香蘭素的合成工藝設(shè)計(jì)

1、題 目系（院）專 業(yè)班 級(jí)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師職 稱®百分卻皂有機(jī)合成課程設(shè)計(jì)香蘭素的合成工藝化學(xué)與化工系應(yīng)用化學(xué)11應(yīng)化本21114100327張圣燕講師2013年12月20日香蘭素的合成工藝設(shè)計(jì)1產(chǎn)品簡介1.1 中英文名稱，化學(xué)式，結(jié)構(gòu)式中文名稱：香蘭素別名：香莢蘭醛；香莢蘭素；香蘭醛化學(xué)名稱：3-甲氧基-4-羥基苯甲醛英文名稱：Vanillin分子式：C8H8。3結(jié)構(gòu)式：OCH31.2 物化性質(zhì)白色至微黃色鱗片狀結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，存在有不同熔點(diǎn)的四種結(jié)晶變型。呈甜克力香氣及強(qiáng)烈的香蘭素所獨(dú)有的芳香氣，香氣比香蘭素強(qiáng)3-4倍。沸點(diǎn)285 C ,點(diǎn)76.5 C。微溶于水，溶于乙醇

2、、乙醴、甘油、丙二醇、氯仿和堿溶液?；旧蠠o 毒害，但其蒸氣對(duì)皮膚及粘膜有局部刺激作用1.3 用途香蘭素是重要的食用香料之一，是食用調(diào)香劑，具有香莢蘭豆香氣及濃郁的奶 香，是食品添加劑行業(yè)中不可缺少的重要原料，廣泛運(yùn)用在各種需要增加奶香氣息 的調(diào)香食品中，如蛋糕、冷飲、巧克力、糖果、餅干、方便面、面包以及煙草、調(diào) 香酒類、牙膏、肥皂、香水、化妝品、冰淇淋、飲料以及日用化妝品中起增香和定 香作用。香蘭素在國外的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，大量用于生產(chǎn)醫(yī)藥中間體，也用于植物生長促 進(jìn)劑、殺菌劑、潤滑油消泡劑、電鍍光亮劑、印制線路板生產(chǎn)導(dǎo)電劑等。國內(nèi)香蘭 素主要用于食品添加劑，近幾年在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓寬，已成

3、為香蘭素應(yīng)用最有潛力的領(lǐng)域。香蘭素在國外的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，大量用于生產(chǎn)醫(yī)藥中間體，也用于植物生長促 進(jìn)劑、殺菌劑、潤滑油消泡劑、電鍍光亮劑、印制線路板生產(chǎn)導(dǎo)電劑等。國內(nèi)香蘭 素主要用于食品添加劑，近幾年在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓寬，已成為香蘭素應(yīng)用最 有潛力的領(lǐng)域。目前國內(nèi)香蘭素消費(fèi)：食品工業(yè)占55%,醫(yī)藥中間體占30%,飼料調(diào)味劑占10%,化妝品等占5%。1.4 前景分析國內(nèi)外行業(yè)現(xiàn)狀 中國是世界香蘭素出口大國，2002年國內(nèi)需求量2350噸，占 產(chǎn)量的30%,其余70%用于出口。而1988年僅出口 273噸，1993年為1700噸，2002 年為4653噸。19932002年，中國香蘭素出口量年

4、均增長率為 12%。中國香蘭素 在北美、歐洲、東南亞等地市場享有良好信譽(yù)。2合成方法2.1 第一種合成方法愈創(chuàng)木酚法(1)合成基本原理愈創(chuàng)木酚在堿性條件下和乙醛縮合成 3-甲氧基-4-羥基苯乙醇酸，3-甲氧基-4- 羥基苯乙醇酸在堿性條件下被氧化成3-甲氧基-4-羥基苯乙酮酸(香草扁桃酸)，然后 在堿性條件下脫竣生成香蘭素。其反應(yīng)方程式如下：(2)合成所需要的原料愈創(chuàng)木酚、乙醛酸(3)生產(chǎn)工藝在堿性條件下，把愈創(chuàng)木酚和乙醛酸在60 C下反應(yīng)24 h,得到3-甲氧基-4-羥基 苯乙醇酸，然后在EDTA銅配合物的催化下，通入氧氣氧化，最后在甲苯溶液中用 硫酸酸化脫竣得到香蘭素。反應(yīng)最佳條件：n(愈

5、創(chuàng)木酚):n(乙醛酸):n(氫氧化鈉)=1:1:2,采用半間歇加料方 式，半量的堿溶液和乙醛酸一起滴加，攪拌速度為 2000 r/min,反應(yīng)溫度為95 C, 空氣流速為1 mL/s,氫氧化鈉和3-甲氧基-4-羥基苯乙酸醇的物質(zhì)的量之比為 0.5:1。 (4)工藝流程圖愈創(chuàng)木一會(huì)”,L-八，乙醛酸60、3甲"_ED懶隹化3甲餐箜：氫氧化鈉反應(yīng)4h基苯乙醇包 氧氣氧化 基苯乙酮酸甲苯溶液中香蘭素 硫酸脫竣| 一八(5)產(chǎn)品表征紫外吸收分光光度法標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備：準(zhǔn)確稱取藥用參比標(biāo)準(zhǔn)香蘭素約 100mg,放入一 250ml容量 瓶中，用甲醇定容，混合。取該溶液 2.0ml,放入一 100m

6、l容量瓶中，用甲醇定容后 混勻。試樣液的制備：準(zhǔn)確稱取試樣約 100mg,制備方法與上述標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備相同。操作：取上述各溶液分別放入一 1cm石英池中，在最大吸U波長約308nm處測(cè)定吸 光度。按下式計(jì)算試樣中香蘭素(C8H8O3)的含量(X)(mg):X=12.5c(Au/As)式中c標(biāo)準(zhǔn)溶液中香蘭素的濃度，pg/mJAu 試樣液的吸光度；As標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度Ia I Hjn圖2香蘭素紫外吸收光譜圖結(jié)果分析：在200300 nm波長范圍內(nèi)對(duì)香蘭素進(jìn)行紫外光譜掃描。依據(jù)Woodward-Fieser規(guī)則計(jì)算如下：同環(huán)共腕雙烯基本值 253一個(gè)環(huán)外雙鍵 5一個(gè)助色基團(tuán) 6一個(gè)羥基 35計(jì)算值

7、299實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值304(6)產(chǎn)率計(jì)算，成本核算產(chǎn)率：刀吞蘭素的質(zhì)量/愈創(chuàng)木酚的質(zhì)量M00%=34.08%愈創(chuàng)木酚價(jià)格是5.00元/20 mg。總計(jì)：130.00 元/kg2.2 第二種合成方法一一對(duì)羥基苯甲醛法(1)合成基本原理對(duì)羥基苯甲醛澳化生成3-澳4-羥基苯甲醛，然后再醇鈉的催化下與甲醇反應(yīng)生成香蘭素。其反應(yīng)方程式如下：CHOOHBr2DMFNaOCH3CH3OHBrCHOOCH3OHOHCHO(2)合成所需要的原料對(duì)羥基苯甲醛(3)生產(chǎn)工藝90 mL溶劑，溶解后在250 mL燒瓶中加入16 g (0.131 mol)對(duì)羥基苯甲醛和滴人6.8 mL (0.131 mol)液澳，加熱至40

8、45 C反應(yīng)6 h。減壓抽溶劑，殘留物加水煮沸，趁熱過濾，濾液冷卻結(jié)晶、過濾、烘干得白色結(jié)晶3-澳-4-羥基苯甲醛。在 250 mL 燒瓶中加入 12g (0.0597mo1)上述產(chǎn)品、45 mL (0.230mo1) 28.24%的甲醇鈉溶液、35 mLDMF及0.2 g CuCl ,在115 C下反應(yīng)1.5 h。然后抽溶劑，殘留物用18%鹽酸酸化至Ph=45,再用熱苯萃取3次，分去水層，苯層減壓蒸儲(chǔ)去苯, 得咖啡色液體。將其溶于熱稀酒精溶液，冷卻析出結(jié)晶，過濾、干燥得產(chǎn)品香蘭素。(4)工藝流程圖16g對(duì)羥基苯甲醛90mL溶劑殘留物 加水煮沸 趁熱過濾冷卻結(jié)晶過濾、烘干濾液白色結(jié)晶3謨-4-

9、基-苯甲醛12g3漠-4-羥基-苯甲醛45mL28.2%甲醇鈉溶液35mLDML0.2gCuCl115 c反應(yīng)1.5h溶解廠加熱4045c l/彳1減壓抽濾18%鹽酸酸化至Ph=45熱苯萃取3次 A分去水層苯層減壓蒸偏去苯咖啡色液體熱稀酒精溶液 冷卻 溶解(6)產(chǎn)品表征氣相色譜分析法白色結(jié)晶過濾干燥香蘭素標(biāo)樣譜圖試樣譜圖反應(yīng)6hIOOOG0O992香絲*的標(biāo)準(zhǔn)曲域臼國 2 Calibration eun'e« of Vanillin52.3 2 2 5 寸113 2 97.工蟲9,丸.00仙.00加.005.5.工工工3 TJ 4 42.2.表】加標(biāo)回收率買騎轉(zhuǎn)果Tubkl

10、'Rmt ic«i 山 of IWO'cry編號(hào)樣品含量=1加標(biāo)量 1捌得值-L回收率平均回收率現(xiàn)RSD(uF呻 Rmg 菖%結(jié)果分析：在中等極性柱中可獲得良好分離，香蘭素在 1.00400.00濃度范圍內(nèi)具 有良好的線性，標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)為0.9995,檢測(cè)限位0.003mg/g。(7)產(chǎn)率計(jì)算，成本核算產(chǎn)率：刀=香蘭素的質(zhì)量/16g X 100% =36.42%對(duì)羥基苯甲酸25元/kg總計(jì)：108元/kg2.3 第三種合成方法一一木質(zhì)素法(1)合成基本原理以木材的木質(zhì)素為原料，在加熱和堿性的條件下，通入空氣氧化，然后經(jīng)過萃取、酸化的過程，得到香蘭素。其化學(xué)反應(yīng)方程

11、式如下：OHCCH2CHSO3HCH9H)CH 2cH20HchoOCR0CH30CH3OHOHOH(2)合成所需要的原料木片、木屑等木頭(3)生產(chǎn)工藝將木材碎片用220 c的水蒸氣處理2 min,再用100 C的水洗2次，過濾。固體 不溶物用pH=13的氫氧化鈉溶液處理30 min,過濾。濾液用pH=2的硫酸在80 C處 理10 min,過濾得到酸不溶性的木質(zhì)素。將10 g木質(zhì)素和100 mL氫氧化鈉溶液加 入500 mL高壓釜中，加入一定量的氧化銅，通入氧氣，保持壓力為1.4 MPa,攪拌速度為200 r/min,加熱到170 C,保溫反應(yīng)3 min,反應(yīng)結(jié)束后，過濾出去氧化銅， 母液酸化

12、得到香蘭素。反應(yīng)最佳條件：木質(zhì)素10 g,氫氧化鈉14 g,氧氣7.5 g,硫酸銅7.5 g,氯化鐵 0.5 g,反應(yīng)時(shí)間10 min。(4)工藝流程圖去去子屆山 220c水蒸氣 100c水洗過濾人丁、一木材碎片 > a A 固體物 處理2min2次 Ph=l3氫氧化鈉溶液過濾 I1 Ph=2勺硫酸溶液： 濾液 .10亦質(zhì)素100mL氧化的容液加入500mL加入氧化銅處理30minI I 80c 處理 10min氧氣高壓釜維持壓力1.4MPa勻速攪拌：）速度為200r/min力蹴至M70c保溫反應(yīng)30min酸化香蘭素（5）產(chǎn)品表征高效液相測(cè)定對(duì)照品溶液 精確稱取香蘭素標(biāo)準(zhǔn)品25 mg,用

13、乙月青溶解并定容于25 mL容量瓶中，得到110 g /L的混合標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液,4 e冰箱保存。精確量取1 mL儲(chǔ)備液至10 mL容量瓶中，用乙月青定容，得到香蘭素質(zhì)量濃度均為100 mg /L的混合工作溶液。11212樣品溶液 精密稱取自制香蘭素粗產(chǎn)品適量，用乙月青溶解并定容，用 0145 L微孔濾膜過濾后，取10 LL進(jìn)樣。24液相色語條件色譜柱：Venusil®XBPC18 (L) ，5um 150A4 6M50mm;流動(dòng)相:A (OR2moM_的磷酸二氫狎緡液，碳酸調(diào)節(jié)PHE.口): B年輸=90: 10；流 速：1 OmUmin;進(jìn)樣里：20pL;遁 長：276nrm 柱溫：

14、30*Co3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果3線性關(guān)系和檢出限里取一定里香蘭素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，分別用水稀釋至1河mJ 5時(shí)mJ 10叫用1_、現(xiàn)加用5口的加1_,按照？.瑞則條件 依次進(jìn)樣，以濃度為橫坐標(biāo)，眶面租為縱坐標(biāo)，掇臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，結(jié)果見表1：表1香蘭素標(biāo)淮曲線和檢出眼標(biāo)準(zhǔn)曲痛方程相關(guān)系數(shù)檢出限(S/hJ>3)YxM443X+36,9070.99981pg/g香蘭素譜圖結(jié)果分析：如圖所示，在23nm有吸收，表明試樣中含有香蘭素。(7)產(chǎn)率計(jì)算，成本核算產(chǎn)率”=香蘭素的質(zhì)量/10gX 100% =6.75%木頭碎渣0.3元/kg;氧化銅68元/kg總計(jì)：76.43元/kg3合成方法評(píng)價(jià)3.1合成工藝路線成

15、功率評(píng)價(jià)第一種：愈創(chuàng)木酚法。合成路線方式：直線型。路線長度：較后兩種簡略。直 接利用草酸電解液與愈創(chuàng)木酚反應(yīng)合成 MHPA ,進(jìn)一步電解氧化合成香蘭素，是一 種新的乙醛酸法。利用有機(jī)電化學(xué)合成中的陽極氧化法，單步收率可達(dá) 90%以上。 該法具有裝置簡單、操作平穩(wěn)；反應(yīng)選擇性好、產(chǎn)物純度高。第二種：對(duì)羥基苯甲酸法。合成路線方式：直線型。路線長度：相對(duì)較復(fù)雜。該方法具有條件溫和、工藝簡單、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的發(fā)展前景產(chǎn)率高達(dá)90% 道如采用新型高效的堿式硫酸銅-D MF催化體系，使其甲氧基化，轉(zhuǎn)化率達(dá)96.7% 。對(duì)羥基苯甲醛通過苯酚的 Ke ime r - Ti e反應(yīng)或?qū)追拥难趸磻?yīng)制取

16、。 該法具有反應(yīng)條件溫和、工藝簡單、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。第三種：木質(zhì)素法。合成路線方式：直線型。路線長度：較前兩種過程復(fù)雜。此法香蘭素產(chǎn)率為10%-15%,世界各國以該法生產(chǎn)香蘭素占半數(shù)以上，廣州造紙廠 采用此法。但該法酸、堿的耗量大，工藝較長，有關(guān)該法研究報(bào)道很多，但生產(chǎn)廠 家還不多。3.2合成工藝路線經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)第一種：該法無需外加氧化劑和催化劑，可節(jié)省原料。第二種：對(duì)羥基苯甲酸價(jià)格昂貴，原料成本過高。第三種：木質(zhì)素來源廣泛，紙漿廢液中也含有大量的木質(zhì)素，可以作為廉價(jià)的 生產(chǎn)原料。我國蘊(yùn)藏豐富的林產(chǎn)資源，若能充分利用林產(chǎn)化工廢料以較大規(guī)模生產(chǎn) 香蘭素，定能獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。由于木質(zhì)素來源廣泛，處理含木質(zhì)素的廢液有 利可圖，所以國外學(xué)者對(duì)此深人研究，取得一定進(jìn)展。3.3合成工藝路線環(huán)保性評(píng)價(jià)第一種：直接利用草酸電解液與愈創(chuàng)木酚反應(yīng)合成MHPA,進(jìn)一步電解氧化合成香蘭素，減少廢物污染等優(yōu)點(diǎn)。第二種：若能解決好澳的回收問題，減少環(huán)境污染，該法具有一定發(fā)展前景。第三種：處理含有木質(zhì)素