CC BY
25УДК 547.541.2.
Исмайлова С.В., н.с.
лаборатории «Исследование антимикробных свойств и биоповреждений»
Института Нефтехимических процессов Национальной Академии Наук Азербайджана
(Баку, Азербайджан)
Аннотация. В представленной статье показаны основные способы получения ментола в промышленности. Рассмотрена значимость метола в различных отраслях промышленности, объем производства синтетического ментола, а также природного ментола и его основные источники. Показаны основные промышленные процессы получения метола, в том числе процесс Haarmann&Reimer, процесс Такасаго, процесс, предложенный фирмой
Ключевые слова: ментол, ароматизатор, цитронеллаль, пулегол, терпены.
(-)-Ментол является одним из наиболее важных парфюмерных/ароматизирующих химикатов, широко используемых в фармацевтике, косметике, зубных пастах, жевательных резинках и туалетных принадлежностях. Из предполагаемого общего объема производства около 20.000 млн. тонн натуральный ментол составляет около 13 млн. тонн, остальная часть поступает из синтетических источников. Природный источник ментола - масло Mentha Arvensis - непостоянен из-за зависимости от сезона дождей, поэтому спрос на синтетический ментол постоянно растет. В этой работе представлены основные синтетические методы получения ментола. В общем случае все известные методы получения метола можно представить в виде следующей схемы:
Процесс Symrise (ранее известный как процесс Haarmann&Reimer) [1]. В этом процессе тимол синтезируется из м-крезола. Каталитическое гидрирование приводит к смеси
ОБЩИЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕНТОЛА
BASF.
ментолов, из которой впервые были получены ментолы в виде рацемической смеси путем тщательной фракционной перегонки. Остаточную смесь эпимеризовали для увеличения содержания рацемического ментола с использованием запатентованного каталитического процесса. Прорыв в этом процессе заключается в разделении бензоатного эфира рацемата путем перекристаллизации и внесения в концентрат затравки одного чистого эпимера. Маточный раствор, который теперь был богат (+)-изомером, рециркулировали, возвращая его в цикл перегонки. В этом процессе общий выход (-)- ментола составляет около 90%.
(-)-Меп1Ьо1 [+>Меп1Ьо1_
стугЫг
МсйЬег I ¡диог
Процесс Такасаго: в этом процессе изомеризация, катализируемая ^)-БШЛР, является ключевым этапом.
Добавление амида лития к мирцену дает аддитивное соединение, которое изомеризуется с использованием хирального рутениевого катализатора. Гидролиз полученного енамина дает альдегид цитронеллаль с высокой энантиомерной чистотой. Циклизация катализатором Льюиса и каталитическое восстановление олефина дало (-)-ментол.
Процесс BASF: метод основан на получении ментола из терпенов
(-)-Ментол из (+)-лимонена: Лимонен широко доступен из кожуры цитрусовых. При селективном каталитическом восстановлении с помощью Ra-Ni он может быть восстановлен до (+)-1-ментена, который при эпоксидировании и гидролизе дает (+)-1-гидроксинеокарвоментол. Ацилирование с последующим пиролизом дало (-)- транс-мент-2-ен-1-ол в качестве основного продукта. Неочищенный продукт подвергали сольволизу с получением смеси пиперитил-активатов в качестве продуктов миграции аллила. На этой стадии неочищенный продукт перегоняли для разделения цис- и транс-пиперитов. Продукт незначительного сокращения кольца был использован в качестве промежуточного парфюма в другом месте. Окончательное восстановление было достигнуто с помощью ^/Рё^ с
выходом 75% (-)-ментола после фракционной перегонки.
78
(-)-Ментол из (+)-пулегона: Исходный материал имеет правильную конфигурацию в Сь-положении Проблема заключается в энантиоселективном восстановлении двойной связи. Двойная связь сначала восстанавливается каталитическим гидрированием с образованием смеси (-)-ментона и (+)-изоментона. Полностью экваториальная конфигурация (-)-ментола лучше всего достигается путем восстановления растворения металла. Промежуточный енолят протонируется до термодинамически стабильного (-)-ментола.
/ ! \
[+ ^■□ГТ11П'|1аП1
(-)-Ментол из (-)-пиперитона: если внимательно посмотреть на стереохимию асимметричного центра (-)-пиперитона, то можно заметить, что иИзопропил имеет неправильную конфигурацию для (-)-ментона. Задача здесь состоит в том, чтобы изомеризовать этот центр и энантиоселективно восстановить двойную связь. Все попытки получить (-)-ментол производят только смеси, как показано ниже. Следовательно, этот процесс оказался не очень успешным.
(+Jtrans-PiperilDl (+>lscrnerthcl ^Menthol
(-)-Ментол из (-^ß-пинена: (-)-ß-Пинен предлагает хороший путь, поскольку присутствуют необходимые структурные особенности и доступен с достаточной оптической чистотой. Гидрирование (-)^-пинена дало цис-пинан, который является основным продуктом. При пиролизе напряженная мостиковая кольцевая система расщепляется с образованием оптически чистого 2,6-диметил-2,7-октадиена. Он был преобразован в (+)-цитронеллол с хорошими выходами прямым окислением. Альтернативно, более замещенный олефин сначала подвергали марковниковскому добавлению HCl, а затем антимарковниковскому добавлению HBr. Реакция сольволиза дала смесь цитронеллолов. Каталитическое окисление предоставленного спирта дает (+)-цитронеллаль. Его можно преобразовать в (-)-ментол известными способами. Однако продукт был загрязнен следовыми количествами (+)- ментола, образующегося из транс-пинана, образовавшегося на первом этапе.
(-I-Menthol
(-)-Ментол из (+)-6-3-карена: 5-3-карен - еще один хиральный синтон, который имеет необходимые структурные особенности, чтобы служить исходным материалом для (-)-ментола. Каталитическая изомеризация 5-3-карена дала (+)-5-2-карен. Были исследованы два разных маршрута. В первом пути (+)-5-2-карен подвергали пиролизу с расщеплением циклопропанового кольца. Полученный диен имел правильную стереохимию при С1 и С4 атомах. Последнее не имело значения, потому что эта асимметрия быстро теряется и восстанавливается в процессе. Обработка неконъюгированного диена HCl и дегидрогалогенирование приводит к конъюгированному диену. Добавление HCl привело к аллилхлориду. Сольволиз с ацетатом натрия уксусной кислоты дает SN 'смещение, вызывающее перегруппировку аллилов. Полученные ацетаты пиперита дали (+)-цис- и (-) -транс-пиперитолы, которые можно было подвергнуть фракционной перегонке. Чистые (-)-транс-пиперитолы давали (-)-ментол при гидрировании.
Во втором способе (+)-5-2-карен эпоксидировали с получением непосредственно (+)- цис-2,8-п-ментадиенола. При забуферивании смесью муравьиной кислоты и уксусной кислоты произошла аллильная перегруппировка с образованием смеси формиата и ацетата пиперитиловых эфиров. Соответствующие спирты можно подвергнуть фракционной перегонке. Цис-изомер можно изомеризовать для улучшения выхода чистого (-)-транс-пиперита. Гидрирование дало (-)-ментол.
Синтез серии бифункциональных катализаторов (1 мас.% Pt/W-TUD-1 (Technische Universiteit Delft-1) и 1 мас.% Pt/WO3/TUD-1) с различным содержанием вольфрама (5-30 мас. % WO з ) описан в работе [2]. Их каталитические свойства (активность и селективность) оценивали в двухстадийном каталитическом синтезе ментола из цитронеллаля с использованием кинетического анализа. Введение вольфрама во время синтеза TUD-1 приводит к высокой WO3 дисперсии, необходимая для кислотности катализатора. Высокая
■Р
дисперсность вольфрама также имеет решающее значение для активности гидрирования Pt. Следовательно, высокая дисперсия в сочетании с оптимальной загрузкой вольфрама привела к наивысшей каталитической активности. Наиболее эффективным катализатором был 1 мас.% (отношение кремния к вольфраму 30), с самыми высокими
выходами ментола (96%).
Синтез ментола из цитронеллаля в реакторе с тонким струйным слоем был исследован с использованием экструдатов цеолита RuШ-P-300 без какого-либо связующего и Pt- и Ru-экструдатов, содержащих 70 мас.% цеолитов Н-Р-25 и 30 мас.% бентонитового связующего. с использованием различных способов загрузки металла на экструдаты. Каталитические результаты коррелировали с физико-химическими свойствами бифункциональных экструдатов на основе цеолита. Превращение цитронеллаля в ментол было почти таким же для экструдатов Р^ независимо от кислотности катализатора или размера металлических частиц. Экструдаты Ru также демонстрировали аналогичные уровни конверсии в зависимости от времени работы, за исключением очень слабокислых экструдатов Ru/p-300, которые давали гораздо более низкую конверсию. Экструдаты Pt показали лучшую стабильность во времени работы по сравнению с экструдатами Ru. Лучшим катализатором, дающим наивысший выход ментола и низкое количество продуктов ациклического гидрирования, были экструдаты Ru-P-бентонита, в которых Ru произвольно располагался в смеси 70% Н-Р-25 и 30% бентонитового связующего. Гидрирование было более выраженным для Р^ чем для катализаторов Ru, скорее всего, из-за их более высокой способности к гидрированию. Стереоселективность к ментолу варьировалась в реакторе с тонким струйным слоем в диапазоне от 67 до 73%. В реакторе периодического действия для Ru- и Р^катализаторов независимо от кислотности носителя она находилась в диапазоне 70-71%. Было успешно продемонстрировано повторное использование экструдатов RuШ-P-300. скорее всего, из-за их более высокой гидрогенизирующей способности [3].
Гидрирование (-)-ментона и (+)-изоментона изучали при 2,7 МПа и 100 °С [4]. Задача состояла в том, чтобы получить жидкую смесь ментола, богатую (-)-ментолом, из дементолизированного масла мяты перечной. Катализаторы на основе № были протестированы и сравнены для этой реакции: а) 6 и 12% №, диспергированные в нестехиометрическом алюминате магния (Ni-Mg-Al) со структурой шпинели; б) kатализатор №-Ренея. Оба типа катализаторов были активны для гидрирования (-)- ментона и (+)-изоментона. Более низкая конверсия, но более высокая селективность по (-) -ментолу была получена с катализаторами Ni-Mg-Al. Однако они быстро утратили активность. Вместо этого
катализаторы Ni-Ренея сохраняли свою первоначальную активность даже после нескольких прогонов гидрирования.
Синтез ментола возможен путем гидрирования цитраля и цитронеллаля с помощью следующих многоступенчатых химических реакций, таких как гидрирование и циклизация [5]. Это исследование в основном сосредоточено на разработке селективных, активных и экономичных металл-кислотных (бифункциональных) катализаторов для производства ментола путем гидрирования цитраля и цитронеллаля. Более конкретно, металлами Pd и Ni пропитывали кислотный носитель (например, монтмориллонит, нанесенный на гетерополикислоту, HPA_MM). Полученные катализаторы охарактеризованы методами БЭТ, адсорбции пиридина и аминного титрования. Некоторые из наиболее важных параметров, таких как тип металла и нагрузка; приложенное давление и время реакции исследовались на протяжении всей этой работы. Полученные результаты показывают, что катализатор Ni-HPA-MM с 8 мас.% (Cat-5) произвел 63% ментолов (начальная скорость реакции 0. 126 ммоль/мин) от гидрирования цитраля (80°C, 1,0 МПа) в течение 24 часов. Аналогичным образом, при более низком прилагаемом давлении (0,5 МПа) производство ментола было значительно улучшено (приблизительно 98% ментола, начальная скорость реакции ~ 0,138 ммоль/мин) с применением 8 мас.% Катализатора Ni-HPA-MM (Cat-5) при гидрировании цитронеллаля. Более высокая селективность по ментолу была достигнута в обеих реакциях (цитраль и цитронеллаль гидрирования), что могло быть связано с присутствием сильных кислотных центров Льюиса и средних кислотных центров Бренстеда.
Методы получения ментола также были описаны в работах [6- 15].
ЛИТЕРАТУРА
1. Patent US 3943161A, 1976 Separating optically pure d-l-isomers of menthol, neomenthol and isomenthol / Fleishcer J., Bauer K., Hopp R.
2. Dam, J. Synthesis, characterization and performance of bifunctional catalysts for the synthesis of menthol from citronellal / J.Dam, A.Ramanathan, K.DIyanashvili, F.Kaptein // RSC Adv. - 2017. - Vol. 7.
- pp. 12041-12053.
3. Azkaar, M. Synthesis of menthol from citronellal over supported Ru- and Pt-catalysts in continuous flow / M.Azkaar, P.Maki-Arvela, Z.Vajolova, V.Fedorov // React. Chem. Eng. - 2019. - Vol. 4.
- pp. 2156-2169.
4. Manuale, D. Synthesis of liquid menthol by hydrogenation of dementholized peppermint oil over Ni catalysts / d.Manuale, C.Betti, A.Marchi, J.Yon // Quim Nova. - 2010. - Vol .33 - pp. 156-168.
5. Karim Shah, A. One pot menthol synthesis via hydrogenations of citral and citronellal over montmorillonite-supported Pd/Ni-heteropoly acid bifunctional catalysts / A.Karim Shah, G.Maitto, A.Ahmed, I.Channa // Reaction Kinetics Mechanisms and Catalysis. - 2019. - Vol. 128. - pp. 917934.
6. Katsuhara, J. The asymmetric synthesis of (-)-menthol and (-)-isomenthol by the hydroboration of (+)-3-p-menthene / J.Katsuhara, H.Watanabe, K.Hashimoto, M.Kobayashi // Bulletin of Japan Chemical Society. - 1966. - Vol. 39. - N 3. - pp. 617-618.
7. Toogood, H. Enzymatic menthol production - one pot approach using engineered Escherichia coli /H.Toogood, A.Cheallaigh, S.Tait, D.Mansell // ACS Synthetic Biology. - 2015. -Vol. 4. - pp. 1112-1123.
8. Patent of China CN102796798A, 2012 Preparation method of L-menthol.
9. Adilina, I. Conversion of (+)-citronellal and its derivatives to (-)-menthol using bifunctional nickel zeolite catalysts / I.Adilina, R.Pertiwi, A.Sulaswatty // Bioproral Industry. -2015. - Vol. 6. - N 1. - pp. 1-6.
10. Anshori, J. Synthesis of menthol from pulegol catalyzed by Ni/y-Al2O3 / J.Anshori, M.Muchalal, S.Sutarno // Indonesian Journal of Chemistry. - 2009. - Vol. 9. - N 1. - pp. 57-71.
11. Alvi, M. Preparation of menthol crystals from mint (Mentha arvensis) / M.Alvi, S.Ahmad, K.Rebman // International Journal of Agriculture and Biology. - 2001. - Vol. 3. - N 4. -pp. 127-128.
12. Zuliani, A. Continuous flow synthesis of menthol via tandem cyclisation-hydrogenation of citronellal catalysed by scrap catalytic converters / A.Zuliani, C.Cova, R.Manno, V.Sebastian // Green Chemistry. - 2020. - Vol .22. - pp. 379-387.
13. Jiang, P. Efficient production of l-menthol in a two-phase system with SDS using an immobilized Bacillus subtilis esterase / P.Jiang, N.Dang, G.Zheng, B.Cheng // Bioresources and Bioprocessing. - 2014. - Vol. 1. - N 12. - pp. 6475-6482.
14. Patent EP 2398755A1, 2011 Methods and apparatus for production of natural l-menthol / R.Nagaoka, H.Izakura, S.Tokita.
15. Patent US 6706500, 2004 Process for the preparation of L-menthol /J.Gatfield, J.Hilmer, R.Schmidt.
