香精与香料(17)-香型与分子结构特征的关系

香型与分子结构特征的关系

香型也即香气类型。人们把具有相同香气物质归类在一起就构成了某些香型。关于香型的分类方法有很多，本节只对几种香味化学中有意义的香型和与之对应的分子结构特征予以总结。

（一）麝香分子及其分子结构物特征

目前已发现的香味物质有以下几类：

一是苯系麝香化合物（包括硝苯麝香和非硝苯麝香）。

二是大环麝香化合物；

三是甾体及四氢萘麝香化合物。

四是茶系硝苯麝香化合物。

1、苯系硝基麝香化合物

麝香酮与酮麝香

2, 4, 6-三硝基甲苯（Trinitrotoluene，TNT）是常见的炸药，至今仍大量应用在军事和工业领域，1888年Albert Baur尝试制备一种超强TNT，即在TNT的基础上引入更多的烷基，他以间二甲苯为原料，引入叔丁基后再硝化得到了3, 5-二甲基-2, 4, 6-三硝基-4-叔丁苯，遗憾的是这种新物质的爆炸性并没有想象那么强，但意外的是它具有麝香的香味，因此这种物质被命名为“Musk xylene”。随后他又相继合成了其他具有麝香气味的硝基化合物，其中就包括与麝香酮傻傻分不清楚的“酮麝香”，后来这些物质也不约而同成为香水中的配料成分。

这类化合物的分子特征是；

（1）、分子中至少具备二个硝基、一个甲基和一个叔丁基；

（2）、与苯环直接相连的带有孤电子对的结构，或重链结合的结构，如果没有这种基团，苯环上必须有第三个硝基存在。

2、苯系非硝基麝香化合物

1948年，卡平特（carpenter）等人首先报道了下列化合物具有麝香香气，从面开辟了苯系非硝基麝香的领域。

到目前为止，已有大量的非硝苯麝香问世。这类物质一般表现出较好的光敏性。其分子特征是：

（1）碳原子数在14-20之间，最好在16-18之内；

（2）2、3-二氢茚或1、2、3、4-四氢萘的骨架

（3）一个酰基和一个仲或叔丁基作为独立的基团与苯核相连，最好是乙酰叔丁苯与苯核相连；

（4）与芳环相连的非芳环的碳原子有一个是叔碳原子或季碳原子， 最好是季碳原子。

3．大环麝香化合物

这类化合物其分子结构特征如下；

(1)、环十五烷酮的甲基化法

该方法是最直接的麝香酮合成方法，只需要在母核环十五酮的3号位引入甲基即可。早在1971年，Mookherjee等人就报道了以环十五酮为基本原料，经过五步反应制备麝香酮的方法，首先将羰基用缩酮形式进行保护，a位引入卤素后碱性条件消去得到双键，脱保护后即得a, b-不饱和酮，最后利用格氏试剂进行Michael反应即可以较高产率获得麝香酮。

（2）、闭环法

闭环法顾名思义就是通过开链化合物分子内成环的方法，这些闭环方法包括羟醛缩合、自由基加成、1, 3-偶极环加成等。除了上述方法，烯烃复分解反应（olefin metathesis）尤其是“关环复分解（Ring-closing metathesis，RCM）”反应已经成为有机合成，特别是复杂天然产物全合成领域构建环状化合物最高效的方法之一。2000年，Hagiwara等人以（R）-香茅醛（citronellal）为起始原料，经过多步合成开链环化前体，利用Grubbs’ catalyst即可得到含双键的十五元环酮，最后只需Pd/C氢化就能得到手性纯的麝香酮产物。

(3)、麝香气味的化合物

酯类化合物与生俱来的特殊气味促使化学家们寻找具有麝香气味的酯类化合物。1927年人们从当归根油中提取出具有麝香气味的环十五内脂，随后又在黄葵类植物中提取到含不饱和键的黄葵内酯，并由此发现环的大小与香味有直接关联，一般含有14-19个碳原子的环状化合物才具有麝香的香味。受此启发，后来又有不少结构类似的化合物，例如十五烯内酯、甲基十四烯内酯等被相继发现并成功应用于商品化的香水制品。

1）环中碳子数为13-19的环酮；

2）碳原子数为13-15的环碳酸醋；

3）环中碳子数为15-19的酸酣

4）环中碳原子子数为14-18的环内酯

5）环中碳原子数为14-19的环来胺。

其他一些螺环氧大环成分也具有麝香的气味，详见下表。

(二)．紫罗兰香及其分子结构特征

1934年，卡其伽首先提出紫罗兰酮的结构以来，人们已经合成出许多紫罗兰香味的化合物。

该类香气物质具有的分子结构特征是：具有1、3-烯醇式环乙烯，在上述取代基两侧至少具备两个甲基，甲基数目增多则气味加强。

紫罗兰酮Ionone又称香堇酮，是玫瑰酮家族里的一种，它的化学结构很像玫瑰酮，而且有α和β两种：

紫罗兰酮和玫瑰酮的区别是，碳环的双键位置和碳基的位置。别看这小小的区别，导致气味完全不同于玫瑰酮。

紫罗兰酮是倍半萜酮，主要来源于紫罗兰、穗甘松、桂花、鸢尾草、红花缅栀、雲木香等植物，在高等级的芫荽叶、玫瑰、野橘中也有少量。

气味有甜甜的花香、木香、果香集中。本身它的香气并不明显，但是和其他芳香分子混合后，紫罗兰花香就会迸发。熏香可以帮助人们化解心中的伤害，有强大的心灵修复能力。

紫罗兰酮的特性有穿透性强，温和化痰，祛除拥塞感，缓解呼吸问题；可以抑制癌细胞扩散。

(三)．苦杏仁香型及其分子结构特征

包伦斯总结了一条列具有杏仁香味的化合物。

其分子结构特征为：

（1）分子中至少有一个官能团，而这个官能团是吸电子基；

（2）吸电子基连接到苯环共轭体系（苯环或五元杂环）或吸电子基连接成上面结构的双链上。

苦杏仁甙

苦杏仁甙经β-葡萄糖苷酶水解可以得到具有苦杏仁香气特征的苯甲醛

苯甲醛

(四)、茉莉香及其分子结构特征

自19世纪末20世纪初人们才开始茉莉香化学的研究，自茉莉油中分离并鉴定出关键香气成分“茉莉酮”“茉莉内酯”和“茉莉酮酸甲酯”以后，合成了大量的茉莉香味化合物。

后来，人们还发现有些与茉莉油无关的成分也具有茉莉香气，这些化合物包括利用轻醛缩合反应得到的某些的酮和醛。

从上述化合物可总结出了茉莉香味的分子结构特征为：环绕一个中心碳原子上连有三个不同的基团，即是；一个强的极性基团（官能团），一个含有C5或C6的烷基侧链和一个较弱的极性基团，可以形象地表达为：

化合物的顺反异构也和香气有关。比如从茉莉花中提取的茉莉酸甲酯。由于双键取代基的位置不同，该化合物具有两个顺反异构体，分别为顺式-茉莉酸甲酯(左式)和反式-茉莉酸甲酯（右式）。

顺式-茉莉酸甲酯和反式-茉莉酸甲酯相比香气能传得更远，茉莉花香气也更浓烈。反-茉莉酸甲酯则有一股脂肪臭味，作为香料是没有很大使用价值的。从茉莉花中提取的也是顺式-茉莉酸甲酯。

(五)、檀香及其分子结构特征

其分子可归纳以下几个类型；

一是檀香衍生物，同系物及同分异构体；

二是萜乙醇类；

三是烯衍生物类；

四是其它化合物。

布伦克等人根据檀香分子结构总结出了檀香分子结构特征是；具有12-17个碳原子（1个醚氯荃中氢原子相当于1个碳原子）以及与分子大的荃团部分具有特定距离的轻荃的分子有檀香香气。分子中C2和C6位置上的支链化，有利于檀香香气的嗅觉效果，C7位置上的双链是必要的，该双链可以被环丙烷环，醚荃碱具有立体障碍的环境所替代。

檀香油主要成份是α-檀香醇（1）、β-檀香醇（2）以及α-檀香烯（3）和β-檀香烯（4）。其分子结构式分别如下：

还含有三环檀香醛， 反式-α-香柠檬烯， α-芳姜黄烯， 香榷醇、α-檀香醛和β-檀香醛。另外还含有五个化合物，即没药烯醇A(7)、B(8)、C(9)、D(10)和E(19)：

(六)、龙涎香类化合物的结构与其香气的关系

对龙涎香分子结构与其香气特征关系的研究，最早始于20世纪70年代初，其中，最具代表性的是 Ohloflf等人的“嗅觉三轴向规则”。Ohloff等人用认为龙涎香的分子结构与其香气关系表现在反式稠合的十氢萘的骨架上。人类的香味感受体与香味分子之间的相互作用发生在一个三维空间中，香味分子与嗅觉感受体之间的作用是通过分子的三点作用而发生的。但是随着新合成化合物的不断增多，人们就发现“嗅觉三轴向规则”存在着很大的局限性。

1985年Bersuker等人首次釆用电子拓扑方法研究龙涎香分子结构与其香气特征的关系，并且提出了“龙涎香三角”这一概念。随后Dimoglo、Gorbachov和Rossiter发展了电子拓扑方法，并用该方法进一步研究了龙涎番化合物的结构和活性关系。

1989-1990年Winter对符合“嗅觉三轴向规则”的一些分子的含氧基团中氧原子的空间可接近性进行了研究，并指出分子具有龙涎香香气的一个条件是其氧原子的空间可接近性数值必须大于6平方埃，用这一参数Winter正确地预测了五个新合成的化合物的龙涎香活性。

1995年，Bajgrowicz和Broger使用CATALYST分子建模软件，以 23种化合物为训练集，获得了六个龙涎香发香团模型，然后用121种化合物对这些模型进行测试，并从中筛选出一个最佳的发香团模型。该模型包括一个氢键受体、四个疏水区域和六个排斥体积。后来，Bajgrowicz和Broger在这一模型的指导下合成出了几个龙涎香化合物。

(1)氧原子的空间可接近性，作为判断化合物是否拥有龙涎香香气的一个前提条件具有广泛的适用性，这一参数不但对于十氢萘型化合物是适合的，而且对于非十氢萘型化合物也是有效的。

(2)对于十氢萘型化合物，我们发现位于两个环己烷之间的甲基基团的空间可接近性对化合物的龙涎香活性也有明显的影响，该参数也可以作为判断化合物是否具有龙涎香香气的一个前提条件，但是其对于非十氧萘型化合物的适用性还有待于进一步的研究。

(3)所研究的大多数化合物分子的前线轨道的能量间隙与其龙涎香香气也表现出一定的相关性，这对于进一步研究化合物的结构与龙涎香香气间的关系能够提供一些有价值的参考信息。