甜瓜醛 Melonal

青香 GREEN

強(qiáng)烈的青香,甜瓜,黃瓜樣香氣

甜瓜醛能提供一種強(qiáng)烈而獨(dú)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(qiáng)烈的新鮮甜瓜似清香。不十分穩(wěn)定。閃點(diǎn)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(shí)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(qiáng)。主要用于配制甜瓜、黃瓜和熱帶水果型香精。

在日用化學(xué)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(qiáng)的新鮮氣息，亦可用于掩飾某些加香介質(zhì)中的不良?xì)庀??？蓮V泛用于瓜香、水果香和蔬菜香味的食用香精中。

毒理學(xué)性質(zhì) GRAS（FEMA）。

質(zhì)量指標(biāo) 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(qiáng)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(dá)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(jìn)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(gè)碳原子的醛是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過程，不能一步到位。出于這個(gè)原因，使用鹵化酯的達(dá)爾森反應(yīng)，然后進(jìn)行皂化和脫羧，就可以達(dá)到這個(gè)目的。

方案1 通過達(dá)爾森(Darzens)反應(yīng)和隨后的脫羧反應(yīng)，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(yīng)，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(shí)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(dāng)有吸引力的，不僅因?yàn)樗簧婕叭魏嘻u化產(chǎn)品，而且還因?yàn)闄幟嗜?）是廉價(jià)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(gè)復(fù)雜的問題，即醛鏈中存在一個(gè)三取代的雙鍵，而進(jìn)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(shí)上，當(dāng)我們用甲氯過苯甲酸（m-CPBA）對檸檬醛進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，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(xué)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(jìn)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(dá)200 wt/wt），并實(shí)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(jìn)一步證明，錫路易斯酸位點(diǎn)比其他路易斯或布倫斯特酸位點(diǎn)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(jìn)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(dāng)使用醇類作為溶劑時(shí)，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(xué)途徑，有可能以高選擇性（95%）生產(chǎn)醛的同源物。當(dāng)不同產(chǎn)品的產(chǎn)量與總轉(zhuǎn)化率作對比時(shí)，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(diǎn)確實(shí)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(shí)所證實(shí)。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(dǎo)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(yīng)該得到促進(jìn)。然而，這一反應(yīng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于過氧化氫對羰基中的碳原子的相應(yīng)親核攻擊，而且對環(huán)氧化物的選擇性相當(dāng)?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(dāng)我們將溫度提高到100℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率都略有提高，而選擇性仍為95%～。在120℃時(shí)，5分鐘的反應(yīng)時(shí)間后已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了52%的轉(zhuǎn)化率，相當(dāng)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(shí)轉(zhuǎn)化的摩爾數(shù)）。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在此溫度下延長至1小時(shí)時(shí)，無法檢測到進(jìn)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(yīng)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(shí)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(diǎn)的吸附導(dǎo)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(yīng)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(shí)觀察到的那樣，水通過在Sn位點(diǎn)上的競爭性吸附對反應(yīng)速率有負(fù)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(yīng)更為重要。當(dāng)這種競爭性吸附發(fā)生時(shí)，催化劑不應(yīng)該遭受永久性的失活，其活性應(yīng)該僅僅通過產(chǎn)品的解吸來恢復(fù)。事實(shí)上，在西瓜醛的情況下，催化劑可以在每次運(yùn)行后重新使用，通常在200℃和2 Torr下簡單活化2小時(shí)。每次轉(zhuǎn)化率為50%這一事實(shí)要求在整個(gè)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(jìn)行了比較。例如，在100?C下反應(yīng)1小時(shí)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(jìn)行Baeyer-Villiger氧化時(shí)，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(dāng)反應(yīng)物分子中存在烯烴基團(tuán)時(shí)，Al-Beta催化劑很容易通過形成相當(dāng)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(shí)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(yīng)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(dǎo)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(shí)，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(kuò)散通過Beta通道。另一方面，當(dāng)沸石的孔隙尺寸對反應(yīng)物有擴(kuò)散限制時(shí)，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(dāng)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(yīng)時(shí)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)溫度，反應(yīng)時(shí)間1小時(shí)。

甜瓜醛的逆合成分析及周環(huán)步機(jī)理的研究 [2]

首先對甜瓜醛進(jìn)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(gè)長鏈結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)官能團(tuán)，一個(gè)是醛基，一個(gè)是碳碳雙鍵，并且二者被3個(gè)sp3雜化碳分隔，類似的結(jié)構(gòu)往往可以通過周環(huán)反應(yīng)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(yīng)的烯醇式甜瓜烯醇1c 畫出，發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)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(jìn)行得很完全

畫出Cope重排反應(yīng)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(dá)方便，僅畫出了烷基氯化鎂的單體結(jié)構(gòu)，實(shí)際的格氏試劑中還含有團(tuán)簇化合物等，親核加成機(jī)理也十分復(fù)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(yīng)的鹵化物與鎂在THF中反應(yīng)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(xiàn)

[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