背景及概述

吡嗪類化合物是一類最重要的雜環(huán)香料，其香氣特征突出，大多具有濃郁的咖啡、堅(jiān)果和榛子香味，以及焙烤焦樣香氣。人們在研究卷煙煙氣的致香成分時(shí)發(fā)現(xiàn)，吡嗪類是構(gòu)成卷煙主流煙氣特征氣味化學(xué)成分中非常重要的一類化合物。吡嗪類化合物被廣泛地用于食品和煙草香精，其合成與應(yīng)用受到了極大關(guān)注和青睞。5-甲基-6，7-二氫-5H-環(huán)戊并吡嗪是一種人丁合成的香料，具有烘焙和花生類的特殊香氣，還帶一點(diǎn)淡淡的香，其特征香氣明顯、熱穩(wěn)定性好，與許多香精香料復(fù)配后用于食品的增香。

制備

關(guān)于5-甲基-6，7-二氫-5H-環(huán)戊并吡嗪的合成報(bào)道較少，其合成途徑主要有 3種：以苯作溶劑、氧氣作氧化劑在低溫下合成了目標(biāo)產(chǎn)物；二氧化錳代替氧氣作氧化劑，在常溫下反應(yīng)；一種氨基酸在高溫高壓下反應(yīng)，合成目標(biāo)產(chǎn)物的方法。本文以甲基環(huán)戊烯醇酮和乙二胺為原料、無水乙醇代替苯作溶劑，再用二氧化錳進(jìn)行氧化脫氫，進(jìn)行5-甲基-6，7-二氫-5H-環(huán)戊并吡嗪的合成[1]。合成路線見下圖。

圖1  5-甲基-6，7-二氫-5H-環(huán)戊并吡嗪的合成路線圖

二氧化錳的制備

將600 m L水加入 2 L 的三頸瓶中，在快速攪拌下，向其中加入 96 g高錳酸鉀，升溫至70 ℃。稱取 85 g硫酸錳 和 80 g氫氧化鈉，分別溶于 190 和 120 m L 水中。待二者全部溶解后，將氫氧化鈉溶液倒入硫酸錳溶液中，攪拌均勻后，將其加入到三頸瓶中。在 70 ℃下恒溫?cái)嚢? h，冷卻過濾，用水洗固體至高錳酸鉀的紫色消失，將固體置于115 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中烘15 h ，得79 g棕黑色的二氧化錳固體，再將固體徹底研碎，密封備用。

5-甲基-3，4，6，7-四氫-5H-環(huán)戊并吡嗪(化合物 1)的合成

室溫下向100 m L干燥的三頸瓶中加入無水乙醇和甲基環(huán)戊烯醇酮，攪拌至固體全部溶解；然后加入乙二胺，充分?jǐn)嚢杈鶆颍患訜嶂?8 ℃時(shí)，反應(yīng)體系變?yōu)闊o色透明液體；繼續(xù)升溫 至60 ℃，攪拌反應(yīng)2 h。經(jīng)TLC監(jiān)測，原料反應(yīng)完全。濃縮回收溶劑無水乙醇，得橙黃色固體顆粒。

5-甲基-6，7-二氫-5H-環(huán)戊并吡嗪(化合物2 )的合成

取無水乙醇加入到50 m L圓底燒瓶中，在攪拌下分別加入化合物1，氫氧化鉀和二氧化錳，加熱回流反應(yīng)15 h，TLC 跟蹤監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程。過濾反應(yīng)液，殘余物用無水乙醇分3次洗滌，合并濾液和洗滌液，減壓濃縮至干。粗產(chǎn)物經(jīng)硅膠柱層析分離，用乙酸乙酯一石油醚(1：1，體積比)洗脫，得淡黃色液體。

結(jié)果與討論

反應(yīng)條件對化合物2 收率的影晌

1 反應(yīng)溶劑

以甲苯作溶劑時(shí)，產(chǎn)物收率很低；乙二醇作溶劑時(shí)目標(biāo)產(chǎn)物的收率較高。由于此類氧化芳構(gòu)化反應(yīng)需要在堿性條件下進(jìn)行，而氫氧化鉀難溶于苯及其同系物，所以以甲苯和二甲苯作 溶劑時(shí)反應(yīng)幾乎不進(jìn)行。 乙二醇作溶劑時(shí)，雖有較多產(chǎn)物生成，但其沸點(diǎn)與乙二醇相近，減壓蒸餾時(shí)，難以有效分離。故仍選擇無水乙醇作溶劑。

2 氧化劑

在相同的反應(yīng)條件下，用自制二氧化錳做氧化劑所得的產(chǎn)物收率明顯高于市售二氧化錳，既自制二氧化錳的氧化活性高于市售二氧化錳。故實(shí)驗(yàn)采用自制氧化錳做氧化劑。

3 氫氧化鉀用量

隨著氫氧化鉀用量的增加，化合物 2 的收率逐漸升高，當(dāng)氫氧化鉀：化合物 1 =5：3 (摩爾比)時(shí)，收率達(dá)到值；而后繼續(xù)增加氫氧化鉀的用量，收率開始下降。

4 二氧化錳用量

隨著二氧化錳用量的增加，化合物 2 的收率逐漸增加，當(dāng) n (二氧化錳 )：n (化合物1)=4：1時(shí)達(dá)到最高 ；繼續(xù)增加二氧化錳的用量，化合物 2 的收率開始緩慢下降。其原因可能是由于二氧化錳的用量過多導(dǎo)致攪拌不充分，進(jìn)而影響了原料與二氧化錳的有效接觸，使原料反應(yīng)不完全；另外，二氧化錳量過多時(shí)，會(huì)發(fā)生其他氧化反應(yīng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)物收率下降。

5考察反應(yīng)時(shí)間對收率的影響

隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，化合物2的收率逐漸升高；反應(yīng)時(shí)間達(dá)到15 h 以后，收率基本保持穩(wěn)定。這是由于當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到15 h以后，反應(yīng)體系中大部分原料已基本反應(yīng)完全，殘存的原料很少，導(dǎo)致反應(yīng)進(jìn)程減慢，收率基本無明顯變化。因此，選擇反應(yīng)時(shí)間為15 h。

結(jié)論

以甲基環(huán)戊烯醇酮和乙二胺為原料，無水乙醇作溶劑，合成5-甲基-3，4，6，7-四氫-5H-環(huán)戊并吡嗪(化合物 1)，合成條件為：n (甲基環(huán)戊烯醇酮)：n (乙二胺)= 1：1.5、無水 乙醇20 mL、60 ℃恒溫反應(yīng)2 h；

以二氧化錳作氧化劑，通過對化合物1進(jìn)行氧化脫氫反應(yīng)合成5-甲基-6，7-二氫-5H-環(huán)戊并吡嗪(化合物2 )，合成條件為：n (氫氧化鉀 )：n (二氧化錳 )：n (化合物1)=1：2.4：0.6、無水乙醇體積量為化合物 1 質(zhì)量的10倍、80 ℃反應(yīng)15h 時(shí)。

對化合物 1 的合成 ，本研究中采用無水乙醇作溶劑，與傳統(tǒng)工藝中以苯作溶劑相比，不但縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了收率，而且毒性小，便于回收溶劑，對工業(yè)化生產(chǎn)有重要指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 香料解析：5H-甲基-6，7-二氫環(huán)戊并吡嗪[J]．國內(nèi)外香化信息，2013 ，6：15-17