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龙诞香产生于抹香鲸的消化道中。它有三个阶段
1. 新鲜龙涎香:黑色,手感类似潮湿的黏土,有一股海洋与粪便的气息
2. 标准龙涎香:棕色或灰色,香味浓烈异常,可用于香水,形成需要20-30年
3. 风干龙涎香:白色,由于在海上漂泊过久,体积略小,香味淡去,散发出甜味,可用于香水

抹香鲸是被CITES保护的濒危动物,龙涎香作为其排泄物,亦算是动物源产品。因此,在某些国家买卖龙涎香是非法行为:
在澳大利亚,环保与生物多样性保护法禁止了龙涎香的商业用途;在美国,龙涎香被1973年的濒危动物法归为违禁物品。
不知为何,龙涎香对狗有强烈的吸引力,所以澳大利亚海关会用警犬搜寻行李中夹带的龙涎香。


龙涎香对人类有着同样的吸引力----许多大牌香水都将龙涎香作为末香添入香水配方。

那么多添加龙涎香的香水?!
然而,在1946年第一届世界捕鲸大会召开后,各国陆续对鲸鱼产业出台苛刻政策,而对于龙涎香的需求没有减退。科学家开始探索合成龙涎香的道路。
小V在Google Scholar查阅了几篇文献,找到了人工合成龙涎香的方法。
前言
龙涎香的有效成分为龙涎醚Ambrox,简单说来,就是十二氢-3a,6,6,9a-四甲基-萘酚[2,1-b]呋喃。

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准备工作--植物提取
南美洲有一种常见的红木Hymenaea courbaril,用于制造家具,其果实有异香,当地人常在闹饥荒的年头食用果肉。

Hymenaea courbaril

seed pod
从种子中可以提取一个酸,就是合成龙涎醚的原料。

第一步:重氮甲烷与羧酸类化合物的甲基化反应
反应过程中,羧酸给重氮甲烷提供H+,使亚甲基质子化。然后,发生亲核取代,生成一个甲基酯。

重氮甲烷

反应1
第二步:不饱和键的臭氧分解Ozonolysis
用臭氧氧化烯键的常规操作是:把臭氧通入烯烃溶液(-78°C )直至溶液由于溶液中未反应的臭氧而呈现蓝色。这说明,烯烃已经反应完全,生成了不稳定的臭氧化物。
若加入双氧水,会生成羧酸;
若加入三苯化磷PPh3、硫脲SC(NH2)2、DMS (CH3)2S或锌粉,则会生成醛或酮;
若加入硼氢化钠NaBH4,则会生成醇。
在龙涎香这个反应中,需要把甲基酯溶解在二氯甲烷中,通臭氧,然后加入PPh3,生成醛和酮。

臭氧

PPh3

反应二
第三步:缩酮化反应
为方便说明反应机理,先用环己醛与乙醇的反应举例。

酮的质子化:
乙醇上的氧有两对孤对电子,所以在酸性条件下获得质子成为亲电试剂。作为亲核试剂的酮进攻质子化的乙醇上的氢。于是,氢上的电子回到带正电的氧上,形成乙醇;被进攻的氢与酮结合,带正电,成为亲电试剂。

2. 亲核取代:
亲核试剂乙醇进攻亲电试剂酮上的alpha碳,pi键上的电子转移到氧上,使之恢复电中性;另外,由于反应新生成了一根碳氧键,第二个氧带上了正电。

3. 去质子化:
实质为第二次亲核取代—亲核试剂乙醇进攻带正电的第二个氧,氧回归电中性,生成半缩酮 hemiketal

4. 脱水:
亲核试剂半缩酮进攻被质子化的乙醇上的质子,获得质子,此时,带正电的氧上连着两个氢,俨然是一个水。当另一个氧上的一对孤对电子与碳成键时,带正电的氧与碳的键就会断裂,水脱离了。

5. 亲核取代:
碳氧键形成后,氧少了一对孤对电子,所以带上了正电。由于碳氧pi键共轭,所以alpha-C也是一个缺电子中心。亲核试剂乙醇再次进攻alpha-C,乙醇上的氧由于成键带上正电,缺电子中心得到电子,归为电中性。

6. 去质子化:
亲核试剂乙醇带走多电子中心的质子,留下电子,生成电中性的半缩酮。

这真是一个超级长的过程呀~
回归正题,在龙涎香的合成的这步过程中,我们要用缩酮反应形成一个缩酮环,保护醛基,防止它发生Wittig Reaction。
为了成缩酮环,我们要用乙二醇替代例子中的乙醇,还需要樟脑磺酸camphorsulfonic acid作催化剂。
首先,把醛溶解在纯苯溶液中,加入乙二醇和催化剂,在Dean-Stark蒸馏器中回流,冷却直至室温。
然后,用5% NaHCO3 溶液洗涤蒸馏过的溶液,用无水硫酸镁干燥液体。
最后,柱层析分离(展开剂--石油醚:乙酸乙酯,85:15),结晶。

Dean-Stark Apparatus

camphorsulfonic acid CSA

ethandiol

反应3
第四步:烯化反应 Wittig Reaction
这是一个诺奖级别的反应,用叶立德(ylide, 正负电荷共存的分子)把醛、酮直接变成烯烃。
下图是反应机理:

配制叶立德溶液:
1. THF溶剂、锌粉、CH2Br2 搅拌三天三夜
2. 加入上一步的缩酮,发生烯化反应
3. 过柱子获得产物

反应4
第五步:缩酮开环
Wittig反应结束后,我们不用担心醛基被烯化啦!
所以,我们不需要用于保护醛基的缩酮环了。
开环试剂:NaBH4(还原剂)、 MeOH
所以,缩酮环被还原为醇

NaBH4

反应5
烯烃被过氧酸环氧化得到环氧结构的反应
举一枚简单的例子:

Prilezhaev Reaction 例子

*Ar指芳香族,反应机理

mCPBA

反应6
第七步:打开环氧结构
常见的强亲核试剂:
1. 格氏试剂Grignard reagent,例如本反应使用的LiAlH4
2. 醇盐alkoxide,羟基氢被金属取代,氧带负电
3. 硫化氢阴离子等
反应机理
1. 氧的电负性比碳强,所以氧带部分负电,碳带部分正电,所以亲核试剂会进攻碳。这个反应中,亲核试剂会进攻左边的仲碳伯碳,而非右边的叔碳,因为仲碳边上有一个氢原子,氢原子体积比R基团小很多,所以进攻仲碳的难度较低。另需注意,亲核试剂会从碳这一侧,而非氧这一侧进攻,重申一下,氧带部分负电,与同带负电的亲核试剂相斥,仲碳上的氢被顶到与加到碳上得亲核试剂得对面。于是,仲碳得电子,与氧的键断裂,氧呈负电荷。
2. 此时,反应体系中提供质子的物质,例如:水,会收到带负电的氧的进攻,形成氢氧键。至此,开环反应就结束咯。

反应机理
将这个反应应用到我们龙涎香的合成中,就能得到下面的反应了。

LiAlH4

反应7<br style="box-

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