脯氨酸離子液體催化合成尼泊金十二醇酯

尹大偉，李潔，劉玉婷

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021)

綠色合成具有明確的社會(huì)需求和科學(xué)目標(biāo)，按照合理的反應(yīng)機(jī)理和方法，從源頭上減少或消除化學(xué)工業(yè)對(duì)環(huán)境的危害，保證從各個(gè)環(huán)節(jié)如反應(yīng)試劑、催化劑、溶劑、副產(chǎn)品、產(chǎn)品等方面放在各個(gè)環(huán)節(jié)后是目前有機(jī)合成的主要目標(biāo)?；诖?，綠色催化劑的研發(fā)即應(yīng)用研究成了有機(jī)合成的熱點(diǎn)之一。催化劑的作用是可以提高或降低有機(jī)反應(yīng)，也是有機(jī)合成反應(yīng)的重要影響因素之一，其種類及用量直接影響反應(yīng)的產(chǎn)率。催化劑在有機(jī)反應(yīng)中的作用是參與反應(yīng)中間體的結(jié)構(gòu)合成而不參與產(chǎn)物的合成，從而達(dá)到催化反應(yīng)的目的，因此有很多催化劑可以、提高原子經(jīng)濟(jì)性，加快反應(yīng)速率和提高轉(zhuǎn)化率，提高化學(xué)反應(yīng)選擇性，直接關(guān)系到反應(yīng)的成敗。目前，酯化反應(yīng)催化劑從傳統(tǒng)的濃硫酸催化轉(zhuǎn)向使用低毒、綠色催化劑，如酶、離子液體等。用離子液體催化酯化反應(yīng)具有操作簡(jiǎn)便、綠色環(huán)保、低能耗、催化劑可以重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，因此受到科學(xué)家的青睞。近年來，諸多離子液體的研發(fā)及其催化酯化反應(yīng)的應(yīng)用層出不窮，如哌嗪類、吡啶類、Br?nsted酸類、苯并咪唑類、咪唑類等離子液體[1-9]。尼鉑金酯即對(duì)羥基苯甲酸酯，是重要的有機(jī)化學(xué)防腐劑，廣泛應(yīng)用于果蔬、飲料、醬油、醋、罐頭、果汁等的防腐[10-11]，在化妝品的防腐方面也大量使用，因此對(duì)于其合成方法的探索和研究備受關(guān)注，主要集中在探索高效、綠色、低成本的合成工藝。本課題組近年來也致力于探索離子液體催化尼泊金酯的綠色合成[12-14]，作為課題的延續(xù)，本文探索苯并咪唑氨基酸離子液體并應(yīng)用于催化尼泊金十二醇酯的合成，旨在研發(fā)綠色、環(huán)保、低成本、高效的酯化反應(yīng)催化劑。尼泊金十二醇酯的合成路線見圖1。

圖1 尼泊金十二醇酯的合成Fig.1 The synthesis of dodecylparaben

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

所用試劑均為市售分析純。N-丁基苯并咪唑按文獻(xiàn)[15]的方法合成。紅外光譜用德國(guó)Bruker公司的Vector-22傅立葉紅外光譜儀(KBr壓片)測(cè)定；核磁共振采用德國(guó)Bruker公司的Advance Ⅲ 400 MHz核磁共振儀(以DMSO-d6為溶劑，以TMS為內(nèi)標(biāo))測(cè)定；熔點(diǎn)采用北京泰克儀器有限公司的X-4型數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)儀(溫度計(jì)未經(jīng)校正)測(cè)定。

1.2 脯氨酸離子液體的合成

于干燥的三口燒瓶中，加入0.208 g(1 mmol)N-丁基苯并咪唑、20 mL無水乙醇，脯氨酸，攪拌下緩慢升溫回流反應(yīng)8 h至反應(yīng)完全(TLC監(jiān)測(cè)，展開劑V乙酸乙酯∶V石油醚為1∶3)。減壓蒸除溶劑得淡黃色油狀液體，即脯氨酸離子液體，產(chǎn)率83%。IR(KBr)ν:3071(ν=C-H),1612(νC=N),1505,1447(νC=C),1378(δC-H),718(δ=C-H);1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)δ:8.22(s,1H,N-CH),7.64(m,2H,Ar-H),7.22(m,2H,Ar-H),4.20(t,J=2.4 Hz,2H,N-CH2),3.59(m,6H,CH2-CH2-CH2),3.15(m,1H,N-H),3.02(s,1H,C-H),1.68(m,2H,-CH2),1.17(m,2H,-CH2),0.80(t,J=1.6Hz,3H,-CH3);13C NMR(DMSO-d6,101 MHz)δ:144.09,143.45,133.86,122.33,121.50,119.47,110.54,43.89,38.88,31.52,23.88,19.42,13.48。

1.3 尼泊金十二醇酯的合成

于干燥的三口燒瓶中依次加入1.381 g (10 mmol)對(duì)羥基苯甲酸、2.236 g(12 mmol)十二醇、10%n對(duì)羥基苯甲酸脯氨酸離子液體、20 mL甲苯，攪拌下緩慢升溫至100 ℃反應(yīng)完全(TLC監(jiān)測(cè)，V乙酸乙酯∶V石油醚為1∶3)。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)混合液轉(zhuǎn)入分液漏斗中，靜置、分液，離子液體層經(jīng)水洗、干燥后，可重復(fù)使用；甲苯層經(jīng)減壓蒸除溶劑得白色固體，再經(jīng)無水乙醇重結(jié)晶后得白色固體尼泊金十二醇酯純品，產(chǎn)率87%，m.p.35～37 ℃(文獻(xiàn)值：35～37 ℃)。IR(KBr)ν:3428(νO-H),3084(ν=C-H),2935(νC-H),1722(νC=O),1640,1428(νC=C),1285 (νC-O-C),833(γ=C-H)。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子液體催化合成尼泊金十二醇酯的機(jī)理

尼泊金十二醇酯的合成屬于典型的酯化反應(yīng)。在酸的催化作用下，對(duì)羥基苯甲酸的羧羰基被質(zhì)子化，然后十二醇作為親核試劑與其反應(yīng)，再經(jīng)脫水即得到酯。

2.2 合成尼泊金十二醇酯的反應(yīng)條件優(yōu)化

為了得到脯氨酸離子液體催化合成尼泊金十二醇酯的最佳反應(yīng)條件，在課題組前期單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以甲苯為溶劑，以脯氨酸離子液體IL為催化劑，通過正交試驗(yàn)，考察反應(yīng)物摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量等因素對(duì)尼泊金十二醇酯產(chǎn)率的影響及其催化尼泊金十二醇酯合成的效果。正交試驗(yàn)的因素水平表見表1，正交試驗(yàn)的結(jié)果見表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 The factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交試驗(yàn)與結(jié)果Table 2 The results of orthogonal experiment

續(xù) 表

由表2可知，各因素對(duì)尼泊金十二醇酯產(chǎn)率影響的主次順序?yàn)榉磻?yīng)溫度>反應(yīng)時(shí)間>對(duì)羥基苯甲酸和十二醇的摩爾比>催化劑用量；各因素的較優(yōu)水平組合為A2B3C3D3，即合成尼泊金十二醇酯最佳的反應(yīng)條件是：以甲苯為溶劑，對(duì)羥基苯甲酸和十二醇的摩爾比為1∶1.1，反應(yīng)時(shí)間為6 h，反應(yīng)溫度為100 ℃，催化劑用量為10%n對(duì)羥基苯甲酸。

為了考察正交試驗(yàn)得出的最佳反應(yīng)條件的合理性，以最佳反應(yīng)條件合成尼泊金十二醇酯，1.381 g (10 mmol)對(duì)羥基苯甲酸，20 mL甲苯，2.046 g(11 mmol)十二醇、10% n對(duì)羥基苯甲酸脯氨酸離子液體，在100 ℃反應(yīng)6 h，結(jié)果見表3。

表3 最佳反應(yīng)條件的驗(yàn)證Table 3 The verification of the optimal reaction conditions

由表3可知，在最佳反應(yīng)條件下重復(fù)5次 ，尼泊金十二醇酯的產(chǎn)率均比正交表中的數(shù)據(jù)高，說明最佳反應(yīng)條件的合理性。在最佳反應(yīng)條件下，探索放大試驗(yàn)效果，在上述條件的基礎(chǔ)上，分別放大5，10，50，100倍，考察尼泊金十二醇酯的產(chǎn)率，結(jié)果見表4。

表4 放大試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of amplification experiment

由表4可知，在最佳反應(yīng)條件下，放大試驗(yàn)結(jié)果較好，說明可以用于工業(yè)化生產(chǎn)。

2.3 催化劑的重復(fù)使用

酯化反應(yīng)結(jié)束后，脯氨酸離子液體經(jīng)回收、干燥后可以重復(fù)使用。為了考察其重復(fù)使用效果，在最佳的反應(yīng)條件下，將脯氨酸離子液體重復(fù)使用于尼泊金十二醇酯的合成，重復(fù)使用5次的結(jié)果見表5。

表5 催化劑的重復(fù)使用性Table 5 The reusability of catalyst

由表5可知，隨著使用次數(shù)的增多，尼泊金十二醇酯的產(chǎn)率略有降低，說明催化劑具有良好的重復(fù)使用性。

3 結(jié)論

尼泊金酯是重要的有機(jī)食品防腐劑，廣泛應(yīng)用于各類食品及醬油、醋等調(diào)味品中。以合成的苯并咪唑脯氨酸離子液體為催化劑，甲苯為溶劑，對(duì)羥基苯甲酸與十二醇反應(yīng)得到尼泊金十二醇酯，通過正交試驗(yàn)得出反應(yīng)的最佳條件：對(duì)羥基苯甲酸和十二醇的摩爾比為1∶1.1，反應(yīng)時(shí)間為6 h，反應(yīng)溫度為100 ℃，催化劑用量為10% n對(duì)羥基苯甲酸，產(chǎn)率87%以上，催化劑可重復(fù)使用5次而不影響產(chǎn)率。通過最佳反應(yīng)條件的重復(fù)及放大試驗(yàn)，證明了最佳反應(yīng)條件的可行性，為尼泊金十二醇酯的合成提供了一種綠色環(huán)保、低成本、高效的方法，同時(shí)為其工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。