香兰素的合成工艺设计.doc

有机合成课程设计

有机合成课程设计

题 目
香兰素的合成工艺
系 （院）
化学与化工系
专 业
应用化学
班 级
11应化本2
学生姓名
王春莲
学 号
1114100327
指导教师
张圣燕
职 称
讲师

2013年 12月 20日

香兰素的合成工艺设计
1 产品简介
1.1 中英文名称，化学式，结构式
中文名称：香兰素
别名：香荚兰醛；香荚兰素；香兰醛
化学名称：3-甲氧基-4-羟基苯甲醛
英文名称：Vanillin
分子式：C8H8O3
结构式：

1.2 物化性质
白色至微黄色鳞片状结晶或结晶性粉末，存在有不同熔点的四种结晶变型。呈甜克力香气及强烈的香兰素所独有的芳香气，香气比香兰素强3-4 倍。沸点285 ℃，点76.5 ℃。微溶于水，溶于乙醇、乙醚、甘油、丙二醇、氯仿和碱溶液。基本上无毒害，但其蒸气对皮肤及粘膜有局部刺激作用
1.3 用途
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。
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。
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%。
1.4 前景分析
国内外行业现状 中国是世界香兰素出口大国，2002年国内需求量2350吨，占产量的30%，其余70%用于出口。而1988年仅出口273吨，1993年为1700吨，2002年为4653吨。1993～2002年，中国香兰素出口量年均增长率为12%。中国香兰素在北美、欧洲、东南亚等地市场享有良好信誉。
2 合成方法
2.1 第一种合成方法——愈创木酚法
（1） 合成基本原理
愈创木酚在碱性条件下和乙醛缩合成3-甲氧基-4-羟基苯乙醇酸，3-甲氧基-4-羟基苯乙醇酸在碱性条件下被氧化成3-甲氧基-4-羟基苯乙酮酸（香草扁桃酸），然后在碱性条件下脱羧生成香兰素。其反应方程式如下：

（2） 合成所需要的原料
愈创木酚、乙醛酸
（3） 生产工艺
在碱性条件下，把愈创木酚和乙醛酸在60 ℃下反应24 h，得到3-甲氧基-4-羟基苯乙醇酸，然后在EDTA铜配合物的催化下，通入氧气氧化，最后在甲苯溶液中用硫酸酸化脱羧得到香兰素。
反应最佳条件：n(愈创木酚):n(乙醛酸):n(氢氧化钠)=1:1:2，采用半间歇加料方式，半量的碱溶液和乙醛酸一起滴加，搅拌速度为2000 r/min，反应温度为95 ℃，空气流速为1 mL/s，氢氧化钠和3-甲氧基-4-羟基苯乙酸醇的物质的量之比为0.5:1。
（4） 工艺流程图

（5）产品表征
紫外吸收分光光度法
标准溶液的制备：准确称取药用参比标准香兰素约100mg，放入一250ml容量瓶中，用甲醇定容，混合。取该溶液2.0ml，放入一100ml容量瓶中，用甲醇定容后混匀。
试样液的制备：准确称取试样约100mg，制备方法与上述标准溶液的制备相同。
操作：取上述各溶液分别放入一1cm石英池中，在最大吸收波长约308nm处测定吸光度。按下式计算试样中香兰素（C8H8O3）的含量（X)(mg）：
X=12.5c(Au/As)
式中 c——标准溶液中香兰素的浓度，μg/ml；
Au——试样液的吸光度；
As——标准溶液的吸光度。

结果分析：在200～300 nm波长范围内对香兰素进行紫外光谱扫描。
依据Woodward-Fieser规则计算如下：
同环共轭双烯基本值 253
一个环外双键 5
一个助色基团 6
一个羟基 35
计算值 299
实验实测值 304

（6）产率计算，成本核算
产率：η=香兰素的质量/愈创木酚的质量×100%=34.08％
愈创木酚价格是5.00元/20 mg。
总计：130.00元/kg
2.2 第二种合成方法——对羟基苯甲醛法
（1） 合成基本原理
对羟基苯甲醛溴化生成3溴4-羟基苯甲醛，然后再醇钠的催化下与甲醇反应生成香兰素。其反应方程式如下：

（2） 合成所需要的原料
对羟基苯甲醛
（3） 生产工艺
在250 mL烧瓶中加入16 g（0.131 mo1）对羟基苯甲醛和90 mL溶剂，溶解后滴人6.8 mL（0.131 mo1）液溴，加热至40~45 ℃反应6 h。减压抽溶剂，残留物加水煮沸，趁热过滤，滤液冷却结晶、过滤、烘干得白色结晶3-溴-4-羟基苯甲醛。
在250 mL烧瓶中加入12g（0.0597mo1）上述产品、45 mL（0.230mo1）28.24%的甲醇钠溶液、35 mLDMF及0.2 g CuCl，在115 ℃下反应1.5 h。然后抽溶剂，残留物用18%盐酸酸化至Ph=4~5，再用热苯萃取3次，分去水层，苯层减压蒸馏去苯，得咖啡色液体。将其溶于热稀酒精溶液，冷却析出结晶，过滤、干燥得产品香兰素。
（4） 工艺流程图

（6） 产品表征
气相色谱分析法

香兰素标样谱图 试样谱图

结果分析：在中等极性柱中可获得良好分离，香兰素在1.00—400.00浓度范围内具有良好的线性，标准曲线相关系数为0.9995，检测限位0.003mg/g。
（7） 产率计算，成本核算
产率：η=香兰素的质量/16g×100％=36.42％
对羟基苯甲酸25元/kg
总计：108元/kg
2.3 第三种合成方法——木质素法
（1） 合成基本原理
以木材的木质素为原料，在加热和碱性的条件下，通入空气氧化，然后经过萃取、酸化的过程，得到香兰素。其化学反应方程式如下：

（2） 合成所需要的原料
木片、木屑等木头
（3） 生产工艺
将木材碎片用220 ℃的水蒸气处理2 min，再用100 ℃的水洗2次，过滤。固体不溶物用pH=13的氢氧化钠溶液处理30 min，过滤。滤液用pH=2的硫酸在80 ℃处理10 min，过滤得到酸不溶性的木质素。将10 g木质素和100 mL氢氧化钠溶液加入500 mL高压釜中，加入一定量的氧化铜，通入氧气，保持压力为1.4 MPa，搅拌速度为200 r/min，加热到170 ℃，保温反应3 min，反应结束后，过滤出去氧化铜，母液酸化得到香兰素。
反应最佳条件：木质素10 g，氢氧化钠14 g，氧气7.5 g，硫酸铜7.5 g，氯化铁0.5 g，反应时间10 min。
（4）工艺流程图

（5）产品表征
高效液相测定
对照品溶液 精确称取香兰素标准品25 mg, 用乙腈溶解并定容于25 mL
容量瓶中, 得到110 g /L的混合标准品储备液, 4 e 冰箱保存。精确量取1 mL储备液至10 mL容量瓶中, 用乙腈定容, 得到香兰素质量浓度均为100 mg /L的混合工作溶液。
11212 样品溶液 精密称取自制香兰素粗产品适量, 用乙腈溶解并定容, 用0145 L微孔滤膜过滤后, 取10 LL进样。

香兰素谱图
结果分析：如图所示，在2—3nm有吸收，表明试样中含有香兰素。
（7）产率计算，成本核算
产率η=香兰素的质量/10g×100％=6.75％
木头碎渣0.3元/kg；氧化铜68元/kg
总计：76.43元/kg
3 合成方法评价
3.1 合成工艺路线成功率评价
第一种：愈创木酚法。合成路线方式：直线型。路线长度：较后两种简略。直接利用草酸电解液与愈创木酚反应合成MHPA，进一步电解氧化合成香兰素，是一种新的乙醛酸法。利用有机电化学合成中的阳极氧化法，单步收率可达90%以上。该法具有装置简单、操作平稳；反应选择性好、产物纯度高。
第二种：对羟基苯甲酸法。合成路线方式：直线型。路线长度：相对较复杂。该方法具有条件温和、工艺简单、产率高等优点，具有一定的发展前景产率高达90％。道如采用新型高效的碱式硫酸铜-D MF 催化体系, 使其甲氧基化, 转化率达96.7% 。对羟基苯甲醛通过苯酚的Ke ime r 一Ti e反应或对甲酚的氧化反应制取。该法具有反应条件温和、工艺简单、产率高等优点。
第三种：木质素法。合成路线方式：直线型。路线长度：较前两种过程复杂。此法香兰素产率为10%-15%，世界各国以该法生产香兰素占半数以上，广州造纸厂采用此法。但该法酸、碱的耗量大，工艺较长，有关该法研究报道很多，但生产厂家还不多。
3.2 合成工艺路线经济性评价
第一种：该法无需外加氧化剂和催化剂，可节省原料。
第二种：对羟基苯甲酸价格昂贵，原料成本过高。
第三种：木质素来源广泛，纸浆废液中也含有大量的木质素，可以作为廉价的生产原料。我国蕴藏丰富的林产资源, 若能充分利用林产化工废料以较大规模生产香兰素，定能获得很好的经济效益。由于木质素来源广泛，处理含木质素的废液有利可图，所以国外学者对此深人研究，取得一定进展。
3.3 合成工艺路线环保性评价
第一种：直接利用草酸电解液与愈创木酚反应合成MHPA，进一步电解氧化合成香兰素，减少废物污染等优点。
第二种：若能解决好溴的回收问题，减少环境污染，该法具有一定发展前景。
第三种：处理含有木质素的废液可以得到木质素，所以此法对环保还是非常有利的。
总之：综合考虑，第三种方法是最好的方法。
4 参考文献
[1] 李真顺, 迟玉杰. 香兰素的合成方法及应用[J]. 中国食品添加剂, 2004, 06: 101-109.
[2] 王霞, 黎碧娜, 吴勇. 香兰素的合成方法评价[J]. 广东化工, 2002, 17(2): 16-19.
[3] 季卫刚, 赵先英, 覃军等. 香兰素的合成方法综述[J]. 河北工业科技, 2003, 20(6): 43-47.
[4] 凌伟忠, 张精安, 林春晓等. 由4-羟基苯甲醛合成香兰素的工艺研究[J]. 广东微量元素科学, 2007, 14(9): 67-70.
11