Synthesis of borneol from a-pinene catalyzed by rare earth composite solid superacid

稀土复合固体超强酸催化α-蒎烯合成正龙脑

杨义文¹, 陈慧宗², 刘永根³
（¹嘉兴学院生物与化学工程学院 嘉兴 314001； ²江西师范大学化学化工学院 南昌 330027；³海南医学院药学系　海口　571101 ）

摘要   在稀土复合固体超强酸SO₄^2-/Z_rO₂-La₂O₃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。该合成方法反应平稳，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，本文为正龙脑的选择性合成提供了一个新方法。
关键词  a-蒎烯，正龙脑，稀土复合固体超强酸，催化合成。

    龙脑又名冰片，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，其中正龙脑的药用及经济价值远高于异龙脑。近年来，随着医药及香料工业的发展，对龙脑的需求量日益增加，单靠从天然植物精油中提取的龙脑已远远不能满足人类的需求。近一个世纪以来，化学家们不断探索各种合成龙脑的方法，提出了各种各样的合成路线，但最终能应用于工业上的是a-蒎烯的酯化-皂化法。然而目前工业上普遍采用的以硼酸酐为催化剂的a-蒎烯的酯化-皂化法，明显存在许多缺点，例如反应剧烈放热，难以控制，生产过程有爆炸危险且污染严重，产率低，产品质量差，合成的龙脑产品中异龙脑的含量高达40-50%，给正龙脑的分离提纯带来了很大的困难^[1]。因此，探索和使用新的催化剂，高选择性地合成正龙脑是人们一直想解决的问题。最近我们以稀土复合固体超强酸SO₄^2-/Z_rO₂-La₂O₃为催化剂，以a-蒎烯为原料，草酸为加成试剂，通过酯化-皂化法合成龙脑，反应平稳，操作安全，实现了正龙脑的选择性合成，并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％）。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） 200℃（保温20min），N₂为载气，乙醇为溶剂。
1.2 催化剂的制备^[2-3]
    在一定量的La₂(CO₃)₃中加入2mol/L稀H₂SO₄溶液使其刚好溶解，再按配比加入氧氯化锆，并加水溶解，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o.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0.4g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、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15:1比例配成溶液并将其作为洗脱剂，可分离出正龙脑，正龙脑的纯度达到98.6%。
1.5 催化剂的酸度测试
    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]。

    从实验结果可知，当催化剂载体中La₂O₃的含量逐步增加时，产品中正、异龙脑的含量比在逐步上升，即催化剂催化合成正龙脑的选择性在上升，当La₂O₃的含量达到72%（即载体中ZrO₂与La₂O₃的摩尔比为1：1）时，产品中正龙脑的含量（70.45%）最高，正、异龙脑的含量比高达9.7：1，此时产率为46%。

2.2催化剂用量对实验结果影响
    依据实验1.3，以SO₄^2-/Z_rO₂-72%La₂O₃为催化剂，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2。

    从表2可知，无论从产率还是产品中正龙脑的含量考虑，都表明催化剂的用量以0.4g为宜(约为a-蒎烯用量的2%)。
2.3无水草酸用量对实验结果的影响
    依据实验1.3，以SO₄^2-/Z_rO₂-72%La₂O₃为催化剂，在其它反应条件不变的情况下，改变无水草酸的用量，所得实验结果如见表3。

    从表3可知，当无水草酸的用量为5.0g即a-蒎烯与无水草酸的摩尔比为2:0.8时，反应产率较高，正龙脑含量最大，产品中正、异龙脑的含量比最高。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。