来 苗，赵博亚，姬小明，付培培，包晓容，赵铭钦

(1.河南农业大学烟草学院，河南 郑州 450002；2.太原理工大学化学化工学院，山西 太原 030024)

吡嗪类化合物作为重要的精细化工原料，主要用于医药[1-3]、农药[4]、合成材料[5]、食品添加剂[6-9]和烟用香料[10-12]等领域。早在1984年，就已从天然食品中，或者食品在发酵、煮、炒过程中检测出近百种吡嗪类化合物。其中，大多数化合物具有强烈的特征性香味，如乙酰基吡嗪、烷基吡嗪和甲氧基吡嗪[13]等，但这些低分子吡嗪类化合物都存在香气挥发性强、阈值低和留香不持久等问题。具有薄荷清凉感的食用调料薄荷醇[14]也存在同样的问题，所以它们都不能很好地运用到烟草配方中。

热裂解-气相色谱/质谱(Py-GC/MS)法具有样品用量少、分离效能高和重现性好等优点[15-16]，能有效地模拟卷烟的真实燃烧过程。孙川等[17]利用该方法对麻浆卷烟纸的热解产物进行了定性和半定量分析，为开发低焦油、低危害的烟草制品提供了可靠的依据；另外，该方法也可用于预测卷烟燃烧产物的裂解转移规律和热裂解机理[18-22]。

本研究以2,3-吡嗪二羧酸和薄荷醇为原料，在N,N′-二环己基碳酰亚胺(DCC)/4-二甲氨基吡啶(DMAP)的条件下，将具有焦烤香、坚果香和巧克力香味特征的吡嗪环骨架引入薄荷醇分子中，合成潜香化合物2,3-吡嗪二羧酸薄荷酯，并采用Py-GC/MS法对2,3-吡嗪二甲酸薄荷醇酯在300、600、900 ℃下产生的裂解产物进行分析，探讨其裂解机理，以期为2,3-吡嗪二甲酸薄荷醇酯在卷烟加香中的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 仪器

1290LC-6540 Accurate Mass Q-TOF质谱仪、7890A/5975C气相色谱-质谱联用仪、Gemini E双光源X射线单晶衍射仪：均为美国Agilent公司产品；Nicolet IR200傅里叶变换红外光谱仪：美国Thermo-Fisher公司产品；WC-1型显微熔点仪(温度计未校正)：瑞士Büchi公司产品； DPX-400型超导核磁共振仪：瑞士Bruker公司产品；CDS Pyrobe5000热裂解仪：美国CDS公司产品；STA409PC同步热分析仪：德国Netzsch公司产品；JA2003N电子天平(感量0.000 1 g)：上海精密科学仪器有限公司产品。

1.2 材料与试剂

2,3-吡嗪二羧酸(分析纯)：成都格雷西亚化学技术有限公司产品；薄荷醇(分析纯)：河南省新郑金叶香料有限公司产品；无水乙醚(分析纯)：洛阳昊华化学试剂有限公司产品；四氢呋喃(分析纯)：天津市科密欧化学试剂有限公司产品；DCC、DMAP(化学纯)：上海国药集团化学试剂有限公司产品。

1.3 实验方法

1.3.1目标化合物的制备 称取0.252 g化合物a和0.619 g DCC于50 mL圆底烧瓶中，以四氢呋喃为溶剂，常温搅拌6 h；然后加入0.491 g化合物b和183 mg DMAP，反应12 h后，静置，抽滤；滤液浓缩后加入无水乙醚去除杂质(2次)，抽滤除去DCC的副产物，滤液浓缩；粗产物经石油醚-乙酸乙酯(25∶1，V/V)硅胶柱层析分离，重结晶得目标化合物c(2,3-吡嗪二羧酸薄荷酯，无色晶体)，产率为46%。目标化合物的合成路线示于图1。

图1 目标化合物的合成路线Fig.1 Synthesis route of the target compound

1.3.2同步热稳定性分析条件 称取约10 mg目标化合物，在以光谱纯Al2O3为参考物质，静态空气气氛，流速为60 mL/min，加热速率为10 ℃/min，Al2O3坩埚，温度范围为30～900 ℃的条件下，同步测定目标化合物的热重分析(TG)曲线、差示扫描量热分析曲线(DSC)和微分热重分析曲线(DTG)。

1.3.3实验条件 热裂解条件：称取约0.1 mg合成的目标化合物，放入专用石英裂解管中，两端塞入适量的石英棉，将石英裂解管放入热解头中，再置于已调节好预定温度的裂解炉中旋紧螺栓，然后在设定好的系列温度下进行瞬间裂解，裂解产物由氦气直接导入GC/MS仪中分离和鉴定。裂解温度分别为300、600和900 ℃，保持10 s，裂解炉压力为1.03×106Pa，裂解氛围为空气。

色谱条件：DB-5MS石英毛细管色谱柱(50 m×250 μm×0.25 μm)；进样口温度250 ℃；升温程序为柱温50 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升至250 ℃，保持10 min；载气(He)流速1 mL/min；分流比50∶1。

质谱条件：电子轰击(EI)离子源，电子能量70 eV，传输线温度280 ℃，离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃，质量扫描范围m/z30～400，溶剂延迟3.6 min。

2 结果与讨论

2.1 目标化合物的结构鉴定

图2 目标化合物的晶体结构Fig.2 Crystal structure of the target compound

经X射线单晶衍射分析确定目标化合物属斜方晶系(或称正交晶系)，晶体结构示于图2。其他结构参数为：m.p.140.1～143 ℃；1H NMR(400 MHz，CDCl3)，δ：0.83(d，6H，J=6.92 Hz，2CH3)，0.90～0.93(m，8H，2CH3—CH)，0.95(d，6H，J=6.05 Hz，2CH3)，1.09～1.26(m，4H，2CH2)，1.52～1.61(m，4H，2CH2)，1.71～1.77(m，4H，2CH2)，1.98～2.05(m，2H，2CH)，2.20～2.24(m，2H，2CH)，5.02～5.09(m，2H，2CH)，8.74(s，2H，2CH—N)；13C NMR(100 MHz，CDCl3)，δ：16.25，20.79(CH3)，22.01(CH2)，23.34，26.01(CH)，31.54，34.18(CH2)，40.38，46.94(CH)，145.11(N=C)，145.61(CH=N)，164.10(COOR)；IR(KBr)，v/cm-1； 2 959(v(C-H)： —CH3，—CH2—)，2 871(v(C-H)：—CH3，—CH2—)，1 738(v(O=C-OR))，1 457(v(Py环))，1 292(v(Py环))，1 150(v(Py环))，1 088(v(Py环))；HRMS：[M+Na]+467.288 7(calcd. 467.288 0)。实验的数据结果与预期的目标化合物理论数据一致，因此可以确定所得的化合物c为目标化合物。

2.2 目标化合物的同步热稳定性分析

目标化合物的TG-DTG-DSC曲线示于图3。从图中可以看出，目标化合物有两次明显的吸热阶段，即在143.9 ℃时出现第一次吸热过程，同时TG-DTG曲线显示其质量并未发生明显的变化，由此判断这是发生玻璃化转变现象的相变过程；在315.9 ℃时出现第二次吸热过程，并且吸热峰的峰形较宽，在268.5～334.9 ℃温度范围内的失重率最大，随后曲线趋于平稳，说明目标化合物基本分解完全。由此推断，在主要热失重区间的目标化合物发生热裂解和挥发失重[23]，并且伴随着复杂的物理化学反应过程；从两次吸热过程可以判定，目标化合物的熔融温度为140.9 ℃，裂解温度为315.9 ℃。

2.3 目标化合物的热裂解产物分析

对于一个典型的卷烟燃烧过程，其燃烧锥中心处于无氧裂解状态，温度通常在700～900 ℃之间，裂解区的周围温度在400～700 ℃之间，靠近抽吸端的蒸馏区温度一般低于400 ℃[24]。在裂解过程中设定不同温度可在一定程度上模拟卷烟燃烧过程，为此，选取具有代表性的300、600和900 ℃卷烟燃烧温度进行分析，以模拟目标化合物在卷烟中的燃烧裂解过程，3个温度分别代表挥发性物质开始进入烟气、烟草开始燃烧和抽吸时最高温度[25]。通过NIST05a.L质谱数据库，采用面积归一化法对其热裂解产物进行定性和半定量分析，结果列于表1。

由表1可知，裂解共得到了46种产物，在3个裂解温度下，目标化合物可能发生了酯键断裂、取代、环化、芳构化、氧化和重排反应等，并且裂解产物也可能随着温度的升高而发生进一步的反应。在300 ℃下，裂解主要产生乙酸、苯甲醛、环己烯和薄荷醇等16种物质，其中乙酸占总含量的21.64%，苯甲醛占13.08%，薄荷醇占6.43%；在600 ℃下，裂解主要产生吡嗪、异松油烯、薄荷烯和薄荷醇等28种物质，其中吡嗪占总含量的16.31%，薄荷烯占50.65%，异松油烯占4.15%；在900 ℃下，裂解主要产生吡嗪、2-甲基吡嗪、薄荷烯和薄荷醇等19种物质，其中吡嗪占总含量的15.05%，薄荷烯占58.88%。

由此可见，在3个裂解温度下，主要形成了苯甲醛、薄荷烯、薄荷醇、异松油烯和吡嗪等有香味特征的物质。其中，薄荷醇存在于3个裂解温度下，说明在300 ℃时酯键已经开始断裂形成薄荷醇，但随着裂解温度的升高，薄荷醇的相对百分含量呈下降的趋势，而薄荷烯的相对百分含量呈上升的趋势。薄荷烯有微弱的麝香味，吡嗪有爆米花香味，异松油烯有柠檬气味，它们都存在于烤烟烟叶中；薄荷醇具有清凉止痒、治愈头疼咽喉炎症的作用，也大量用于香烟中。这些香味物质能调和卷烟烟香、缓和刺激性，对卷烟主流烟气有修饰和改善的作用。

图3 目标化合物的TG-DTG-DSC曲线Fig.3 TG-DTG-DSC curves of the target compound

序号tR/min裂解产物匹配度/%相对百分含量/%300℃600℃900℃139687乙酸Aceticacid8620454808957241334乙酸乙酯Ethylacetate88060805056347751环己烯Cyclohexene93133939450265三甲基亚甲基环丙烷Trimethylmethylene⁃cyclopropane9102982552823吡嗪Pyrazine911575841279976533嘧啶1，3⁃Diazine861713702458754644吡啶Pyridine8714092857158甲苯Toluene945668470957961147己醛Hexanal802322410630542⁃甲氧基嘧啶2⁃Methoxy⁃pyrimidine810128511650492⁃甲基吡嗪2⁃Methyl⁃pyrazine900349412662622⁃庚炔2⁃Heptyne890461113675631，4⁃二亚甲基环己烷1，4⁃bis(Methylene)⁃cyclohexane90014781470945乙苯Ethylbenzene930235809051572419对二甲苯p⁃Xylene970435408763167593苏合香烯Styrene960386825821776494环己酮Cyclohexanone95137133027871881046枯烯(1⁃Methylethyl)⁃benzene90153470775619826932⁃环己烯⁃1⁃酮2⁃Cyclohexen⁃1⁃one91329292087896苯甲醛Benzaldehyde971236422188503异松油烯1⁃Methyl⁃4⁃(1⁃methylethylidene)⁃cyclohexene974011122894563⁃亚乙基环庚烯3⁃Ethylidenecycloheptene902611507123911911⁃甲基⁃4⁃异亚丙基⁃环己烷96708381⁃Methyl⁃4⁃(1⁃methylethylidene)⁃cyclohexane2491494薄荷烯4⁃Methyl⁃1⁃(1⁃methylethyl)⁃cyclohexene954894335007462592968(R)⁃4⁃甲基⁃1⁃异丙基⁃环己烯8613803(R)⁃4⁃Methyl⁃1⁃(1⁃methylethyl)⁃cyclohexene2693271辛醛Octanal90136782793879间乙烯基甲苯1⁃Ethenyl⁃3⁃methyl⁃benzene87129552896567α⁃萜品烯1⁃Methyl⁃4⁃(1⁃methylethyl)⁃1，3⁃cyclohexadiene970770229978231⁃甲基⁃2⁃异丙基苯1⁃Methyl⁃2⁃(1⁃methylethyl)⁃benzene97476853097824邻异丙基甲苯1⁃Methyl⁃2⁃(1⁃methylethyl)⁃benzene951233331986041⁃甲基⁃3⁃异丙基苯1⁃Methyl⁃3⁃(1⁃methylethyl)⁃benzene87049473298648(1α，3α，6α)⁃3，7，7⁃三甲基⁃二环[410]庚烷9604078(1α，3α，6α)⁃3，7，7⁃Trimethyl⁃bicyclo[410]heptane

续表1

2.4 目标化合物可能的裂解机理

结合Py-GC/MS分析，初步探讨了目标化合物的裂解机理，其可能的裂解途径示于图4。

图4 目标化合物可能的裂解机理Fig.4 Possible fragmentation mechanism of the target compound

3 结论

本研究以2,3-吡嗪二羧酸和薄荷醇为原料，经过酯化反应合成了新型潜香化合物2,3-吡嗪二羧酸薄荷醇酯，并对其结构进行了确证，所得产物即为目标化合物。同步热稳定性分析表明，在主要热失重区间268.5～334.9 ℃范围内，目标化合物基本分解完全，熔融温度为140.9 ℃，裂解温度为315.9 ℃。采用Py-GC/MS法模拟了目标化合物在卷烟中的燃烧裂解过程，并初步推测了其可能的裂解机理。热裂解结果表明，目标化合物共裂解形成46种产物，主要的裂解产物薄荷烯、薄荷醇和吡嗪均为致香成分，可以调和卷烟烟气、增添薄荷清凉感。该研究可为目标化合物在卷烟中的加香应用提供理论依据，同时也可为烟草行业进一步开发新型高温释放型原料提供参考。

[1] 江相清,黄传满,祝丽萍,等. 四甲基吡嗪衍生物合成及其5-HT3受体拮抗活性的筛选[J]. 高等学校化学学报,2005,26(4):683-685.

JIANG Xiangqing, HUANG Chuanman, ZHU Liping, et al. Synthesis of the derivatives of tetramethylpyrazine and screening for 5-HT3receptor antagonistic activity[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2005, 26(4): 683-685(in Chinese).

[2] YANG J, YANG S, YUAN Y J. Integrated investigation of lipidome and related signaling pathways uncovers molecular mechanisms of tetramethylpyrazine and butylidenephthalide protecting endothelial cells under oxidative stress[J]. Molecular BioSystems, 2012, 8(6): 1 789-1 797.

[3] WANG Y, FU Q, ZHAO W. Tetramethylpyrazine inhibits osteosarcoma cell proliferation via downregulation of NF-κBinvitroandinvivo[J]. Molecular Medicine Reports, 2013, 8(4): 984-988.

[4] 马青森,刘幸海,翁建全,等. 新型吡嗪氨基脲类化合物的合成及除草活性[J]. 有机化学,2013,33(8):1 749-1 754.

MA Qingsen, LIU Xinghai, WENG Jianquan, et al. Synthesis and herbicidal activity of new pyrazine derivative[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2013, 33(8): 1 749-1 754(in Chinese).

[5] ZHOU E, CONG J, YAMAKAWA S, et al. Synthesis of thieno[3, 4-b] pyrazine-based and 2,1,3-benzothiadiazole-based donor-acceptor copolymers and their application in photovoltaic devices[J]. Macromolecules, 2010, 43(6): 2 873-2 879.

[6] BURDOCK G A, CARABIN I G. Safety assessment of 2-ethyl-3, (5 or 6) dimethylpyrazine as a food ingredient[J]. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 2008, 50(3): 303-312.

[7] MULLER R, RAPPERT S. Pyrazines: Occurrence, formation and biodegradation[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2010, 85(5): 1 315-1 320.

[8] SUGIMOTO N, YOMOTA C, FURUHO N, et al. Application of liquid chromatography-nuclear magnetic resonance spectroscopy for the identification of ethyldimethylpyrazine, a food flavouring agent[J]. Food Additives and Contaminants, 2006, 23(12): 1 253-1 259.

[9] ADAMS T B, DOULL J, FERON V J, et al. The FEMA GRAS assessment of pyrazine derivatives used as flavor ingredients[J]. Food and Chemical Toxicology, 2002, 40(4): 429-451.

[10] 李鹏,宗永立,卢斌斌,等. 脱氧果糖嗪在卷烟中的增香作用[J]. 烟草科技,2008,(11):30-35.

LI Peng, ZONG Yongli, LU Binbin, et al. Application of deoxyfructosazine in cigarette flavoring[J]. Tobacco Science Technology Society, 2008, (11): 30-35(in Chinese).

[11] 黎艳玲,杨华武,陈雄,等. 2,6-脱氧果糖嗪的分离提纯及其向烟气释放致香成分的研究[J]. 中国烟草学报,2007,13(3):32-34.

LI Yanling, YANG Huawu, CHEN Xiong, et al. Isolation and purification of 2,6-deoxyfructosazine and its conversion to pyrazines in tobacco smoke[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2007, 13(3): 32-34(in Chinese).

[12] HENRY N, DELEPEE R, SEIGNEURET J M, et al. Synthesis of water-compatible imprinted polymers ofinsituproduced fructosazine and 2, 5-deoxyfructosazine[J]. Talanta, 2012, (99): 816-823.

[13] SABIK H, FORTIN J, MARTIN N. Identification of pyrazine derivatives in a typical maple syrup using headspace solid-phase microextraction with gas chromatography-mass spectrometry[J]. Food Chemistry, 2012, 133(3): 1 006-1 010.

[14] MAO C X, LUO S H, WANG Q F, et al. Synthesis of poly (lactic acid-co-menthol)viadirect melt polycondensation and its characterization[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2012, 125(S2): E339-E346.

[15] GERBER L, ELIASSON M, TRYGG J, et al. Multivariate curve resolution provides a high-throughput data processing pipeline for pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2012, (95): 95-100.

[16] LI X H, MENG Y Z, ZHU Q, et al. Thermal decomposition characteristics of poly (propylene carbonate) using TG/IR and Py-GC/MS techniques[J]. Polymer Degradation and Stability, 2003, 81(1): 157-165.

[17] 孙川，桂永发，陆舍铭，等. 麻浆卷烟纸热裂解行为研究[J]. 质谱学报,2008,29(4):237-247.

SUN Chuan, GUI Yongfa, LU Sheming, et al. Investigation of the pyrolysis behavior of hemp pulp cigarette paper[J]. Journal of Chinese Mass Spectrometry Society, 2008, 29(4): 237-247(in Chinese).

[18] 孔浩辉,鲁虹,陈翠玲,等. 不同氛围下烟草的热裂解行为研究[J]. 分析测试学报,2010,29(6):612-616.

KONG Haohui, LU Hong, CHEN Cuiling, et al. Pyrolysing study of tobaccos under inert and oxidative conditions[J]. Journal of Instrumental Analysis, 2010, 29(6): 612-616(in Chinese).

[19] WANG S, LIANG T, RU B, et al. Mechanism of xylan pyrolysis by Py-GC/MS[J]. Chemical Research in Chinese Universities, 2013, 29(4): 782-787.

[20] WANG S, GUO X, LIANG T, et al. Mechanism research on cellulose pyrolysis by Py-GC/MS and subsequent density functional theory studies[J]. Bioresource Technology, 2012, (104): 722-728.

[21] 董宁宁. 碳水化合物的热裂解气相色谱-质谱研究[J]. 质谱学报,2004,25(1):24-28.

DONG Ningning. Study of carbohydrate compounds at different temperatures by pyrolysis-gas chrometography-mass spectrometry[J]. Journal of Chinese Mass Spectrometry Society, 2004, 25(1): 24-28(in Chinese).

[22] SHARMA R K, WOOTEN J B, BALIGA V L, et al. Characterization of char from the pyrolysis of tobacco[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2002, 50(4): 771-783.

[23] 师东方，安毅，牟定荣，等. 苯乙醇-β-D-吡喃葡萄糖苷的热裂解分析[J]. 烟草科技,2012,(12):47-51.

SHI Dongfang, AN Yi, MOU Dingrong, et al. Pyrolysis analysis of phenylethyl-β-D-glucopyranoside[J]. Tobacco Science Technology Society, 2012, (12): 47-51(in Chinese).

[24] BAKER R R, BISHOP L J. The pyrolysis of tobacco ingredients[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2004, 71(1): 223-311.

[25] 闫克玉. 卷烟烟气化学[M]. 郑州：郑州大学出版社，2002.