陈芝飞，孙志涛，芦昶彤，王宏伟*，屈 展，马 骥，何保江

1.河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州市陇海东路72号 450000

2.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

目前，我国卷烟工业中主要采用甘油、丙二醇和山梨醇等多羟基化合物作为保润剂，使用此类保润剂的主要目的在于维持烟丝加工过程中的含水率，提高烟丝的耐加工性能，但上述保润剂对成品卷烟含水率的维持和吸食舒适度的改善效果并不理想［1-6］。理想的保润剂应该既能提高卷烟持水能力，同时又可降低烟气的干燥感和刺激性，改善卷烟感官舒适度。为此，采用D-半乳糖为起始原料，通过引入异丙叉保护基，合成了一种新型多羟基保润剂——6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖（Ⅴ）［7-12］，并对其物理保润性能和感官保润性能进行了初步探索，旨在为此类多羟基保润化合物的合成与应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

D-半乳糖（99.5%，阿拉丁化学试剂公司）；无水乙醇、二氯甲烷、石油醚、正丁醇、冰乙酸、金属钠（AR，天津市凯通化学试剂有限公司）；氢氧化钠（AR，天津市凯通化学试剂有限公司）；丙酮、甲醇、乙酸乙酯、无水硫酸钠、盐酸（AR，烟台市双双化工有限公司）；氯化钠、浓硫酸（AR，中国宿州化学试剂有限公司）；高锰酸钾、四氢呋喃（THF）、活性炭（AR，国药集团化学试剂有限公司）；溴乙酸叔丁酯（99%，南开大学精细化学试剂厂）；NaH（60%）、2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌（DDQ）（AR，SIGMA-ALDRICH公司）；硅胶（CP，青岛海洋化工有限公司）；“黄金叶（大金圆）”品牌卷烟（河南中烟工业有限责任公司）。

Thermo Nicolet Avatar 370红外光谱仪（美国Nicolet公司）；YRT-3熔点仪（天津大学精密仪器厂）；Bruker Avance AMX-400核磁共振谱仪（美国Bruker公司）；BS200SWE1型电子天平（感量：0.0001 g，北京赛多利斯天平有限公司）；R-215型旋转蒸发仪、V-700真空泵（瑞士BUCHI公司）；DLSB-20/60℃低温冷却循环泵（上海美强仪器设备有限公司）；KDM型调温电热套（山东华鲁电热仪器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖的制备

化合物Ⅴ的合成路线见图1。

1.2.1.1 1,2∶3,4-二-O-异丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅱ）的合成［7-9］

在1000 mL三口烧瓶中，加入18 g D-半乳糖（Ⅰ）和400 mL丙酮，冰水浴冷却，边磁力搅拌边缓慢滴加12 mL浓硫酸。滴加完毕后撤去冰水浴，升温至25℃左右搅拌反应6 h。反应结束后冰水浴冷却，然后逐滴加入50 mL预先冷却的33.3%氢氧化钠水溶液，直至反应液呈弱碱性，减压浓缩反应液除去未反应的丙酮。用二氯甲烷萃取（100 mL×3），收集有机相，再用水（50 mL×3）洗涤有机相，无水硫酸钠干燥，过滤，乙酸乙酯-石油醚重结晶，得20.49 g白色晶体，熔点 120～122℃，产率为78.8%。

1.2.1.2 6-O-（叔丁氧羰基甲基）-1,2∶3,4-二-O-异丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅲ）的合成［10-11］

在500 mL三口烧瓶中加入13 gⅡ和200 mL精制的THF，磁力搅拌使Ⅱ完全溶解，通N2保护。称取2.86 g含量为60%的NaH并添加至三口烧瓶中，加热回流搅拌反应30 min，然后冰水浴冷却，缓慢滴加20 mL溴乙酸叔丁酯，滴加完毕后在此条件下继续反应2 h。将反应液倒入盛有200 mL饱和食盐水的分液漏斗中，振荡至无气泡后用二氯甲烷（150 mL×3）萃取，合并有机相，再用冰水（100 mL×3）洗涤至中性，无水硫酸钠干燥，过滤，减压浓缩。石油醚∶乙酸乙酯=4∶1为洗脱剂柱层析分离，得15.50 g无色透明粘稠状产物，产率82.9%。

1.2.1.3 6-O-羧甲基-1,2∶3,4-二-O-异丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅳ）的合成

在500 mL三口烧瓶加入6 gⅢ和140 mL甲醇，搅拌使其溶解。冰水浴冷却，加入140 mL 1.2 mol/L NaOH水溶液，随后在30℃下反应3 h。二氯甲烷（50 mL×3）萃取反应液，然后用水（50 mL×2）反萃有机相，收集水相，然后在冰水浴条件下缓慢滴加2.5%盐酸水溶液使显强酸性（溶液pH为1左右）。然后用二氯甲烷（150 mL×3）萃取水相，水（100 mL×3）洗涤有机相，收集有机相，无水硫酸钠干燥。过滤，浓缩，得4.815 g无色透明粘稠状产物，产率为94.23%。

1.2.1.4 6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖（Ⅴ）的合成［12］

在装有回流冷凝管的50 mL圆底烧瓶中分别加入1 gⅣ，150 mg DDQ和30 mL乙腈水溶液（V乙腈∶V水=9∶1），温度保持为65℃，磁力搅拌反应3.5 h，反应过程采用薄层色谱法（TLC）监测，展开剂为正丁醇∶冰乙酸∶水=6∶1∶1。反应结束后减压浓缩去除溶剂，用20 mL水溶解后活性炭脱色，硅胶柱层析分离，洗脱剂与展开剂相同，收集目标组分，减压浓缩得0.618 g无色透明粘稠状产物，产率为82.6%。

1.2.2 化合物V物理保润性能测试

为考察目标产物Ⅴ对卷烟的物理保润性能，以“黄金叶（大金圆）”空白卷烟为载体，将Ⅴ同D-半乳糖、山梨醇、丙二醇和甘油进行物理保润性能比较测试研究，分别配制质量分数为10%的上述化合物的水溶液。先将1000 g混合均匀的空白卷烟烟丝置于温度（22±1）℃，相对湿度（60±2）%环境中平衡48 h。然后等量称取6份烟丝，每份100 g，向5份烟丝中分别均匀施加2 g上述化合物的水溶液，对照空白样烟丝施加2 g水。然后将6份烟丝分别置于（22±1）℃，相对湿度（40±2）%的环境中考察其解湿过程，每20 min测试一次，对即时含水率的变化进行分析，考察其物理保润效果。

2 结果与讨论

所有产物的IR和NMR谱分析结果分别见表1和表2。

表1 4种合成产物的IR光谱分析结果

表2 4种合成产物的1H NMR和13C NMR谱分析结果①

2.1 合成方法的选择与探讨

（1）在产物Ⅱ的合成反应中，温度、溶剂和催化剂用量是影响产率的主要因素。由于本反应为放热的可逆反应，常温下即可反应，当温度过高时，反应向逆方向进行，同时，反应体系在硫酸作用下会发生氧化等副反应，从而使产率降低。在1.2.1.1节中其他反应条件不变的情况下，不同反应温度的单因素试验结果（图2）表明，本反应最佳温度为25℃。

图2 反应温度对化合物Ⅱ产率的影响

另外，丙酮既是反应物，又是反应溶剂，半乳糖在丙酮中的溶解度较低，在反应过程中悬浮于溶液中；直至反应后期，随着反应的不断进行，半乳糖逐渐转化成产物后才能完全溶于溶液中，因此，反应过程中随着丙酮用量的增加，半乳糖在反应体系中浓度变化不大，但催化剂的浓度会随之降低，因而当D-半乳糖用量固定时，丙酮用量和催化剂用量的变化是影响反应产率的2个重要因素。其他反应条件不变，不同丙酮用量的单因素试验结果（图3）表明，当丙酮用量小于400 mL时，丙酮用量是影响产率变化的主要因素，催化剂用量是次要因素，前者的增加能够促进反应平衡向右进行，促使产率升高；相反，当丙酮用量达到400 mL以后，后者成为影响产率变化的主要因素，前者成为次要因素，浓硫酸浓度的降低导致了产率的下降。因此，当D-半乳糖用量为0.1 mol时，浓硫酸用量为12 mL，丙酮用量为400 mL，反应温度为25℃，反应时间为6 h产率最佳。

图3 丙酮用量对化合物Ⅱ产率的影响

（2）目前，国内外有关6-O-（叔丁氧羰基甲基）-1,2∶3,4-二-O-异丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅲ）的合成未见报道，本研究对 Shyluk等［10］报道的 3-O-羧甲基-1,2∶5,6-二-O-异丙叉基-α-D-吡喃葡萄糖甲酯的合成方法进行改进，成功合成了化合物Ⅲ。Shyluk等先用还原剂金属钠与1,2∶5,6-二-O-异丙叉基-α-D-吡喃葡萄糖的活泼羟基氢反应生成钠盐，随后钠盐再与溴乙酸甲酯发生亲核取代反应生成3-O-羧甲基-1,2∶5,6-二-O-异丙叉基-α-D-吡喃葡萄糖甲酯。由于NaH比金属钠还原性强，且金属钠在制备和使用过程中均较为繁琐，因此本研究采用NaH作为还原试剂。实验结果表明，使用NaH不仅提高了反应速率，还大大提高了产率。但由于NaH很容易与水反应，因此反应溶剂在使用前需要进行精制以除去其中少量的水，并且反应需在氮气保护下进行。

（3）在化合物V的合成反应中，可采用DDQ［12］、单质碘［13］或浓硫酸脱去糖羟基的异丙叉保护基。当用碘脱保护时，副产物较多，分离复杂；当用浓硫酸作为催化剂时，反应结束后需要通过碳酸钡去除多余的酸，但由于钡为有毒重金属，在产品中会残留，考虑到安全性，不宜使用浓硫酸进行催化；而DDQ作为一种强氧化剂，在异丙叉基脱保护中具有很好的选择性，在适当的条件下可完全脱去两个异丙叉保护基，且反应结束后可使用活性炭和硅胶柱色谱分离除去，操作简单。

2.2 化合物V的物理保润性能测试

D-半乳糖、山梨醇、丙二醇、甘油和化合物Ⅴ的物理保润性能效果见表3。由表3可知，添加化合物Ⅴ、山梨醇、甘油、丙二醇和D-半乳糖5种化合物的烟丝与空白烟丝相比，水分散失速率较缓慢。这是由于多羟基化合物所含有的亲水的羟基基团可以和水形成氢键而将水束缚起来，延缓了水分的散失，提高了烟丝的物理保润性能。其中，Ⅴ的物理保润性能最好，其次是甘油和丙二醇，D-半乳糖和山梨醇最差。

表3 添加5种化合物的烟丝含水率随平衡时间的变化 （%）

3 结论

（1）以D-半乳糖为起始原料，通过异丙叉基保护基的引入和去保护，合成了6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖（Ⅴ）。本法原料易得、操作简便。

（2）经过测定添加Ⅴ、D-半乳糖、甘油、丙二醇或山梨醇的烟丝含水率，表明在低湿条件（40%）下，添加Ⅴ的烟丝的保湿能力强于其他保润剂，Ⅴ的物理保润性能较好。

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