齐志文, 王成章, 蒋建新

(1.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所;生物质化学利用国家工程实验室;国家林业和草原局 林产化学工程重点实验室;江苏省 生物质能源与材料重点实验室, 江苏 南京 210042;2.北京林业大学 材料科学与技术学院, 北京 100083)

左旋海松酸是一种枞酸型树脂酸，其化学结构中存在多个手性中心和一个活性较大的共轭双键，可以作为一种很好的手性原料用于选择性合成具有生物活性的化合物[1-2]。根据左旋海松酸的结构特点，通过对其分离纯品进行羧基酯化、双烯加成等，可以合成一系列用途广泛的精细化学品，如耐热导电材料[3]、表面活性剂[4]等。左旋海松酸的分离方法目前均是采用不同的溶剂对松脂进行溶解胺化提取[5-6]，此法虽简便、易行，但存在步骤繁琐、耗时长等缺点。超声波辅助结晶是一种新兴的结晶方法[7-8]，在过冷和过饱和体系中，超声波能促进物质的一级成核和二级成核过程，缩短了结晶时间，且防止了晶体的聚结[9]。王东红等[10]和胡继忠[11]提出利用超声波强化刺激结晶成核具有省时高效、产品品质高、全程可控、可工业化生产等优点。本研究通过超声波辅助结晶技术，优化左旋海松酸结晶的工艺条件，以期为左旋海松酸量产及后续研究提供可靠的热力学基础数据。

1 实 验

1.1 原料、试剂与仪器

松脂，2014年10月采自云南楚雄的云南松。95%工业酒精，化学纯；无水乙醇、磷酸(85%)、乙醚(99.5%)、异丁醇胺(95%)、顺丁烯二酸酐(99.5%)、四甲基氢氧化胺(25%甲醇溶液)、丙烯酸(98%)，均为市售分析纯。

昆山禾创超声波有限公司超声仪;VERTEX70傅里叶红外光谱(FT-IR)仪、500 MHz核磁共振(NMR)仪，德国BRUKER公司；FP900熔点仪，瑞士METTLER公司；GC7890A气相色谱-质谱联用(GC-MS)仪，美国安捷伦公司；Q600同步热分析仪，美国TA公司；C2000氧弹量热仪，德国IKA公司。

1.2 左旋海松酸的制备及提纯

1.2.1异丁醇胺盐的制备 取800 mL松脂为原料，用400 mL 95%工业酒精溶解，用滤布(孔径106 μm)过滤除去大颗粒杂质，静置过夜，倒出上层清液，备用。取上清液500 mL，室温条件缓慢滴入95%的2-胺基-2-甲基-1-丙醇(异丁醇胺)，待生成黄色胺盐后，用400 mL无水乙醇洗涤，用滤布(孔径75 μm)挤压洗脱3次得异丁醇胺盐(白色胺盐)。

1.2.2左旋海松酸纯品的制备 将1.2.1节制备的白色胺盐、200 mL乙醚和由水配制的100 mL 5%H3PO4溶液混合，于分液漏斗中猛烈振荡，静置分层后放掉下层清液，上层萃取层经水洗至pH值接近7为止。萃取层经过负压旋蒸，70 ℃水浴除去乙醚后,浓缩液静置，室温结晶。将浓缩液中油层倒于30 mL 无水乙醇中2 ℃结晶，得到一部分左旋海松酸粗品;将浓缩液室温结晶的粗品在53 kHz、400 W超声波和70 ℃水浴条件下溶于最大量无水乙醇(结晶粗品刚好溶解)中2 ℃结晶，得到另一部分左旋海松酸粗品。以无水乙醇为重结晶试剂，采用单晶结晶法经过2次重结晶，制得左旋海松酸纯品。

1.2.3超声波辅助结晶 左旋海松酸粗品在0 ℃环境温度、一定超声波频率(28、45和53 kHz)、超声波功率400 W条件下，采用单晶培养法结晶。探究乙醇质量分数、结晶温度、乙醇用量和超声波频率对左旋海松酸分离得率和纯度的影响。

1.3 左旋海松酸的表征

1.3.1熔点的测定 采用熔点仪测定，初温100 ℃，升温速率为1 ℃/min。

1.3.2气相色谱-质谱分析 HP-5毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，氢火焰离子检测器，载气为氦气，样品溶解于色谱甲醇中。升温程序：150 ℃以15 ℃/min升温到200 ℃，然后以20 ℃/min升温到270 ℃；检测器温度270 ℃，汽化室温度260 ℃。质谱电离源为电子轰击电离源(EI)，离子源温度为270 ℃，四级杆温度为170 ℃，扫描范围m/z为50～800。

1.3.3FT-IR分析 采用衰减全反射法(ATR)测定，扫描范围400～4000 cm-1。

1.3.4核磁共振分析 质子共振频率500 MHz，样品溶解在CDCl3中，温度30 ℃，四甲基硅烷(TMS)为内标。

1.4 测定方法

1.4.1等容热容和燃烧焓测定 分别取910、927和930 mg左旋海松酸(纯度97%)样品于燃烧皿中，点火线两端挂在点火丝杆上，氧弹置于30 ℃的装满水的内筒中，保持氧弹内部压强为2MPa，点火,IKA C2000氧弹量热仪系统自动生成热值和等容热容(CV)值。

1.4.2熔化焓测定 采用同步热分析(TG-DSC)仪测定左旋海松酸的熔化焓。分析条件：升温速率10 ℃/min，升温范围20～600 ℃，试样量5～8 mg，气氛为氮气，流量50 mL/min。

1.5 标准摩尔生成焓的计算

根据物性估算原理[12]，等压燃烧热和等容燃烧热的直接关系见式(1)和(2)。将内部充有一定量的氧气和装有样品的密闭氧弹放入容器中，样品燃烧放出的热量传给水，可得下式:

QP=QV+nRT

(1)

式中：QP—样品的等压燃烧热,J/g；QV—样品的等容燃烧热,J/g；n—反应前后气体组分的物质的量变化；R—通用气体常数,8.314 J/(k·mol)；T—反应的绝对温度,T=298.15 K。

通过测定左旋海松酸完全燃烧时的等容燃烧热，再算出左旋海松酸的等压燃烧热。

(2)

(3)

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1乙醇质量分数 在1 g左旋海松酸粗品、结晶温度2 ℃、结晶乙醇30 mL、重结晶1次的条件下，改变结晶所用乙醇的质量分数(65%、75%、85%、95%和100%)，结果见图1(a)。乙醇质量分数从65%增加到100%的过程中，分离结晶得到左旋海松酸的纯度逐渐增加,由64.72%增至91.05%。这是由于松香树脂酸均为不溶于水的酸性分子，水分的存在会使各种树脂酸分子达到过饱和状态析出，而无水乙醇的存在增加了各种树脂酸结晶的过饱和值。在无水乙醇环境中，较多量的左旋海松酸分子易达到过饱和状态优先成核生长,故随着乙醇质量分数的增加，左旋海松酸晶体粗品得率降低、纯度增加。因此，后期实验均使用无水乙醇。

2.1.2结晶温度 结晶乙醇选用无水乙醇，其他条件同2.1.1节，改变结晶温度(-8、-2、0、2和8 ℃)，结果见图1(b)。由图可知，在-2 ℃时，得率为最高(2.2%)，可知-2 ℃为左旋海松酸晶体生长速率最快温度。但 2 ℃ 晶体纯度最高，温度过低或过高均不利于左旋海松酸纯度的提高。

2.1.3乙醇用量 结晶乙醇选用无水乙醇,其他条件同2.1.1节，改变乙醇用量(20、30、40和50 mL)，结果见图1(c)。乙醇用量主要考察的是左旋海松酸粗品的过饱和状态。随着乙醇用量的增加，结晶溶液的过饱和度逐渐降低。由图1(c)可知，在乙醇用量为30 mL时，左旋海松酸第一次结晶纯度最高，为91.05%。

2.1.4重结晶次数 结晶乙醇选用无水乙醇,其他条件同2.1.1节，改变重结晶次数(1、2、3、4和5)，结果见图1(d)。由图可知，当重结晶次数增加，左旋海松酸粗品纯度逐渐增大，但当重结晶次数增加到3次以上时，左旋海松酸纯度增加极其缓慢，因此，考虑到成本，重结晶次数不宜过多，重结晶次数2次为佳。

2.2 正交试验优化

为优化结晶分离左旋海松酸的最佳工艺，采用L9(34)设计正交，因为重结晶试验是对分离出的左旋海松酸粗品进行操作，一般重结晶次数影响不大，故正交试验中重结晶次数定为1次。由于热力学验证试验对左旋海松酸的纯度要求较高，故此处以左旋海松酸结晶纯度为考察指标，根据单因素结果，取结晶温度、乙醇质量分数、乙醇用量和超声波频率作为4因素进行正交试验，正交试验设计及结果见表1。

-△- 得率yield;-- 纯度purity

由表1可以看出，对分离左旋海松酸纯度影响因素依次为：乙醇质量分数>超声波频率>乙醇用量>结晶温度。最佳分离工艺为A2B3C2D3，即左旋海松酸粗品1 g，乙醇质量分数100%，结晶温度0 ℃，乙醇用量20 mL，超声波频率为53 kHz。

表1 正交试验设计与结果分析

在最佳工艺条件下进行3次重复性试验，左旋海松酸结晶1次纯度分别为91.07%、92.70%和90.12%，平均值为91.30%，可见重现性较好，所有左旋海松酸样品在2次重结晶之后纯度均达到97%。与传统无超声波辅助结晶方法相比[6]，超声波辅助条件下得到肉眼可见的长方形规整晶体的时间大幅缩减，为5～6 h。

2.3 左旋海松酸理化数据测试

图2 左旋海松酸红外光谱图

2.3.2核磁及质谱分析 左旋海松酸核磁氢谱和碳谱见图3。m/z(ESI)316.2[M+CH3]+。1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ:7.43 (s, 1H, —COOH), 5.53 (s, 1H, H-13), 5.14(s, 1H, H-11), 2.36 (s, 1H, H-15), 2.33(m, 1H, H-10), 2.32 (d,J=5.9 Hz, 1H, H-8), 2.29 (s, 1H, H-4), 2.20～2.09 (m, 4H, H-2,14), 1.94～1.93 (dd,J=12.4, 2.6 Hz, 2H, H-1,6), 1.82～1.72 (m, 2H, H-1,6), 1.65～1.48 (m, 2H, H-7), 0.98～0.97 (dd,J= 6.8, 7.9 Hz, 6H, H-16,17), 0.96(s, 3H, H-18), 0.91 (s, 3H, H-20)。13C NMR(75 MHz, CDCl3)δ:184.99(C-19), 145.26(C-9), 135.41(C-12), 122.22(C-11), 120.36(C-13), 50.74(C-4), 46.29(C-10), 44.73(C-3), 38.14(C-5), 37.07(C-6), 34.79(C-2), 34.34(C-15), 27.23(C-18), 25.52(C-7), 22.38(C-16), 21.28(C-17), 20.70(C-14), 17.96(C-8), 16.60(C-1), 13.91(C-20)。

图3 左旋海松酸核磁氢谱(a)和碳谱(b)

表2 左旋海松酸氧弹数据

2.3.4熔化焓的测定 左旋海松酸的TG-DSC曲线如图4所示,DSC曲线显示左旋海松酸的熔点峰为单一的线性非重叠峰。由图4可知，在150 ℃处有一个较强的吸热峰，此时相应的TG曲线没有质量损失，所以曲线所对应的温度是左旋海松酸的熔点温度，与熔点仪所测结果一致；在308 ℃时，TG曲线发生变化，质量开始下降，物质开始物理分解升华，308 ℃是左旋海松酸的临界温度；此外，由同步热分析仪实测值可知，左旋海松酸的熔化焓为-94.99 kJ/mol，液体摩尔燃烧焓为-591.564 kJ/mol。

a.TG/DTG; b.DSC

3 结 论