負載型濃硫酸催化尼泊金甲酯的合成

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(陜西科技大學 陜西省輕化工助劑重點實驗室，西安 710021)

尼泊金酯類、山梨酸類及苯甲酸類化合物是目前世界上抗菌廣譜性最強、用途最廣、用量最大的三大工業防腐劑，其中尼泊金酯類相比其他兩類化合物，不僅具備低毒、易降解的特點[1]，被歸類為“通常被認為是安全的”(GRAS)化合物，并被美國食品藥品管理局(FDA)和歐盟(EU)法規批準用于食品中[2]，也是我國法定在A級綠色食品中可適量添加的唯一添加劑，而且具備較寬的pH耐受性，山梨酸類和苯甲酸類這兩類化合物的抑菌效果在pH 7時完全喪失，而尼泊金酯類化合物是這三類防腐劑中唯一在非酸性環境中依然可保持防腐抑菌性能的種類，因此在中性和弱堿性產品的防腐方面，其具備無可替代的地位。隨著尼泊金酯中酯基烷烴鏈的增長，親水性與毒性逐漸降低，而親脂性與抗菌活性逐漸增強，例如尼泊金辛酯的抗菌防腐性能可大約達到尼泊金甲酯的數十倍，但是其水溶性與毒副作用均遠大于尼泊金甲酯[3]。因此在食品與化妝品工業中，通?；旌鲜褂酶鞣N尼泊金酯類化合物來平衡各項指標，達到預期的防腐效果[4]。

然而目前尼泊金酯類的工業合成方法大都采用無機強酸(如：濃硫酸、濃鹽酸等)作為催化劑，以對應的羧酸與醇類為反應物，進行Fischer-Speier酯化反應，該工藝成本低廉，但是不僅反應時間過長，容易腐蝕設備，而且會產生大量的強酸性、腐蝕性廢水，對環境負擔較大[5]。因此，開發構造綠色、高效的新酯化工藝仍具備較高的研究價值。本課題組近年來致力于綠色合成方面的研究，尤其對尼泊金甲酯合成用催化劑的研究較多[6-8]。本文探索采用負載型催化劑合成尼泊金甲酯。負載型催化劑不僅可以保持活性成分的催化活性，而且因載體具有較高的比表面積，導致催化活性進一步提高，最重要的是易回收且具有循環使用的特點，是目前在催化領域兼具綠色與高效的重要成員之一。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器

負載型濃硫酸固體催化劑按照參考文獻[9]的方法制備；其他試劑均采用市售分析純試劑。FT-IR使用VECTOR-22(德國Bruker公司)傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片法)測定；熔點使用X-4顯微熔點儀(上海精科儀器有限公司)測定(未校正)；1H NMR使用AVANCEⅢ 400 MHz型(德國Bruker公司)核磁共振波譜儀測定(溶劑為CDCl3)。

1.2 負載型濃硫酸催化尼泊金甲酯的合成

負載型濃硫酸催化尼泊金甲酯的合成見圖1。

圖1 負載型濃硫酸催化尼泊金甲酯的合成Fig.1 Synthesis of methylparaben catalyzed by supported concentrated sulfuric acid

1H NMR：(400 MHz, DMSO) δ: 10.31 (s,0H)，7.80 (d,J=8.7 Hz,1H)，6.83(d,J=8.7 Hz,1H)，3.77(s,1H)。

2 結果與討論

根據單因素控制變量法所提供的實驗結果，確定了以負載型固體酸催化劑的用量、反應溫度、反應時間、醇酸投料摩爾比為尼泊金甲酯收率的主要影響因素。

2.1 醇酸摩爾比對酯化產率的影響

本實驗控制對羥基苯甲酸用量為500 mg(0.0036 mol)，負載型固體酸催化劑(負載量20%)活性成分的量是對羥基苯甲酸質量的10%，反應溫度65 ℃，反應時間8 h，僅改變醇酸摩爾比，考察不同醇酸摩爾比對酯化反應產率的影響，見表1。

表1 醇酸摩爾比對酯化產率的影響Table 1 Effect of molar ratio of alcohol and acid on esterification yield

由表1可知，以負載型濃硫酸作催化劑，在其他因素保持不變時，僅改變甲醇與對羥基苯甲酸的投料摩爾比，當甲醇在反應物的投料摩爾比中所占份額逐漸增大時，尼泊金甲酯的收率也隨之增大。但是當甲醇所占比例增加至對羥基苯甲酸的500%之后，都無法對尼泊金甲酯的收率產生有效的影響，因此在工業化的角度上，為了達到最高的利潤，并使生產成本降至最低，選擇甲醇與對羥基苯甲酸的投料摩爾比為5∶1作為最佳的反應條件。

2.2 反應時間對酯化產率的影響

對羥基苯甲酸的用量為500 mg (0.0036 mol)，選取5∶1作為甲醇與對羥基苯甲酸的投料摩爾比，負載型固體酸催化劑(負載量20%)活性成分的量是對羥基苯甲酸質量的10%，反應溫度65 ℃，僅改變反應時間，考察不同反應時間對尼泊金甲酯產率的影響，見表2。

表2 反應時間對酯化產率的影響Table 2 Effect of reaction time on esterification yield

由表2可知，當其他因素保持不變時，僅以反應時間作為單一變量，當反應時間在0～8 h時，尼泊金甲酯的收率會隨著反應時間的增加而迅速增大至82.1%，但是當反應時間超過8 h時，該酯化反應的收率不僅停止增加，反而開始小幅度降低。根據酯化反應的機理以及濃硫酸的性質進行推測，可能的原因是在反應過程中，催化劑在高速催化酯化反應的同時，也使反應系統中緩慢地產生副產物，因此在8 h之后，當主反應達到化學平衡，隨著時間的增長，只會使副產物慢慢增加，從而導致產率慢慢降低。因此，選擇8 h作為本反應的最佳反應時間。

2.3 反應溫度對酯化產率的影響

對羥基苯甲酸的用量為500 mg (0.0036 mol)，醇酸摩爾比為優化過的5∶1，負載型固體酸催化劑(負載量20%)活性成分的量是對羥基苯甲酸質量的10%，反應時間8 h，僅改變反應溫度，考察不同反應溫度對尼泊金甲酯產率的影響，見表3。

表3 反應溫度對酯化產率的影響Table 3 Effect of reaction temperature on esterification yield

由表3可知，在其他因素保持不變時，僅以反應溫度作為單一變量，當反應溫度低于65 ℃時，尼泊金甲酯的收率會隨著反應溫度的增加而快速提升，達到82.3%。可能的原因是，當反應溫度在25～65 ℃時，隨著反應溫度的增大，反應系統內的熱能迅速升高，反應物分子因而獲得了大量的動能，加快了自身的運動，增加了彼此之間的碰撞概率，從而使尼泊金甲酯的收率得到大幅度增加；而當反應溫度超過65 ℃時，反應體系的化學平衡達到了平衡，此時液相體系中溶解的少量氧氣會在催化劑的強氧化性作用下，使尼泊金甲酯發生氧化，可直接觀測到反應液的顏色變深，使目標產物的純度與產率均發生一定幅度的減少。因此，選擇65 ℃作為本反應的最佳反應溫度。

2.4 催化劑用量對酯化產率的影響

對羥基苯甲酸用量為500 mg (0.0036 mol)，選擇經過優化的醇酸投料摩爾比5∶1，反應時間8 h，反應溫度65 ℃，使用負載型濃硫酸催化，研究負載型濃硫酸催化劑的用量對尼泊金甲酯產率的影響，見表4。

表4 催化劑用量對酯化產率的影響Table 4 Effect of catalyst amount on esterification yield

合適的催化劑用量可以降低反應的活化能，從而加快反應速度。在反應進行之初，增加催化劑用量，可以很大程度地降低反應所需的活化能，加快反應速度，產率增加。由表4可知，尼泊金甲酯產率隨著催化劑用量的增加而增加，但是當催化劑用量增大到10%時，產率不再提高?？紤]到經濟效益，催化劑用量為對羥基苯甲酸用量的10%。

2.5 催化劑循環使用性能研究

通過以上酯化最佳反應條件的探索，得出最佳條件：醇酸投料摩爾比5∶1，反應時間8 h，反應溫度65 ℃，催化劑用量為對羥基苯甲酸用量的10%。為了驗證負載型濃硫酸固體催化劑在催化尼泊金甲酯的合成中的循環催化活性，本文對此進行了深度探討，實驗結果見表5。

表5 負載型濃硫酸固體催化劑的循環使用性能Table 5 Recycling performance of supported concentrated sulfuric acid solid catalyst

由表5可知，循環使用5次后，催化酯化產率保持在75%以上。隨著循環使用次數的增加，酯化產率降低，可能是因為隨著使用次數增多，催化劑的空間結構慢慢開始被破壞，比表面積已經開始降低，并且長時間的使用也可能造成活性成分的部分脫負。

2.6 幾種催化劑催化合成尼泊金甲酯活性比較

為了探討本工藝在尼泊金甲酯合成中的優勢，本文將其與其他催化劑在用量、產率、反應時間等方面進行討論，分別在各自的最佳工藝上進行實驗，結果見表6。

表6 幾種固體酸催化合成尼泊金甲酯比較Table 6 Comparison of several solid acids catalyzed synthesis of methylparaben

氨基磺酸的反應時間為7 h，產率為92.2%，但是其用量高達40% mol；殼聚糖硫酸鹽的反應時間最短，僅為4 h，產率高達93.1%，但是其制備最為繁瑣；抗壞血酸最為綠色，但是用量也較高，達到15%；綜合考慮，另外3種固體酸雖然活性較高，但是催化劑較為昂貴，用量也較大，而負載型濃硫酸固體催化劑極其低廉的成本完全可以彌補在產率上的略微不足。

3 結論

本文以負載型濃硫酸作為催化劑，成功探究出一種制備尼泊金甲酯的新型合成方法，并探索出最佳合成工藝：醇酸投料摩爾比5∶1，反應時間8 h，反應溫度65 ℃，催化劑活性成分用量是對羥基苯甲酸質量的10%。該催化劑高效環保，在保持濃硫酸成本低廉、催化活性高的基礎上，消除了其強腐蝕性的隱患，并且在循環利用5次后仍然可以保持較高的催化活性。此法是一種綠色、高效且具備工業化前景的新型尼泊金甲酯的合成工藝。