王忠龍， 楊天其， 張加研* ,田 珩

( 1.西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，云南昆明 650224:2.大理市總工會(huì)職工學(xué)校，云南大理 671000)

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納米二氧化鈦負(fù)載不同金屬化合物催化合成龍腦的研究

王忠龍1， 楊天其2， 張加研1*,田 珩1

( 1.西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，云南昆明 650224:2.大理市總工會(huì)職工學(xué)校，云南大理 671000)

[目的]研究新催化劑催化α-蒎烯酯化-皂化合成龍腦，提高傳統(tǒng)催化劑合成龍腦的產(chǎn)率和質(zhì)量。[方法]采用TiO2對(duì)硅鎢酸、氧化鑭、硫酸銅進(jìn)行負(fù)載作為催化劑，在不同條件下用于傳統(tǒng)方法催化合成龍腦，考查催化劑催化最優(yōu)反應(yīng)條件。用FT-IR和SEM對(duì)催化劑表面和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，對(duì)硅鎢酸/TiO2和硫酸銅/TiO2作為催化劑在最優(yōu)條件下催化得到產(chǎn)品的組成進(jìn)行GC檢測(cè)分析。[結(jié)果]25%負(fù)載量的硅鎢酸/TiO2、15%負(fù)載量的氧化鑭/TiO2、30%負(fù)載量的硫酸銅/TiO2在反應(yīng)時(shí)間分別為6、5、6 h,反應(yīng)溫度為80 ℃時(shí)效果最好，α-蒎烯轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到86.32%、37.45%、87.14%，龍腦產(chǎn)品產(chǎn)率分別達(dá)到38.36%、 14.83%、44.31%。以硅鎢酸/TiO2為催化劑在最優(yōu)條件下合成龍腦產(chǎn)品中正龍腦相對(duì)含量為50%，正龍腦含量/異龍腦含量為1.41。以硫酸銅/TiO2為催化劑在最優(yōu)條件下合成龍腦產(chǎn)品中正龍腦相對(duì)含量為53.85%，正龍腦含量/異龍腦含量為2.38。[結(jié)論]硫酸銅/TiO2催化劑相比傳統(tǒng)催化劑對(duì)龍腦產(chǎn)率和質(zhì)量有更好的效果。

α-蒎烯; 酯化; TiO2; 催化劑; 龍腦

冰片為無(wú)色透明或白色半透明的片狀松脆結(jié)晶。它可以作為香料和醫(yī)藥使用。按生產(chǎn)途徑來(lái)分，龍腦可分為天然龍腦和合成龍腦。它有正龍腦和異龍腦2個(gè)差向異構(gòu)體，其中正龍腦具有較高的藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，異龍腦相比正龍腦毒性較高。天然龍腦主要從龍腦香科植物中提取而得，資源稀少，價(jià)格昂貴。用于合成龍腦的原料主要是松節(jié)油。松節(jié)油可以從松科植物中獲得，產(chǎn)量較大，資源十分豐富，而且制得的合成龍腦價(jià)格低廉。所以，合成龍腦不僅可以解決天然龍腦相對(duì)短缺的問題，而且可以使得龍腦生產(chǎn)走向產(chǎn)業(yè)化。以松節(jié)油、無(wú)水草酸以及硼酸酐為原料，經(jīng)酯化和皂化合成冰片是目前工業(yè)上生產(chǎn)冰片的主要途徑[1-2]。近幾十年來(lái)，對(duì)合成龍腦方法的研究越來(lái)越多，并且龍腦對(duì)人的藥理作用受到很大的關(guān)注，研究也日益增多[3-5]?，F(xiàn)在用于合成龍腦的方法主要有直接催化水合法、有機(jī)鎂化合物分解法、氯乙酸法、硼鈦基復(fù)合催化法、樟腦還原法、生物合成法等[6-12]。目前，工廠主要采用的是硼酸酐催化α-蒎烯酯化-皂化法合成龍腦。這個(gè)方法合成的龍腦中正龍腦含量較低，產(chǎn)率偏下，生產(chǎn)中易發(fā)生爆炸，安全性低，易污染環(huán)境。

采用納米TiO2作為負(fù)載物分別負(fù)載硅鎢酸、氧化鑭、硫酸銅，對(duì)傳統(tǒng)的酯化反應(yīng)中的硼酸酐催化劑進(jìn)行改進(jìn)[13-14]。該方法反應(yīng)條件相對(duì)溫和，操作安全，設(shè)備腐蝕較小，污染較少，產(chǎn)率較高，正龍腦含量較多，是一種可用于冰片生產(chǎn)的新型的催化材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料α-蒎烯(經(jīng)GC分析純度為98.27%，云南林緣香料有限公司)；無(wú)水草酸(工業(yè)品，云南林緣香料有限公司)；納米TiO2，硅鎢酸，氧化鑭，硫酸銅，氫氧化鈉(分析純,上海國(guó)藥集團(tuán)有限公司)。

美國(guó)安捷倫GC-7890A氣相色譜儀：毛細(xì)管柱30 m×320 μm×0.25 μm，氫火焰檢測(cè)器，采用峰面積歸一法計(jì)算各組分含量，氣化室溫度200 ℃，檢測(cè)器溫度300 ℃，柱溫(程序升溫) 80 ℃(保溫1 min)以10 ℃/min升溫至220 ℃(保溫1 min),分流比50∶1，進(jìn)樣量1 μl,N2為載氣，乙醇為溶劑；美國(guó) Varian 1000 FT-IR光譜儀(KBr壓片)；日本HITACHI S-3000N掃描電子顯微鏡。

1.2 硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2的制備稱取一定量的干燥至恒重后的納米TiO2，加入已配置好的一定濃度的硅鎢酸水溶液、氧化鑭渾濁液、硫酸銅水溶液，在室溫置于磁力攪拌儀上攪拌24 h，抽濾，放入烘箱100 ℃干燥6 h,研磨成細(xì)粉狀之后于550 ℃焙燒3 h,制得不同負(fù)載量的硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2催化劑。

1.3 催化劑表征紅外光譜表征采用美國(guó) Varian 1000 FT-IR光譜儀，KBr壓片。掃描電鏡采用日本HITACHI S-3000N掃描電子顯微鏡。

1.4 龍腦合成將0.8 g催化劑、20 g α-蒎烯、5 g無(wú)水草酸加入250 ml三口燒瓶中，加熱攪拌回流，濾去催化劑，取少量處理后進(jìn)行氣相色譜分析，而后水汽蒸餾蒸出輕油得到草酸龍腦酯，加入40 ml濃度19% NaOH溶液皂化5 h，并且再次進(jìn)行水汽蒸餾收集龍腦，干燥后稱取質(zhì)量，并且對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行氣相色譜分析和紅外分析。

1.5 產(chǎn)物 FT-IR表征FT-IR檢測(cè)在傅里葉紅外光譜儀上進(jìn)行，所得產(chǎn)品的紅外光譜如圖1所示。由圖1可知，3 374 cm-1是分子間氫鍵O-H的伸縮振動(dòng)，2 951 cm-1是環(huán)上CH2的伸縮振動(dòng)，2 875 cm-1是環(huán)上CH的伸縮振動(dòng)，1 663 cm-1是C=O的伸縮振動(dòng)，1 454 cm-1是-OH的伸縮振動(dòng)，1 055 cm-1是-CH-OH的伸縮振動(dòng)。

圖1 產(chǎn)品的紅外光譜圖

2 結(jié)果與分析

2.1 催化劑表征

圖2 硅鎢酸/TiO2、硫酸銅/TiO2、氧化鑭/TiO2紅外光譜圖

2.1.2SEM檢測(cè)結(jié)果分析。由圖3可知，在濃度10%硫酸銅/TiO2上，硫酸銅只有一小部分吸附在TiO2上，吸附量很少，而在濃度30%硫酸銅/TiO2上則有相當(dāng)數(shù)量的硫酸銅吸附在TiO2上，它與硫酸銅產(chǎn)生相互作用，吸附量相對(duì)較多，吸附基本達(dá)到飽和。在濃度35%硫酸銅/TiO2上，硫酸銅大量地堆積在TiO2表面上，硫酸銅過載，造成吸附不均勻，所以硫酸銅/TiO2的最佳負(fù)載量為30%。

注:A.TiO2;B.10%的硫酸銅/TiO2;C.30%的硫酸銅/TiO2;D.35%的硫酸銅/TiO2。圖3 硫酸銅/TiO2 的SEM圖

2.2 酯化反應(yīng)條件的選擇

2.2.1催化劑負(fù)載量對(duì)酯化反應(yīng)的影響。確保其他條件不變(溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間6 h,催化劑用量0.8 g)，僅改變催化劑負(fù)載量，研究催化劑負(fù)載量對(duì)酯化反應(yīng)的影響。由圖4可知，隨著催化劑負(fù)載量的不斷增大，α-蒎烯轉(zhuǎn)化率開始逐漸增大。這是由于吸附在TiO2上硅鎢酸、氧化鑭、硫酸銅數(shù)量不斷增加，進(jìn)而可以充分與α-蒎烯接觸，從而催化α-蒎烯的性能不斷增強(qiáng)。當(dāng)硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2負(fù)載量分別為25%、15%、30%時(shí)，α-蒎烯轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大，分別為86.32%、38.76%、87.14%；如果繼續(xù)增加負(fù)載量，那么α-蒎烯轉(zhuǎn)化率會(huì)逐漸減小，這是由于 TiO2吸附已達(dá)到飽和，TiO2上數(shù)量不斷增加的硅鎢酸、氧化鑭、硫酸銅堆積，使得α-蒎烯與催化劑接觸時(shí)流動(dòng)性減小，外面的α-蒎烯無(wú)法進(jìn)入與催化劑反應(yīng)。

圖4 α-蒎烯轉(zhuǎn)化率曲線

圖5 龍腦產(chǎn)率曲線

由圖5可知，隨著催化劑負(fù)載量不斷增大，產(chǎn)率不斷增大，這是由于在TiO2上數(shù)量不斷增加的硅鎢酸、氧化鑭、硫酸銅與α-蒎烯反應(yīng)，催化α-蒎烯酯化生成草酸龍腦酯；當(dāng)硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2負(fù)載量分別為25%、15%、30%時(shí)，龍腦產(chǎn)率增長(zhǎng)率達(dá)到最大，產(chǎn)率分別為38.36%，13.71%，44.32%；如果繼續(xù)增加負(fù)載量，那么龍腦產(chǎn)率增長(zhǎng)變得緩慢，這是由于負(fù)載已達(dá)到飽和，α-蒎烯無(wú)法充分地與催化劑中有效催化物接觸，導(dǎo)致α-蒎烯異構(gòu)化速率變低，進(jìn)而使得部分α-蒎烯朝著生成草酸龍腦酯的方向轉(zhuǎn)化，所以龍腦產(chǎn)率還不斷增加，但是由于過載使得整體的轉(zhuǎn)化速率下降，故龍腦產(chǎn)率增長(zhǎng)率變慢。由此可知，硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2的最佳負(fù)載量分別為25%、15%、30%。

2.2.2反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化反應(yīng)的影響。確保其他條件不變(負(fù)載量分別為25%、15%、30%的硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2用量皆為0.8 g,反應(yīng)溫度80 ℃)，僅改變酯化反應(yīng)時(shí)間，研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化反應(yīng)的影響。由圖6可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，α-蒎烯轉(zhuǎn)化率不斷增加，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的不斷增加，α-蒎烯可以在攪拌之下充分與催化劑接觸；反應(yīng)時(shí)間在4 h以后，α-蒎烯轉(zhuǎn)化率變低，由于α-蒎烯異構(gòu)化在一定溫度以上才可以大量進(jìn)行，4 h以后α-蒎烯已與催化劑基本作用完畢，而異構(gòu)化溫度又尚未達(dá)到，所以轉(zhuǎn)化率變低。

圖6 α-蒎烯轉(zhuǎn)化率曲線

由圖7可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，龍腦產(chǎn)率開始逐漸增加，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在6 h之后，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，龍腦產(chǎn)率會(huì)有所下降。這可能是由于已生成的草酸龍腦酯部分分解。

圖7 龍腦產(chǎn)率曲線

由此可知，硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2的最佳酯化反應(yīng)時(shí)間分別為6、5、6 h,此時(shí)α-蒎烯轉(zhuǎn)化率分別為86.32%、37.45%、87.14，龍腦產(chǎn)率分別為38.36%、14.83%、44.31%。

2.2.3反應(yīng)溫度對(duì)酯化反應(yīng)的影響。確保其他條件不變(負(fù)載量分別為25%、15%、30%的硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2用量皆為0.8 g,反應(yīng)時(shí)間為6 h)，僅改變反應(yīng)溫度，研究反應(yīng)溫度對(duì)酯化反應(yīng)的影響。由圖8可知，隨著反應(yīng)溫度的不斷增加，α-蒎烯轉(zhuǎn)化率不斷增加。這是由于溫度的不斷增加，α-蒎烯不斷異構(gòu)化，但轉(zhuǎn)化率的增加不是很明顯。這是因?yàn)棣?蒎烯異構(gòu)化主要是在100 ℃以上時(shí)才會(huì)大量發(fā)生。

圖8 α-蒎烯轉(zhuǎn)化率曲線

由圖9可知，隨著反應(yīng)溫度的不斷增加，龍腦產(chǎn)率不斷增加。當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，再增加反應(yīng)溫度，冰片產(chǎn)率增加較少。反應(yīng)溫度對(duì)龍腦的產(chǎn)率影響較大，溫度過低時(shí)α-蒎烯不能有效轉(zhuǎn)化，溫度過高則會(huì)使α-蒎烯向著異構(gòu)化的方向前進(jìn)，從而使得產(chǎn)品中正龍腦含量過低，而有毒副作用的異龍腦含量增加。

圖9 龍腦產(chǎn)率曲線

由此可知，硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2最佳酯化反應(yīng)溫度為80 ℃。

2.2.4硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2催化活性比較。對(duì)硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2催化劑的最優(yōu)活性進(jìn)行比較。由圖10可知，硫酸銅/TiO2催化劑活性最高，氧化鑭/TiO2的催化活性較低，硅鎢酸/TiO2的催化活性介于前面兩者中間。

注：A.25%硅鎢酸/TiO2,80 ℃,6 h; B.15%氧化鑭/TiO2,80 ℃,5 h;C.30%硫酸銅/TiO2，80 ℃,6 h。圖10 硅鎢酸/TiO2、氧化鑭/TiO2、硫酸銅/TiO2 催化活性比較

2.2.5產(chǎn)物GC檢測(cè)結(jié)果分析。將溫度為80 ℃、酯化時(shí)間為6 h、催化劑為25%負(fù)載量的硅鎢酸/TiO2的產(chǎn)品進(jìn)行GC檢測(cè)。由表1可知，異龍腦保留時(shí)間為4.677 min,正龍腦保留時(shí)間為4.786 min。此外，在不同的保留時(shí)間有其他物質(zhì)出現(xiàn)，除去乙醇峰，可以計(jì)算出由硅鎢酸/TiO2為催化劑合成的產(chǎn)品中正龍腦相對(duì)含量為50%，異龍腦相對(duì)含量為35.57%，正龍腦含量/異龍腦含量為1.41。

將溫度為80 ℃、酯化時(shí)間為6 h、催化劑為30%負(fù)載量的硫酸銅/TiO2的產(chǎn)品進(jìn)行GC檢測(cè)。由表2可知，異龍腦保留時(shí)間為4.689 min,正龍腦保留時(shí)間為4.810 min。此外，在保留時(shí)間為14.682 min時(shí),有其他物質(zhì)出現(xiàn)，除去乙醇峰，可以計(jì)算出由硫酸銅/TiO2為催化劑合成的產(chǎn)品中正龍腦相對(duì)含量為53.85%，異龍腦相對(duì)含量為22.60%，正龍腦含量/異龍腦含量為2.38。

表1 硅鎢酸/TiO2催化劑催化產(chǎn)品中龍腦的測(cè)試結(jié)果

表2 硫酸銅/TiO2催化劑催化產(chǎn)品中龍腦的測(cè)試結(jié)果

與以硅鎢酸/TiO2為催化劑合成的產(chǎn)品相比，以硫酸銅/TiO2為催化劑合成的產(chǎn)品中不僅正龍腦含量高，而且雜質(zhì)較少，正龍腦/異龍腦比例較高。綜合考慮，硫酸銅/TiO2在合成冰片的過程中催化性能優(yōu)于硅鎢酸/TiO2。

3 結(jié)論

(1)通過3種催化劑催化α-蒎烯酯化-皂化合成龍腦，對(duì)比其催化效果，發(fā)現(xiàn)硫酸銅/TiO2在最優(yōu)條件下催化生成龍腦的得率為44.31%，正龍腦相對(duì)含量為53.85%，相比傳統(tǒng)催化劑催化效果(得率為35%～37%，正龍腦相對(duì)含量為40%～45%)，其催化效果有明顯的提升，硅鎢酸/TiO2在最優(yōu)條件下催化生成龍腦的得率為38.36%，正龍腦相對(duì)含量為50%，與傳統(tǒng)催化劑的催化效果相當(dāng)，但產(chǎn)品中正龍腦相對(duì)含量較高。氧化鑭/TiO2催化效果不理想。綜合來(lái)說(shuō)，硫酸銅/TiO2是在合成冰片的中較理想的一種催化劑。

(2)通過3種催化劑催化α-蒎烯酯化-皂化合成龍腦，可以確定它們各自的最佳反應(yīng)條件，其中以硅鎢酸/TiO2為催化劑反應(yīng)最佳條件為：催化劑負(fù)載量25%，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間6 h。以硫酸銅/TiO2為催化劑反應(yīng)最佳條件為: 催化劑負(fù)載量30%,反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間6 h。以氧化鑭/TiO2為催化劑反應(yīng)最佳條件為: 催化劑負(fù)載量15%，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間5 h。

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Study on Synthesis of Borneol Catalyzed by Different Metal Compounds Supported on Titanium Dioxide

WANG Zhong-long1, YANG Tian-qi2, ZHANG Jia-yan1*et al

(1.College of Material Engineering, Southwest Forestry University, Kunming,Yunnan 650224: 2.Dali General Labor Union Employees' University, Dali,Yunnan 671000)

[Objecttive] Borneol could be synthesized from α-Pinene by esterification-saponification method in new catalyst, the yield and quality of borneol in traditional catalyst could be improved in new catalyst.[Method] Borneol could be synthesized by traditional method using silicotungstic acid,lanthanum oxide and cupric sulfate supported on titanium dioxide in different conditions, the optimum conditons of the reaction in new catalyst were dicussed.The surface and structure of catalyst were identified by means of FT-IR and SEM.The components of borneol in silicotungstic acid, cupric sulfate supported on titanium dioxide in the optimum conditions were detected by GC.[Result] As the optimum conditons were that the reaction time were 6, 5, 6 h and the reaction temperature was 80℃ in 25% of silicotungstic acid supported on titanium dioxide, 15% of lanthanum oxide supported on titanium dioxide and 30% cupricsulfate supported on titanium dioxide, the conversion of α-Pinene were up to 86.32%, 37.45%, 87.14% and the yield of borneol were up to 38.36%, 14.83%, 44.31%.Borneol content was 50% and the mass ratio of borneol to isborneol was 1.41 in the catalyst of silicotungstic acid supported on titanium dioxide in theoptimum conditions.Borneol content was 53.85% and the mass ratio of borneol to isborneol was 2.38 in the catalyst of cupric sulfate supported on titanium dioxide in the optimum conditions.[Conclusion] The catalyst of cupric sulfate supported on titanium dioxide has the better effect than traditional catalyst on the yield and quality of borneol .

α-Pinene; Esterification; Titanium dioxide; Catalyst borneol

廣西林產(chǎn)化學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目(GXFC12-09)。

王忠龍(1988- )，男，甘肅張掖人，碩士研究生，研究方向：提取物化學(xué)與生物質(zhì)化學(xué)品。 *通訊作者，教授，博士，從事天然產(chǎn)物提取及加工方面的研究及教學(xué)。

2015-01-30

S 509.9

A

0517-6611(2015)08-009-04