齊志文, 王成章, 蔣建新

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所;生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室;國(guó)家林業(yè)和草原局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210042;2.北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100083)

左旋海松酸是一種樅酸型樹脂酸，其化學(xué)結(jié)構(gòu)中存在多個(gè)手性中心和一個(gè)活性較大的共軛雙鍵，可以作為一種很好的手性原料用于選擇性合成具有生物活性的化合物[1-2]。根據(jù)左旋海松酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過對(duì)其分離純品進(jìn)行羧基酯化、雙烯加成等，可以合成一系列用途廣泛的精細(xì)化學(xué)品，如耐熱導(dǎo)電材料[3]、表面活性劑[4]等。左旋海松酸的分離方法目前均是采用不同的溶劑對(duì)松脂進(jìn)行溶解胺化提取[5-6]，此法雖簡(jiǎn)便、易行，但存在步驟繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。超聲波輔助結(jié)晶是一種新興的結(jié)晶方法[7-8]，在過冷和過飽和體系中，超聲波能促進(jìn)物質(zhì)的一級(jí)成核和二級(jí)成核過程，縮短了結(jié)晶時(shí)間，且防止了晶體的聚結(jié)[9]。王東紅等[10]和胡繼忠[11]提出利用超聲波強(qiáng)化刺激結(jié)晶成核具有省時(shí)高效、產(chǎn)品品質(zhì)高、全程可控、可工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。本研究通過超聲波輔助結(jié)晶技術(shù)，優(yōu)化左旋海松酸結(jié)晶的工藝條件，以期為左旋海松酸量產(chǎn)及后續(xù)研究提供可靠的熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料、試劑與儀器

松脂，2014年10月采自云南楚雄的云南松。95%工業(yè)酒精，化學(xué)純；無(wú)水乙醇、磷酸(85%)、乙醚(99.5%)、異丁醇胺(95%)、順丁烯二酸酐(99.5%)、四甲基氫氧化胺(25%甲醇溶液)、丙烯酸(98%)，均為市售分析純。

昆山禾創(chuàng)超聲波有限公司超聲儀;VERTEX70傅里葉紅外光譜(FT-IR)儀、500 MHz核磁共振(NMR)儀，德國(guó)BRUKER公司；FP900熔點(diǎn)儀，瑞士METTLER公司；GC7890A氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)儀，美國(guó)安捷倫公司；Q600同步熱分析儀，美國(guó)TA公司；C2000氧彈量熱儀，德國(guó)IKA公司。

1.2 左旋海松酸的制備及提純

1.2.1異丁醇胺鹽的制備 取800 mL松脂為原料，用400 mL 95%工業(yè)酒精溶解，用濾布(孔徑106 μm)過濾除去大顆粒雜質(zhì)，靜置過夜，倒出上層清液，備用。取上清液500 mL，室溫條件緩慢滴入95%的2-胺基-2-甲基-1-丙醇(異丁醇胺)，待生成黃色胺鹽后，用400 mL無(wú)水乙醇洗滌，用濾布(孔徑75 μm)擠壓洗脫3次得異丁醇胺鹽(白色胺鹽)。

1.2.2左旋海松酸純品的制備 將1.2.1節(jié)制備的白色胺鹽、200 mL乙醚和由水配制的100 mL 5%H3PO4溶液混合，于分液漏斗中猛烈振蕩，靜置分層后放掉下層清液，上層萃取層經(jīng)水洗至pH值接近7為止。萃取層經(jīng)過負(fù)壓旋蒸，70 ℃水浴除去乙醚后,濃縮液靜置，室溫結(jié)晶。將濃縮液中油層倒于30 mL 無(wú)水乙醇中2 ℃結(jié)晶，得到一部分左旋海松酸粗品;將濃縮液室溫結(jié)晶的粗品在53 kHz、400 W超聲波和70 ℃水浴條件下溶于最大量無(wú)水乙醇(結(jié)晶粗品剛好溶解)中2 ℃結(jié)晶，得到另一部分左旋海松酸粗品。以無(wú)水乙醇為重結(jié)晶試劑，采用單晶結(jié)晶法經(jīng)過2次重結(jié)晶，制得左旋海松酸純品。

1.2.3超聲波輔助結(jié)晶 左旋海松酸粗品在0 ℃環(huán)境溫度、一定超聲波頻率(28、45和53 kHz)、超聲波功率400 W條件下，采用單晶培養(yǎng)法結(jié)晶。探究乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)、結(jié)晶溫度、乙醇用量和超聲波頻率對(duì)左旋海松酸分離得率和純度的影響。

1.3 左旋海松酸的表征

1.3.1熔點(diǎn)的測(cè)定 采用熔點(diǎn)儀測(cè)定，初溫100 ℃，升溫速率為1 ℃/min。

1.3.2氣相色譜-質(zhì)譜分析 HP-5毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，氫火焰離子檢測(cè)器，載氣為氦氣，樣品溶解于色譜甲醇中。升溫程序：150 ℃以15 ℃/min升溫到200 ℃，然后以20 ℃/min升溫到270 ℃；檢測(cè)器溫度270 ℃，汽化室溫度260 ℃。質(zhì)譜電離源為電子轟擊電離源(EI)，離子源溫度為270 ℃，四級(jí)桿溫度為170 ℃，掃描范圍m/z為50～800。

1.3.3FT-IR分析 采用衰減全反射法(ATR)測(cè)定，掃描范圍400～4000 cm-1。

1.3.4核磁共振分析 質(zhì)子共振頻率500 MHz，樣品溶解在CDCl3中，溫度30 ℃，四甲基硅烷(TMS)為內(nèi)標(biāo)。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1等容熱容和燃燒焓測(cè)定 分別取910、927和930 mg左旋海松酸(純度97%)樣品于燃燒皿中，點(diǎn)火線兩端掛在點(diǎn)火絲桿上，氧彈置于30 ℃的裝滿水的內(nèi)筒中，保持氧彈內(nèi)部壓強(qiáng)為2MPa，點(diǎn)火,IKA C2000氧彈量熱儀系統(tǒng)自動(dòng)生成熱值和等容熱容(CV)值。

1.4.2熔化焓測(cè)定 采用同步熱分析(TG-DSC)儀測(cè)定左旋海松酸的熔化焓。分析條件：升溫速率10 ℃/min，升溫范圍20～600 ℃，試樣量5～8 mg，氣氛為氮?dú)?，流?0 mL/min。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的計(jì)算

根據(jù)物性估算原理[12]，等壓燃燒熱和等容燃燒熱的直接關(guān)系見式(1)和(2)。將內(nèi)部充有一定量的氧氣和裝有樣品的密閉氧彈放入容器中，樣品燃燒放出的熱量傳給水，可得下式:

QP=QV+nRT

(1)

式中：QP—樣品的等壓燃燒熱,J/g；QV—樣品的等容燃燒熱,J/g；n—反應(yīng)前后氣體組分的物質(zhì)的量變化；R—通用氣體常數(shù),8.314 J/(k·mol)；T—反應(yīng)的絕對(duì)溫度,T=298.15 K。

通過測(cè)定左旋海松酸完全燃燒時(shí)的等容燃燒熱，再算出左旋海松酸的等壓燃燒熱。

(2)

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù) 在1 g左旋海松酸粗品、結(jié)晶溫度2 ℃、結(jié)晶乙醇30 mL、重結(jié)晶1次的條件下，改變結(jié)晶所用乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(65%、75%、85%、95%和100%)，結(jié)果見圖1(a)。乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)從65%增加到100%的過程中，分離結(jié)晶得到左旋海松酸的純度逐漸增加,由64.72%增至91.05%。這是由于松香樹脂酸均為不溶于水的酸性分子，水分的存在會(huì)使各種樹脂酸分子達(dá)到過飽和狀態(tài)析出，而無(wú)水乙醇的存在增加了各種樹脂酸結(jié)晶的過飽和值。在無(wú)水乙醇環(huán)境中，較多量的左旋海松酸分子易達(dá)到過飽和狀態(tài)優(yōu)先成核生長(zhǎng),故隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，左旋海松酸晶體粗品得率降低、純度增加。因此，后期實(shí)驗(yàn)均使用無(wú)水乙醇。

2.1.2結(jié)晶溫度 結(jié)晶乙醇選用無(wú)水乙醇，其他條件同2.1.1節(jié)，改變結(jié)晶溫度(-8、-2、0、2和8 ℃)，結(jié)果見圖1(b)。由圖可知，在-2 ℃時(shí)，得率為最高(2.2%)，可知-2 ℃為左旋海松酸晶體生長(zhǎng)速率最快溫度。但 2 ℃ 晶體純度最高，溫度過低或過高均不利于左旋海松酸純度的提高。

2.1.3乙醇用量 結(jié)晶乙醇選用無(wú)水乙醇,其他條件同2.1.1節(jié)，改變乙醇用量(20、30、40和50 mL)，結(jié)果見圖1(c)。乙醇用量主要考察的是左旋海松酸粗品的過飽和狀態(tài)。隨著乙醇用量的增加，結(jié)晶溶液的過飽和度逐漸降低。由圖1(c)可知，在乙醇用量為30 mL時(shí)，左旋海松酸第一次結(jié)晶純度最高，為91.05%。

2.1.4重結(jié)晶次數(shù) 結(jié)晶乙醇選用無(wú)水乙醇,其他條件同2.1.1節(jié)，改變重結(jié)晶次數(shù)(1、2、3、4和5)，結(jié)果見圖1(d)。由圖可知，當(dāng)重結(jié)晶次數(shù)增加，左旋海松酸粗品純度逐漸增大，但當(dāng)重結(jié)晶次數(shù)增加到3次以上時(shí)，左旋海松酸純度增加極其緩慢，因此，考慮到成本，重結(jié)晶次數(shù)不宜過多，重結(jié)晶次數(shù)2次為佳。

2.2 正交試驗(yàn)優(yōu)化

為優(yōu)化結(jié)晶分離左旋海松酸的最佳工藝，采用L9(34)設(shè)計(jì)正交，因?yàn)橹亟Y(jié)晶試驗(yàn)是對(duì)分離出的左旋海松酸粗品進(jìn)行操作，一般重結(jié)晶次數(shù)影響不大，故正交試驗(yàn)中重結(jié)晶次數(shù)定為1次。由于熱力學(xué)驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)左旋海松酸的純度要求較高，故此處以左旋海松酸結(jié)晶純度為考察指標(biāo)，根據(jù)單因素結(jié)果，取結(jié)晶溫度、乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)、乙醇用量和超聲波頻率作為4因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。

-△- 得率yield;-- 純度purity

由表1可以看出，對(duì)分離左旋海松酸純度影響因素依次為：乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)>超聲波頻率>乙醇用量>結(jié)晶溫度。最佳分離工藝為A2B3C2D3，即左旋海松酸粗品1 g，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)100%，結(jié)晶溫度0 ℃，乙醇用量20 mL，超聲波頻率為53 kHz。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

在最佳工藝條件下進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)，左旋海松酸結(jié)晶1次純度分別為91.07%、92.70%和90.12%，平均值為91.30%，可見重現(xiàn)性較好，所有左旋海松酸樣品在2次重結(jié)晶之后純度均達(dá)到97%。與傳統(tǒng)無(wú)超聲波輔助結(jié)晶方法相比[6]，超聲波輔助條件下得到肉眼可見的長(zhǎng)方形規(guī)整晶體的時(shí)間大幅縮減，為5～6 h。

2.3 左旋海松酸理化數(shù)據(jù)測(cè)試

圖2 左旋海松酸紅外光譜圖

2.3.2核磁及質(zhì)譜分析 左旋海松酸核磁氫譜和碳譜見圖3。m/z(ESI)316.2[M+CH3]+。1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ:7.43 (s, 1H, —COOH), 5.53 (s, 1H, H-13), 5.14(s, 1H, H-11), 2.36 (s, 1H, H-15), 2.33(m, 1H, H-10), 2.32 (d,J=5.9 Hz, 1H, H-8), 2.29 (s, 1H, H-4), 2.20～2.09 (m, 4H, H-2,14), 1.94～1.93 (dd,J=12.4, 2.6 Hz, 2H, H-1,6), 1.82～1.72 (m, 2H, H-1,6), 1.65～1.48 (m, 2H, H-7), 0.98～0.97 (dd,J= 6.8, 7.9 Hz, 6H, H-16,17), 0.96(s, 3H, H-18), 0.91 (s, 3H, H-20)。13C NMR(75 MHz, CDCl3)δ:184.99(C-19), 145.26(C-9), 135.41(C-12), 122.22(C-11), 120.36(C-13), 50.74(C-4), 46.29(C-10), 44.73(C-3), 38.14(C-5), 37.07(C-6), 34.79(C-2), 34.34(C-15), 27.23(C-18), 25.52(C-7), 22.38(C-16), 21.28(C-17), 20.70(C-14), 17.96(C-8), 16.60(C-1), 13.91(C-20)。

圖3 左旋海松酸核磁氫譜(a)和碳譜(b)

表2 左旋海松酸氧彈數(shù)據(jù)

2.3.4熔化焓的測(cè)定 左旋海松酸的TG-DSC曲線如圖4所示,DSC曲線顯示左旋海松酸的熔點(diǎn)峰為單一的線性非重疊峰。由圖4可知，在150 ℃處有一個(gè)較強(qiáng)的吸熱峰，此時(shí)相應(yīng)的TG曲線沒有質(zhì)量損失，所以曲線所對(duì)應(yīng)的溫度是左旋海松酸的熔點(diǎn)溫度，與熔點(diǎn)儀所測(cè)結(jié)果一致；在308 ℃時(shí)，TG曲線發(fā)生變化，質(zhì)量開始下降，物質(zhì)開始物理分解升華，308 ℃是左旋海松酸的臨界溫度；此外，由同步熱分析儀實(shí)測(cè)值可知，左旋海松酸的熔化焓為-94.99 kJ/mol，液體摩爾燃燒焓為-591.564 kJ/mol。

a.TG/DTG; b.DSC

3 結(jié) 論