超临界二氧化碳介入的α-松油醇催化合成1，8-桉叶素

超临界二氧化碳介入的α-松油醇催化合成1，8-桉叶素

洪燕珍 王笛李卓昱徐亚南王宏涛苏玉忠彭丽李军

摘 要提出超临界二氧化碳介入α-松油醇异构合成1,8-桉叶素的方法，并采用二极管阵列检测器测量超临界二氧化碳下α-松油醇/环己烷体系的最大吸收波长研究二氧化碳加入量与极性的关系。考察了溶剂体系极性、溶剂量和二氧化碳压力对磷钨酸/聚离子液体（PW/PIL）催化剂催化α-松油醇异构合成1,8-桉叶素的影响，并探讨了超临界二氧化碳介质中，PW/PIL催化剂催化α-松油醇异构合成1,8-桉叶素可能的反应机理。开发了一种绿色高效的1,8-桉叶素合成工艺，当环己烷/α-松油醇的质量比10∶1，PW/PIL催化剂/α-松油醇的摩尔比0.0163∶1，CO 2 压力19.0 MPa，50℃反应8 h时，α-松油醇的转化率为89.3%，1,8-桉叶素的选择性为54.6%。研究表明，超临界二氧化碳起到共溶剂、膨胀溶剂、降低溶剂体系极性的三重作用，从而改善了催化剂的团聚现象，提高了1,8-桉叶素的选择性。

关键词α-松油醇；1,8-桉叶素；超临界二氧化碳；二极管阵列检测器；极性

引 言

Mitchell [ 14] 、Fari?a等 [ 15] 和崔军涛等 [ 16] 利用液体酸催化松油醇合成 1,8-桉叶素，但液体酸用量大且回收利用困难。Le?o Lana等 [ 17-18 ] 和张东丽等 [ 19-20 ] 采用固载型磷钨酸/二氧化硅为催化剂，催化α-松油醇异构合成1,8-桉叶素，α-松油醇的转化率和1,8-桉叶素的选择性最高分别为100%和42.60%，但存在PW易被洗脱、活性低等问题 [ 21-22 ] 。

本课题组前期探索了磷钨酸/聚离子液体(PW/PIL)催化剂催化α-松油醇异构合成1,8-桉叶素，在环己烷为溶剂，环己烷/α-松油醇/催化剂的质量比为33.7∶1∶0.388时，常压50℃反应8 h，α-松油醇的转化率为100%，1,8-桉叶素的选择性为51.7% [ 23-25 ] 。但该条件下有机溶剂用量较大，不利于工业化生产。为此，寻找合适的溶剂体系，兼具提高溶胀效应和降低溶剂极性的作用，有效地降低有机溶剂的用量，并进一步提高1,8-桉叶素的选择性成为亟需解决的问题。

超临界 CO 2 具有无毒、无残留、扩散阻力小等优势，用超临界CO 2 替代反应过程中大量使用的有机溶剂，引起了研究者的广泛关注。本研究提出并建立超临界CO 2 介入α-松油醇异构合成1,8-桉叶素的方法，以降低有机溶剂用量，提高1,8-桉叶素选择性，开发一种绿色环保高效的1,8-桉叶素催化合成工艺。以二极管阵列检测器测定超临界CO 2 下体系的极性，并研究超临界CO 2 对溶剂体系极性和溶胀效应的影响，以理解超临界CO 2 中α-松油醇异构合成1,8-桉叶素的反应机理。

1 实验材料和方法

1.1 试剂与仪器

CO 2 ，≥99.9%，林德气体（厦门）有限公司；环己烷，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；α-松油醇，≥98.0%，百灵威科技有限公司；酚蓝，97%，Sigma-Aldrich公司；1,8-桉叶素，≥99.5%，福建省闽山化工有限公司。磷钨酸，AR，国药集团化学试剂有限公司。1-丁基-3-乙烯基咪唑溴盐，99%，兰州雨陆精细化工有限公司。超临界CO 2 反应装置，自制；气相质谱联用仪，岛津制作所，QP2010型；气相色谱仪，安捷伦科技有限公司，GC7890A。

1.2 PW/PIL催化剂的制备

称取一定量的1-丁基-3-乙烯基咪唑溴盐溶解于甲醇中，加入引发剂偶氮二异丁腈进行聚合反应，真空干燥获得固体PIL。PW与1-丁基-3-乙烯基咪唑溴盐单体摩尔比为 1∶3，将PW乙醇溶液以固定的速度滴加至PIL乙醇溶液中搅拌反应，反应所得悬浊液采用超临界CO 2 进行干燥，制备得PW/PIL催化剂 [ 23, 26] 。

1.3 1，8-桉叶素的合成

自制的超临界CO 2 反应装置如图1所示，称取3 g α-松油醇和相应比例的环己烷置于高压釜中，加热至预设温度，加入定量所制备的PW/PIL催化剂，密封高压釜。通过压缩机注入 CO 2 达到反应压力，搅拌反应至预定时间后，缓慢泄压并降温收集产物。采用气相质谱联用仪和气相色谱仪对产物进行分析。

图1超临界CO2反应装置图Fig.1The schematic diagram for reaction in supercritical CO2

1—背压阀;2—压缩机;3—高压釜;4—CO 2 气瓶;5—水浴锅;6—磁子;7—缓冲釜;V-1~V-3—截止阀;T—控温系统;P—压力表

1—back pressure regulator; 2—compressor; 3—high pressure reactor; 4—cylinder; 5—water bath; 6—magnetic stirrer; 7—buffer tank; V-1—V-3—valves; T—temperature controller; P—pressure gage

2 实验结果与讨论

2.1 常压下环己烷用量的影响

由于聚离子液体具有柔性骨架，PW/PIL在环己烷体系中出现明显的溶胀现象，有利于活性组分PW在反应体系中充分暴露，促进α-松油醇的催化反应。常压下，PW/PIL催化剂与α-松油醇的摩尔比为0.0163∶1，50℃反应8 h时，考察了溶剂环己烷用量对催化效果的影响。采用分光光度计，通过酚蓝的溶剂化显色效应，测量了不同环己烷/α-松油醇组成下的体系最大吸收波长，结果见图2。

图2环己烷用量对催化活性和极性的影响Fig.2Effect of solvent usage on catalytic activity and polarity

由图可知，随着环己烷量的减少，体系最大吸收波长增大，体系极性逐渐增大，催化剂的溶胀效应减弱呈团聚趋势，活性组分PW的分散性降低，导致转化率和选择性均下降。当环己烷/α-松油醇的质量比降低到10∶1以下时，催化剂出现团聚现象，推测体系极性对催化效果具有非常重要的影响。据此，提出了挥发性和非极性的超临界CO 2 介入该反应体系，与非挥发性和极性的离子液体可形成性能独特的两相体系，将降低有机溶剂用量，推动催化过程绿色化。

2.2 超临界CO 2 对极性的影响

当溶剂极性变高时，最大吸收波长向短波移动，即蓝移；最大吸收波长向长波移动，即红移。Kelley等 [ 27] 采用高压紫外可见光谱装置检测了CO 2 /有机溶剂混合体系的极性变化，随着CO 2 含量的增大，混合体系的最大吸收波长向短波移动，体系极性降低。本研究则采用二极管阵列检测器（超临界流体色谱仪自带，美国 Waters 公司，SFC Pre30型）测量高压下α-松油醇/环己烷/CO 2 体系的最大吸收波长，与常压下的环己烷/α-松油醇的最大吸收波长进行比较（表1），当CO 2 压力增大时，体系的最大吸收波长减小。

表1 α-松油醇/环己烷体系的最大吸收波长Table 1 The maximum absorption wavelength of the α-terpineol/cyclohexane mixture

由图3可知，在一定压力下，随着CO 2 的增加，α-松油醇/环己烷/CO 2 体系的最大吸收峰的位置向短波移动，体系的最大吸收波长减小，体系极性减小。该方法具有良好的准确性，快速、简便地获取高压体系的极性变化趋势，可指导α-松油醇催化过程研究。

图3超临界CO2下α-松油醇/环己烷体系的最大吸收波长Fig.3The maximum absorption wavelength of the α-terpineol/cyclohexane mixture in supercritical carbon dioxide

2.3 超临界CO 2 对α-松油醇/环己烷体系的溶胀作用

一定温度、压力下，采用高压可视釜 [ 28-29 ] ，研究了超临界CO 2 /环己烷、超临界CO 2 /α-松油醇以及超临界CO 2 /α-松油醇/环己烷的溶胀情况；利用Peng-Robinson状态方程结合Panagiotopoulos-Reid混合规则，对超临界CO 2 /环己烷体系的溶胀率进行计算，结果如图4所示。在二元体系中，随着CO 2 压力的增大，环己烷的体积增大，说明环己烷可被二氧化碳溶胀；在CO 2 压力较小时，环己烷的溶胀效果较不明显，当CO 2 压力在临界值附近，其溶胀效果突增，与计算结果吻合。超临界CO 2 对α-松油醇的溶胀效果不明显，表明CO 2 在α-松油醇中的溶解度较低。在三元体系中，超临界CO 2 溶胀α-松油醇/环己烷混合溶液的趋势，与纯环己烷的基本一致。由此说明，超临界CO 2 可以较好地溶胀α-松油醇/环己烷体系。

图4超临界CO2/α-松油醇/环己烷体系的溶胀曲线Fig.4Volume expansion of the supercritical carbon dioxide/α-terpineol/cyclohexane systems

2.4 超临界CO 2 介质中环己烷用量的影响

在CO 2 压力13.0 MPa，环己烷为溶剂，PW/PIL催化剂/α-松油醇的摩尔比0.0163∶1，50℃反应8 h的条件下，考察了环己烷用量对α-松油醇转化率和1,8-桉叶素选择性的影响（图5）。随着环己烷/α-松油醇的质量比的增大，α-松油醇转化率和1,8-桉叶素选择性均呈增大趋势。当质量比升高至10∶1后，1,8-桉叶素的选择性基本稳定，保持在50%左右，α-松油醇的转化率略有增高。相较于常压溶剂体系（图2），当环己烷/α-松油醇的质量比小于10∶1时，CO 2 的介入显著提高α-松油醇的转化率和1,8-桉叶素的选择性。

图5超临界CO2中溶剂用量对催化活性的影响Fig.5Effect of solvent usage in supercritical carbon dioxide on catalytic activity

超临界CO 2 的介入，既能溶胀环己烷又能充当溶剂，使催化剂得到更好的分散，活性组分PW更易暴露于反应体系中，提高催化效果。同时，超临界CO 2 的介入降低了溶剂体系的极性（表1），改善催化剂的团聚现象，促进PW/PIL-4的催化作用。当环己烷与α-松油醇质量比为10∶1时，1,8-桉叶素的选择性可达到55.8%。综合转化率和经济性，较佳的环己烷/α-松油醇的质量比为10∶1。

2.5 反应压力的影响

在环己烷为溶剂，PW/PIL催化剂/α-松油醇的摩尔比为0.0163∶1，环己烷/α-松油醇的质量比为 10∶1，50℃反应8 h的条件下，分别考察了CO 2 压力为5.0、7.0、13.0、19.0 MPa下的α-松油醇转化率和1,8-桉叶素选择性，结果如图6所示。

图6超临界CO2中压力对催化活性的影响Fig.6Effect of pressure in supercritical carbon dioxide on catalytic activity

由图可知，当压力增大时，可提高α-松油醇的转化率和1,8-桉叶素的选择性。当压力为19.0 MPa时，α-松油醇的转化率89.3%，1,8-桉叶素的选择性为54.6%。

超临界CO 2 压力越高，超临界CO 2 /环己烷溶剂体系的渗透性越强，越有利于α-松油醇进入催化剂的活性中心进行反应，提高了α-松油醇的转化率；同时超临界CO 2 的介入降低了溶剂体系的极性，不仅改善催化剂的团聚现象，还有助于极性较低的 1,8-桉叶素从活性中心脱附出来，进入聚离子液体的疏水相，提高了1,8-桉叶素的选择性。考虑到操作的实际性，避免过高压力，较佳的压力为19.0 MPa。

2.6 超临界CO 2 介入下PW/PIL催化α-松油醇可能的反应机理

PW/PIL 催化α-松油醇合成1,8-桉叶素的过程中，载体PIL的亲油性质与活性组分PW的亲水性形成了催化剂表面微环境的亲疏水平衡，促进极性分子α-松油醇迅速从催化剂表面进入PW阴离子建构的“假液相” [ 30-32 ] 体相内，α-松油醇在“假液相”内被质子化形成中间产物，中间产物脱水生成1,8-桉叶素及其副产物，极性较低的产物1,8-桉叶素从活性中心不断地脱附，进入PIL的疏水相内，从而促进α-松油醇异构合成1,8-桉叶素，提高了1,8-桉叶素的选择性 [ 23-24 ] 。

超临界CO 2 介入，起到了充当共溶剂、膨胀溶剂和降低体系极性的三重作用，更有助于极性分子α-松油醇迅速进入PW/PIL 催化剂构成的“假液相”中，被质子化生成中间体C 10 H 17 OH 2 + 和C 10 H 18 OH + 。随着CO 2 压力增大，溶剂体系极性降低，α-松油醇更易于被质子化生成中间体C 10 H 18 OH + 进而生成1,8-桉叶素，且极性较低的1,8-桉叶素也更易于从活性中心脱附，有效地促进了主反应的正向进行，提高了1,8-桉叶素的选择性和收率。

3 结 论

(1) 提出了超临界CO 2 介入α-松油醇异构合成1,8-桉叶素的绿色高效方法，有效地降低了有机溶剂的用量，提高了1,8-桉叶素的选择性。当CO 2 压力为5.0～19.0 MPa，随着压力增大，α-松油醇的转化率和1,8-桉叶素的选择性均增大。优化出超临界CO 2 介入的催化条件：环己烷/α-松油醇的质量比 10∶1，PW/PIL催化剂/α-松油醇的摩尔比0.0163∶1，CO 2 压力19.0 MPa，50℃反应8 h，α-松油醇的转化率为89.3%，1,8-桉叶素的选择性为54.6%。

(2) 探讨了超临界CO 2 作为共溶剂介入下PW/PIL催化α-松油醇可能的反应机理，溶剂膨胀，体系极性降低，催化剂更好地分散在溶剂中，从而促进α-松油醇被质子化生成中间体C 10 H 18 OH + ，抑制α-松油醇被质子化生成中间体 ，有利于α-松油醇异构生成1,8-桉叶素。

1. 尹晓燕, 王燕燕. 1, 8-桉叶素药理作用及其机制研究进展[J]. 生命的化学, 2020, 40(11): 2026-2034.

Yin X Y, Wang Y Y. Research progress on pharmacological activities and mechanism of 1, 8-cineole[J]. Chemistry of Life, 2020, 40(11): 2026-2034.

3. Santos F A, Rao V S N. Antiinflammatory and antinociceptive effects of 1, 8-cineole a terpenoid oxide present in many plant essential oils[J]. Phytotherapy Research, 2000, 14(4): 240-244.

4. Southwell I. Eucalyptus leaf oils: use, chemistry, distillation and marketing[J]. Journal of Chromatography A, 1992, 598(2): 316.

5. 田玉红, 张祥民, 黄泰松, 等. 桉叶油的研究进展[J]. 食品与发酵工业, 2007, 33(10): 139-143.

Tian Y H, Zhang X M, Huang T S, et al. Research advances on the essential oils from leaves of eucalyptus[J]. Food and Fermentation Industries, 2007, 33(10): 139-143.

6. 李士雨, 王静康. 桉叶素应用与制备综述[J]. 精细化工, 1995, 12(5): 12-15.

Li S Y, Wang J K. A review about the application and refinement of 1,8-cineole[J]. Fine Chemicals, 1995, 12(5): 12-15.

7. Wu H W, Hendrawinata W, Yu Y, et al. Effect of hydrodistillation on 1, 8-cineole extraction from mallee leaf and the fuel properties of spent biomass[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(19): 11280-11287.

8. 田玉红. 广西桉叶挥发性成分分析及抗菌抗氧化性能研究[D]. 南宁: 广西大学, 2006.

Tian Y H. Chemical composition, antimicrobial and antioxidative properties of volatile components from leaves of eucalyptus growing in Guangxi[D]. Nanning: Guangxi University, 2006.

9. 田玉红, 刘雄民, 周永红, 等. 圆角桉叶精油的化学成分[J]. 食品科学, 2007, 28(1): 36-38.

Tian Y H, Liu X M, Zhou Y H, et al. Chemical compositions of essential oil of eucalyptus umbellate growing in Guangxi[J]. Food Science, 2007, 28(1): 36-38.

10. 王健英. 1,8-桉叶油素的提取与提纯[D]. 天津: 天津大学, 2004.

Wang J Y. The extraction and purify of 1, 8-cineole[D]. Tianjin: Tianjin University, 2004.

11. 应安国, 许松林, 徐世民. 间歇真空精馏提纯桉叶油的研究[J]. 林产工业, 2005, 32(2): 29-31.

Ying A G, Xu S L, Xu S M. Purification of 1, 8-cineol by vacuum batch distillation[J]. China Forest Products Industry, 2005, 32(2): 29-31.

12. 李士雨. 桉叶素的纯化[J]. 精细化工, 2006, 23(1): 35-37.

Li S Y. Purification process of 1,8-cineole[J]. Fine Chemicals, 2006, 23(1): 35-37.

15. Fari?a L, Boido E, Carrau F, et al. Terpene compounds as possible precursors of 1, 8-cineole in red grapes and wines[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2005, 53(5): 1633-1636.

17. Le?o Lana E J, da Silva Rocha K A, Kozhevnikov I V, et al. Synthesis of 1, 8-cineole and 1, 4-cineole by isomerization of α-terpineol catalyzed by heteropoly acid[J]. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2006, 259(1/2): 99-102.

19. 张东丽. 负载型磷钨酸催化合成1,8-桉叶素的研究[D]. 厦门: 厦门大学, 2014.

Zhang D L. Study of synthesis by supported phosphotungstic acids catalyst[D]. Xiamen: Xiamen University, 2014.

21. Wu S S, Wang J, Zhang W H, et al. Preparation of keggin and preyssler heteropolyacid catalysts on amine-modified SBA-15 and their catalytic performances in esterification of n -butanol with acetic acid[J]. Catalysis Letters, 2008, 125(3/4): 308-314.

22. Wu S S, Liu P, Leng Y, et al. Heteropolyacids anchored on amino-functionalized MCM-41 via condensation as reusable catalysts for esterification[J]. Catalysis Letters, 2009, 132(3/4): 500-505.

24. 吴榕君. 咪唑类聚离子液体固载磷钨酸及其催化α-松油醇异构合成1, 8-桉叶素的研究[D]. 厦门: 厦门大学, 2017.

Wu R J. Study of phosphotungstic acid immobilized on imidazolium-based poly (ionic liquid)and its application for isomerization of α-terpineol to 1, 8-cineole[D]. Xiamen: Xiamen University, 2017.

27. Kelley S P, Lemert R M. Solvatochromic characterization of the liquid phase in liquid-supercritical CO 2 mixtures[J]. AIChE Journal, 1996, 42(7): 2047-2056.

28. Hua D, Hong J D, Hu X H, et al. Solid-liquid-gas equilibrium of the naphthalene-biphenyl-CO 2 system: measurement and modeling[J]. Fluid Phase Equilibria, 2010, 299(1): 109-115.

29. 花丹, 洪燕珍, 苏玉忠, 等. 高压等温结晶研究装置的建立及初步应用[J]. 化工进展, 2011, 30(S1): 59-61.

Hua D, Hong Y Z, Su Y Z, et al. An apparatus for high-pressure isothermal crystallization study and its tentative application[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2011, 30(S1): 59-61.

30. 王恩波, 赵世良, 郑汝骊. 杂多酸型催化剂[J]. 石油化工, 1985, 14(10): 615-625.

Wang E B, Zhao S L, Zheng R L. Heteropolyacids catalyst[J]. Petrochemical Technology, 1985, 14(10): 615-625.

31. Nishimura T, Okuhara T, Misono M. High catalytic activities of pseudoliquid phase of dodecatungstophosphoric acid for reactions of polar molecules[J]. Chemistry Letters, 1991, 20(10): 1695-1698.

Catalytic isomerization of α-terpineol to 1,8-cineole in supercritical carbon dioxide

HONG Yanzhen WANG DiLI ZhuoyuXU YananWANG HongtaoSU YuzhongPENG LiLI Jun

Abstract: This work proposes a method for supercritical carbon dioxide to intervene α-terpineol to synthesize 1,8-cineole. In addition, the diode-array detector was employed to measure the maximum absorption wavelength of the α-terpineol/cyclohexane mixture in supercritical carbon dioxide for analysis of the relationship between the amount of carbon dioxide and the polarity of the system. The catalytic isomerization was studied by considering the effects of polarity, solvent amount, and carbon dioxide pressure. The plausible mechanism for isomerization of α-terpineol to 1,8-cineole by phosphotungstic acid/poly(ionic liquid) (PW/PIL) in supercritical carbon dioxide was proposed. This work offers a novel green and efficient supercritical technique for the synthesis of 1,8-cineole. In supercritical carbon dioxide, 89.3% conversion of α-terpineol and 54.6% selectivity to 1,8-cineole were obtained with the mass ratio of cyclohexane to α-terpineol 10∶1 and the molar ratio of PW/PIL catalyst to α-terpineol 0.0163∶1, at 19.0 MPa, 50℃ for 8 h. The results showed that supercritical carbon dioxide as co-solvent expanded the applied solvent as well as reducing the polarity of the system; therefore, the catalyst aggregation was alleviated obviously, and as a result the selectivity of 1,8-cineole was increased.

Keywords: α-terpineol；1,8-cineole；supercritical carbon dioxide；diode-array detector；polarity

中图分类号：TQ 032.4

章编号：0438-1157（2021）07-3680-06

献标识码：A

收稿日期：2020-12-16

修回日期：2021-01-21

出版日期：2021-07-05

刊发布日期：2021-07-16