香精與香料(63)——甜瓜醛

甜瓜醛 Melonal

青香 GREEN

強烈的青香,甜瓜,黃瓜樣香氣

甜瓜醛能提供一種強烈而獨特的香氣? 它可添加于任何類型的香精配方中, 對于調(diào)配天然海洋以及果香-甜瓜香型的配方來說,它是必不可少的原料?

2,6-二甲基-5-庚烯醛

基本信息

英文通用名稱 2，6-dimethyl-5-heptenal（Melonal）

中文通用名稱西瓜醛（2，6，二甲基-5-庚烯醛）

理化性質(zhì)

分子量 140.23

性狀描述淡黃至黃色油狀液體，具有強烈的新鮮甜瓜似清香。不十分穩(wěn)定。閃點62℃。溶于乙醇、丙二醇和非揮發(fā)性油，幾不溶于甘油和水。

其他信息

類別天然等同香料和人造香料

制法由異丁醛和β-甲基丁烯醛縮合后局部氫化而成.

用途 GB2760-86規(guī)定為暫時允許使用的食品用香料。有清爽的瓜香。稍帶清香及脂蠟香。香勢較強。主要用于配制甜瓜、黃瓜和熱帶水果型香精。

在日用化學品香精中可用作頭香香料，亦可作為脂肪族醛類香料的修飾劑。由于具有較強的新鮮氣息，亦可用于掩飾某些加香介質(zhì)中的不良氣息?？蓮V泛用于瓜香、水果香和蔬菜香味的食用香精中。

毒理學性質(zhì) GRAS（FEMA）。

質(zhì)量指標 FCC,1992 1.含量≥85% 2. 折射率(nD20) 1.442～1.447 3.醇中溶解度(OT-43) 1ml樣品溶于2mL70%乙醇 4. 相對密度(d20 20) 0.848～0.854 5.酸值(OT-4) ≤5

一種新的，替代，無鹵使用沸石和介孔材料作為氧化催化劑合成香料化合物甜瓜醛[1]

甜瓜醛（2,6-二甲基-5-庚烯-1-醛；1）由于具有強烈的綠色甜瓜和黃瓜的氣味，因此被用來在香水中引入甜瓜和黃瓜的香味。在工業(yè)上，西瓜醛是通過6-甲基-5-庚烯-2-酮與氯乙酸乙酯的達爾森縮合(Darzens condensation)來合成的，產(chǎn)生一種α，β-環(huán)氧酯（方案1）。然后對該酯進行皂化和脫羧，產(chǎn)生所需的醛1。一般來說，酮類或醛類的同系化以產(chǎn)生多一個碳原子的醛是一個具有挑戰(zhàn)性的過程，不能一步到位。出于這個原因，使用鹵化酯的達爾森反應，然后進行皂化和脫羧，就可以達到這個目的。

方案1 通過達爾森(Darzens)反應和隨后的脫羧反應，從6-甲基-5-庚烯-2-酮(2)合成西瓜醛Melonal(1)。

Corma等想到了一種催化和無鹵素的替代合成策略（方案2），即通過酮2與乙醛的醛縮反應，將6-甲基-5-庚烯-2-酮（2）轉(zhuǎn)化為3,7-二甲基-6-辛烯-1-醛（3，檸檬醛），從而實現(xiàn)一碳同源。隨后，醛3的Baeyer-Villiger氧化得到甜瓜醛（方案2）。從合成和工業(yè)的角度來看，這條新的路線是相當有吸引力的，不僅因為它不涉及任何鹵化產(chǎn)品，而且還因為檸檬醛（3）是廉價的，并且很容易通過合成和從精油（檸檬草油或荔枝油）蒸餾獲得。然而，必須指出的是，這條路線帶來了一個復雜的問題，即醛鏈中存在一個三取代的雙鍵，而進行Baeyer-Villiger氧化的工業(yè)流程使用的過酸也是良好的環(huán)氧化劑，不允許選擇性地獲得甜瓜醛。事實上，當我們用甲氯過苯甲酸（m-CPBA）對檸檬醛進行反應時，對甜瓜醛或其前體4的選擇性只有33%。

方案2 以6-甲基-5-庚烯-2-酮(2)為原料，通過Baeyer-Villiger氧化與乙醛的醛縮合產(chǎn)物，合成西瓜醛(1)。

最近，Corma等提出了Sn-Beta和Sn-MCM-41材料，用于環(huán)狀酮和芳香醛的化學選擇性Baeyer-Villiger氧化，以過氧化氫作為氧化劑。在合成δ-癸內(nèi)酯（也是一種香料化合物）的過程中，已經(jīng)成功證明了用Sn-Beta進行工業(yè)加工的可行性。該沸石催化劑在無溶劑條件下使用，底物/催化劑的比例很高（高達200 wt/wt），并實現(xiàn)了高周轉(zhuǎn)率（TONs）。我們在此表明，這些材料可以通過這種新的路線合成甜瓜醛，具有高選擇性，并以過氧化氫作為氧化劑。我們進一步證明，錫路易斯酸位點比其他路易斯或布倫斯特酸位點具有更好的催化作用。

檸檬醛（3）用過氧化氫與一系列溶劑，如乙腈、異丙醇、叔丁醇、叔戊醇和環(huán)己醇（3.00克）進行了氧化。在所有情況下，甲酸酯4（即檸檬醛的Baeyer-Villiger氧化產(chǎn)物）和甜瓜醛（1）是獲得的主要產(chǎn)品，當使用醇類作為溶劑時，其添加選擇性為95%。由于產(chǎn)品4在催化量NaOH的存在下很容易定量地轉(zhuǎn)化為甜瓜醛，我們可以說，通過這種新的無鹵化學途徑，有可能以高選擇性（95%）生產(chǎn)醛的同源物。當不同產(chǎn)品的產(chǎn)量與總轉(zhuǎn)化率作對比時，可以看出烯醇酯4是主要的不穩(wěn)定產(chǎn)品，而甜瓜醛（1）是次要的穩(wěn)定產(chǎn)品。這種行為與檸檬醛的Baeyer-Villiger氧化形成西瓜醛（4）的甲酸酯是一致的，而甜瓜醛將是通過其水解產(chǎn)生的次級產(chǎn)品。主要的副產(chǎn)品，酮2，只形成少量，并作為次級產(chǎn)品出現(xiàn)。這可能是由2,3-環(huán)氧化物5在用過氧化氫打開和Grob碎裂后形成的（見方案3），從而得到酮2。

方案3 Baeyer-Villiger氧化產(chǎn)物醛3的的形成

我們在這里說，酮2的形成需要環(huán)氧化物5的形成。然而，以前曾有人提出Sn-Beta不會催化過氧化氫對烯烴的環(huán)氧化作用，這一點確實被我們沒有檢測到檸檬醛分子中6,7雙鍵的環(huán)氧化作用這一事實所證實。然而，對于α,β位置的雙鍵到羰基，如發(fā)生在檸檬醛（3）的情況下，環(huán)氧化物可以通過Sn-Beta催化劑催化的Weitz-Scheffer型環(huán)氧化作用形成（盡管數(shù)量很少）。通過原位紅外光譜確定，羰基氧與路易斯酸錫中心相協(xié)調(diào)，導致羰基的碳原子上產(chǎn)生正的部分電荷。然后，在α，β-不飽和醛的情況下，這種部分電荷可以分散到雙鍵（β位置），因此，Weitz-Scheffer環(huán)氧化的第一步，即對雙鍵的親核攻擊，應該得到促進。然而，這一反應的速度遠遠低于過氧化氫對羰基中的碳原子的相應親核攻擊，而且對環(huán)氧化物的選擇性相當?shù)停?%）。在不同的酒精溶劑中，觀察到的轉(zhuǎn)化率在30-50%之間。無論使用何種溶劑，當我們將溫度提高到100℃時，轉(zhuǎn)化率都略有提高，而選擇性仍為95%～。在120℃時，5分鐘的反應時間后已經(jīng)實現(xiàn)了52%的轉(zhuǎn)化率，相當于257的轉(zhuǎn)化率（每摩爾Sn轉(zhuǎn)化的摩爾數(shù)）和3060的轉(zhuǎn)化率（每摩爾Sn每小時轉(zhuǎn)化的摩爾數(shù)）。當反應時間在此溫度下延長至1小時時，無法檢測到進一步的轉(zhuǎn)化，但選擇性卻略有下降。對過氧化氫的選擇性總是在98%以上，因此，控制反應物總是檸檬醛（3）。因此，沒有獲得檸檬醛的完全轉(zhuǎn)化的事實可以歸因于催化劑失活或由于在Langmuir-Hinshelwood意義上的競爭性吸附的產(chǎn)品在催化位點的吸附導致的催化劑抑制。這種類型的產(chǎn)品抑制已經(jīng)在其他同質(zhì)和異質(zhì)路易斯酸催化的反應中被觀察到。正如我們在Sn-Beta存在的情況下用過氧化氫氧化環(huán)己酮時觀察到的那樣，水通過在Sn位點上的競爭性吸附對反應速率有負面作用。在任何情況下，在內(nèi)酯產(chǎn)品的情況下，競爭性吸附效應更為重要。當這種競爭性吸附發(fā)生時，催化劑不應該遭受永久性的失活，其活性應該僅僅通過產(chǎn)品的解吸來恢復。事實上，在西瓜醛的情況下，催化劑可以在每次運行后重新使用，通常在200℃和2 Torr下簡單活化2小時。每次轉(zhuǎn)化率為50%這一事實要求在整個工業(yè)過程中引入分離和回收步驟。我們將Sn-Beta的氧化活性和選擇性與其他潛在催化劑進行了比較。例如，在100?C下反應1小時后，Al-Beta催化劑的轉(zhuǎn)化率只有Sn-Beta催化劑的30%，即17%對53%，而不需要的酮2則被觀察到有很大的產(chǎn)率。在用Al-Beta對芳香族醛進行Baeyer-Villiger氧化時，發(fā)現(xiàn)了與Sn-Beta類似的活性，但對具有孤立雙鍵的底物除外。已經(jīng)證明，當反應物分子中存在烯烴基團時，Al-Beta催化劑很容易通過形成相當穩(wěn)定的非活性碳化物和/或通過笨重的低聚物堵塞孔隙而失活。這確實也是在檸檬醛/梅隆納的情況下可能發(fā)生的情況。在Meerwein-Ponndorf-Verley反應中，Zr-Beta的性能與Sn-Beta相似，甚至比它更好。然而，在檸檬醛（3）的Baeyer-Villiger氧化中，Zr-Beta的活性和選擇性都不如Sn-Beta。它的轉(zhuǎn)化率為28%，對所需的1+4產(chǎn)物的選擇性僅為59%。融入Beta結(jié)構(gòu)的鈦導致低轉(zhuǎn)換率和低選擇性。除了Baeyer-Villiger氧化外，還觀察到環(huán)氧化，產(chǎn)生了產(chǎn)品6和7（方案4）。沒有金屬摻入的Si-Beta母體系統(tǒng)沒有顯示出催化活性，SnCl4的轉(zhuǎn)化率非常低。

方案4 Ti-Beta/過氧化氫和m-CPBA在檸檬醛氧化過程中生成的產(chǎn)物(3)

用Sn-MCM-41獲得了有趣的結(jié)果，錫含量為9和2 wt%時，檸檬醛的轉(zhuǎn)化率分別為46和40%，對所需產(chǎn)品具有高選擇性。正如在環(huán)酮的Baeyer-Villiger氧化中已經(jīng)觀察到的那樣，Sn-Beta在本質(zhì)上比Sn-MCM-41更活躍，只要底物能夠在沒有任何立體限制的情況下擴散通過Beta通道。另一方面，當沸石的孔隙尺寸對反應物有擴散限制時，那么Sn取代的介孔分子篩可以成為沸石的替代品。我們可以看到，當環(huán)檸檬醛（8；2,6,6-三甲基-1-環(huán)己烯-1-甲醛）與Sn-Beta反應時，轉(zhuǎn)化率下降到43%；然而，對所需產(chǎn)品的選擇性只有36%（缺少的64%是Baeyer-Villiger氧化的不尋常的regioisomer）。相比之下，Sn-MCM-41（在SnO2中占2wt%）將90%的α,β-不飽和醛8轉(zhuǎn)化為相應的甲酸酯，而沒有任何皂化為酮10（方案5）。

方案5 醛8的Baeyer-Villiger。反應條件:0.5 g環(huán)檸檬醛(8;3.7 mmol)， 1.5等量的雙氧水(50%)，50 mg Sn-Beta或Sn-MCM-41(每2 wt%的SnO2)， 3.0 g叔戊醇，100?C反應溫度，反應時間1小時。

甜瓜醛的逆合成分析及周環(huán)步機理的研究 [2]

首先對甜瓜醛進行逆合成分析。

甜瓜醛的逆合成分析

我們看到，甜瓜醛是一個長鏈結(jié)構(gòu)，有兩個官能團，一個是醛基，一個是碳碳雙鍵，并且二者被3個sp3雜化碳分隔，類似的結(jié)構(gòu)往往可以通過周環(huán)反應來構(gòu)筑。

我們將鏈狀的甜瓜醛1a重畫成環(huán)狀，得到1b。而后考慮到醛可以由烯醇互變異構(gòu)得到，我們將甜瓜醛對應的烯醇式甜瓜烯醇1c 畫出，發(fā)現(xiàn)它是一個典型的可以發(fā)生Cope重排的化合物。

cope重排

并且由于烯醇式到醛式的互變異構(gòu)對平衡的拉動，該Cope重排可以進行得很完全

畫出Cope重排反應物：醇1d

該醇顯然可以通過格氏試劑與醛加成的方法獲得，此處為了為了表達方便，僅畫出了烷基氯化鎂的單體結(jié)構(gòu)，實際的格氏試劑中還含有團簇化合物等，親核加成機理也十分復雜，詳見以下文章：

The Grignard Reaction-Unraveling a Chemical Puzzle, J. Am. Chem. Soc.2020. ASAP, DOI: 10.1021/jacs.9b11829

至于格氏試劑的獲得也十分方便，僅需對應的鹵化物與鎂在THF中反應即可。而該鹵化物可由異戊二烯在氯化亞銅的催化作用下與HCl部分加成獲得。其中的異戊二烯可以通過石油裂解非常便宜地獲得。至于甲基丙烯醛，則可通過異丁烯被過渡金屬氧化物在氧氣氣氛中催化氧化獲得，或者通過 Riley氧化獲得。

過渡金屬氧化物及熱催化裝置

Riley氧化

異丁烯在工業(yè)上幾乎都是由煉廠氣和裂解C4餾分中獲得，也很便宜。至此，逆合成分析結(jié)束。

參考文獻

[1] Avelino Corma, Sara Iborra, María Mifsud, Michael Renz, A new, alternative, halogen-free synthesis for the fragrance compound Melonal using zeolites and mesoporous materials as oxidation catalysts, Journal of Catalysis,2005,234(1),96-100. doi.10.1016/j.jcat.2005.06.006.

[2] https://www.bilibili.com/read/cv12869727