杜 宇,周 敏,劉恭欣
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)
·開發(fā)與研究·
3-羥基 -2-丁酮合成 2,3,5,6-四甲基吡嗪的研究
杜 宇,周 敏,劉恭欣
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)
對(duì)利用3-羥基-2-丁酮合成2,3,5,6-四甲基吡嗪的過(guò)程進(jìn)行了研究,考察了不同反應(yīng)溫度、時(shí)間、真空度、3-羥基-2-丁酮與銨鹽物質(zhì)的量比和pH值的影響規(guī)律。結(jié)果表明:3-羥基-2-丁酮、乙酸銨物質(zhì)的量比在1∶1.4,pH值為6,反應(yīng)初期溫度40℃,反應(yīng)時(shí)間1h,后期溫度90℃,真空度(絕對(duì)壓力)3000Pa,反應(yīng)時(shí)間控制在2h時(shí),2,3,5,6-四甲基吡嗪總收率可達(dá)到87.5%以上。
3-羥基-2-丁酮 ;乙酸銨 ;2,3,5,6-四甲基吡嗪
Abstract:Research of synthesis of 2,3,5,6-tetramethylpyrazine by 3-h(huán)ydroxy-2-butanone are investigated.Effects on 3-h(huán)ydroxy -2- butanone,ammonium acetate molar ratio,reactive temperature,reactive pressure,reactive time,pH value,vacuum degree are studied.It is manifested that 3- hydroxy -2- butanone,ammonium acetate molar ratio should be controlled at the Level of 1∶1.4,pH value is 6,the initial reaction temperature should be controlled at 40℃,reaction time is about 1h,the upper reaction temperature should be controlled at 90℃,vacuum degree is at 3000Pa(absolute pressure),reaction time is about 2h,the total yields of 2,3,5,6- tetramethylpyrazine can achieve over than 87.5%.
Key words:3-h(huán)ydroxy-2-butanone;ammonium acetate;2,3,5,6-tetramethylpyrazine
2,3,5,6-四甲基吡嗪是重要的中間體化合物,廣泛應(yīng)用于香料、食品添加劑、光敏劑、醫(yī)藥和農(nóng)藥的合成,主要用以配制肉類和可可、花生、堅(jiān)果、咖啡、巧克力等型香精,也用作調(diào)味劑、酒精飲料的甜味增強(qiáng)劑、卷煙的矯味劑和增補(bǔ)劑等,2,3,5,6-四甲基吡嗪在醫(yī)學(xué)上被稱為川芎嗪,具有擴(kuò)張血管、輕度降壓、抑制血小板黏附聚集和血栓形成、抑制平滑肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞增生等較為良好的藥理作用[1],目前已引起國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注,中國(guó)的一些高檔白酒正因?yàn)楹?,3,5,6-四甲基吡嗪等被賦予一定的保健功能[2]。
吡嗪化合物最初源于美拉德反應(yīng),Amrani-Hemaimi提出吡嗪形成機(jī)理,認(rèn)為吡嗪化合物是由α-氨基酮縮合而成[3]。1995年Shu and Lawrence提出3-羥基-2-丁酮和硫化銨反應(yīng)機(jī)理[4],如圖1所示。
圖1 2,3,5,6-四甲基吡嗪反應(yīng)機(jī)理設(shè)想
目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)化的2,3,5,6-四甲基吡嗪合成方法主要有兩類,一類是生物合成法,主要以葡萄糖為原料,經(jīng)由微生物發(fā)酵制得的天然產(chǎn)品;一類為化學(xué)合成法,大多以2,3-丁二酮,2,3-丁二胺或者丁酮與亞硝酸乙酯為原料合成。生物合成法缺點(diǎn)在于收率低,生產(chǎn)工藝復(fù)雜,而化學(xué)合成法缺陷在于原料價(jià)格昂貴,最終導(dǎo)致產(chǎn)品2,3,5,6-四甲基吡嗪價(jià)格居高不下,限制了2,3,5,6-四甲基吡嗪應(yīng)用的拓寬。本文研究了利用價(jià)格相對(duì)低廉的3-羥基-2-丁酮、乙酸銨合成2,3,5,6-四甲基吡嗪的反應(yīng)條件和收率。
1.1 主要試劑
3-羥基-2-丁酮,含量≥99%,河南省濮陽(yáng)市華龍香料有限公司;乙酸銨,分析純,洛陽(yáng)試劑廠;硫化銨,分析純,洛陽(yáng)試劑廠;鹽酸,分析純,洛陽(yáng)試劑廠;乙醇,分析純,洛陽(yáng)試劑廠;碳酸銨,分析純,洛陽(yáng)試劑廠。
1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器
反應(yīng)升華提純裝置,自主設(shè)計(jì),濮陽(yáng)市龍興化工有限公司制造;85-2B數(shù)顯恒溫磁力攪拌器,蘇州維爾實(shí)驗(yàn)用品有限公司;調(diào)溫電熱器,通州市中通電熱器廠;氣相色譜儀,型號(hào)G153ON,美國(guó)安捷倫科技有限公司;真空泵,型號(hào)ZXZ-0.5型旋片真空泵,浙江黃巖天龍真空泵廠。
1.3 實(shí)驗(yàn)
反應(yīng)物的加成、重排、縮合、脫氫均在反應(yīng)升華提純裝置中進(jìn)行,加熱設(shè)備為85-2B數(shù)顯恒溫磁力攪拌器,調(diào)溫電熱器。
1.3.1 考察銨鹽影響實(shí)驗(yàn)
用天平稱取10g 3-羥基-2-丁酮,17.5g乙酸銨溶入200mL水中置于1000mL圓底燒瓶中利用85-2B數(shù)顯恒溫磁力攪拌器加熱,分別控制溫度在20、40、51℃停留0.5h,并利用氣相色譜儀分別測(cè)定反應(yīng)液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量,具體檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及方法參照中華人民共和國(guó)輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2748-2005。
用天平分別稱取10g3-羥基-2-丁酮,7.73g硫化銨,10g 3-羥基 -2-丁酮,10.9g碳酸銨,依做上述同樣的實(shí)驗(yàn),分析反應(yīng)液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量。
1.3.2 考察溫度影響實(shí)驗(yàn)
用天平稱取10g 3-羥基-2-丁酮、17.5g乙酸銨溶入200mL水中置于1000mL圓底燒瓶中,利用85-2B數(shù)顯恒溫磁力攪拌器加熱,分別控制溫度在 20、40、60、74.5、90℃停留 0.5h,并利用氣相色譜儀分別測(cè)定反應(yīng)液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量。
1.3.3 考察時(shí)間影響實(shí)驗(yàn)
用天平稱取10g 3-羥基-2-丁酮、17.5g乙酸銨溶入200mL水中置于1000mL圓底燒瓶中,利用85-2B數(shù)顯恒溫磁力攪拌器加熱,分別控制溫度在20、40、51℃,停留1、2、3、4h,并利用氣相色譜儀分別測(cè)定反應(yīng)液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量。
1.3.4 考察pH值影響實(shí)驗(yàn)
用天平稱取10g 3-羥基-2-丁酮、17.5g乙酸銨溶入200mL水中置于1000mL圓底燒瓶中,利用85-2B數(shù)顯恒溫磁力攪拌器加熱,使用鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)系統(tǒng) pH 值為3、4、5、6,控制溫度在20、40、51℃處各停留0.5h,測(cè)定反應(yīng)液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量。
1.3.5 考察物質(zhì)的量比影響實(shí)驗(yàn)
用天平稱取10g 3-羥基-2-丁酮、17.5g乙酸銨溶入200mL水中置于1000mL圓底燒瓶中,利用85-2B數(shù)顯恒溫磁力攪拌器加熱,控制溫度在20、40、51℃處各停留 0.5h,測(cè)定反應(yīng)液中 2,3,5,6-四甲基吡嗪含量。
用天平分別稱取10g3-羥基-2-丁酮,21.9g乙酸銨;10g 3-羥基-2-丁酮,26.25g乙酸銨;10g 3-羥基-2-丁酮,35g乙酸銨,依上例做同樣的實(shí)驗(yàn),測(cè)定反應(yīng)液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量。
1.3.6 考察真空度影響實(shí)驗(yàn)
用天平稱取10g 3-羥基-2-丁酮,17.5g乙酸銨溶入200mL水中置于1000mL圓底燒瓶中利用85-2B數(shù)顯恒溫磁力攪拌器加熱,溫度控制在90℃左右,真空度分別控制在 1、10、25、50kPa(絕對(duì)壓力)下,測(cè)定升華的2,3,5,6-四甲基吡嗪質(zhì)量。
為方便數(shù)據(jù)的比較,反應(yīng)液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量統(tǒng)一轉(zhuǎn)變?yōu)槊靠?-羥基-2-丁酮含多少毫克2,3,5,6-四甲基吡嗪。
2.1 不同銨鹽的影響
表1用不同銨鹽反應(yīng)所得的2,3,5,6-四甲基吡嗪含量
由表1可以看出,乙酸銨與3-羥基-2-丁酮的反應(yīng)效果最好。硫化銨與3-羥基-2-丁酮的反應(yīng),副反應(yīng)較乙酸銨與3-羥基-2-丁酮反應(yīng)系統(tǒng)多,因?yàn)椴粌H有唑和唑啉類化合物,而且有噻唑和噻唑啉類化合物生成。
2.2 反應(yīng)溫度的影響
表2反應(yīng)溫度對(duì)母液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量的影響
由表2可以看出隨著溫度的升高,2,3,5,6-四甲基吡嗪含量也逐步增大,溫度越高越利于2,3,5,6-四甲基吡嗪的合成。
2.3 反應(yīng)時(shí)間的影響
表3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)母液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量的影響
由表3可以看出,在20、40、51℃三個(gè)溫度下,2,3,5,6-四甲基吡嗪含量都隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,但反應(yīng)時(shí)間若太長(zhǎng),對(duì)于工業(yè)化沒(méi)有意義。
2.4 pH值的影響
表4 pH值對(duì)母液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量的影響
由表4可以看出,隨pH值升高,反應(yīng)液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量逐步升高,但在pH值達(dá)到6以后,增長(zhǎng)緩慢。這可能是pH值對(duì)Amadori重排過(guò)程有影響。
2.5 物質(zhì)的量比的影響
表5 物質(zhì)的量比對(duì)母液中2,3,5,6-四甲基吡嗪含量的影響
由表5可看出,3-羥基-2-丁酮與乙酸銨物質(zhì)的量比越高,2,3,5,6-四甲基吡嗪含量越高,但隨著物質(zhì)的量比的提高,當(dāng)物質(zhì)的量比達(dá)到1∶1.5以后2,3,5,6-四甲基吡嗪含量增長(zhǎng)不顯著。原因可能在于在3-羥基-2-丁酮生成2,3,5,6-四甲基吡嗪的過(guò)程中,過(guò)渡產(chǎn)物希夫堿(3-羥基-2-丁酮與氨加成脫水后產(chǎn)物)與原料3-羥基-2-丁酮可能生成唑或唑啉類化合物,隨著3-羥基-2-丁酮與乙酸銨物質(zhì)的量比的增大,系統(tǒng)中過(guò)量氨的存在保證了原料3-羥基-2-丁酮盡可能的轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物,自然抑制了副反應(yīng)的發(fā)生;而隨著3-羥基-2-丁酮與乙酸銨物質(zhì)的量比進(jìn)一步增大,氨的影響逐步減小,2,3,5,6-四甲基吡嗪含量變化就不顯著。
2.6 真空度的影響
表6 真空度對(duì)升華2,3,5,6-四甲基吡嗪量的影響
由表6可看出,真空度越大越利于2,3,5,6-四甲基吡嗪升華,由于反應(yīng)是可逆反應(yīng),如果能夠連續(xù)的從反應(yīng)系統(tǒng)中移取反應(yīng)產(chǎn)物2,3,5,6-四甲基吡嗪,則可以促進(jìn)反應(yīng)向正反應(yīng)方向發(fā)展,這不僅能夠降低成本,而且對(duì)于連續(xù)化生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。
在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,我們又做了正交試驗(yàn),系統(tǒng)地考察了利用3-羥基-2-丁酮合成2,3,5,6-四甲基吡嗪的工藝條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:3-羥基-2-丁酮、乙酸銨物質(zhì)的量比在1∶1.4,pH值控制在6,反應(yīng)初期溫度控制在40℃,反應(yīng)時(shí)間1h,后期反應(yīng)溫度在90℃,真空度(絕對(duì)壓力)控制在3kPa,反應(yīng)時(shí)間2h,2,3,
表7 合成四甲基吡嗪正交試驗(yàn)結(jié)果
5,6-四甲基吡嗪總收率達(dá)到87.5%以上,具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
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Study on Synthesis of 2,3,5,6- tetramethylpyrazine with 3-h(huán)ydroxy-2-butanone
DU Yu,ZHOU Min,LIU Gong-xin
(School of Chemical Engineering,China University of Minging& Techndogy,Xuzhou 221008,China)
TQ25
A
1003-3467(2011)03-0035-04
2010-11-21
杜 宇(1974-),男,工程師,碩士在讀,從事精細(xì)化工、煤化工開發(fā)研究工作,電話:15333936590。