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1、香兰素的综述（精细有机化学品结课论文）华中科技大学化学与化工学院梅双U201210400 摘要：本综述介绍了香兰素的背景知识、发展历程和应用前景，并着重围绕香兰素的合成工艺展开讨论，细致介绍各种工业合成路线及其优缺点，最后分析总结各工艺路线的研究前景。关键词：香兰素 合成工艺 应用前景目录引言41香兰素的背景知识介绍52香兰素的合成路线概述62.1 化学合成法62.1.1 松柏苷法62.1.2 丁香酚法62.1.3 木质素法72.1.4 对羟基苯甲醛法72.1.5 愈创木酚法82.1.5.1与乙醛酸缩合82.1.5.2与甲醛反应82.1.5.3 Reimer-Tieman法92.2微生物法92
2、.2.1 微生物发酵法102.2.2 植物细胞培养法102.3 酶法103香兰素的生产研发现状113.1 国内外行业现状113.2 我国生产现状及最新研究114 香兰素的应用前景分析13参考文献14引言香兰素，又名香兰醛、香草粉、凡尼林等，化学名称为3-甲氧基-4-羟基苯甲醛，是一种广泛使用的可食用香料，可在香荚兰豆、丁香油、秘鲁香脂等天然作物中找到，也可以人工合成，有浓烈奶香气息。香兰素是人类合成的第一种香料，从十八世纪到今天，人们已经开发出了多种不同的合成工艺路线，同时，香兰素的用途也被大大扩展，从香料领域慢慢进入到食品、药品等领域。1香兰素的背景知识介绍化学式 C8H8O3结构式 性质
3、白色至微黄色针状结晶或结晶性粉末， 易溶于乙醇、冰醋酸、乙醚、氯仿和热挥发性油，微溶于冷水，在空气中易被氧化成香兰酸，在碱液中易变色。上下游产品乙基香兰素是根据甲基香兰素的结构开发的人工合成香料产品，到目前为止还未在自然界发现它的天然存在。根据研究结果，乙基香兰素的香气强度是甲基香兰素的34倍。用途及现状 香兰素是重要的食用香料之一，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、面包等，在烟草、调香酒类、牙膏、 肥皂、香水、化妆品、等日用品中起增香和定香作用。还可用于香橡胶、塑料、医药品。香兰素在国外的应用领域很广
4、，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%。2香兰素的合成路线概述2.1 化学合成法香兰素按生产方法可以分为天然香兰素与合成香兰素。天然香兰素主要来自于香荚兰豆或利用天然材料通过生物技术合成。天然香兰素的价格是合成香兰素的50200倍，因此仅在少数有特殊用途的场合才使用天然香兰素。目前，香兰素主要通过化学合成方法得到，国内厂家主要是采用愈创木酚与乌
5、洛托品反应的亚硝化工艺，国外主要采用愈创木酚和乙醛酸缩合工艺，在生产中还有木质素法、丁香醛法等等，下面将对香兰素的化学合成路线做一概述。2.1.1 松柏苷法最早在1847年，德国的M哈尔曼博士与G泰曼博士成功合成香兰素就是用的松柏苷法：将松柏苷水解，再从水解产物中分离出松柏醇，将其氧化，反应式：由于受到原料松柏苷的来源问题的限制，该反应在目前的工业化生产中已很少采用。2.1.2 丁香酚法在碱性条件下，将丁香醇异构化生成异丁香酚钠，然后用氧化剂将异丁香酚钠盐氧化成香兰素钠盐，再经酸化处理得到香兰素，反应式：氧化剂可选用过氧化氢、高锰酸钾、氧气、高铁酸钾等。另外，还可以采用电解异丁香酚钠的方法来合
6、成香兰素。另有，李丽华1等采用臭氧氧化异丁香酚钠：将异丁香酚钠和水加入氧化反应塔，臭氧化空气从塔顶通入塔内，以气流翻动做搅拌，进行液相氧化反应。反应结束后，分出有机层，加亚硫酸钠溶液分解臭氧化物，分解产物经中和、水洗后得到香兰素粗品。Lampman等2报道：丁香酚异构化生成异丁香酚，异丁香酚和乙酐作用生成异丁香酚乙酸酯，经氧化后在酸性介质中水解生成香兰素。他们采用四辛基氯化铵做相转移催化剂，用高锰酸钾做氧化剂，产率为40%。Lampman等3又开发了另一路线：采用丁香酚或锯末作原料合成香兰素，采用硝基苯做氧化剂，用硫酸二甲酯做溶剂，产率为38%。2.1.3 木质素法直接以木材中的木质素（如亚硫
7、酸纸浆废液及木屑等）为原料生产香兰素是目前最主要的方法。用造纸废液生产香兰素的路线如下：首先，在加热和碱性条件下，通入空气氧化，然后经过萃取、酸化等过程，精制得到香兰素。反应式：吴国雄等4对该工艺进行了改进，将木材碎片用220的水蒸气处理2min，再用100的水洗涤两次，过滤。固体不溶物用pH=13的氢氧化钠溶液处理30min，过滤。滤液用pH=2的硫酸在80处理10min，过滤得到不溶于酸的木质素。将10g木质素与100mL的氢氧化钠溶液加入到500mL高压釜中，加入一定量的氧化铜，通入氧气，把持压力为1.4MPa，搅拌速度为200r/min。反应结束后，过滤除去氧化铜，母液酸化得到香兰素。
8、以木质素为原料生产香兰素为造纸废液开辟了一条新路。但由于在氧化过程中一般加入铜盐，反应结束后生成的氧化亚铜很难除去，而且木渣和纸浆废液的前期处理较为复杂，所以该工艺还有待进一步研究改进。2.1.4 对羟基苯甲醛法以对羟基苯甲醛为原料，只需两步反应就可以生成香兰素。首先，对羟基苯甲醛溴化，然后在醇钠的催化作用下与甲醇反应生成香兰素。反应式：该反应体系中，原料对羟基苯甲醛可由苯酚的Reimer-Tieman反应或由对甲酚氧化制取。也可采用碳酸铜做催化剂，溴化产物3-溴-4-羟基苯甲醛在甲醇和甲醇钠的溶液中反应，转化率为98%；还有采用氯化亚铜作为催化剂的，转化率为94%。总的说来，该路线工艺过程简
9、单，环境污染小，产率较高。2.1.5 愈创木酚法愈创木酚法生产香兰素是目前使用最多的工艺，这是一类以愈创木酚为原料的合成工艺的总称。原料愈创木酚是一种重要的精细化工中间体，既可以通过萃取、过滤、精馏等手段从多种天然树脂、松油中提取，又有多种人工合成的方法。例如可以以邻硝基氯苯为原料，通过威廉姆逊合成法合成邻硝基苯甲醚，再还原硝基为氨基，最后通过重氮化水解反应合成最终目标产物。中国与日本企业也常用此途径工业生产愈创木酚。另一种合成愈创木酚的方法是邻苯二酚甲基化后再选择性部分水解：C6H4(OCH3)2+ C2H5SNa C6H4(OCH3)(ONa) + C2H5SCH32.1.5.1与乙醛酸缩
10、合愈创木酚在碱性条件下与乙醛酸缩合生成3-甲氧基-4-羟基苯乙醇酸，然后在碱性条件下被铜离子氧化生成3-甲氧基-4-羟基苯乙酮酸（香草扁桃酸），再在酸性条件下脱羧生成香兰素。反应式：该工艺原料易得，设备简单，“三废”少且易治理，产率较高，再加上近年来开发的电化学氧化法，使得该工艺发展前景广阔。2.1.5.2与甲醛反应由愈创木酚、甲醛（可用乌洛托品代替）和芳基羟氨进行缩合反应，生成席夫碱，再将其水解而引入醛基后制得香兰素。我国多采用此工艺。反应式：国内赵秀桢5对该工艺进行了细致研究：影响反应收率的主要因素有反应时间、反应温度；亚硝酸最好在低温下反应，反应时间不宜过长，否则产物会被氧化；另外，对硝
11、基-N,N-二甲基苯胺的滴加速度对反应也有影响。国外也有直接用愈创木酚与甲醛反应合成香兰素的。如采用愈创木酚盐与甲醛缩合反应，生成4-羟甲基愈创木酚混合物，再加入5%的Pt/C和硫酸铋做催化剂，通入纯氧气于50反应，羟甲基被氧化成醛基。还有文献报道，愈创木酚、甲醛在酸性条件下，用铝和间硝基苯做催化剂，反应生成香兰素。亚硝基化生产香兰素的工艺路线，愈创木酚的转化率一般较低，产物的分离提纯复杂，“三废”多，原料消耗高，国外多已淘汰此路线。2.1.5.3 Reimer-Tieman法愈创木酚在碱性条件下可以和三氯甲烷反应合成香兰素。反应式：江育仁等6采用愈创木酚和氯仿反应，用紫外灯照射，愈创木酚的转
12、化率为39.2%，反应时间也得到缩减。Divakar9为了提高愈创木酚的转化率，降低香兰素异构体的含量，采用-环糊精做相转移催化剂，结果香兰素产率比未使用环糊精提高了32%。李中柱等7用三乙基胺做相转移催化剂，用工业乙醇做溶剂，香兰素的粗品收率为78%。Reimer-tieman法操作简单，但是转化率较低，而且邻位产物的选择性比对位产物的高。2.2微生物法8利用微生物发酵来模拟植物次级代谢过程可生产出香料化合物，而且这种香料化合物已被欧洲和美国食品法界定为“天然的”。2.2.1 微生物发酵法1977年日本Tadasa K 分离得到的棒杆菌（Corynebacteriumsp.）菌株，能够将丁香
13、酚转化为香兰素，开辟出生物制备香兰素的新途径。随后又发现许多细菌、霉菌能够将丁香酚、异丁香酚、阿魏酸、葡萄糖等化合物转化为香兰素，即可利用多种底物进行微生物发酵得到香兰素。如，用担子菌发酵合成香兰素：2.2.2 植物细胞培养法随着现代生物技术工程的发展，人们开始利用细胞培养生产香兰素。第一个是香荚兰细胞（Vanilla planifolia cell）的人工培养技术，利用香荚兰向外分泌香兰素的特性，但是单位体积产量不高，仅为0.01gL-1左右。2005年又找到了灌木状辣椒细胞（Capsicum frutescens sell）将特定添加物转化为香兰素的新方法。2.3 酶法所有的生物代谢反应都
14、是酶促反应，上述各种方法虽然其作用机理尚不明确，但可以确定是受到某种或某几种酶的作用而产生的。如果能分离得到这些酶，就能利用酶促反应，直接得到香兰素。3香兰素的生产研发现状3.1 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。19932002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。中国香兰素已有50多年生产历史，原有10多家生产企业中，大部分小企业生产设备已经严重腐蚀，再加上要环保条件限制，已失去生产
15、能力。目前国内主要有3家香兰素生产厂。其中，罗海（浙江）精细化工有限公司是法国罗地亚公司与浙江雪豹精细化工有限公司的合资企业，2002年生产能力从1000吨扩至1500吨，且在无锡建有香兰素原料愈创木酚生产基地；浙江嘉兴中华化工有限公司是目前国内最大香兰素生产企业，是由原上海嘉化精细化工公司、浙江中华精细化工集团、上海新华香料厂组成的联合企业，香兰素年产能力4000吨，正在新建1套2000吨/年生产装置；吉化集团公司是国内较早的香兰素生产企业，现年产能力1500吨。国外香兰素的生产厂家主要有法国罗地亚公司、挪威鲍利葛公司。其中，法国罗地亚是全球最大香兰素生产企业，年产能力为8000吨，装置分布
16、在法国、美国；挪威鲍利葛公司是全球唯一生产木质素香兰素的厂家，同时也生产乙基香兰素。93.2 我国生产现状及最新研究我国目前生产香兰素主要采用愈创木酚、甲醛、和芳基羟胺缩合的亚硝化工艺。该工艺路线长，分离过程复杂，对环境的污染严重，原料消耗高，国外早已淘汰。现国外多用愈创木酚和乙醛酸缩合-氧化路线，该工艺设备简单，“三废”少且易治理，产率较高。但是目前国内还处于研究阶段，还未能实现工业化生产，从我国的实情出发，应重点开发乙醛酸工艺，氧化方法和提取方式还可以有所改进，具体分述如下：（1） 电化学氧化法：愈创木酚和乙醛酸缩合时，氧化方法除了在铜盐等催化剂参与下通空气氧化外，国内外还开发了电化学氧化
17、法。如宇部公司10用电解氧化法处理3-甲氧基-4-羟基苯乙醇酸，在60下电解6h，然后把溶液冷却到30以下，调节pH=3，得到92.5%的香兰素。国内北京理工大学的做法是：在缩合液中加入氢氧化钠使溶液成强碱性，在电流密度0.3A/dm2下电解，反应完毕后，直接加入强酸调节反应液为弱酸性，脱羧后用有机溶剂提取得到香兰素。（2） 分离方法;超临界CO2萃取新技术：联邦德国费里德库普鲁有限公司采用超临界CO2萃取法来提取氧化液中的香兰素，具体方法是用临界CO2以对流方式在一定的温度和压力下处理氧化液，再把含有香兰素的二氧化碳流通入亚硫酸钠水溶液中停留片刻，香兰素被分离出来，再酸化至pH=24，香兰素
18、以沉淀析出，纯度高达90%95%。法国罗纳普朗克公司的方法是在50100，压力7.540MPa，用超临界CO2香兰素，回收率高达96.8%。 吸附技术：芬兰Forss等人用钠阳离子交换树脂吸附氧化废液中的香兰素，然后再用水或Na2SO3溶液解析。还有采用大孔隙沸石吸附氧化废液中的香兰素的报道。溶剂抽提：波兰Wawrzyniak提出用极性溶剂，如丙醇、丁醇等的水溶液从浓木质素磺酸盐碱液中抽提香兰素的钠盐，收率为8084%。另外，由于我国有众多的造纸厂，开发木质素磺酸盐法合成香兰素是一个不错的选择，既能变废为宝，又能拓宽香兰素的合成途径，提高经济效益和环境效益。4 香兰素的应用前景分析香兰素作为一
19、种基础的香料，自被人类成功合成以来，就在食品香料中发挥着重要作用。最早是德国将人造香兰素添加到巧克力中，此后不久，伦敦的糖果厂也开始用水果香精制造水果硬糖。接着，在面包、冷饮、饼干等等食品中，都能发现香兰素的踪影了。但是，香兰素的用途，远不止如此。在制药工业，香兰素可以用来生产降压药甲基多巴胺、儿茶酚类药物多巴，以及白内停、敌菌净等。香兰素是获取粉香、豆香的好原料，常用作粉底香用，可用于机会所有香型，如紫罗兰、草兰、葵花、东方香型等；能和洋茉莉醛、异丁香酚苄醚、香豆素、麝香等合用，作定香、修饰剂和合剂。香兰素可用于分析化学，检验蛋白质氮砸茚、间苯三酚和单宁酸。香兰素也可作为有机分析的标准试剂。
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