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2-甲基-2-戊烯酸的应用

发布日期:2019/1/23 13:22:01

背景及概述[1][2]

草莓被人们视为水果中的上品,素有水果“皇后”的美称。草莓香气受到人们的青睐,具有草莓香气的食品、饮料和日化产品的消费量也不断增长,因而市场对具有草莓香调的2-甲基-2-戊烯酸的需求旺盛。

2-甲基-2-戊烯酸作为合成香料家族中的重要一员,不仅具有新鲜草莓香气,且带有甜润的浆果样香气和酸味,它是配制草莓香精的主香原料。2-甲基-2-戊烯酸既是美国食用香料与提取物制造者协会(FEMA)认可的安全食用香料,也是我国食品添加剂使用卫生标准 GB2760-1996 附录中允许使用的食用合成香料。2-甲基-2-戊烯酸为无色透明液体,可溶解于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂,微溶于水,商品名称为草莓酸,化学结构简式为CH3CH2CH = C(CH3)COOH。

国际香料公司(IFF)首先生产2-甲基-2-戊烯酸产品并投放市场,就立即引起了调香师们的兴趣,用它调配出了具有天然新鲜草莓的青、酸、甜香气特征的草莓香精,从此人们开始重视对它的开发和应用研究。我国在2-甲基-2-戊烯酸的开发和应用方面起步较晚,虽然已有产品问世,但有关的研究报道不多,与国外相比仍有一定差距。

理化性质[2]

2-甲基-2-戊烯酸有顺式和反式2 种立体异构体,其理化常数见表:

应用[2]

2-甲基-2-戊烯酸主要在食用香精配方中使用,用于调配草莓、覆盆子、菠萝、杏仁、乳酪、热带水果等香型的食用香精,以用于饮料、糖果、饼干、烘烤食品、冰淇淋、果子冻、布丁、调味料等食品的加香。在对天然草莓香气进行认真嗅辨的基础上,认定草莓香精是由青香韵、甜香韵和酸香韵3 种香韵构成,香气浓郁,留香持久。将研制的2-甲基-2-戊烯酸产品加入配方中,并经过配方筛选,研究得到了香气比较纯正的草莓香精配方,见表。

另外,2-甲基-2-戊烯酸还可作为日用香料,用于配制草莓和其他新鲜水果香型的日用香精,以用于喷雾剂、香波和蜡烛等日化产品的加香。

制备 [2-3]

方法1:首先以丙醛为起始原料合成中间体2-甲基-2-戊烯醛,再通过空气氧化法将中间体2-甲基-2-戊烯醛氧化,得到2-甲基-2 -戊烯酸。

步骤1:合成中间体2-甲基-2-戊烯醛。以丙醛为起始原料,氢氧化钠为催化剂,进行羟醛缩合反应,合成2-甲基-2-戊烯醛。其反应机理为:氢氧化钠先与一分子丙醛的α-氢原子结合,生成碳负离子,该碳负离子作为强亲核试剂,进攻另一分子丙醛的羰基,生成氧负离子。该氧负离子从水分子中夺取质子而生成β-羟基醛,它稍受热,发生分子内脱水,生成2-甲基-2-戊烯醛。其化学反应式如式。

具体步骤为:向带有回流冷凝器、温度计、滴液漏斗和搅拌器的反应器中,加入1 000 g 丙醛和680g 苯,开动搅拌器。保持温度≤12℃,通过滴液漏斗缓慢滴加质量分数20% 的氢氧化钠水溶液80 g,加料完毕后,在温度为12~16℃条件下继续搅拌反应2 h,即结束反应。用质量分数20% 的乙酸水溶液将反应混合物中和至pH 值为7 ,再用蒸馏水洗涤3 次,先通过常压蒸馏回收苯,然后进行减压蒸馏,收集(2.39kPa)38~39℃馏分,可得到2-甲基-2-戊烯醛约650 g。

步骤2:合成2-甲基-2-戊烯酸。采用空气氧化法,以乙酸锰作为催化剂,使中间体2-甲基-2-戊烯醛发生氧化反应,生成2-甲基-2-戊烯酸。其反应机理为:空气中的氧分子先与一分子2-甲基-2-戊烯醛按游离基机理反应,生成过氧酸,该过氧酸再与另一分子2-甲基-2-戊烯醛反应,生成2-甲基-2-戊烯酸。其化学反应式如式。

具体步骤为:向带有回流冷凝器、附有砂芯片的导气管和温度计的管式反应器中,加入650 g 2-甲基-2-戊烯醛、7 g 乙酸锰。保持反应温度为3 0 ~ 4 0 ℃,以1.2L/min的流量通过导气管向管式反应器中通入空气,进行氧化反应,反应4~5 h 后,可取样分析,当反应混合物的pH 值达到1 时,结束反应。待反应混合物冷却至室温后,用质量分数10% 的氢氧化钠水溶液将反应混合物中和至pH 值为8。

然后用约300 g 苯进行萃取,分离苯层和水层,用水将苯层洗涤至pH 值为7,再蒸馏分离苯,回收得到未反应的2-甲基-2-戊烯醛,可重复进行空气氧化。同时将水层用质量分数10% 的硫酸水溶液酸化至pH值为1 ,再进行水洗,然后进行减压分馏,取(1.33kPa)94~106.5℃馏分,得到2-甲基-2-戊烯酸粗品。用己烷作溶剂对其进行重结晶,即可得到无色透明的2-甲基-2-戊烯酸约410 g。

方法2:一种2-甲基-2-戊烯酸新的合成方法。该合成方法即以正丙醛为 原料,经醛醛缩合合成2-甲基-2-戊烯醛,2-甲基-2-戊烯醛和羟胺作用生成2-甲基-2-戊烯醛肟,2-甲基-2-戊烯醛肟在醋酐作用下脱水合成2-甲基-2-戊烯腈,2-甲基-2-戊烯腈在硫酸作用下水解为2-甲基-2-戊烯酸,其反应式如下:

具体步骤如下:

1)先将第一溶剂、催化剂加入反应釜中,20-80℃下滴加正丙醛进行反应, 当反应达终点后,静止分层,分出水相,然后加热回收第一溶剂,第一溶剂回收完毕后,启动水真空,在温度小于100℃下蒸出2-甲基-2-戊烯醛;其中催化剂用量为正丙醛质量的1wt-10wt%;所述第一溶剂用量为正丙醛质量的20wt -100wt%;

2)将2-甲基-2-戊烯醛、水、羟胺盐或游离羟胺水溶液、第二溶剂加入到 反应釜中,启动搅拌,在0-50℃下滴加重量百分比浓度为15-50%的NaOH溶液, 滴加完毕,保温一段时间,色谱分析达到终点后,静止分层,分出水相;水相在用所述第二溶剂萃取一次,萃取有机相用饱和盐水洗涤,制得含2-甲基-2-戊烯醛肟和第二溶剂的萃取有机相,其中反应体系中的羟胺和2-甲基-2-戊烯醛的摩尔比为1.0-1.8;重量百分比浓度为15-50%的NaOH溶液滴加量为2-甲基-2-戊烯醛质量的70wt%~120wt%;含2-甲基-2-戊烯醛肟和第二溶剂的萃取有机相中2-甲基-2-戊烯醛肟质量百分比为20wt%~60wt%;

3)在反应釜中加入第二溶剂,在温度100-150℃下,滴加步骤2)制备的含2-甲基-2-戊烯醛肟和第二溶剂的萃取有机相,滴加完毕,保温,反应达终点后,加入水后滴加重量百分比浓度为15-50%的NaOH溶液调反应混合液的pH至 6-7,分层,有机相减压蒸馏,回收第二溶剂,继续蒸馏得2-甲基-2-戊烯腈;其中第二溶剂与含2-甲基-2-戊烯醛肟和第二溶剂的萃取有机相质量比为2~ 3:3~5,重量百分比浓度为15-50%的NaOH溶液滴加量为2-甲基-2-戊烯醛质量的70wt%~120wt%;水与含2-甲基-2-戊烯醛肟和第二溶剂的萃取有机相质量比为1~2:1~3;

4)将酸加入到反应釜中,升温到80-150℃,滴加步骤3)制备的2-甲基-2-戊烯腈,滴加完毕,保温至终点,加水分层,有机相加入第三溶剂进行萃取,萃取后有机相进行精馏提纯,首先回收溶剂甲苯,然后收集82℃/3mmHg的馏分, 得2-甲基-2-戊烯酸。

主要参考资料

[1] 2-甲基2-戊烯酸的合成新工艺

[2] 2-甲基-2-戊烯酸的合成与应用研究

[3] CN201210241799.4 一种2-甲基-2-戊烯酸的合成方法