一种丁香酚经臭氧氧化合成香兰素的方法与流程

本发明涉及有机化学合成技术领域，特别是涉及一种丁香酚经臭氧氧化合成香兰素的方法。

背景技术：

香兰素是重要的食用香料之一，是食用调香剂，具有香荚兰豆香气及浓郁的奶香，是食品添加剂行业中不可缺少的重要原料，广泛运用在各种需要增加奶香气息的调香食品中，如蛋糕、冷饮、巧克力、糖果、饼干、方便面、面包以及烟草、调香酒类、牙膏、肥皂、香水、化妆品、冰淇淋、饮料以及日用化妆品中起增香和定香作用。还可用于香皂、牙膏、橡胶、塑料、医药品。符合fccⅳ标准。

香兰素在国外的应用领域很广，大量用于生产医药中间体，也用于植物生长促进剂、杀菌剂、润滑油消泡剂、电镀光亮剂、印制线路板生产导电剂等。国内香兰素主要用于食品添加剂，近几年在医药领域的应用不断拓宽，已成为香兰素应用最有潜力的领域。目前国内香兰素消费：食品工业占55％，医药中间体占30％，饲料调味剂占10％，化妆品等占5％。

目前，香兰素的合成主要包括：化学合成法、天然萃取法、生物合成法。文献报道化学合成法制取香兰素的方法较多，主要有木质素法，黄樟素法，丁香酚法，愈创木酚法等。木质素广泛存在于废木材、秸秆、泥炭、纸浆废液和酒糟中，可以利用这些废弃物中所含的木质素来制备香兰素。安徽理工大学李广学等利用造纸废液经磺化，氧化后生成香兰素收率最高可达10.8％。黄樟素法是以黄樟素(来源于樟脑油)在碱性条件下异构化，再氧化为胡椒醛，然后再在pcl5作用下制成原儿茶醛，最后经硫酸二甲酯甲基化得香兰素。19世纪末，reimer和tietnann开始用丁香酚法合成香兰素。现在最常用的方法是在碱存在下，将丁香酚异构化为异丁香酚钠，然后用氧化剂将异丁香酚钠氧化成香兰素钠盐，再中和结晶后可以得到香兰素。中国专利cn107188791a公开了一种以丁香酚原料经异构、酯化、氧化、水解工艺合成香兰素的方法。愈创木酚法合成香兰素的工艺比较成熟，为目前合成香兰素工业采用的主流方法。从20世纪80年代开始，国外多数生产厂家已用愈创木酚在碱性条件下与乙醛酸缩合生成3一甲氧基一4一羟基扁桃酸，缩合反应液在回收未反应的愈创木酚后，经催化氧化生成相应的酮酸化物，酮酸化物在酸性条件下脱羧生成香兰素。

香兰素以游离态和葡萄糖苷的形式广泛存在于自然界植物中，尤其在香荚兰豆中，含量约为20g/kg(干重)。香荚兰的深加工产品主要是香荚兰浸剂，方法是先将香荚兰切碎放入浸提器中，用95％的乙醇在50℃-60℃条件下浸提，过滤后即可。这种方法成本高、费时，且溶剂会残留。

1991年knuth等提出，香草愈伤组织细胞悬浮培养物会分泌出一种复杂的带香荚兰香味的物质，在不加前体物的条件下用活性炭连续提取14d后，可以得到0.099g/l香兰素。vandenheuvel等发现利用香草醇氧化酶(vanillyl-alcoholoxidase，vao)可以生产香兰素。

以丁香酚为原料，工业上生产香兰素一般采用直接氧化法，即丁香酚与强碱共热，异构为异丁香酚，然后将异丁香酚直接氧化。该工艺生产的香兰素香气较好，但生产成本高，生产收率约60％，目前只有少数厂家采用该工艺，且总体产量很小。专利cn107188791a公布了一种以丁香酚为原料经异构、酯化、高锰酸钾氧化法得到香兰素的方法，但该方法还存在不足之处：异构反应温度高且时间较长；酚羟基保护过程中使用了有毒溶剂二氯甲烷和三乙胺，影响产品香兰素的香气和质量；氧化反应时使用了金属氧化剂kmnso4反应产生的废液难以处理，对环境的污染严重，正在逐步被淘汰。

植物提取法有其自身的优点，而且从植物香荚兰中提取的香兰素是天然的，但由于香荚兰的种植区域有限，产量受气候影响大，作物种植及加工处理劳动强度太大，生产的天然香兰素远不能满足市场的需求。

微生物法生产香兰素克服了在食品领域中使用化学合成的香兰素对人体的影响，无毒副作用，此方法生产香兰素具有周期短、不受季节和自然环境的影响，价格低廉、可批量生产等优点。目前世界上采用微生物法生产香兰素的企业只有法国罗地亚公司，但还处于起步阶段，该产品供应量有限。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种丁香酚经臭氧氧化合成香兰素的方法，用于解决现有技术中丁香酚法的生产收率低、使用金属氧化剂、废水难处理的问题，丁香酚异构采用三苯基膦氯化钌为催化剂，工艺过程中无废水产生，异丁香酚乙酸酯采用臭氧氧化，避免了重金属氧化剂的使用，符合绿色发展趋势，该工艺具有绿色环保、高收率的优点。

为实现上述目的及其他相关目的，

本发明的第一方面，提供一种丁香酚经臭氧氧化合成香兰素的方法，包括如下步骤：

s1丁香酚的异构：将三苯基膦氯化钌作为催化剂加入丁香酚中异构反应，减压蒸馏收集异丁香酚；

s2异丁香酚的酯化：将酯化催化剂和醋酐加入异丁香酚中进行酯化反应，得到异丁香酚乙酸酯；

s3异丁香酚乙酸酯的氧化还原：将异丁香酚乙酸酯与溶剂混合后投入臭氧氧化塔，然后通臭氧进行氧化反应形成臭氧化物，臭氧化物在还原剂的作用下反应生成乙酰香兰素溶液；

s4乙酰香兰素的醇解：向乙酰香兰素溶液中加入碱性醇解催化剂，在回流下碱催化醇解得到香兰素，醇解结束后调节ph至6～7，减压蒸馏回收溶剂，将剩余油相进行洗涤，得到粗品香兰素；

s5精制香兰素：将粗品香兰素结晶，得到香兰素纯品。

香兰素工艺绿色环保反应条件温和、易控，反应转化率、选择性明显提高，工艺质量较为稳定。

丁香酚的异构采用三苯基膦氯化钌为催化剂，无需溶剂、无废水产生，催化剂可重复使用。工艺简单易控，污染少，产率高达99％，提纯效果好，易实现工业化生产。传统异构工艺使用氢氧化钾溶液，产生大量的碱性废水。采用羰基铁催化得到异丁香酚。但是生产过程会使用大量的酸碱，产生大量的废水，对环境会产生严重的污染。且羰基铁催化剂容易中毒，降低催化效果。

异丁香酚乙酸酯的氧化以臭氧为氧源，反应速率快、条件温和、反应选择性高。反应后处理十分简单，对环境无污染，符合当今绿色化学、清洁工艺的发展要求和趋势；而传统合成方法是由异丁香酚乙酸酯经高锰酸钾或重铬酸钾氧化而制得，相对收率较高，但会产生大量二氧化锰、铬等无机废物，对环境影响极大。

于本发明的一实施例中，包括如下步骤：

s1丁香酚的异构：将三苯基膦氯化钌和丁香酚按照质量比为(0.0001～0.05)：1混合后，在温度为0～150℃下进行异构反应3～8h，再进行减压蒸馏收集异丁香酚；

s2异丁香酚的酯化：将酯化催化剂、醋酐和异丁香酚按照摩尔比为(0.01～1)：(1～5)：1混合后，在温度为50～200℃中进行酯化反应，酯化反应过程中不断将反应体系生成的醋酸分馏出来直至反应完全，得到异丁香酚乙酸酯；

s3异丁香酚乙酸酯的氧化还原：将异丁香酚乙酸酯和溶剂按照质量比为1：(1～20)混合后通入臭氧氧化塔，在温度-30～100℃下氧化反应直至原料完全氧化成臭氧化物，臭氧化物和还原剂按照摩尔比为1：(0.1～10)混合后，在温度为-10～100℃下臭氧化物还原反应生成乙酰香兰素溶液；

s4乙酰香兰素的醇解：向乙酰香兰素溶液中加入碳酸钾，乙酰香兰素与碳酸钾的摩尔比为1：(0.01～2)，在回流下碱催化醇解得到香兰素，醇解结束后调节ph至6～7，减压蒸馏回收溶剂，油水分离，再将剩余油相依次经过饱和碳酸氢钠水溶液、纯化水洗涤至中性，在醇解过程中油相占溶液整体体积的20～80％，得到粗品香兰素；

s5精制香兰素：将粗品香兰素先进行精馏，然后以乙醇为溶剂进行动态结晶，离心分离、烘干后得到香兰素纯品。

于本发明的一实施例中，包括如下步骤：

s1丁香酚的异构：将三苯基膦氯化钌和丁香酚按照质量比为(0.002～0.05)：1混合后，在温度为20～140℃下进行异构反应3～8h，再进行减压蒸馏收集异丁香酚；

s2异丁香酚的酯化：将酯化催化剂、醋酐和异丁香酚按照摩尔比为(0.02～0.5)：(1～3)：1混合后，在温度为80～170℃中进行酯化反应，酯化反应过程中不断将反应体系生成的醋酸分馏出来直至反应完全，得到异丁香酚乙酸酯；

s3异丁香酚乙酸酯的氧化还原：将异丁香酚乙酸酯和溶剂按照质量比为1：(1～10)混合后通入臭氧氧化塔，在温度-20～70℃下氧化反应直至原料完全氧化成臭氧化物，臭氧化物和还原剂按照摩尔比为1：(0.3～3)混合后，在温度为0～80℃下臭氧化物还原反应生成乙酰香兰素溶液；

s4乙酰香兰素的醇解：向乙酰香兰素溶液中加入碳酸钾，乙酰香兰素与碳酸钾的摩尔比为1：(0.1～1.5)，在回流下碱催化醇解得到香兰素，醇解结束后调节ph至6～7，减压蒸馏回收溶剂，油水分离，再将剩余油相依次经过饱和碳酸氢钠水溶液、纯化水洗涤至中性，在醇解过程中油相占溶液整体体积的50～80％，得到粗品香兰素；

s5精制香兰素：将粗品香兰素先进行精馏，然后以乙醇为溶剂进行动态结晶，离心分离、烘干后得到香兰素纯品。

于本发明的一实施例中，包括如下步骤：

s1丁香酚的异构：将三苯基膦氯化钌和丁香酚按照质量比为(0.004～0.04)：1混合后，在温度为50～80℃下进行异构反应3～8h，再进行减压蒸馏收集异丁香酚；

s2异丁香酚的酯化：将酯化催化剂、醋酐和异丁香酚按照摩尔比为(0.05～0.2)：(1～2)：1混合后，在温度为100～150℃中进行酯化反应，酯化反应过程中不断将反应体系生成的醋酸分馏出来直至反应完全，得到异丁香酚乙酸酯；

s3异丁香酚乙酸酯的氧化还原：将异丁香酚乙酸酯和溶剂按照质量比为1：(2～6)混合后通入臭氧氧化塔，在温度-10～50℃下氧化反应直至原料完全氧化成臭氧化物，臭氧化物和还原剂按照摩尔比为1：(0.5～2)混合后，在温度为40～70℃下臭氧化物还原反应生成乙酰香兰素溶液；

s4乙酰香兰素的醇解：向乙酰香兰素溶液中加入碳酸钾，乙酰香兰素与碳酸钾的摩尔比为1：(0.5～1)，在回流下碱催化醇解得到香兰素，醇解结束后调节ph至6～7，减压蒸馏回收溶剂，油水分离，再将剩余油相依次经过饱和碳酸氢钠水溶液、纯化水洗涤至中性，在水解过程中油相占溶液整体体积的70～80％，得到粗品香兰素；

s5精制香兰素：将粗品香兰素先进行精馏，然后以乙醇为溶剂进行动态结晶，离心分离、烘干后得到香兰素纯品。

于本发明的一实施例中，所述酯化催化剂为无水碳酸钠、无水醋酸钠和/或无水碳酸钾中的至少一种，避免了有毒溶剂二氯甲烷及气味浓烈的三乙胺的使用。

于本发明的一实施例中，所述酯化催化剂为无水碳酸钠。异丁香酚和醋酐的酯化反应采用无水碳酸钠催化，无需溶剂；避免了有毒溶剂二氯甲烷及气味浓烈的三乙胺的使用。

于本发明的一实施例中，所述溶剂为乙醇、甲醇、乙酸苄酯、水和/或甲苯中的至少一种。乙酰香兰素在乙醇和碳酸钾的作用下进行醇解得到香兰素，醇解完成后蒸出的前馏循环使用。传统工艺是将乙酰香兰素在稀盐酸的作用下进行水解析出香兰素，水相再用液碱中和至中性进行处理，产量大量废水，对环境影响大。

于本发明的一实施例中，所述溶剂为乙醇水溶液。

于本发明的一实施例中，所述还原剂为锌粉和/或焦亚硫酸钠。

如上所述，本发明的一种丁香酚经臭氧氧化合成香兰素的方法，具有以下有益效果：

1、香兰素工艺绿色环保反应条件温和、易控，反应转化率、选择性明显提高，工艺质量较为稳定；

2、丁香酚的异构采用三苯基膦氯化钌为催化剂，无需溶剂、无废水产生，催化剂可重复使用。工艺简单易控，污染少，产率高达99％，提纯效果好，易实现工业化生产。传统异构工艺使用氢氧化钾溶液，产生大量的碱性废水。采用羰基铁催化得到异丁香酚。但是生产过程会使用大量的酸碱，产生大量的废水，对环境会产生严重的污染。且羰基铁催化剂容易中毒，降低催化效果；

3、异丁香酚和醋酐的酯化反应采用无水na2co3催化，无需溶剂；避免了有毒溶剂二氯甲烷及气味浓烈的三乙胺的使用；

4、异丁香酚乙酸酯的氧化以臭氧为氧源，反应速率快、条件温和、反应选择性高。反应后处理十分简单，对环境无污染，符合当今绿色化学、清洁工艺的发展要求和趋势；而传统合成方法是由异丁香酚乙酸酯经高锰酸钾或重铬酸钾氧化而制得，相对收率较高，但会产生大量二氧化锰、铬等无机废物，对环境影响极大；

5、乙酰香兰素在乙醇和碳酸钾的作用下进行醇解得到香兰素，醇解完成后蒸出的前馏循环使用。传统工艺是将乙酰香兰素在稀盐酸的作用下进行水解析出香兰素，水相再用液碱中和至中性进行处理，产量大量废水，对环境影响大。

附图说明

图1为实施例1中的工艺流程图；

图2为实施例2中的工艺流程图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

实施例1

丁香酚经臭氧氧化合成香兰素的方法，包括如下步骤：

1、异构反应：

丁香酚500g与催化剂三苯基膦氯化钌4.0g加入反应釜内混合均匀，加热到50～60℃之间保持温度反应4h，直至丁香酚含量低于1％。然后直接进行减压蒸馏，得到含量98.5％的异丁香酚495g，质量收率99％。

向上述例中剩余釜内的催化剂和部分有机物中，投加500g丁香酚和1g新催化剂，仍然加热到50～60℃之间保持温度反应4～5h。待到丁香酚含量低于1％，直接进行减压蒸馏，得到含量98.4％的异丁香酚496g，质量收率99％。

2、酯化反应：

在1000ml带有温度计、回流冷凝管的三口烧瓶中加入10g无水碳酸钠和390g醋酐，搅拌升温；待体系温度上升至100℃时开始滴加异丁香酚400g；滴毕继续升温至120℃；此时反应瓶内出现回流，常压蒸馏将反应产生的醋酸不断蒸出，使反应温度维持在130～150℃之间继续反应3h。反应结束后，加入250g水猝灭反应并对酯化产物进行洗涤。冷却后得到含量98.5％白色晶体异丁香酚乙酸酯500g，质量收率99％。

3、臭氧氧化：

将异丁香酚乙酸酯120g溶于300g40％乙醇水溶液中。向1000ml夹套反应瓶中投入该溶液，调节气流量，通入o3气体进行臭氧化反应，控制反应温度-20～0℃之间。臭氧氧化时间1～2h，取样检测直至氧化完全。

在装有搅拌器、温度计、回流和滴加装置的烧瓶中加入20％焦亚硫酸钠溶液100g，然后滴加臭氧化物进行反应。滴加完毕，水浴冷却控制反应温度在60～70℃之间。

4、醇解反应：

向上述臭氧化物的还原分解体系中加入40g无水碳酸钾，开启搅拌，升温至85℃回流反应4h左右即可反应完全。然后加入稀硫酸调节ph值呈弱酸性后，常压蒸馏出乙醇和乙酸乙酯，釜内剩余物料油水分相。油相主要成分即为香兰素，分出油相，用30g*2次水洗。最后将该香兰素投入酒精水溶液中进行重结晶，得到含量>99％的成品香兰素73g。

取200g乙酸乙酯—乙醇混合溶液，其中乙酸乙酯含量30％，乙醇含量70％，向其中加入32g固体氢氧化钠和15g水，升温至50℃反应4h，反应完全。过滤固体为水合醋酸钠及少量未反应氢氧化钠共37g，剩余滤液为乙醇，含量99％，重量198g。该回收乙醇返回醇解步骤，反应效果很好。

实施例2

丁香酚经臭氧氧化合成香兰素的方法，包括如下步骤：

1、异构反应：

丁香酚500g与催化剂三苯基膦氯化钌3.0g加入反应釜内混合均匀，加热到60～80℃之间保持温度反应4h，直至丁香酚含量低于1％。然后直接进行减压蒸馏，得到含量98.5％的异丁香酚495g，质量收率99％。

向上述例中剩余釜内的催化剂和部分有机物中，投加500g丁香酚和2g新催化剂，仍然加热到60～80℃之间保持温度反应5.0h。待到丁香酚含量低于1％，直接进行减压蒸馏，得到含量98.6％的异丁香酚495g，质量收率99％。

2、酯化反应：

在1000ml带有温度计、回流冷凝管的三口烧瓶中加入20g无水醋酸钠和360g醋酐，搅拌升温；待体系温度上升至100℃时开始滴加异丁香酚400g；滴毕继续升温至120℃；此时反应瓶内出现回流，常压蒸馏将反应产生的醋酸不断蒸出，使反应温度维持在130～150℃之间继续反应3h。反应结束后，加入250g水猝灭反应并对酯化产物进行洗涤。冷却后得到含量98.9％白色晶体异丁香酚乙酸酯490g，质量收率98％。

3、臭氧氧化：

将异丁香酚乙酸酯120g溶于300g水-乙醇溶液中，水和乙醇的体积比为1:1。向1000ml夹套反应瓶中投入该溶液，调节气流量，通入o3气体进行臭氧化反应，控制反应温度50～70℃之间。臭氧氧化时间1～2h，取样检测直至氧化完全。

在装有搅拌器、温度计、回流和滴加装置的烧瓶中加入锌粉40g，然后滴加臭氧化物进行反应。滴加完毕，水浴冷却控制反应温度在40～60℃之间。

4、醇解反应：

向上述臭氧化物的还原分解体系中加入40g无水碳酸钾，开启搅拌，升温至90℃回流反应4h左右即可反应完全。然后稀硫酸调节ph值呈弱酸性后，常压蒸馏出乙醇和乙酸乙酯，釜内剩余物料油水分相。油相主要成分即为香兰素，分出油相，用30g*2次水洗。分出下层有机相，该有机相进行快馏，得到含量>95％的香兰素粗品75.0g。最后将该香兰素投入酒精水溶液中进行重结晶，得到含量>99％的成品香兰素71g。

实施例3

丁香酚经臭氧氧化合成香兰素的方法，包括如下步骤：

1、异构反应：

丁香酚500g与催化剂三苯基膦氯化钌0.1g加入反应釜内混合均匀，加热到120～150℃之间保持温度反应6h，直至丁香酚含量低于1％。然后直接进行减压蒸馏，得到含量98.8％的异丁香酚491g，质量收率98％。

向上述例中剩余釜内的催化剂和部分有机物中，投加500g丁香酚和0.03g新催化剂，仍然加热到120～150℃之间保持温度反应4～5h。待到丁香酚含量低于1％，直接进行减压蒸馏，得到含量98.4％的异丁香酚495g，质量收率99％。

2、酯化反应：

在1000ml带有温度计、回流冷凝管的三口烧瓶中加入25g无水碳酸钠和400g醋酐，搅拌升温；待体系温度上升至120℃时开始滴加异丁香酚400g；滴毕反应瓶内出现回流，常压蒸馏将反应产生的醋酸不断蒸出，使反应温度维持在150～180℃之间继续反应2h。反应结束后，加入250g水猝灭反应并对酯化产物进行洗涤。冷却后得到含量98.9％白色晶体异丁香酚乙酸酯485g，质量收率98％。

3、臭氧氧化：

将异丁香酚乙酸酯120g溶于400g40％乙醇水溶液中。向1000ml夹套反应瓶中投入该溶液，调节气流量，通入o3气体进行臭氧化反应，控制反应温度0～10℃之间。臭氧氧化时间1～2h，取样检测直至氧化完全。

在装有搅拌器、温度计、回流和滴加装置的烧瓶中加20％焦亚硫酸钠溶液200g，然后滴加臭氧化物进行反应。滴加完毕，水浴冷却控制反应温度在50～70℃之间。

4、醇解反应：

向上述臭氧化物的还原分解体系中加入40g无水醋酸钠，开启搅拌，升温至85℃回流反应4h左右即可反应完全。然后加入稀氢氧化钠调节ph值呈弱酸性后，常压蒸馏出乙醇和乙酸乙酯，釜内剩余物料油水分相。油相主要成分即为香兰素，分出油相，用30g*2次水洗。分出下层有机相，该有机相进行快馏，得到含量>95％的香兰素粗品75.9g。最后将该香兰素投入酒精水溶液中进行重结晶，得到含量>99％的成品香兰素72g。

综上所述，本发明中丁香酚异构采用三苯基膦氯化钌为催化剂，工艺过程中无废水产生，异丁香酚乙酸酯采用臭氧氧化，避免了重金属氧化剂的使用，符合绿色发展趋势，该工艺具有绿色环保、高收率的优点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。