张淑娴 曹舒林 李允隆
摘 要： 根据异龙脑异构化产物中的龙脑、异龙脑和樟脑在硼酸或邻苯二甲酸酐存在下酯化反应的差异，将龙脑、异龙脑与樟脑分离，得到合成龙脑和合成樟脑。
SEPARATION AND PURIFICATION OF PRODUCTSFROM ISOBORNEOL ISOMERIZATION
ZHANG Shu-xian, CAO Shu-lin, LI Yun-long
(Guangzhou Institute of Chemistry,Chinese Academy of Science,Guangzhou 510650,China)
Abstract: Based on the difference in the selectivity of esterification in the presence of boric acid or phthalic anhydride between borneol,isoborneol and camphor,these three components can be mostly separated after isoborneol isomerization reaction to obtain synthetic borneol and camphor.
作者对不同的金属/金属氧化物体系在常压下催化异龙脑异构化进行了研究，并取得了初步结果。目前对催化剂选择性、稳定性的研究工作仍在深入进行之中。但发现，尽管不同的催化体系对异构化的选择性有所不同，但主产物都是樟脑和龙脑(异龙脑)的混合物，采用物理方法不易使两者分离。
合成龙脑一般含龙脑60 %左右，异龙脑40 %左右。通常采用α-蒎烯为原料，经草酸酯化、皂化制得，酯化反应安全性差，而且龙脑得率低。通过异龙脑异构化，然后将产物分离提纯，可以同时得到合成樟脑和合成龙脑，是异龙脑高值化的一条新途径。
本文研究了异龙脑异构化产物的分离与提纯方法。在硼酸或邻苯二甲酸酐存在下，龙脑(异龙脑)可发生酯化，从而与樟脑分离，酯水解后得回龙脑(异龙脑)［1～2］。
1 硼酸法分离樟脑和龙脑(异龙脑)
1.1 实验
1.1.1 原料 将按一定比例配制的樟脑、龙脑和异龙脑的混合物作为待分离物。
1.1.2 酯化反应 在三口烧瓶中投入一定量的待分离物和硼酸，以苯或二甲苯为溶剂，在回流下搅拌反应2～4 h后待分水器中水层不再增加时结束反应。蒸出溶剂，回收的溶剂可反复使用。
1.1.3 升华 蒸除溶剂后得到的固体是硼酸莰酯与樟脑的混合物，在210 ℃下升华将两者分离。
1.1.4 水解反应 趁热将硼酸莰酯倒出，冷却后将固体研成粉末。在氯化钠溶液中水解，待水面上无硼酸莰酯粉末后结束反应。所得龙脑(异龙脑)经水洗、抽滤后，在60 ℃下烘干。
1.1.5 脱水反应 升华分离出来的樟脑含2 %～3 %的未反应的龙脑(异龙脑)。可通过酸催化脱水使龙脑(异龙脑)变为莰烯而与樟脑分离，使樟脑纯度进一步提高。
1.1.6 分析 样品用GC-9A气相色谱仪进行分析。热导池检测，色谱柱为? 3 mm×2 m的PEG填充柱，程序升温120 ～210 ℃，按面积归一法用岛津G-R2AX数据处理机自动计算获得结果。
1.2 结果与讨论
1.2.1 反应与分离结果
|
由于硼酸1易与龙脑(异龙脑)2发生酯化反应，生成的硼酸莰酯3熔点高，蒸气压低，故可通过升华将其与樟脑分离［3～4］，硼酸莰酯3水解后生成硼酸1和龙脑(异龙脑)2。 表1比较了不同溶剂下的反应条件及分离结果。从中可看出，以二甲苯为溶剂时，由于回流温度高，可缩短一半的反应时间，而且二甲苯挥发性低于苯，故溶剂回收更完全，另外二甲苯的毒性也低于苯，这些是使用二甲苯为溶剂的有利之处。以苯为溶剂时，由于回流温度低，龙脑(异龙脑)不易被硼酸催化脱水生成莰烯，故产品中莰烯含量低，产品纯度和得率都较高，另外酯化结束后回收溶剂的时间也短得多，这些是使用苯为溶剂的有利之处。 表1 硼酸法的反应及分离结果 |
| 溶剂 solvent |
重量(g) product wt. |
组成composition (GC%) | 得率(w%) yield | |||
| 莰烯camphene | 樟脑camphor | (异)龙脑(iso)borneol | 其他others | |||
| 苯1) | (异)龙脑产品(iso)borneol product 28.6 |
0 |
1.25 |
98.52 |
0.23 |
94.6 |
| benzene | 樟脑产品camphor product 30 | 0.52 | 95.42 | 2.60 | 1.46 | 98.3 |
| 原料产品raw material product 60.8 | 1.13 | 48.21 | 49.14 | 1.52 | - | |
| 二甲苯2) | (异)龙脑产品(iso)borneol product 25.6 | 5.61 | 7.32 | 86.45 | 0.61 | 74.3 |
| xylene | 樟脑产品camphor product 25 | 2.57 | 93.18 | 2.45 | 1.80 | 80.0 |
| 原料产品raw material product 60.8 | 1.13 | 48.21 | 49.14 | 1.52 | - | |
| 注：1).苯用量168.8 g，酯化温度80～82 ℃，时间4 h；2).二甲苯用量168.6 g，酯化温度146～148 ℃，时间2 h；投料量：樟脑30 g，(异)龙脑30.8 g，硼酸4.12 g；产品得率计算：产品得率=产品重×产品纯度/原料重×原料纯度。
为了研究分离前后混合物中龙脑和异龙脑的比例是否发生变化，作者另外做了一组实验。将异龙脑与龙脑混和后用硼酸酯化，水解后得回异龙脑和龙脑。研究结果表明：反应前后混合物中异龙脑/龙脑(w/w)的比例一致，且用苯或二甲苯做溶剂对该比例无影响。这说明硼酸对龙脑和异龙脑的酯化能力基本相同。 表2 硼酸用量的影响 |
| (异)龙脑∶硼酸(mol) (iso)borneol∶boric acid |
组成composition (GC%) | ||||
| 樟脑camphor | (异)龙脑(iso)borneol | 莰烯camphene | 其他others | ||
| 粗樟脑产品 | 3∶1 | 93.89 | 2.98 |
0.47 |
2.66 |
| crude camphor product | 3∶1.2 | 86.33 | 3.08 | 7.53 | 3.06 |
| 3∶1.5 | 53.02 | 8.22 | 33.22 | 5.54 | |
| 原料raw material | - | 97.71 | 0 | 0.30 | 1.99 |
| 注：反应温度80～82 ℃，反应时间18 h，酯化时以苯为溶剂。投料量为樟脑10 g、(异)龙脑9.24 g。
升华得到的樟脑中含少量的(异)龙脑，可通过酸催化脱水使其变为莰烯而与樟脑分离。在2.5 mol/L的硫酸溶液中反应8 h后，异龙脑含量降至0.23 %，龙脑含量降至0.9 %。 表3 氯化钠溶液的浓度对水解时间的影响 |
| 氯化钠溶液浓度concn. of sodium chloride solution(mol/L) |
0 |
0.05 |
0.25 |
0.5 |
1 |
| 水解时间hydrolysis time(h) | 6 | 2.75 | 2.5 | 2 | 2 |
| 注：硼酸莰酯4 g，氯化钠溶液150 mL，反应温度100 ℃。
2 邻苯二甲酸酐法分离樟脑和龙脑(异龙脑) 2.1 实验 2.1.1 原料 同1.1.1节。 2.1.2 酯化反应 在三口烧瓶中投入一定量的待分离物和邻苯二甲酸酐，以二甲苯为溶剂，在120～130 ℃搅拌反应5～10 h。 2.1.3 中和反应 酯化反应后的物料移入二口分液漏斗，在搅拌下滴加5 %氢氧化钠溶液，至水层呈弱碱性后将油水分离。油相用水洗，洗出的水与原水相合并；水相用二甲苯洗，洗出的二甲苯与原油相合并。水相主要成分为酯盐，油相主要成分为樟脑和未被酯化的龙脑(异龙脑)。 2.1.4 皂化反应 将水相置于三口烧瓶中，加入固体氢氧化钠，在100 ℃左右反应3～5 h，可见龙脑(异龙脑)固体析出，将固体水洗、抽滤，烘干得龙脑(异龙脑)。 2.1.5 分馏 将油相在165 ℃(瓶温)左右分馏，蒸出大部分二甲苯后，其余物料用于脱氢反应。蒸出的二甲苯可反复使用。 2.1.6 脱氢反应 分馏后的物料主要成分是樟脑、未酯化的异龙脑和龙脑。加入少量氧化钙和碱式碳酸铜(分别为物料中异龙脑和龙脑重量的1 %左右)脱氢，使未酯化的异龙脑和龙脑转化为樟脑。 2.1.7 分馏及升华 将脱氢后的物料分馏蒸出二甲苯及莰烯后，在210 ℃下升华得到樟脑。 2.1.8 分析 取每次酯化后的油相用5 %氢氧化钠溶液中和后水洗，用GC-9 A气相色谱仪分析油相组成。分析条件同1.1.6节。 2.2 结果与讨论 2.2.1 反应与分离结果 |
| 由于邻苯二甲酸酐4易与龙脑(异龙脑)2发生酯化反应，生成的邻苯二甲酸酸性龙脑酯(或异龙脑酯)5用氢氧化钠水溶液中和后成为酯盐6而进入水层［5］。不反应的樟脑则留在油相。油水分离后，水相中的酯盐6经皂化反应生成邻苯二甲酸钠7并得回龙脑(异龙脑)。油相蒸除二甲苯后，通过脱氢使未酯化的龙脑(异龙脑)转化为樟脑。
由表4可看出，用邻苯二甲酸酐法分离混合物后，可得到纯度较高的樟脑和(异)龙脑。
表4 邻苯二甲酸酐法的反应及分离结果 |
| 重量(g) wt. |
组成composition (GC%) | 得率(wt%) yield | |||
| 莰烯camphene | 樟脑camphor | (异)龙脑(iso)borneol | 其他others | ||
| (异)龙脑产品(iso)borneol product 49.5 | 0.54 |
0.93 |
93.43 |
5.10 | 68.0 |
| 樟脑产品camphor product 107.0 | 1.67 | 94.13 | 1.49 | 2.71 | 96.0 |
| 原料raw material 175.8 | 0.60 | 58.81 | 39.54 | 1.05 | - |
| 注：投料量：樟脑104.9 g，龙脑32.8 g，异龙脑38.1 g，邻苯二甲酸酐82 g，氢氧化钠55 g。反应温度120～130 ℃，反应时间10 h。
与硼酸法不同，邻苯二甲酸酐对龙脑和异龙脑的酯化程度差异较大，龙脑可几乎定量地被酯化，而异龙脑只有部分被酯化，另有少部分异龙脑脱水生成莰烯，未反应的异龙脑则在后续步骤中脱氢转化为樟脑。因此分离前后异龙脑/龙脑(w/w)的比例下降，龙脑纯度提高。 表5 反应温度的影响 |
| 反应温度(℃) temperature |
油相组成composition of oil phase (GC%) | ||||
| 樟脑camphor | 异龙脑isoborneol | 龙脑borneol | 莰烯camphene | 其他others | |
| 110 |
73.85 |
19.45 |
4.29 |
0.93 |
1.48 |
| 120 | 74.75 | 22.61 |
- |
1.07 | 1.57 |
| 130 | 78.75 | 15.10 | 2.60 | 1.97 | 1.58 |
| 140 | 79.74 | 11.00 | 3.51 | 4.15 | 1.60 |
| 原料raw material | 58.81 | 22.06 | 17.48 | 0.60 | 1.05 |
| 注：反应时间10 h，龙脑(异龙脑)∶邻苯二甲酸酐=1∶1.2(mol)
由表6可看出，在130 ℃反应10 h后，龙脑不再明显减少，15 h后异龙脑减少的速率也变缓，这时异龙脑减少的主要原因是脱水变成莰烯，即15 h后酯化反应基本达到平衡。 表6 反应时间的影响 |
| 反应时间(h) time |
油相组成composition of oil phase (GC%) | ||||
| 樟脑camphor | 异龙脑isoborneol | 龙脑borneol | 莰烯camphene | 其他others | |
| 5 |
74.07 |
19.19 |
3.51 |
1.28 |
1.95 |
| 10 | 78.75 | 15.10 | 2.60 | 1.97 | 1.58 |
| 15 | 79.46 | 9.89 | 3.80 | 3.27 | 3.58 |
| 20 | 80.55 | 7.30 | 3.15 | 4.39 | 4.61 |
| 25 | 79.59 | 5.42 | 3.39 | 6.20 | 5.40 |
| 原料raw material | 58.81 | 22.06 | 17.48 | 0.60 | 1.05 |
| 注：反应温度130 ℃，龙脑(异龙脑)∶邻苯二甲酸酐=1∶1.2 (mol)
如果希望龙脑成品中含较多的龙脑和较少的异龙脑，则应选择龙脑尽可能多酯化而异龙脑尽可能少酯化的条件。表7显示了不同温度下的最佳反应时间。在最佳条件下，油相中龙脑含量不高于3 %左右，异龙脑含量不少于20 %左右。这样龙脑变为酯盐进入水中，而异龙脑则留在油中，与龙脑分离。
表7 反应温度和时间的综合影响 |
| 反应温度(℃) temperature |
反应时间(h) time |
油相组成composition of oil phase (GC%) | ||||
| 樟脑camphor | 异龙脑isoborneol | 龙脑borneol | 莰烯camphene | 其他others | ||
| 110 | 15 | 76.77 | 20.66 | - | 1.04 | 1.53 |
| 120 | 10 | 74.75 | 22.61 | - | 1.07 | 1.57 |
| 130 | 5 | 74.07 | 19.19 | 3.51 | 1.28 | 1.95 |
| 140 | 5 | 76.48 | 16.09 | 3.90 | 2.12 | 1.41 |
| 原料raw material | 58.81 | 22.06 | 17.48 | 0.60 | 1.05 | |
| 注：龙脑(异龙脑)∶邻苯二甲酸酐=1∶1.2 (mol) 3 结论 3.1 采用硼酸法或邻苯二甲酸酐法都可有效地将龙脑(异龙脑)与樟脑的混合物分离和提纯。由于硼酸和邻苯二甲酸酐都是价格低廉的化工原料，因此这两种方法在应用上都是可行的。 硼酸法的优点在于成本低(其价格约为邻苯二甲酸酐的一半)、用量少［仅为(异)龙脑物质量的1/3，而邻苯二甲酸酐的用量为(异)龙脑物质量的1～1.2倍］、步骤较少，操作方便。 邻苯二甲酸酐法的优点在于能够提高龙脑纯度。由于邻苯二甲酸酐对龙脑和异龙脑酯化能力差异较大，使得分离后异龙脑/龙脑(w/w)的比例下降，龙脑含量上升，从而得到纯度较高的龙脑。而在硼酸法中，分离前后异龙脑/龙脑的比例不变。 3.2 硼酸法在酯化反应中，龙脑(异龙脑)∶硼酸应控制在3∶1～1.05(mol)为宜，反应在回流温度下进行。水解时，使用氯化钠溶液可加速水解。 邻苯二甲酸酐法在酯化反应中，龙脑(异龙脑)∶邻苯二甲酸酐应控制在1∶1～1.2 (mol)为宜，反应温度为120～130 ℃。 作者简介：张淑娴(1974-)，女，在读硕士研究生。 作者单位：中国科学院广州化学研究所，广东 广州 510650 参考文献 ［1］龙康候,等.萜类化学［M］.北京：高等教育出版社，1984：4. |
桂公网安备 45010302000299号
