【视频解读】北京工商大学田红玉教授等：食用香料α-甲硫基甲基肉桂醛的制备

赵禧煊（田红玉教授团队研究生）的讲解

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该文章的视频解读

含硫化合物是一类非常重要的香料化合物,广泛存在于各种食物中,具有阈值低、特征性强的特点,对很多食物的特征香气具有重要贡献^[1]。在近几年美国食用香料与萃取物制造者协会(Flavor and Extract Manufacturers Association,FEMA)公布的“一般公认为安全物质”(generally recognized as safe,GRAS)名单中,含硫化合物的数量比例显著增加,含硫香料在食用香精配方中的重要性日益增强^[2-4]。一些含硫香料的应用得益于合成方法的不断改进和完善,已经实现了规模化的工业生产,如2-甲基-3-呋喃硫醇、糠硫醇及其硫醚类的衍生物,被广泛用于各种食用香精的配方中^[5]。能否通过简便可行的方法实现工业化生产,成为制约很多食用香料普及应用的关键因素。因此有关含硫香料化合物合成方法的研究成为香料化学领域的研究热点之一。α-甲硫基甲基肉桂醛是一个具有典型西兰花、青蚕豆香气的含硫香料化合物,FEMA号为3717。Withycombe等^[6]报道了以苯甲醛和3-甲硫基丙醛为原料通过交叉的羟醛缩合反应制备该香料化合物的方法,但产率只有约8%。受到制备方法的限制,该香料至今未能实现规模化应用。

二甲亚砜在有机合成中常用作非质子的极性溶剂,但近些年不断有文献报道二甲亚砜作为试剂在有机合成中的应用,其可作为各种合成子的来源^[7-10]。本课题组最近也围绕二甲亚砜开展了一些合成方法的研究,建立了一系列新的合成方法,包括烯酸的硫内酯化反应^[11]、烯醇的硫醚化反应^[12]、烯烃的硫氯化反应^[13]和氧硫基化反应^[14]、1,3-二羰基化合物的氯代反应^[15]、酰胺及醛肟的脱水反应^[16]、苯并口恶嗪的制备等^[17],并将其应用到α,β-不饱和-γ-内酯^[18-19]、腈类香料^[20]、含硫香料的制备中^[21-23]。这些新的合成方法通常会涉及二甲亚砜与草酰氯在不同条件下反应产生的活性中间体,如甲基次磺酰氯、二甲基氯代的硫钅翁盐、甲醛、甲基亚甲基硫钅翁盐等。本课题组利用甲基亚甲基硫钅翁盐的中间体制备了一系列的羧酸甲硫基甲酯^[21]以及具有松露特征香气的香料化合物2,4-二硫杂戊烷^[22]。由此笔者设想可否利用二甲亚砜与草酰氯产生的甲基亚甲基硫钅翁盐的中间体与肉桂醛反应,来制备α-甲硫基甲基肉桂醛。本研究初步的想法是利用类似Baylis-Hillman反应的机理,1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷(DABCO)与肉桂醛反应产生亲核的烯醇负离子,其与亲电的甲基亚甲基硫钅翁盐反应,经过消除反应得到α-甲硫基甲基化的产物(图1)。本研究对这个设想的可行性进了探讨研究,以期建立一种更可行的制备α-甲硫基甲基肉桂醛的方法。

图1 食用香料α-甲硫基甲基肉桂醛的制备

Fig.1 Preparation of flavor α-methylthiomethyl cinnamaldehyde

1.1 材料与试剂

二甲基亚砜、草酰氯、肉桂醛、二甲苯、三乙胺、硅胶、石油醚、乙酸乙酯、二氯甲烷、乙腈、甲苯,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷(1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane,DABCO),分析纯,百灵威科技有限公司。其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

AV300型核磁共振仪,瑞士Bruker公司。7890B-5977A型气相色谱-质谱联用仪,配备DB-WAX型色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),美国Agilent公司。

1.3 实验方法

1.3.1 α-甲硫基甲基肉桂醛的合成

在氮气保护下,往250 mL的三口烧瓶中加入溶剂(10.0 mL)和草酰氯(10.0 mmol,0.9 mL),在0 ℃下滴加二甲亚砜和溶剂的混合溶液,滴加完毕后继续搅拌10 min。然后依次向三口烧瓶中加入三乙胺(25 mmol)、DABCO(10 mmol)和肉桂醛(5 mmol),反应混合物升温至相应的反应温度进行回流,用气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)监测反应中肉桂醛的残余量。待反应完全后,过滤除去反应体系中的沉淀物,滤液用等体积饱和食盐水洗涤3次,有机相用无水硫酸钠干燥。然后过滤除去干燥剂,真空浓缩,得到粗产物。粗产物用硅胶柱层析分离提纯[V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=15∶1],得到的无色液体即为α-甲硫基甲基肉桂醛。

1.3.2 α-甲硫基甲基肉桂醛的生成条件优化

为了探讨二甲亚砜和草酰氯组合试剂作为肉桂醛α位甲硫基甲基化试剂的可行性,研究考察了投料比、溶剂、反应温度等因素对反应的影响,并用GC-MS监测反应中肉桂醛的残余量。

投料比的影响。研究设置n(肉桂醛)∶n(DMSO)∶n[(COCl)₂]∶n(Et₃N)∶n(DABCO)=1.0∶1.5∶1.5∶0∶2.0、1.0∶2.0∶2.0∶5.0∶2.0、1.0∶3.0∶3.0∶7.5∶3.0等3个水平进行实验考察。

溶剂的影响。研究设置CH₂Cl₂、CH₃CN、甲苯、二甲苯等4个溶剂进行实验考察。

反应温度的影响。根据使用的溶剂沸点不同,设置相应的反应温度:CH₂Cl₂作为溶剂时在室温下反应、CH₃CN作为溶剂时在80 ℃下进行回流、甲苯作为溶剂时在110 ℃下进行回流、二甲苯作为溶剂时在140 ℃下进行回流。

GC-MS分析条件。升温程序为起始40 ℃, 以10 ℃/min 升至280 ℃,在280 ℃运行2 min。载气为He, 流速1 mL/min。进样口温度为250 ℃。电子轰击离子源(EI),能量70 eV,离子源温度230 ℃,四极杆温度150 ℃;全扫描模式,质量扫描范围33～400 u,不分流模式进样。

1.3.3 α-甲硫基甲基肉桂醛的结构测定方法

对产物进行¹H NMR和¹³C NMR分析。

1.3.4 α-甲硫基甲基肉桂醛的立体构型测定

采用¹H NMR的NOE差谱方法,检测产物的立体构型。

2.1 α-甲硫基甲基肉桂醛生成条件的优化结果

为探讨二甲亚砜和草酰氯组合试剂作为肉桂醛α位甲硫基甲基化试剂的可行性,本研究考察了投料比、溶剂、反应温度等因素对反应产物产率的影响,实验结果见表1。

表1 反应条件对食用香料α-甲硫基甲基肉桂醛产率的影响

Tab.1 Effect of reaction conditions on yield of flavor α-methylthiomethyl cinnamaldehyde

a为根据GC-MS检测肉桂醛转化率推算得到的转化率;b的转化率为柱层析分离得到的产物质量与产物理论质量的比值。

由表1可知,研究首先尝试了在二甲亚砜和草酰氯组合试剂用量为肉桂醛1.5倍时在二氯甲烷中的反应(实验编号1),二甲亚砜与草酰氯在0 ℃反应完成后,将肉桂醛与DABCO一起加入反应体系中,然后反应混合物升至室温搅拌反应,用 GC-MS跟踪反应。在室温搅拌12 h后,未观察到产物的形成。为了促进反应的进行,将二甲亚砜和草酰氯组合试剂用量增加到2倍,并在加入肉桂醛和DABCO时,加入肉桂醛5倍用量的三乙胺,以保证反应体系呈碱性,同时为了提高反应温度,用乙腈溶剂替代了二氯甲烷,在回流温度下进行反应,GC-MS跟踪反应结果表明:在搅拌回流12 h后,观察到微量的产物(实验编号2)。为了进一步提高反应温度,用甲苯替代乙腈作为反应溶剂,在其他条件相同的情况下,回流搅拌12 h,GC-MS检测到了少量的甲硫基甲基化产物,肉桂醛的转化率为16%(实验编号3)。反应混合物继续回流至24 h后,肉桂醛的转化率达到28%(实验编号4)。用二甲苯作溶剂,在与实验编号4投料比相同的条件下,搅拌回流 24 h后,肉桂醛的转化率达到50%(实验编号5)。进一步增加二甲亚砜和草酰氯试剂用量至3倍,三乙胺和DABCO的用量分别增加至7.5倍和3倍,在搅拌回流反应16 h后,肉桂醛完全消失。反应混合物经过后处理后,柱层析分离得到0.5 g α-甲硫基甲基肉桂醛产物,产率52%。

实验结果表明:肉桂醛的α位甲硫基甲基化反应需要较高的反应温度。在乙腈回流温度下反应12 h,只观察到微量的产物;但当反应温度升至110 ℃,反应12 h能观察到产物的量有所增加,回流24 h后肉桂醛的转化率为28%;而在其他条件相同的情况下,在二甲苯溶剂中回流反应24 h后,肉桂醛的转换率达到50%。结果表明,温度会对α-甲硫基甲基肉桂醛的形成产生明显的影响。

2.2 α-甲硫基甲基肉桂醛的结构确定结果

对产物α-甲硫基甲基肉桂醛结构进行了¹H NMR和¹³C NMR分析,得到α-甲硫基甲基肉桂醛的核磁共振谱图信息:¹H NMR (300 MHz, CDCl₃) δ 2.08 (s, 3 H, S- 7.27 (s, 1 H, H-C3), 7.37 (m, 3 H, H-Ph), 7.56 (m, 2 H, H-Ph), 9.52 (s, 1 H, H-C1)。 ¹³C NMR (75 MHz,CDCl₃) δ 16.5 (S- 128.9 (C-Ph), 130.1 (C-Ph), 130.2 (C-Ph), 134.1 (C-Ph), 138.9 (C2), 150.9 (C3), 194.1 (C1)。

2.3 α-甲硫基甲基肉桂醛的生成机理

产物α-甲硫基甲基肉桂醛的形成机理推测见图2。首先二甲亚砜和草酰氯反应通过先加成后消除的机理形成中间体Ⅰ,其在Cl^-的进攻下生成氯代的二甲基硫钅翁盐中间体Ⅱ,同时释放出CO₂和CO的气体;氯代的二甲基硫钅翁盐中间体Ⅱ随后发生消除反应产生中间体Ⅲ,Cl^-和其发生亲核加成生成氯甲基甲硫醚;在反应过程中的高温条件下氯甲基甲硫醚存在一个解离平衡,可以脱除Cl^-重新生成中间体Ⅲ。DABCO作为亲核试剂与肉桂醛发生共轭加成生成烯醇负离子中间体Ⅳ,其作为亲核试剂与氯甲基甲硫醚解离平衡中中间体Ⅲ发生亲核加成反应,得到中间体Ⅴ,其经过E1cb的机理发生消除反应,先在碱的作用下脱除羰基α位的质子氢,形成烯醇负离子中间体Ⅵ,然后脱除DABCO,得到产物α-甲硫基甲基肉桂醛^[24]。

图2 食用香料α-甲硫基甲基肉桂醛的形成机理

Fig.2 Mechanism for formation of flavor α-methylthiomethyl cinnamaldehyde

在反应过程中加入了2个碱性的化合物三乙胺和桥环的二胺化合物DABCO,但两者在反应过程中的作用不同,三乙胺充当碱的作用,而DABCO则作为亲核试剂。三乙胺的pK_a是10.7左右,DABCO的pK_a是8.8左右,三乙胺是比DABCO更强的碱^[25]。其可以中和二甲亚砜和草酰氯反应在形成亲电的中间体Ⅲ的过程中释放出的HCl;而DABCO因为环状的结构使氮原子具有更好的亲核性,与肉桂醛共轭加成后产生亲核的烯醇负离子中间体Ⅳ,其与中间体Ⅲ反应后得到α-甲硫基甲基化产物。

2.4 α-甲硫基甲基肉桂醛立体构型的确定

研究采用¹H NMR的NOE差谱的方法对产物双键的构型进行了鉴定。产物中苯基取代基邻位氢、亚甲基氢、烯氢以及醛基氢对应的编号以及相应的氢谱中的各峰见图3。图3(a)中从上至下依次为产物的¹H NMR谱图、照射2号峰的差谱以及照射1号峰的差谱。从两张差谱可以看出,照射2号峰时1号峰有明显增强,同样照射1号峰时2号峰也有明显增强,表明苯基取代基邻位氢和亚甲基氢在空间上距离较近。因此可以推测甲硫基甲基和苯基是顺式的关系。

图3 食用香料α-甲硫基甲基肉桂醛的NOE谱

Fig.3 NOE spectra of flavor α-methylthiomethyl cinnamaldehyde

图3(b)中从上至下依次为产物的¹H NMR谱图、照射4号峰的差谱以及照射3号峰的差谱。从两张差谱可以看出,照射4号峰时3号峰有明显增强,同样照射3号峰时4号峰也有明显增强,表明烯氢和醛基氢在空间上距离较近。因此可以推测烯氢和醛基氢是顺式的关系。该结果与照射1号峰和2号峰所得出的结果一致。

根据NOE结果可以确定产物α-甲硫基甲基肉桂醛的立体构型如图4所示,苯基与甲硫基甲基为顺式关系,烯氢与醛基氢为顺式关系。根据系统命名法产物中的双键为反式(E)构型,该化合物为2-甲硫基甲基-3-苯基-(E)-2-丙烯醛[2-(methylthio methyl)-3-phenyl-(E)-2-propenal]。

图4 食用香料α-甲硫基甲基肉桂醛的立体结构

Fig.4 Stereostructure of flavor α-methylthiomethyl cinnamaldehyde

本研究建立了以二甲亚砜和草酰氯作为甲硫基甲基化试剂与肉桂醛反应制备α-甲硫基甲基肉桂醛的方法。该方法通过类似Baylis-Hillman反应的机理,利用亲核的碱DABCO与肉桂醛共轭加成生成亲核的烯醇负离子,与二甲亚砜和草酰氯反应产生的亲电的甲基亚甲基硫钅翁盐中间体加成反应,得到α-甲硫基甲基化产物,产率可达到52%。本研究的方法和文献报道的方法相比,产物更易于分离,且产率更高,原料及试剂均容易获得,操作也非常简便,因此具有很好的实用性。希望研究结果可为食用香料α-甲硫基甲基肉桂醛的规模化生产提供一种参考方法。

制作：路旭东

编辑：张逸群、李宁

审核：叶红波