陶 陶， 趙華新， 姬小明*

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，河南鄭州 450002； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州 450002)

吡咯衍生物具有極強(qiáng)的生物活性，它廣泛存在于微生物的代謝產(chǎn)物和自然界動(dòng)物體內(nèi)[1 - 5]，在醫(yī)藥、食品、農(nóng)藥、日用化妝品、涂料、紡織、印染、造紙、感光材料、高分子材料等領(lǐng)域[6 - 12]有著廣泛的用途。吡咯類化合物是重要的煙氣香味成分之一，能夠增加煙氣豐滿度[13 - 14]。武丹風(fēng)等[15]報(bào)道了草莓酸4-(4-乙酰基-5-甲基-2-吡咯基)-2′，3′，4′-三羥基丁酯的熱裂解和卷煙加香研究，結(jié)果表明該化合物裂解產(chǎn)生了多種吡咯類香味化合物。因此，開(kāi)發(fā)新型煙用吡咯類香料有著廣闊的應(yīng)用前景。

熱裂解-氣相色譜/質(zhì)譜(Py-GC/MS)聯(lián)用技術(shù)具有分離效能高、靈敏度高、樣品用量少、分析速度快、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)[16 - 18]，廣泛應(yīng)用于提取天然香料及煙用合成香料的裂解轉(zhuǎn)移規(guī)律及熱裂解機(jī)理的研究[19 - 20]。本實(shí)驗(yàn)首先以D -(+)-氨基葡萄糖鹽酸鹽為原料，經(jīng)過(guò)環(huán)化、氧化和烷基化等系列反應(yīng)合成新型N-戊基-2-甲基-3-乙?；?5-吡咯甲醛化合物。通過(guò)核磁共振(1H NMR、13C NMR)、紅外(IR)光譜和高分辨質(zhì)譜(HR-MS)等波譜技術(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行確證，并用正交試驗(yàn)法優(yōu)化了合成的條件，然后采用熱重-微分熱重-差示掃描量熱法(TG -DTG -DSC)和Py-GC/MS技術(shù)分別研究了其熱失重變化過(guò)程和熱裂解產(chǎn)物，初步探討了目標(biāo)化合物的熱裂解機(jī)理，旨在為新型煙用香料的研究開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和材料

Perkin-Elmer341型紅外分光光度計(jì)(KBr壓片)(美國(guó)，賽默飛世爾科技公司)；DPX-400型核磁共振波譜儀(400 MHz，TMS為內(nèi)標(biāo))(瑞士，BRUKER公司)；Q-TOF質(zhì)譜儀(美國(guó)，Waters-Micromass公司)；Agilent7890A/5975氣質(zhì)聯(lián)用儀(美國(guó)，Agilent公司)；CDSPyrobe5000熱裂解儀(美國(guó)，CDS公司)；STA409PC綜合熱分析儀(德國(guó)，NETZSCH公司)。

柱色譜硅膠和制備薄層色譜硅膠GF254均為青島海洋化工廠產(chǎn)品，其余試劑和溶劑均為分析純?cè)噭?/p>

1.2 合成路線

D -(+)-氨基葡萄糖鹽酸鹽(化合物Ⅰ)通過(guò)環(huán)合化反應(yīng)合成2-甲基-3-乙?；?5-(1,2,3,4-四羥基丁基)吡咯(化合物Ⅱ)；化合物Ⅱ氧化合成2-甲基-3-乙?；?5-吡咯甲醛(化合物Ⅲ)，化合物Ⅲ進(jìn)一步烷基化合成目標(biāo)化合物N-戊基-2-甲基-3-乙?；?5-吡咯甲醛(化合物Ⅳ)。合成路線如下所示：

1.2.1化合物Ⅱ的合成將D -(+)-氨基葡萄糖鹽酸鹽(化合物Ⅰ)431.21 mg(2 mmol)溶于15 mL水中，加入乙酰丙酮240 mg(2.4 mmol)和NaHCO3252 mg(3 mmol)。90 ℃回流8 h左右，薄層色譜(TLC)(展開(kāi)劑：石油醚∶乙酸乙酯=2∶1)跟蹤監(jiān)測(cè)，待原料點(diǎn)消失時(shí)終止反應(yīng)。低溫靜置約24 h后，析出白色物質(zhì)，減壓抽濾，濾液用丙酮重結(jié)晶得到白色固體418 mg，收率為86%。經(jīng)1H NMR、13C NMR驗(yàn)證和文獻(xiàn)報(bào)道化合物Ⅱ的1H NMR、13C NMR一致[21]，化合物Ⅱ可以直接投入下一步使用。

1.2.2化合物Ⅲ的合成稱取NaIO4385 mg(1.8 mmol)，化合物Ⅱ 364 mg(1.5 mmol)，溶于15 mL甲醇中，40 ℃下回流攪拌，反應(yīng)3 h，TLC(石油醚∶乙酸乙酯=2∶1)檢測(cè)，反應(yīng)結(jié)束后用0.25 mol/L的乙醇，除去未反應(yīng)的NaIO4，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得米黃色固體即化合物Ⅲ181 mg，收率為80%。

化合物Ⅲ的熔點(diǎn)測(cè)定結(jié)果為144～145 ℃?；衔铫蟮慕Y(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和13C NMR、IR光譜、HR-MS等方法表征，實(shí)際測(cè)得的表征數(shù)據(jù)為：m.p:144～145 ℃;1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ:2.47(s,3H,CH3),2.67(s,3H,COCH3),7.31(s,1H,=CH),9.45(s,1H,CHO),10.68(s,1H,NH);13C NMR(100 MHz,CDCl3),δ:14.3(CH3),28.2(CH3),123.5(CH),123.6(C),130.2(C),143.4(C),179.1(C=O),194.4(CHO);IR(KBr),υ:3 179,1 672,1 654,1 561,1 510,1 477,1 246,1 154 cm-1;HR-MS Calcd For[M+H]+152.0712,Found[M+H]+152.0711。經(jīng)分析，證實(shí)為化合物Ⅲ。

1.2.3化合物Ⅳ的合成將化合物Ⅲ 226 mg(1.5 mmol)置于反應(yīng)容器中，再加入溴代正戊烷247.5 mg(1.65 mmol)、相轉(zhuǎn)移催化劑四丁基溴化銨22.3 mg(0.07 mmol)、乙腈8 mL和無(wú)水K2CO3621 mg (4.5 mmol)，60 ℃條件下回流反應(yīng)24 h，TLC(石油醚∶乙酸乙酯=2∶1)跟蹤反應(yīng)監(jiān)測(cè)。反應(yīng)結(jié)束后，減壓蒸出乙腈，在剩余物中加入約10 mL水，使K2CO3溶解，分出有機(jī)層，水相用乙酸乙酯萃取(10 mL×4)，合并有機(jī)相，無(wú)水Na2SO4干燥過(guò)夜；減壓蒸去乙酸乙酯，粗產(chǎn)物經(jīng)柱層析分離純化，純化后得到粘稠狀液體即化合物Ⅳ268.7 mg，產(chǎn)率為81%。

1.3 熱重分析

稱取約5 mg化合物Ⅳ，以光譜純Al2O3為參考物質(zhì)，在靜態(tài)空氣氣氛，流速為60 mL/min，加熱速率為10 ℃/min，Al2O3坩堝，溫度范圍30～900 ℃，測(cè)定樣品的熱重(TG)、微分熱重(DTG)及差示掃描量熱(DSC)曲線。

1.4 Py-GC/MS條件

稱取1.5 mg化合物Ⅳ，涂于液體進(jìn)樣板上，再置于已調(diào)節(jié)好預(yù)定溫度的裂解爐中，分別在系列溫度下進(jìn)行瞬間裂解，裂解產(chǎn)物由載氣直接導(dǎo)入GC/MS中進(jìn)行分離和鑒定。

1.4.1熱裂解條件裂解溫度為300、600和900 ℃，分別保持15 s，裂解爐壓力為1.03×106Pa(高于氣相色譜柱頭壓力)，接口溫度280 ℃，在氦氣氛圍下裂解后，裂解產(chǎn)物被直接導(dǎo)入GC/MS中進(jìn)行分離和鑒定。

1.4.2質(zhì)譜條件HP-FFAP彈性石英毛細(xì)管柱(60 m×320 μm×0.5 μm)。進(jìn)樣口溫度：250 ℃；載氣為He(純度為99.999%)，流速為1.5 mL/min(氣相色譜柱頭壓為1.80×104Pa)；升溫程序：50 ℃ 保持1 min，以10 ℃/min升至240 ℃，保持30 min；分流比10∶1。EI離子源，電子能量70 eV；掃描范圍：m/z29～550；傳輸線溫度：280 ℃；四極桿溫度150 ℃；電子倍增器電壓1 106 V；離子源溫度：200 ℃；溶劑延遲時(shí)間：2 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 目標(biāo)化合物Ⅳ的波譜數(shù)據(jù)分析

化合物Ⅳ的結(jié)構(gòu)經(jīng)NMR、IR光譜、HR-MS等方法表征，其核磁譜圖中H和C的歸屬如下所示，δ:0.90 ppm歸屬為5′碳上的氫，1.34 ppm歸屬為3′和4′碳上的氫，1.66 ppm歸屬為2′碳上的氫，2.45 ppm 歸屬為6′碳上的氫，2.61 ppm歸屬為8′碳上的氫，4.31 ppm歸屬為1′碳上的氫，7.28 ppm歸屬為3碳上的氫，9.49 ppm 歸屬為9′碳上的氫；13C NMR譜圖中11.4 ppm歸屬5′碳，13.9 ppm歸屬為6′碳，22.3 ppm歸屬為4′碳，28.3 ppm歸屬為8′碳，28.7 ppm歸屬為3′碳，30.3 ppm歸屬為2′碳，45.1 ppm歸屬為1′碳，122.4 ppm歸屬為4號(hào)碳，126.6 ppm歸屬為5號(hào)碳，130.1 ppm歸屬為3號(hào)碳，143.8 ppm歸屬為2號(hào)碳，178.8 ppm歸屬為9′碳，194.2 ppm歸屬為7′碳。HR-MS分析[M+H]+為 222.1500，與理論值222.1494相符合。IR光譜(KBr)，υ：2 958，1 659，1 536，1 482，1 430，1 351 cm-1。由以上結(jié)果分析可以確定所合成的化合物Ⅳ即為目標(biāo)化合物N-戊基-2-甲基-3-乙酰基-5-吡咯甲甲醛?；衔铫舻慕Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其HR-MS圖如圖2。

圖1 化合物Ⅳ的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of compound Ⅳ

圖2 化合物Ⅳ的高分辨質(zhì)譜圖Fig.2 High resolution mass spectrum of compound Ⅳ

2.2 化合物Ⅳ合成條件優(yōu)化

2.2.1正交試驗(yàn)優(yōu)化在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇反應(yīng)溫度(45、60、75 ℃)、反應(yīng)時(shí)間(12、18、24 h)和摩爾比(n(化合物Ⅲ)/n(溴代正戊烷)=1.0∶0.9、1.0∶1.0、1.0∶1.1)作為正交試驗(yàn)優(yōu)化條件，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表1的極差分析結(jié)果可以看出，RA>RB>RC，3個(gè)因素對(duì)化合物Ⅳ的影響大小依次為：反應(yīng)溫度(A)>反應(yīng)時(shí)間(B)>摩爾比(C)。3個(gè)因素中，反應(yīng)溫度對(duì)合成反應(yīng)的影響作用最為顯著。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，優(yōu)化得到合成化合物Ⅳ的最佳條件為A2B3C3，即反應(yīng)溫度60 ℃、反應(yīng)時(shí)間24 h、摩爾比1.0∶1.1。

2.3 化合物Ⅳ的TG -DTG -DSC分析

圖3 化合物Ⅳ的TG -DTG -DSC譜圖Fig.3 TG -DTG -DSC spectra of compound Ⅳ

目標(biāo)化合物Ⅳ的TG -DTG圖譜表明，目標(biāo)化合物從30～136.3 ℃緩慢失重，失重率1.80%。136.3～290.0 ℃間有個(gè)劇烈的失重過(guò)程，失重率達(dá)到98.58%。DTG曲線的最快失重率在275.0 ℃，290.0 ℃后TG和DTG曲線趨于穩(wěn)定，說(shuō)明Ⅳ基本分解完全。DSC曲線表明，目標(biāo)化合物Ⅳ在180.0 ℃出現(xiàn)一個(gè)緩慢的放熱過(guò)程，在280.0 ℃又出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的吸熱過(guò)程，這與DTG曲線中失重率最快溫度275.0 ℃基本一致，之后543.6 ℃處出現(xiàn)一個(gè)緩慢放熱過(guò)程，可能是裂解產(chǎn)物又發(fā)生了相變或者氧化反應(yīng)?；衔锏蘑舻腡G -DTG -DSC圖見(jiàn)圖3。

2.4 化合物Ⅳ的熱裂解行為分析

在典型的卷煙燃燒過(guò)程中，煙支中心溫度最高，在700～900 ℃，燃燒區(qū)的氣相溫度相對(duì)較低，達(dá)到400～700 ℃，靠近抽吸端的蒸餾區(qū)溫度一般低于400 ℃[22]。因此，把熱裂解實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置為300、600、900 ℃三個(gè)溫度，以模擬人工抽煙的過(guò)程。

在相同的GC/MS條件下，對(duì)化合物Ⅳ在300、600、900 ℃下的裂解產(chǎn)物進(jìn)行定性分析，通過(guò)保留時(shí)間和質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)檢索鑒定，并用峰面積歸一化法測(cè)定裂解產(chǎn)物的相對(duì)含量，結(jié)果如表2所示。

表2 化合物Ⅳ在300、600、900 ℃下的熱裂解產(chǎn)物相對(duì)含量

(續(xù)表2)

Serial No.Retention(min)Prolysis productsCAS No.Relative content(%)300℃600℃900℃3010.101H-pyrrol-3-yl)acetic acid]86688-96-2-0.792.343110.422-Methyl-1H-pyrrole636-41-99-3.244.223210.553-Pyridinemethanol100-55-03.720.670.203310.663-Cyclohexene- 4-methyl-1-carboxaldehyde19876-38-1 -0.86-3410.99Nonanal124-19-61.68--3511.903-Methyl-1,6-heptadiene50871-05-13.00--3611.91Limonene 1,2-epoxide1195-92-2-0.93-3712.291-Dodecene112-41-4--7.973813.354-(3,3-Dimethyloxiran-2-yl)butan-2-one16262-93-41.43--3913.362-Methyl-3-propan-2-ylpyrazine15986-81-9-0.960.354013.43Ethyl 2-methylnicotinate1721-26-23.26--4115.29Isopulegol89-79-20.64--Total70.4672.4876.76

-：not detected.

由表2可知，化合物Ⅳ在三個(gè)溫度下主要裂解出41種化合物，其中300 ℃下主要裂解出23種化合物，主要有烷烯烴類、醛酮類、酸類、醇類及雜環(huán)類化合物等，其中吡嗪的相對(duì)含量占總含量的3.52%(占該裂解溫度下檢測(cè)到的物質(zhì)總成分的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，苯甲醛的相對(duì)含量占總含量的4.55%，2,5-二甲基吡嗪的相對(duì)含量占總含量的5.42%。600 ℃下主要裂解出22種化合物，較300 ℃時(shí)生成有新型烯烴類、醛酮類、雜環(huán)類等物質(zhì)，吡嗪的相對(duì)含量占總含量的2.04%，戊醛的相對(duì)含量占總含量的15.17%，一些醛酮物質(zhì)種類增加。900 ℃時(shí)，主要裂解出17種化合物，其中有新型烯炔類及雜環(huán)類等物質(zhì)產(chǎn)生，其中1-羥甲基吡咯的相對(duì)含量占總含量的6.87%；另外，2,3-二甲基吡咯和2-甲基吡啶的相對(duì)含量較600 ℃有明顯增加，分別占總含量的10.68%和15.20%，吡嗪和戊醛消失。

在這些熱解成分中：戊醛、吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、苯甲醛、(R)-氧化檸檬烯、異蒲勒醇等都是重要的香氣成分或者常用的香氣增香劑。其中戊醛具有特殊的香味，被廣泛用作香精香料，其中包括飲料、冷飲、糖果及烘烤食品；吡嗪和2,5-二甲基吡嗪也是允許使用的食用香料添加劑，常加入肉類、巧克力、花生和爆米花等多種食品中，增加物質(zhì)的自然風(fēng)味。(R)-氧化檸檬烯作為檸檬烯的衍生物是存在于多種水果(主要為柑橘類)、蔬菜及香料中存在的天然成分，在柑橘類水果(特別是其果皮)、香料和草藥的精油中含量較高，具有新鮮橙子香及檸檬樣香氣；異蒲勒醇呈有樟腦和薄荷香氣，同時(shí)帶有玫瑰葉和香茅香韻，是配制薄荷和漿果類香精的主要來(lái)源[23 - 25]。因此，從裂解產(chǎn)物上分析，化合物主要熱解成分大多具有香味，加入到卷煙中，能夠調(diào)和卷煙煙香，緩和刺激性，掩蓋雜氣，提調(diào)煙香風(fēng)味的作用。

2.5 化合物Ⅳ的熱裂解機(jī)理

化合物Ⅳ在不同溫度下可能發(fā)生的裂解過(guò)程如下：300 ℃時(shí)，化合物Ⅳ側(cè)鏈?zhǔn)軣岱纸獍l(fā)生斷裂，并伴隨有側(cè)鏈氧化還原反應(yīng)，生成有烯烴類、醇類、醛酮類、酸類化合物；600 ℃時(shí)，吡咯環(huán)斷裂甚至發(fā)生分解、重排，醛酮類及雜環(huán)類物質(zhì)種類增加；900 ℃時(shí)，裂解更加充分，伴隨著吡咯環(huán)的斷裂，重排偶聯(lián)及小分子片段經(jīng)過(guò)不斷地反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的芳香類雜環(huán)等物質(zhì)。

根據(jù)裂解產(chǎn)物的定性和半定量分析，初步推測(cè)化合物Ⅳ的熱裂解為簡(jiǎn)單吡咯類的機(jī)理如下式：

在高溫裂解狀態(tài)下，a、b、c、d鍵斷裂形成吡咯自由基中間體，該中間體經(jīng)過(guò)結(jié)合H和CH3自由基，甚至經(jīng)過(guò)一系列重排反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生3-甲基吡咯(16)、2-甲基吡咯(31)、2,5-二甲基吡咯(22)和2,3-二甲基吡咯(23)。該裂解機(jī)理是根據(jù)裂解產(chǎn)物的定性和定量分析推測(cè)的，尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以D -(+)-氨基葡萄糖鹽酸鹽為原料，通過(guò)環(huán)化、氧化和烷基化等系列反應(yīng)合成新型目標(biāo)化合物N-戊基-2-甲基-3-乙?；?5-吡咯甲醛，通過(guò)1H NMR、13C NMR、IR光譜和HR-MS等波譜技術(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了確證。利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的最優(yōu)合成條件：反應(yīng)溫度60 ℃、反應(yīng)時(shí)間24 h、摩爾比1.0∶1.1。采用Py-GC/MS分析了該合成目標(biāo)化合物在300、600、900 ℃裂解條件下的熱裂解產(chǎn)物及其變化規(guī)律,目標(biāo)化合物在三個(gè)溫度下共裂解出41種化合物,其中有吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、戊醛等多種香味成分。