难，还原剂不能有效回收，从而产生浪费和污染，电化学法的转化率和选择性未达到生产需求，并未应用于生产.1.2-蒎烯直接水合法从-蒎烯直接水合生成龙脑，显然是一条快捷方便的途径，如图3所示，但一直未取得工业应用进展，原因是在水合反应中龙脑往往是以副产物的形式存在，其含量只有百分之几.同时，反应生成的副产物种类繁多，难于分离提纯.MOCHIDA等7研究了-蒎烯在1，4-二氧六环中发生水合反应生成龙脑，尝试不同硅铝比的几种分子筛催化剂，分子筛的催化活性随硅铝比的升高，先升高后降低.TAN等10进行了GC-82型固体酸催化-蒎烯直接水合合成正龙脑、异龙脑和松油醇等产品的中试，但由于龙脑产率太低，不超过10%，尚不具备工业化生产的可行性.图2樟脑还原法合成龙脑示意图图3-蒎烯直接水合法合成龙脑示意图1.3有机镁化合物分解法-蒎烯与盐酸（HCl）作用生成蒎烯氢氯化物11，如图4所示，室温下蒎烯氢氯化物发生重排生成2-氯龙脑烷，在一定条件下2-氯龙脑烷与金属镁作用生成冰片基氯化镁，然后用干燥的空气或氧气（O2）氧化，并在冰水或稀酸中水解得到正龙脑或异龙脑.该工艺较复杂，步骤长、生产成本高，产品中副产物多、质量差，难以工业化.1.4-蒎烯酯化-皂化法以-蒎烯为原料经酯化-皂化法合成龙脑是工业生产中应用最为广泛的方法，包括酯化和皂化过程.以-蒎烯与草酸酯化-皂化反应为例，反应路线如图5所示.酯化过程：用有机酸或酸酐与-蒎烯发生酯化反应生成相应的龙脑酯，反应后滤去催化剂，并蒸出轻油后得到龙脑酯粗体.常用的酸有草酸、醋酸、氯乙酸、甲酸和三氯乙酸等12.皂化过程：将酯化反应得到的龙脑酯与氢氧化钠（NaOH）混合，在龙脑酯和NaOH物质的量之比为1 5，NaOH的质量分数为20%时，于80 加热搅拌皂化反应1 h，然后对产物进行提纯，得到龙脑.图4有机镁化合物分解法示意图3图5-蒎烯酯化-皂化法路线合成龙脑示意图1412023年上海师范大学学报（自然科学版）J.Shanghai Normal Univ.（Nat.Sci.）该法相较于其他合成方法，反应条件温和、操作简单、成本较低，且龙脑产率较高，工业上选择该方法生产龙脑，具有良好的经济效益.蒎烯在酸催化作用下先生成碳正离子，发生碳链重排后与草酸形成草酸龙脑酯和草酸异龙脑酯或葑醇酯.在酯化阶段，部分蒎烯也会异构为双戊烯等单萜类化合物或聚合为低聚物，最终生成-葑醇.此外，由于刚开始形成龙脑酯与-葑醇的速率较形成异龙脑酯速率较快，可采用在特定的时间内停止反应，从而获得高含量的正龙脑产品.产品中正龙脑和异龙脑的占比，可能与催化剂的酸碱性质及反应有关.然而，不足的是皂化过程NaOH的使用会污染环境，限制了大规模生产且处理困难，每产生1 mol龙脑需要处理5 mol的NaOH废水；实际工业生产中每生产1 kg龙脑会产生16 kg废水.原料损耗大且利用率不高，酸的使用也会造成设备的腐蚀，对设备要求高，且常伴随冲料和爆炸的危险，另外产物龙脑质量差，杂质多.因此，如何提高合成龙脑的产率和产品中龙脑的含量，以及合成工艺的安全性是亟待解决的问题，其中催化剂的选择是关键.2 酯化-皂化法合成龙脑催化剂 酯化催化剂，主要有含钛类、含硼类、硼钛复合类、离子液体和固体超强酸催化剂.目前，工业上使用的多为硼钛类催化剂，但存在反应剧烈和产品质量差的缺点.皂化过程是将对应的龙脑酯与NaOH发生皂化反应合成龙脑.以下着重综述酯化催化剂的研究进展.2.1均相催化剂2.1.1传统液体酸类很早人们发现-蒎烯可与乙酸经过酸催化发生酯化反应，经分离后得到酯化产物，酸催化剂主要用硫酸、磷酸、硼酸等液体酸以及三氯化铝、氯化锌等路易斯酸催化剂，这些酸具有酸性强、催化活性高、反应条件温和、易控制、取材方便和成本低廉等优点.但其缺点也很明显：首先，是-蒎烯在酸催化下可以发