響應面法優化微波輻射合成對硝基苯甲酸乙酯

唐建可，程幫貴，馬春蕾（太原工業學院化學與化工系，山西太原030008）

響應面法優化微波輻射合成對硝基苯甲酸乙酯

唐建可，程幫貴，馬春蕾
（太原工業學院化學與化工系，山西太原030008）

采用微波輻射方法，對硝基苯甲酸與乙醇作原料，三氯化鋁作催化劑合成對硝基苯甲酸乙酯。研究了醇酸比、微波輻射功率、微波輻射時間、催化劑用量對產物收率的影響。在單因素實驗基礎上，固定微波輻射功率400W，利用響應面法優化對硝基苯甲酸乙酯合成工藝。得到最佳工藝條件：醇酸比為5.2:1、微波輻射時間為9.8min、催化劑用量為對硝基苯甲酸質量的17.4%，收率達92.08%。產品結構經紅外表征。

響應面法；三氯化鋁；微波輻射；對硝基苯甲酸乙酯；工藝優化

1引言

對硝基苯甲酸乙酯又名4-硝基苯甲酸乙酯，形態為淡黃色或無色結晶，在乙醇和乙醚中能完全溶解，不溶于水[1]。對硝基苯甲酸乙酯是一種重要的醫藥中間體，主要用于生產一些鎮咳藥或局部麻醉劑如鹽酸普魯卡因、苯佐卡因等[2～5]。傳統的濃硫酸催化合成方法收率低，反應時間長，后續處理過程麻煩，設備易腐蝕，有廢酸液排放污染環境。

微波輻射合成技術是一種物理催化過程，避免了傳統加熱方式易造成物料加熱不均勻的問題，可使反應速度加快，改進了傳統加熱方式存在加熱時間過長的缺點[6，7]。本研究采用微波輻射方法，以對硝基苯甲酸與乙醇為原料，三氯化鋁為催化劑合成對硝基苯甲酸乙酯，其中三氯化鋁為強路易斯酸，催化該酯化反應具有價格低廉、催化效率高、對設備和環境危害小的優點。本文考察醇酸比、微波輻射功率、微波輻射時間、催化劑用量對產物收率的影響，利用響應面法對合成工藝進行優化。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

儀器：WBFY-205微電腦微波化學反應器；SHZ-(Ⅲ)循環水式多用真空泵；SPECTRUN-100傅立葉變換紅外光譜儀；X-4數字顯微熔點測定儀。

試劑：對硝基苯甲酸、乙醇、AlCl3、Na2CO3均為分析純。

2.2對硝基苯甲酸乙酯的合成

在150mL的圓底燒瓶中依次加入0.025mol的對硝基苯甲酸，一定量的三氯化鋁、乙醇，混合均勻后，將圓底燒瓶放入微波反應器中，裝上回流冷凝管，通回流冷凝水后開啟微波反應器進行反應。反應一定時間后，將溶液注入到冰水中（3～5℃），攪拌，用8%Na2CO3溶液調節pH至7.5～8.0，過濾，水洗，得白色固體，干燥至恒重[8]。測定產品熔點為55.9～57.1℃（文獻值57℃[9]）。紅外光譜：1719cm-1(C O)，1276cm-1(C—O—C)，與標準圖譜特征峰一致。

3結果分析與討論

3.1單因素實驗結果分析

3.1.1醇酸比對產物收率的影響

固定微波輻射功率400W，微波輻射時間15min，催化劑用量15%（質量比），考察醇酸比對產物收率的影響。結果如下：醇酸比為2∶1、4∶1、6∶1、8∶1、10∶1，收率分別是69.47、80.10、83.61、78.08、58.40。

可以看出當醇酸比低于6:1時，隨著醇酸比的增加，產物收率呈上升趨勢；當醇酸比達到6:1時收率達最大值，再增加醇酸比產物收率下降。該反應為可逆反應，增加乙醇的量可以使反應向正反應方向移動，從而增加產物收率。但當醇酸比到達一定的比值后，反應進度已到達最大值，即反應達到平衡，再增加醇酸比產物收率也無法增加。同時當醇酸比過大時，反應物對硝基苯甲酸和催化劑AlCl3的濃度也會降低，不利于反應的進行，會導致產物收率下降，適宜醇酸比為6:1。

3.1.2微波輻射功率對產物收率的影響

固定醇酸比6:1，微波輻射時間15min，催化劑用量15%（質量比），考察微波輻射功率對產物收率的影響。結果如下：微波輻射功率（/W）為80、240、400、640、800，收率（/%）分別是64.55、74.59、83.61、78.28、76.23。

可以看出當微波輻射功率低于400W時，產物收率隨微波輻射功率的增加而上升，但超過400W時，增加功率值產物收率開始下降。這是因為當微波輻射功率過低時，反應體系內溫度達不到支持分子活化的要求，會導致對硝基苯甲酸乙酯的收率較低。當功率較大時反應體系內反應物系易爆沸導致噴濺，造成產物損失，導致產物收率降低，故適宜微波輻射功率為400W。

3.1.3微波輻射時間對產物收率的影響

固定醇酸比6:1，微波輻射功率400W，催化劑用量15%（質量比），考察微波輻射時間對產物收率的影響。結果如下：微波輻射時間（min）分為5、10、15、20、25，收率（/%）分別是77.66、90.78、83.61、64.55、60.04。

知微波輻射時間小于10min時，產物收率隨微波輻射時間的上升而增加；大于10min時，產物收率隨微波輻射時間的上升而下降。當微波輻射時間超過10min，隨著微波輻射時間的增加，副反應也隨之增加，導致收率下降，故適宜微波輻射時間為10min。在考察催化劑用量對產物收率影響單因素實驗時固定微波輻射時間10min。

3.1.4催化劑用量對產物收率的影響

固定醇酸比6:1，微波輻射功率400W，微波輻射時間10min，考察催化劑用量（三氯化鋁與對硝基苯甲酸質量比）對產物收率的影響。結果如下：催化劑用量（/%）為5、10、15、20，收率（/%）分別是68.03、70.90、90.78、79.51。可以看出當催化劑用量為15%時，產物收率最高。當催化劑AlCl3用量較低時，產物收率較低。當催化劑AlCl3用量過多時，會水解產生一種膠狀物，阻礙AlCl3與反應物接觸，降低了其催化能力[10]，從而產物收率降低，故適宜催化劑用量為15%。

3.2響應面實驗結果分析

3.2.1 Box-Behnken實驗設計及結果與響應面方差分析

固定微波輻射功率400W。實驗因素水平為3因素3水平，因素包括醇酸比、微波輻射時間和催化劑用量，中心點選取分別為醇酸比6:1、微波輻射時間10min及催化劑用量15%，以對硝基苯甲酸乙酯的收率作為響應值。表1為響應面設計因素水平表，表2為響應面實驗設計及結果。

表1 實驗因素水平表

表2 響應面實驗設計及結果

將表2實驗數據進行多元化回歸分析，結果見表3。

表3 回歸方程方差分析表

注：**表示差異水平極顯著（P＜0.01）；*表示差異水平顯著（P＜0.05）[11-12]。

Y =-34.31875+15.09350A+3.00985B+8.45715C +0.17425AB-0.11275AC+0.057200BC-1.43925A2-0.25078B2-0.24258C2

R2=0.9834（R2值越接近1，表示模型的預測值與實驗實際值越接近），說明此模型與實際實驗擬合較好，可以用該模型對產物收率進行預測。

3.2.2響應面分析

由響應面軟件作出三因素兩兩交互作用三維響應面曲線，如下圖1所示。可以看出醇酸比和催化劑用量對產物收率影響較為明顯，隨著醇酸比的增加產物收率先升高后降低，隨著催化劑用量的增加產物收率先升高后降低，微波輻射時間對收率有同樣的影響趨勢。

圖1 醇酸比、微波輻射時間和催化劑用量的相互作用對收率影響響應面圖

由回歸模型預測最優實驗方案：醇酸比為5.16: 1、微波輻射時間為9.78min、催化劑用量為17.38%，收率最大值為92.81%。根據實際情況將反應條件修正為：醇酸比5.2:1、微波輻射時間9.8min、催化劑用量17.4%。在此條件下進行三次平行實驗，收率平均值為92.08%，即實驗實際驗證結果與預測值基本一致。說明基于響應面法優化所得到的工藝參數是準確可靠的，模型具有實際應用價值。

4結論

利用響應面法優化了微波輻射三氯化鋁制備對硝基苯甲酸乙酯的工藝。得到最佳工藝條件：微波輻射功率400W，醇酸比為5.2:1、微波輻射時間為9.8min、催化劑用量為對硝基苯甲酸質量的17.4%，在此條件下產物收率可達92.08%。

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·信息·

浙江力普細分市場搞新品開發

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（丁文）

Response surface optimization of synthesis of p-nitro-ethylbenzoate under microwave irradiation

TANG Jian-ke, CHENG Bang-gui, MA Chun-lei
(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan Shanxi 030008, China)

The p-nitro-ethylbenzoate was prepared by microwave irradiation method with p-nitrobenzoic acid and ethanol as raw materials and aluminum chlorid as catalyst. The yield of p-nitro-ethylbenzoate were influenced by the mole ratio of ethanol and p-nitrobenzoic acid, microwave irradiation power, microwave irradiation time and the amount of catalyst (the mass ratio of aluminum chlorid and p-nitrobenzoic acid). On the basis of single factor experiments, the microwave irradiation power was fixed at 400W, the synthesis process of p-nitro-ethylbenzoate was optimized by response surface methodology. The optimized process conditions were as follows: the mole ratio of ethanol and p-nitrobenzoic acid was 5.2, the microwave irradiation time was 9.8min and the mass ratio of aluminum chlorid and p-nitrobenzoic acid was 17.4%. The yield of p-nitro-ethylbenzoate can reach 92.08%. Product structure was characterized by IR.

response surface methodology; aluminum chlorid; microwave irradiation; p-nitro-ethylbenzoate; process optimization

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.005

TQ246.1+6

A

1008-1267（2016）02-0013-04

2015-09-27

太原工業學院大學生科技創新項目（2014年）

唐建可（1990—），男，助理實驗師，碩士，主要從事化工、制藥分離和藥物中間體合成研究。