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May 2, 2004  Vol.6 No.5 P.34 Copyright cij17logo.gif (917 bytes)

Selective synthesis of borneol

Chen Huizong, Yang Yiwen, Liu Yonggen, Deng Zhihong, Wang Ruifen
(Institute of Chemistry, Jiangxi Normal University, Nanchang 330027)

Abstract Reaction of a-pinene and anhydrous oxalic acid afforded bornyl oxalate smoothly in the presence of nanometer complex solid superacid SO42-/ZrO2-Al2O3. Followed by saponification reaction, borneol was obtained selectively. This novel method for the synthesis of borneol has the advantage of mild reaction condition, little pollution and good selectivity.Borneol with high purity was obtained after separation and purification with column chromatography. The paper described a new method to prepare borneol selectively.
Keywords borneol, nanometer complex solid superacid,selective synthesis.

正龙脑的选择性合成

陈慧宗, 杨义文, 刘永根, 邓志红, 王瑞芬
（江西师范大学化学学院 南昌 330027）

2004年3月2日收到，国家自然科学基金（20262002）资助项目

摘要   在纳米复合固体超强酸SO42-/ZrO2-Al2O3的催化下，a-蒎烯与无水草酸的反应能顺利生成草酸龙脑酯，经皂化反应后，能选择性地合成正龙脑。该合成方法反应条件温和，污染小，选择性好，经柱层析分离提纯后，可得到高纯度的正龙脑，本文为正龙脑的立体选择性合成提供了一个新方法。
关键词   正龙脑，纳米复合固体超强酸，选择性合成。

    龙脑是一种常用的药物和香料，广泛应用于医药及香料工业。它存在着正龙脑和异龙脑两个差向异构体，其中起主要作用的是正龙脑。目前普遍采用的以硼酸酐为催化剂的松节油合成龙脑的方法，明显存在许多缺点，例如反应剧烈放热，难以控制，易爆炸，污染严重，产率低，产品质量差，合成的龙脑产品中正、异龙脑含量相差不大，给正龙脑的分离提纯带来了很大的困难[1]。因此，如何才能选择性地合成正龙脑是人们一直想解决的问题，其中，探索和使用新的催化剂是一个关键。近些年来，固体超强酸作为一类新型催化剂越来越引起人们的重视。固体超强酸是指固体的表面酸强度大于100％硫酸的酸类，即Hammett酸度函数H0＜-11.93的酸。将固体超强酸的载体制成纳米微粒，然后经浸泡、焙烧后所得到的纳米固体超强酸比一般的固体超强酸具有更大的比表面积和酸密度，从而具有更高的催化活性。最近我们制备和应用纳米复合固体超强酸SO42-/ZrO2-Al2O3为催化剂，以a-蒎烯为原料，草酸为加成试剂，通过酯化-皂化法合成了龙脑，反应条件温和，操作安全，实现了正龙脑的选择性合成，并成功地对其进行了分离提纯。反应式如下：

1．实验部分
1.1 试剂及测试仪器
    所用试剂均为分析纯试剂，a-蒎烯纯度为96.23%、〔a〕D20：-36.9°（文献值：〔a〕D20：-51.3°，光学纯度71.9％）。无水草酸由草酸（H2C2O4·2H2O）在80℃经减压去水获得。测试仪器有Perkin Elmer SP one FT-IR 红外光谱仪，Bruker Avance 400 核磁共振仪，XT-4双目显微熔点测定仪，H-600透射电镜（工作电压：75KV），日本岛津GC-17A型气相色谱仪：毛细管柱F0.32mm×30m,氢焰检测器，峰面积归一化法计算各组份含量，气化室温度200℃，检测器温度220℃，柱温（程序升温）100℃（保温2min） 5℃/min 200℃（保温20min ），N2为载气，乙醇为溶剂。
1.2 催化剂的制备[2，3]
    将10g ZrOCl2·8H2O和0.9gAl（NO3）3·9H2O加入到90g蒸馏水中配成澄清溶液，然后在磁力搅拌下慢慢滴入浓氨水直至溶液PH值达到10左右。静置陈化12h，过滤，用蒸馏水洗涤沉淀，直至沉淀中无Cl-（用0.1M AgNO3溶液检验），将沉淀于120℃烘10h，研细，用1M(NH4)2SO4溶液浸渍（15mL/g）12h，过滤，红外灯干燥，研细，于马弗炉中在600℃下焙烧3h即可。
1.3 正龙脑的合成
    将一定量的催化剂，5g无水草酸及20g a-蒎烯依次加入反应瓶中，磁力搅拌，程序升温（65℃/1h ,75℃/4h, 90℃/1h ）6h,滤去催化剂，水蒸汽蒸馏除去轻油得草酸龙脑酯，按酯与碱的摩尔 比1:5的量往酯中加入20%NaOH 溶液，然后水蒸汽蒸馏蒸出龙脑，用气相色谱仪分析正龙脑和异龙脑的含量。
1.4 正龙脑的分离提纯
    采用柱层析法分离，以GF254型层析硅胶为吸附剂，将石油醚和丙酮按比例配成溶液并将其作为洗脱剂，可分离出正龙脑。
1.5 催化剂的表征
    催化剂的颗粒大小由透射电镜扫描得知，微粒直径约为20-25nm。用 Hammett酸标指示剂间硝基甲苯（pKa=-11.99）和对硝基氯苯（pKa=-12.70）的变色反应测定该催化剂的酸性，得知它的Hammett函数值（Ho）：-11.99≥Ho＞-12.70，已达到超强酸的标准[4]。

2.结果与讨论
2.1催化剂用量对实验结果影响
    在其它反应条件不变的 情况下，改变催化剂的用量，然后进行合成龙脑的对比实验，所得实验结果见表1。

表1 催化剂用量对实验结果的影响
Tab.1 Effect of catalyst use level on experimental results

催化剂用量
(Use Level of catalyst)g

产率
(Yield)%

产品中正龙脑的含量(The borneol content of product)%

产品中异龙脑的含量
（The isoborneol content of product）%

0.2

61.4

46.35

34.40

0.4

47.2

45.31

30.74

0.6

53.7

42.11

38.15

0.8

51.4

36.81

43.06

1.0

62.0

34.03

44.26

    从实验结果得知，催化剂的用量以0.2g为宜(约为a-蒎烯用量的1%)。
2.2 加成反应温度对实验结果的影响
    在其它反应条件不变的情况下，改变加成反应的程序升温过程，将其变为：在某一温度下恒温6h，所得实验结果见表2。
    从表2可知，加成反应在70℃恒温6h，所得产品中正龙脑含量最高且产品中正异龙脑的含量比最大（约为11:1）。因此加成反应在70℃恒温6h，对正龙脑的选择性合成较为有利。
2.3草酸用量对实验结果的影响
    在其它反应条件不变的情况下，加成反应在70℃下反应6h，改变无水草酸的用量，所得实验结果如见表3。

表2. 加成反应温度对实验结果的影响
Tab.2 Effect of addition reaction temperature on experimental results

加成反应温度
（The temperature of addition reaction）℃

产率
(Yield)%

产品中正龙脑的含量
(The borneol contentof product)%

产品中异龙脑的含量（The isoborneol content of product）%

60

12.4

58.92

7.78

70

25.4

59.94

5.59

80

58.5

41.42

31.42

90

66.7

37.58

38.29

100

53.8

43.08

37.33

表3 无水草酸用量对实验结果的影响

Tab.3 Effect of anhydrous oxalic acid use level on experiment results

无水草酸用量

（Use level of anhydrous oxalic acid）g

a-蒎烯与无水草酸的摩尔比（Mol ratio of a-pinene to anhydrous oxalic acid）

产率

(Yield)

%

产品中正龙脑的含量(The borneol content of product)%

产品中异龙脑的含量（The isoborneol content of product）%

7.6

2:1.2

27.1

60.45

11.60

6.4

2:1

28.0

69.08

9.80

5.0

2:0.8

25.4

59.94

5.59

3.8

2:0.6

36.9

67.53

10.79

2.6

2:0.4

42.7

73.05

8.72

    从表3可知，当无水草酸的用量为2.6g即a-蒎烯与无水草酸的摩尔比为2:0.4时，反应产率最高，正龙脑含量最大，产品中正、异龙脑的含量比也较高。将该产品进行柱层析分离，可得到纯度为98.6%的正龙脑。
    正龙脑（borneol）：m.p. 205-207℃(文献值：206-207℃)；〔a〕D20：-18.5°（文献值：〔a〕D20：-37±2°，光学纯度50％）。1H NMR d: 0.847（s,3H），0.856(s,3H)，0.868(s,3H)，0.963-0.954（m,1H），1.210-1.221(d,1H)，1.226-1.290(m,1H)，1.453(s,1H)，1.614-1.637(m,1H)，1.714-1.748(m,1H)，1.847-1.918(m,1H)，2.238-2.308 (m,1H)，4.0(d,1H)；13C NMR（CDCl3）d: 77.35，49.48，48.01，45.09，39.01，28.27，25.91，20.18，18.67，13.32；IR: Vmax/cm-1, 3324, 2951, 1455, 1388, 1369, 1349, 1308, 1234, 1109, 1055, 1031, 1021。

3. 结论
    由共沉淀法合成的纳米复合固体超强酸SO42-/ZrO2-Al2O3 具有酸性强，催化活性高，选择性好，操作安全，与反应物容易分离，不腐蚀设备，不污染环境等优点，由该催化剂催化a-蒎烯合成正龙脑，产品中正龙脑的含量最高可达到73.05%。正、异龙脑的含量比最高可达到11:1。
    研究表明选择性合成正龙脑的适宜条件为：催化剂（SO42-/ZrO2-Al2O3）用量为1% a-蒎烯用量，a-蒎烯与无水草酸的摩尔比为2:0.8或2:0.4，加成反应温度为70℃恒温6h。
    用柱层析法解决了正、异龙脑这一对差向异构体难以分离的问题。
    本实验克服了目前合成龙脑的方法中存在的诸多缺点，为选择性合成正龙脑提供了一个新方法。

REFERENCES
[1] Zhang L H, Chen Q Z. Chinese Journal of Organic Chemistry (Youji Huaxue), 1984, 2: 85-90.
[2] Dan Y M, Chinese Journal of Fine Chemicals (Jinxi Huagon), 2002, 19 (10): 587-589.
[3] Wang S M, Xu Z X, Fu J. Preparatory Technology of Nanometer Material. Beijing, Chemical Industry Press, 2002: 61-75.
[4] Tanabe K et al. New Solid Acids and Bases Their Catalytic Properities. Beijing, Chemical Industry Press, 1992: 4-6.

　

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