香味物质与其构效之间的关系.doc

第三章 香味物质与其构效之间的关系第一节 概 述一、气味的产生气味是物质最重要的特征之一，最能代表物质的本质，一种物质一种气味，没有相同气味的两种不同物质，物质不变其气味不变，气味改变了物质一定发生了质的改变。为什么有些气体有味，另一些气体无味？可以闻到味的气体浓度可相差十万倍，如丙酮的气味阈值为100 ppm，硫化氢的阈值为0.00047 ppm，为弄清这个问题，许多科学家做了不懈的努力，想把气味分类，想从物质的化学成份与分子结构上寻找答案，遗憾的是谁也没有取得满意的结果。美国学者蒙克里夫（moncrieff）是对嗅觉理论研究最多的人，他的气味理论是：一种物质要能放出气味，就必须是：、挥发性的；、这种物质能被嗅上皮的表面所吸收即兼有水溶性和脂溶性；、通常“气味物质”在嗅觉区是不存在的。 气味物质具备了上述三个条件，通过下述过程形成嗅感：、气味物质不断地向空气中挥发分子；、上述分子有些通过鼻腔吸入，一般不必用力吸即可达到嗅觉腭裂处；、能够被吸附在嗅觉感受器上适当大小的位置上；、气体分子的沉积也同时带来能量交换，吸附是一个放热过程；、上述能量交换产生电脉冲，通过嗅觉神经到达大脑；、大脑作用形成嗅的感觉。 蒙克里夫提出，气味的感受包括鼻内的几个过程：有些是物理的，有些是化学的。物理的可能在嗅上皮存有物理振动发生，而化学的则来自气味物质。普通的观点是，气味并不取决于物质的化学组成，而是取决于它的组分构成族类的排列顺序不同而形成的理化上的差异。对气味性物质进行了广泛研究之后，蒙克里夫做出结论认为：气味与结构之间并不存在简单的一成不变的关系，必须认识到，气味特征由分子结构决定一说，只是事实的一半，另一半在于进行闻嗅的人的接收器官和大脑。气味往往给人带来强烈的情绪作用，这将取决于个别人的亲身体验。一个人对某种气味喜爱的反应或没有反应都能影响他正确的判断。应该把分子结构和感受器的生理因素及神经通道一起考虑在内。蒙克里夫编制了化学组成与气味关系的62条原则，又对气味物质的物理性质作了深入的研究，但是最终还是没有能把气味物质与非气味物质区分开来。气味物质有其物理特性，总结起来有挥发度、溶解度、红外线吸收、紫外线照射的丁铎尔效应、拉曼效应和吸附。挥发度的量度是蒸气压，不能挥发的物质不能进入嗅觉器官，但是蒸气压很低的麝猫香、混合二甲苯等的麝香气味很浓，蒸气压仅为10-13-10-4毫米汞柱。水的蒸气压为17.5毫米汞柱，而人闻不到味。这可以用水蒸气常存在于鼻腔内来解释，还可以用水不溶于脂来解释，但是水蒸气能被骆驼嗅到，而且嗅闻距离达80 km之遥。溶解度是指气味物质能溶于水和脂肪，因为嗅觉鞭毛上有含水粘液，透过了它再穿过脂肪性的鞭毛才能接触嗅觉细胞。但是并不是所有具有水溶性、脂溶性的物质都有气味，如甘二醇，却是无气味的。振动说是嗅觉理论之一。物质的振动与被它吸收的光线有相同的频率，因为对光的吸收是基于该物质分子振动与光线振动之间的干扰。气味物质能强烈地吸收红外辐射，因此把吸收红外辐射当作气味物质的特征之一，但是气味物质石腊和二硫化碳都不吸收红外线。丁铎尔（tgndall）效应是用来解释紫外线照射某些溶液后产生热效应的一种方法。例如气味物质丁香酚、黄樟脑等的溶液经紫外线照射后会发出乳白色的光，这是由溶液的颗粒散射而产生的，这也是某些气味物质的一个物理特性。但是丁铎尔效应与嗅觉机理缺乏存在必然的联系。拉曼频移是测量纯物质分子振动的一种方法。单色光通过一种纯物质后其散射的光不再是匀质的，其波长长于或短于原波长，是物质分子能的共振效应。假若气味是分子间的共振引起的，就可以找到气味与拉曼频移的关系。但实际上有拉曼频移的物质不全有气味。吸附作用也常用作嗅觉机理的解释，因为气味物质常被活性炭所大量吸附，如对苯、氨等，但也能吸大量的水分。 1959年，日本人小幡弥太朗在总结前人提出理论的基础上，概括了有气味的有机化合物必须具备的条件6个条件（见第二章）。这些条件可以作为判断分子有无气味的依据。有机化合物的气味是有机物的物理性质之一，有机化合物的气味在自然界具有多种多样的用途：动物之间用气味做信号，动物识别种群种族主要靠气味。蜜蜂进不错蜂箱。把一只蚂蚁隔离两个月后放回原蚁群，同群蚂蚁还认识它；许多植物有净化毒气的能力，从植物中提取空气净化剂可行并已取得可喜的成就。此外，气体物质还可用做化工上的臭味剂，目的在于防止某些无气味物质渗漏；食品工业上用作香味剂；香料工业上用作香料；植保上的信息素用作诱杀害虫；医药卫生上用作掩蔽剂等等。二、气味的传达气味的受体是嗅觉鞭毛上的粘液，由消化系统产生的消化酶和免疫系统产生的免疫蛋白构成。生病时会因上两种物质的改变引起嗅觉异常或失灵。生物物种间嗅觉功能上的差异也来自嗅觉分泌的粘液成份上的差异。能引起鞭毛上粘液化学变化的物质称气味物质。化学反应理论可以解释“嗅觉抑制”和“嗅觉疲劳”现象，连续的气味物质的介入，使粘液中的参与反应的蛋白与酶饱和，反应即停止，化学刺激亦停止。大脑对嗅的感受来自记忆，由遗传得来，又可以后天建立，还可以加强记忆。强烈的毒物刺激可以破坏其功能。大脑记忆的强弱与嗅觉的灵敏度有直接的关系，嗅觉的衰退与年龄有关，痴呆症患者的嗅觉同样低下。嗅觉受气味刺激后能引起情绪、食欲、性欲的变化，同时能提高免疫功能，嗅觉失灵的人健康状况会欠佳。气味捉不住、看不见，是抽象的，但经过我们鼻子的功能，传送到大脑，产生种种联想，使我们作出判断，作出反应。气味物质分子在空气中扩散，由鼻腔收容之后，并与嗅神经相接触，遂将情报传达到大脑，于是就产生了气味感。也有的气味分子混入空气中经鼻或口腔进入肺，从鼻腔介骨气流以复杂的流向通过嗅细胞到达脑部。当气味分子通过粘膜中的嗅细胞时，使其原来所负的电荷发生变化而生成电流，刺激神经细胞，大脑遂得以分辨其气味。近年又发现在鼻孔尖端处，有一个肉眼看不见的“喷雾器”。当嗅味时，“喷雾器”向内侧喷出微细雾状。这对气味捕捉及溶解都起到重要作用。当你不需要闻气味时，“喷雾器”则自动关闭（见图31）空气中气味分子鼻腔气流甲介骨受容细胞粘液嗅球（嗅细胞）第一中枢第二中枢（扁核桃等）脑部呈现气味感觉图31气味的传达值得注意的是气味也并不是鼻子的专利，并不是只有鼻子才能感到气味。在特殊情况下，人有血行性嗅感。例如在静脉中注射“那里阿敏”，片刻即感到有大蒜的气味。用生理食盐水将有香味物质溶解后注射，也会出现有气味的感觉。甚至嗅盲者会有气味感。这说明在评香之前作静脉注射要慎之又慎。第二节 香味与分子结构之间的关系有机物的气味是有机物的物理性质之一，可以作为鉴定有机物的依据，那么什么样结构的化合物有香味？什么样的结构与某一类香味相关呢？这些问题一直是人们所感兴趣的研究课题。但是由于受气味物质的分子结构本身的复杂性和鉴定器官的主观性的影响，所以到目前为止，关于这方面的研究还很令人失望。还找不到分子结构与气味之间的相互影响的定量关系，或者说还不能确定一种能肯定地预测某种新化合物的香气特征的理论。在此只能简单地分析有机化合物分子的结构，例如碳链中碳原子个数、不饱和性、官能团、取代基、同分异构体等因素对香料化合物气味产生的影响。生产香料、使用香料的经验出发，简单介绍香味物质的分子结构，虽然尚不能从理论的高度加以解释，但对香味化合物的合成，还有一定的指导作用。一、从气味探讨分子结构(一)、从气味预测官能团 含有相同官能团的同系物一般都具有相似的气味，如：含有醇羟基（OH）具有醇气味；含有醚基（O）具有醚气味；含有酯基（COOR）具有酯气味等。因此人们一般可以通过香气来判别化合物的结构。气味分子通常含有某些原子或原子团，这些官能团也称为发香基团。发香原子在周期表上常位于第至第族，其中P、As、Sb、S、F是发恶臭基团的原子。常见的发香团有：羟基（OH）、羧基（COOH）、醛基（CHO）、苯基（C6H5）、硝基（NO2）、酰胺基（CONH2）、氰基（CN）、硫醇基(SH)、硫醚基(S)、氨基(NH2)、羰基()等。低级酯类(C6以下)一般有轻微的果实香(表31)。可以看出这些酯类均有共同香气、表现有共同联想。分子内酯基位置对气味影响不大。表3-1 酯类（C6）的气味化合物香气特征联想气味CH3COOCH2CH2CH2CH3轻快果实香成熟梨子CH3COOCH2CH(CH3)2果实香朗姆酒CH3CH2COOCH2CH2CH3轻快果实香菠萝或香蕉CH3CH2COOCH(CH3)2甜的果实香菠萝或香蕉CH3CH2CH2COOCH2CH2CH3花样果香菠萝或苹果CH(CH3)2COOCH2CH3轻快果香朗姆酒CH3CH2CH2CH2COOCH3青的果实香苹果CH3CH(CH3)2COOCH3青的果实香苹果由于不同的发香团形状大小和性质不同，对嗅觉细胞凹形感受部位插入的位置和刺激强度也不同，产生不同的气味。上述观点仅适用于分子量较小，发香团在分子中所占比例较大的情况。随着碳链的加长和发香在分子中所占比例的减小，发香团对气味的影响逐渐减小，二分子的形状和大小对气味的影响逐渐增大。需要指出的是，气味表现并非官能团气味的简单相加。(二)、从气味预测分子的部分结构 当官能团不是单纯的置换基，而是和分子整体结构有关时，根据一定的气味预测出共同的部分结构的例子很多。焦糖的香气使人联想到砂糖那种带有甜味的芳香，具有这种香味的化合物中具有环状a-酮体的烯醇结构：例如： 麦芽酚 甲基环戊烯醇酮 羟基呋喃酮这些化合物都有焦糖香气，可以用作食品香料。食品和烟草香气成分中存在有吡嗪核、吡啶核、噻唑核化合物，它们可以通过梅拉德反应由糖和氨基酸转化而来。吡嗪 吡啶 噻唑各种母核本身具有其特异气味，但下列化合物却有相同的柿子椒香，这可以归结为取代基保持在杂环上相对位置一致，并且杂芳环上电子密度分布相似。有人把分子易于移动的电子分布视为共同部分结构。(三)、从气味研究分子骨架结构 具有相同或相似香型的化合物并不一定都具有相同的官能团或相同的局部结构，有时分子整体骨架相同，也会具有相似的香气。例如：苯乙酮 b-苯乙酮 苯乙醛 环己基乙醛 环己基乙酸甲酯 上述化合物都具有强烈的相似的花香气味，它们所含有的官能团完全不同，假定苯环是花香香气的共同局部结构，就无法揭示化合物环己基乙醛和环己基乙酸甲酯也具有相似花香气味的事实。因此，只能认为环状C6加侧链C2的分子骨架是它们具有共同类型香气的决定因素。 化合物樟脑、龙脑和桉叶油素具有樟脑气味。比较三者的结构，可以发现决定它们具有相同香气的不是官能团，而是都含有刚性筐型桥环骨架结构。Amoore曾对20多种具有樟脑气味的化合物进行研究，如：樟脑、六氯乙烷、3，3二甲基环己醇、3，3二甲基环己酮、乙酸2，3，3三甲基2丁醇酯等。它们的官能团和结构均不相同，但根据它们的立体化学数据，发现其分子的几何形状和大小都很相近，这是它们具有相同气味的原因。樟脑 龙脑 桉叶油素二、从化学结构研究气昧（一）、碳原子个数和气味的关系香料化合物的分子量一般在50300之间，相当于含有420个碳原子。在有机化合物中，碳原子个数太少，则沸点太低，挥发过快，不宜作香料使用。如果碳原子数太多，由于蒸气压减小而特别难以挥发，香气强度太弱，也不易作香料使用。碳原子个数与香气的影响，在醇、醛、酮、酸等化合物中，均有明显的表现。1、脂肪族醇类化合物 这类物质气味随着碳原子个数的增加而变化。C1-3具有酒香香气，碳原子数增加，香气变强。C6-9的醇开始具有油脂气味，碳原子数进一步增加，会出现花香香气，碳原子数在14以上的高碳醇，气味几乎消失。2、脂肪醛类化合物 低碳醛具有强烈的刺激性气味，碳原子增到812时，开始具有花香、果香、油脂气味，其中以C10气味最强，常用作香精的头香剂和日用香精，碳原子数在16以上的高碳醛几乎没有气味。3、大环类物质碳原子个数对这类物质气味的影响很有趣，它们不仅影响气味强度，还可以导致香气性质的改变。对环酮来说，成环碳原子数在5-8时具有薄荷的香味，9-12时转为樟脑香气，13时具有木香香气。在麝香酮（天然麝香是一种珍贵的动物香料，其主要香气成分是3-甲基环十五酮）、灵猫酮及所有的大环酮中，以成环碳原子个数在14-18时，香气最强，具有麝香香气。碳原子数在此之外时，香气就会变成别的类型的弱的香气。弱薄荷香 类似樟脑香 麝香香气若改变环状结构中官能团，用>NH代替>C=0时香气变化情况如下：成环碳原子数在5-6时具有氨气味(官能占主导地位)，9-10时转为樟脑气息，15时具有麝香气味，n>16气味迅速减弱。当碳环保持在15个碳原子，以O，S，COO代替>C=O时，这些化合物都有麝香气味，即使OCOO，COOCO和OCH2O替代>C=O，1517个碳原子的环状化合物仍表现为麝香气味。从上例不难看出：分子量较小时(C6以下)气味由官能团决定，随着碳原子数的增加，分子体积越来越大，气味趋向由整体结构来决定，C8C9时表现出樟脑气味，C15C16表现出共同的麝香香味。（二）、不饱和性和香气的关系不饱和键也与香气有关系。在同样的碳原子个数下，相似的分子排列，分子中有不饱和键的化合物的气味较强，如果引入双键或叁键的官能团，则香气增强。如：(己醇) 弱果香，油脂气 （顺式3己烯醇）强清香，无油脂气（己醛）弱果香，酸败气 （2己烯醛）青叶香，无酸败气有些化合物由于不饱和度的增加，香气变得优美。芳烃有侧链时，气味加强，侧链有不饱和键时气味进一步加强。常见简单例子如：丙烯醛的气味强度大于丙醛；苯乙烯大于乙苯，乙苯大于甲苯又大于苯的气味强度。b大马酮和b二氢大马酮属于同一类型香气，有相似的分子排列，但前者香气比后者更优美。 b大马酮 b二氢大马酮根据电子振动理论溶于嗅神经末稍的脂肪内的物质，受氧化还原酶作用，产生氧化还原电位，从而冲动嗅神经未稍细胞而产生嗅觉，很显然，分子中有不饱和键的物质较相应饱和物质易于被氧化，分子中有侧链的芳烃较无侧链的芳烃易于被氧化，因此，它们的气味也较强。（三）、取代基和气味的关系在苯的衍生物中，有相同的类型基团存在时，有相似的气味。在苯环上引入吸电子基(CHO，NO2，CN等)，一般产生相似的气味。例如：当R=N02，CHO，CN或CH3CO时，有苦杏仁气味。当R=N02，CHO，CN时，有大茴香气味。但是在其它一些化合物中，取代基对香气的影响是显而易见的，取代基的类型、数量及位置，对香气都有影响。在吡嗪类化合物中，随着取代基的增加，香气的强度和香气的特征都有所变化。香气特征：强烈芳香，弱氨气 稀释后巧克力香 巧克力香，刺激性香气阈值（ppm）：500000 100000 400紫罗兰酮和鸢尾酮相比较，基本结构完全相同，只差一个甲基取代基，它们的香气有很大差别。a-紫罗兰酮 a-鸢尾酮紫罗兰花香 鸢尾根香（四）、异构体和香味的关系异构现象包括碳干异构、位置异构、几何异构和光学异构，光学异构又有对映异构和菲对映异构之分。下面分别对这几种异构体与气味之间的关系作些简介。1、碳干异构体的香味一般地讲，有侧链的异构体比无侧链的异构体香味强且悦人(表3-2)。但脂肪族酯类化合物中，碳干异构体之间的气味无显著差异(表3-3)。表3-2 碳干异构体气昧直链异构体气昧支链异构体气 味正壬醛似玫瑰香气2,6二甲基庚醛较正壬醛悦人正十二醛不愉快的油脂气a甲基十一醛强的桔橙果香正十四醛几乎无气味2,6,10三甲基十一醛合金花的愉快香味正丁醇汗臭酒气a甲基丙醇略似丁醇而清快臭气较前者轻正戊醇略带果香a甲基丁醇似戊醇略带果香正癸醇蔷薇香气3,7二甲基辛醇显著的蔷薇香气丁 酸酸败奶油气异丁醇似正丁酸气味已 酸腐臭气味a甲基戊酸甜香气味丁酸苯乙酯玫瑰香异丁酸苯乙酯优雅玫瑰香表3-3脂肪酯碳干异构体的气昧正构体香 气异构体香气乙酸丁酯稍强醚香鲜果香乙酸异丁酯同 左乙酸丙酯微弱醚香乙酸异丙酯微弱醚香乙酸戊酯强的梨香乙酸异戊酯强的梨香乙酸已酯强的梨鲜果香乙酸异已酯同左乙酸癸酯微弱的柠檬香乙酸异癸酯同 左异戊酸丁酯苹果香气异戊酸异丁酯苹果香气2、位置异构体的香味大多数化合物与它相应的位置异构体有类似的香味，(表34)，也有少数例外，例如： 恶臭气味 香味 强刺激性 有玉簪花香表34 位置异构体的香味化合物香 味异构体香 味小茴香酮似樟脑气味异小茴香酮似樟脑气味薄荷酮香芹薄荷酮气味似薄荷酮丁香酚丁香气味异丁香酚弱的优雅丁香气甲基丁香酚稍淡的丁香气异甲基丁香酚优雅的香气黄樟油素似黄樟气味异黄樟油索弱的黄樟气味a水芹烯有鲜松树气b水芹烯有鲜松树气柠檬烯似橙香气苏格兰枞油精似橙气味b甲基紫罗兰酮紫罗兰香气a甲基紫罗兰酮较b优美的紫罗兰香b紫罗兰酮紫罗兰香气a紫罗兰酮更令人喜爱的紫罗兰香a甜橙醛 甜橙香气b甜橙醛甜橙香气b二氢大马酮清甜玫瑰香a二氢大马酮似b的香气3新铃兰醛铃兰花香4新铃兰醛铃兰花香3、几何异构体的香味由天然植物中分离出来的链状不饱和醇或醛一般是顺式结构，因为它们是由生物合成的全顺型天然脂肪酸衍生而来的。研究发现：从自然界获得的顺式体的香气通常较清淡柔和，而人工合成的反式体的香气较浓重（表35）。例如：化合物橙花醇为顺式，具有轻柔的橙花型香气；香叶醇为反式，具有浓重的玫瑰香气，它们的衍生物乙酸酯和乙基醚的香气也同样符合这一规律。表35几何异构体的香味比较反式香 味顺式香 味香叶醇玫瑰香橙花醇更细腻的玫瑰香反茉莉酮茉莉花香顺茉莉酮更诱人的茉莉香反灵猫酮似灵猫香顺灵猫酮优雅的灵猫香反2甲基丁烯酸食品香气，刺鼻顺2甲基丁烯酸食品香气反2,3,8三甲基2,7壬二烯醇玫瑰香顺2,3,8三甲基2,7壬二烯醇较反式优雅反对叔丁基环已醇乙酸酯优美花香顺对叔丁基环已醇乙酸酯香气更佳反玫瑰醚玫瑰花香顺玫瑰醚更细腻反3已烯醛油脂青气顺3已烯醛青气反叶醇青草香顺叶醇更雅4、差向异构体的香味差向异物体之间气味本质是相同的，但香气强度有差异，例如，在分子中具有竖键的醇类比具有横键的异物体有更强的气味，尤其在檀香和麝香类香料中表现更为突出(表36)。表36差向异构体的气昧竖键异物体及香气平伏键异物体及香气强烈檀香气无香气强檀香气檀香香气很强檀香气檀香香气强麝香气弱麝香气麝香气味无麝香香气5、光学异构体的香味长期以来，由于光学纯的对映体难以获得，对气味与对映异构体的关系研究较少，一直误以为影响甚微或无影响。随着色谱分离技术的发展，光学纯的对映异构体已经容易获得。研究发现：对映异构体对气味是有影响的，有时很明显。光学异构体之间的香味，目前尚未总结出明显的规律性，有些对映体之间呈现的香气相同，但气味强度上有差异，有些对映体之问呈现明显不同的香气特征(表37)。到目前为止，没有发现在光学异构体中一种有气味而另一种没有气味的报道。表 37光学异构体的香味化合物（）异构体的香味（）异构体的香味薄荷醇有清凉感有很弱清凉感圆柚酮柚子香气强的柚子香气岩兰酮木香香气强的木香香气柠檬烯有石油样香有橙油香气香芹酮具有留兰香样香有黄蒿样气味芳樟醇有木香兼熏衣草香有橙叶兼熏衣草香6、非对映异构体的香味由于碳环上3个取代基在空间的相对位置不同，薄荷醇的4种非对映异构体(+)-新薄荷醇，(-)-薄荷醇，(-)-新异薄荷醇，(-)-异薄荷醇)。它们的气味也不相同。这种非对映异构体之间气味有差异的现象是普遍存在的，有时还会出现一个异构体香气很浓，另一个异构体完全无气味的现象。(+)-新薄荷醇 (-)-薄荷醇 (-)-新异薄荷醇 (-)-异薄荷醇(1S,2S,5R) (1R,2S,5R) (1S,2S,5S) (1R,2S,5S)清凉薄荷味 霉气味 甜的木香醇味 介于(-)-薄荷醇和(-)-新异薄荷醇之间的气味第三节 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的物质归类在一起就构成了某种香型，关于香型(香气)的分类方法有许多种，有些分类方法与分子结构相联系。本节不对众多香气分类方法进行讲述，只将几种在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介绍。一、麝香及其分子结构特征麝香是一种昂贵的香料，是调配高级香精不可缺少的原料，但由于天然麝香来源稀少，不易获得，近年来均采用合成法以获得具有麝香香气的香料。麝香类香料在合成香料中一直占有重要地位，目前全世界合成香料年产量已逾l2万吨，其中麝香类香料产量约为1万吨左右。商品化的麝香类香料共约有2O个品种。按它们的分子结构不同可分成硝基麝香（苯系硝基麝香）、多环麝香（苯系非硝基麝香）、大环麝香。硝基麝香现年产量不足2000吨，主要有五个品种，以二甲苯麝香和酮麝香为主，其次为葵子麝香、伞花麝香和西藏麝香。多环麝香年产量最大，现已超过7000吨，主要有6个品种，以佳乐麝香为领衔产品，年产量在3000吨以上。被誉为“麝香大王”其次为吐纳麝香。现年产量在2000吨以上。被认为是佳乐麝香的最有力的竞争者。以下是全赛麝香(Traseolide)和萨利麝香。年产量均为数百吨，产量较低的是粉檀麝香和开司米酮(Cashmeran)。大环麝香现年产量约在400吨左右。共约有lO个品种，以麝香T为主，其年产量为200吨左右。一些氧杂内酯和十五内酯均有数十吨的规模，其余均为小品种，年产量都在几吨至十几吨之间。以上简要地介绍的是商品化的麝香香料的分类、品种和产量，我们再扼要地回顾一下麝香香料化学的开发研究历史。硝基麝香最早问世，在上世纪未已进人研究领域：大环麝香则是本世纪初开始研究的。并在3O年代就奠定了基础：多环麝香按分子结构不同又可分茚满型、萘满型、色满酮型、三环异色满型、氢化引达省型和苊型。多环麝香的研发工作起始于上世纪的50年代。著名的香料化学家M.S.Carpenter、S.H.Weber 以及M.G.J.Beets 等人，制备了一系列不同取代的多烷基茚满衍生物（见图3-9），并且比较了它们的香气，粉檀麝香（1）和萨利麝香（2）(表39)成为最早问世的茚满型多环麝香。几乎与此同时，M.S.Carpenter 还发现许多多烷基萘满衍生物也具有麝香香气，在这类麝香化合物中，以万山麝香(现已禁用)（3）和吐纳麝香（4）最负盛名，深受调香师们青睐。到了廿世纪60年代，香料化学家又发现一个烷基色满酮结构的化合物，被称为二异丙基二氢香豆素（5）的香料，不仅具有良好的麝香香气，而且还有接近麝香酮或灵猫酮的香调。廿世纪60年代，堪称为多环麝香发展史上的里程碑。多环麝香开始由二环类向三环类发展，L.G.Heeringa和M.G.J.Beets 合作研制了一系列异色满结构的化合物，并从中筛选出香气质量最佳的是佳乐麝香（6）和麝香89（7），它们实际上是茚满或萘满的一种延伸环化衍生物。佳乐麝香是当今使用最广，用量最大的麝香类香料，被国际香料界誉为“麝香大王”。此外，在三环类化合物中，还发现氢化引达省(Hydrindacene)（8）和苊(Acenaphthene)（9）的衍生物，也都具有强烈持久的麝香香气。廿世纪70年代以来，腈基多环麝香（1013）首次问世，还发现一个苯环上不是含酰基，而是含羟基的多烷基茚满衍生物（14）也有令人愉快的麝香香气。之后不久，在萘满型麝香化合物中，还发现在苯环上含有两个官能团的衍生物（1516）也有令人愉快的麝香香气。在这期间，前荷兰Naarden公司研制成功了一个新的茚满型香料，商业上称其为全赛麝香(Traseolide)（17），成为香料市场上十分受欢迎的新品种。1997年，香料化学家又发现了两个新的茚满型麝香化合物（1819）(表39)，据称，其中化合物(18)的香气强度是佳乐麝香的4倍，是吐纳麝香的2倍。而化合物(19)是由腈基取代化合物(18)中的醛基而成的，是一种腈基茚满麝香，据报道也有良好的，持久的麝香香气。遗憾的是，化合物(18)至今未见有商品化的报道。2000年，瑞士奇华顿公司又推出了一个新的、苯环上含有两个官能团的萘满型麝香化合物(20)。更令人惊喜的是，荷兰奎斯特公司的科研人员往过精心筛选，成功地合成了两个新的色满酮型香料化合物(21-22)(表39)，成为多环麝香家族的新成员。近2O年来，由于硝基麝香日趋淘汰，有关其的研究报导越来越少。大环麝香的研究工作比较活跃，但主要集中在探讨新的合成路线和技术改进方面，新品种的开发较为少见。多环麝香的研究最为活跃。除了佳乐麝香和吐纳麝香始终作为重点研究对象之外，茚满型新品种的研究很引人注目，其中的全赛麝香和开司米酮都是7O年代中期研制成功的，它们是迄今商品化的麝香类香料中的最新产品。早在80年代初，国际香料界的权威人士都一致认为就性能、质量、价格等综合而言。多环麝香是麝香类香料中最具发展前景的产品。因此，积极开展多环类麝香的研究工作，无疑具有重要的意义。下面就已发现的麝香香味的物质的分类及结构特征进行简单的阐述。已发现的麝香香味的物质有以下几类：一是苯系麝香化合物(包括硝基麝香和非硝基麝香)；二是大环麝香化合物；三是甾体及四氢萘麝香化合物。（一）、苯系麝香化合物1、硝基麝香自从1888年鲍尔(Baur)首次合成硝基麝香后，人们开辟了苯系麝香的研究新领域，合成出了众多的硝基麝香化合物(表3-8)。表3-8常见硝基麝香化合物表3-8所列结构似乎给人一种印象，芳香族硝基化合物具备麝香的条件为至少具备二个硝基，一个甲基和一个叔丁基。但是满足上述要求的下列各结构的化合物却没有麝香香气：显然，只具备上述条件是不够的，还必须有另外的基团存在，这个基团是与苯环直接相连的带有孤电子对的结构，或重键结合的结构。如果没有这样的基团，芳环上必须有第三个硝基存在。这虽然能解释一些问题，但对没有麝香气味且与葵子麝香结构类似的化合物(I)却无法解释。 毕特在总结前人经验的基础上，从分子的整体结构上考虑，对上述现象予以解释，他认为：在苯环上置换的硝基有两种不同的类型：(1)能自由旋转并与苯环共平面，此时，该硝基作为极性官能团对待，可视为与置换的酰基是等价的；(2)当邻位有体积庞大的取代基(例如叔丁基、烷氧基)时，硝基与苯环不共平面，硝基不能自由旋转，此时，硝基只作为体积庞大的取代基对待，和叔丁基等价。酮麝香的两个硝基均属(2)情况，则它和茚满麝香的结构等价，两者均有强烈的麝香香气，二甲苯麝香中的三个硝基有两个为(2)情况，一个为(1)情况，仍和上两化合物等价。葵子麝香中由于甲氧基的阻碍作用使得与之相邻的一个硝基属(2)，另一个属(1)情况，因此其结构与酮麝香等价，具有麝香香气。而化合物(I)由于环氧化的结果，使得两个硝基均属(1)情况，所以它的空间结构实际上与葵子麝香是不等价的：因此无麝香香气。2、非硝基麝香（多环麝香）1948年，卡平特和伊斯特(Carpenter and Easter)报道了安波诺(Ambral)发现下面化合物具有麝香香气，从而开辟了非硝基麝香的研究领域。2，4二叔丁基5甲氧基苯甲醛到目前为止，已有大量非硝基麝香问世(表39)。近年来，人们已将注意力集中到非硝基麝香领域中，这类物质一般表现出较好的光稳定性，更能模仿天然存在的大环麝香的香气。对这类化合物的结构特征，毕特总结为以下几个方面：第一，碳原子数在1420之间，最好在1618之间；第二，2，3二氢茚或1，2，3，4四氢萘的骨架；第三，一个酰基和一个仲或叔丁基作为独立的基团与苯核相连，最好是乙酰基和叔丁基与苯核相连；第四，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。表3-9非硝基麝香（多环麝香）代表化合物（二）、大环麝香化合物关于大环麝香的例子，我们已在本章第二节有所列举。总体可以将该类物质分子结构特征归纳为：(1)环中碳原子数为1319的环酮；(2)环中碳原子数为1315的环碳酸酯；(3)环中碳原子数为15f9的酸酐；(4)环中碳原子数为1418的环内酯；(5)环中碳原子数为1419的环亚胺。（三）、甾体及四氢萘麝香化合物甾体化合物则被限定于一定结构大小的甾醇或甾酮，这类化合物如：具有麝香香味的化合物种类较多，结构复杂，是否可以说麝香香型与其分子结构之间就没有共性联系呢？不是。通过研究发现上述各类物质的分子在整体结构上有必然的联系，例如：具有麝香香韵的灵猫酮与雄甾-16-烯-3-酮在外形上有极其的相似性。灵猫酮这种相似的共性，毕兹等人总结为下述分子结构特征：结构密集，相当坚硬，椭圆形分子具有一个在空间上可以接近的极性基团，分子量在220250之间。二、龙涎香及其分子结构特征世界四大珍稀香料之一的龙涎香料，具有十分微妙的丝绒般柔和的气息，且香气持久，调和性好(最高能占调香组分的40比例)，定香能力强，素有“龙涎香效应”之称，在调香中占有不可缺少的重要位置。天然龙涎香料的组成是随着分离、纯化、分析技术的进步被逐渐弄清的。其中最能体现龙涎香魂的降龙涎醚是龙涎香型香料的代表，其余组分有不同强度的龙涎香气。由于天然产品来源日益困难，因此，人们正在努力寻找化学合成物来替代天然产物。目前，能合成出来并应用于香精调制的龙涎香类物质为数不多，但经对天然产品的分析发现，有众多的有机物属于龙涎香气物质。奥诺夫(Ohloff)将这些物质分成以下几类：第一，赖百当系列，这类化合物如：第二，降补身烷的衍生物，这类化合物如：第三，十氢萘系列的内酯，例如第四，十氢萘系列的四氢呋喃衍生物，例如：对龙涎香型香料分子结构与活性关系的研究，各种香化学理论的研究由来已久，众说纷纭，诸如阿莫（Amoor）立体化学理论、外形官能团理论、振动理论、渗透与穿透理论等，对气味感知的机理作了不同程度的阐述。最引人注目的是Ohloff“三直立键”规则，即龙涎香型香料其分子必须含有反式十氢萘(或八氢萘)结构，这种结构可以以一种“隐藏”的形式存在；而且该结构上须含三个直立基团，其中至少一个是含氧官能团。他认为：龙涎香型的分子强烈的立体结构关系表现在反式稠合的十氢化萘的骨架上(结构A)，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。A B在结构A中，直立的桥头取代基(R¢¢)或者氢原子作为作用点之一，另一个作用点是位于b位的取代基Ra，此外，分子中的5位上的取代基也可当作一作用点。取代基R¢、R¢¢和Ra中含有氧原子时对产生龙涎香是有利的。例如，满足上述条件的二氢降龙涎香醇和5,59b三甲基反式2b十氢化萘基乙酸酯两化合物具有典型的龙涎香香气。三点作用的实质结果是，当大多数功能因子(基团)处于反式十氢萘的同侧时气味加强，而多数功能因子处于异侧时气味大大减弱。 二氢降龙涎香醇 5,5-9b三甲基反式 -2b-十氢化萘基乙酸酯结构B不能满足类似龙涎香性质的香味分子所要求的立体化学条件，所以具有B式结构的化合物不会产生龙涎香气。可以说，大部分龙涎香料分子结构是遵循此规则的，但也有少数新近发现的龙涎香料不符合此规则(见图3-2)。Dimoglo，Gortmchov等人先后作了龙涎香料分子结构和电子本源的研究，分别提出了“龙涎香三角”和“OCaCbCg片段”，但这种通过电子拓扑方法得到的结论其可靠性、实用性难以令人十分满意。研究龙涎香料分子结构与香气关系的主要困难在于目前没有统一的“香气语言”，而龙涎香往往含有木香、动物香。尽管如此，龙涎香结构与香气关系的研究在合成新香料中还是十分有用的。图3-2 反式十氢萘结构及不具有此结构的几种龙涎香香料三、茉莉花香及分子结构特征茉莉花属木樨科，素馨属(或茉莉属)，它除了素雅清芬，可供观赏、装饰之外，还可用于提取浸膏和茉莉精油作为香料，用茉莉花提取的茉莉油是很贵重的日化原料。自四十年代以来，不少化学工作者为了弄清茉莉花精油的组成，进行了大量的分析研究，并已证实，茉莉的特征香气成分是含量很少的茉莉酮类和茉莉酮酸类化合物，如顺式茉莉酮、茉莉酮酸甲酯、二氢茉莉酮酸甲酯和茉莉酮酸内酯等。茉莉香型是国际上甚为风行的一种香型。由于茉莉酮类和茉莉酮酸酯类化合物的重要性与需求量大，不少有机化学家和香料化学家对它们的人工合成进行了大量研究，目前已经合成出了大量的与上述结构相关的茉莉香味化合物(表3-10)，有些已经取得了商业成功，得到的产品主要用于高档调香。且茉莉酮酸酯类更具优越性，大有取代茉莉酮类之势。茉莉家族化学品(商品名：Jasminchemicals)包括7个主要成员，它们是香料工业不可缺少的重要单体，发展迅速。6O年代生产以公斤计，配方中用量在1以下，主要用于高级香水、化妆品。70年代达到以吨计的生产能力，配方中增至510，除了用于高级香水、化妆品，也应用于浴用品。80年代已达数百吨的商品量。1979年Firmenich公司建立了专门的工厂，年产数百吨，配方中用量增到2025，成为香精的主要组成部分，广泛用于高级香水、化妆品、浴用品、香皂、洗涤剂、家用产品。由于化学工业的不断发展，其价格也日渐降低。90年代的价格已降到80年代的五分之一。顺式莱莉酮 茉莉酮酸甲酯 二氢茉莉酮酸甲酯 茉莉内酯 Cis-Jasmonate methy jasmonate methyl dihydrojasmonate jasmolactone 类似茉莉花 茉莉型幽雅的 茉莉、