尹大偉，李潔，劉玉婷

(陜西科技大學 化學與化工學院，教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室，西安 710021)

綠色合成具有明確的社會需求和科學目標，按照合理的反應機理和方法，從源頭上減少或消除化學工業(yè)對環(huán)境的危害，保證從各個環(huán)節(jié)如反應試劑、催化劑、溶劑、副產(chǎn)品、產(chǎn)品等方面放在各個環(huán)節(jié)后是目前有機合成的主要目標?；诖?，綠色催化劑的研發(fā)即應用研究成了有機合成的熱點之一。催化劑的作用是可以提高或降低有機反應，也是有機合成反應的重要影響因素之一，其種類及用量直接影響反應的產(chǎn)率。催化劑在有機反應中的作用是參與反應中間體的結構合成而不參與產(chǎn)物的合成，從而達到催化反應的目的，因此有很多催化劑可以、提高原子經(jīng)濟性，加快反應速率和提高轉化率，提高化學反應選擇性，直接關系到反應的成敗。目前，酯化反應催化劑從傳統(tǒng)的濃硫酸催化轉向使用低毒、綠色催化劑，如酶、離子液體等。用離子液體催化酯化反應具有操作簡便、綠色環(huán)保、低能耗、催化劑可以重復使用等優(yōu)點，因此受到科學家的青睞。近年來，諸多離子液體的研發(fā)及其催化酯化反應的應用層出不窮，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]。尼鉑金酯即對羥基苯甲酸酯，是重要的有機化學防腐劑，廣泛應用于果蔬、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，因此對于其合成方法的探索和研究備受關注，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[15]的方法合成。紅外光譜用德國Bruker公司的Vector-22傅立葉紅外光譜儀(KBr壓片)測定；核磁共振采用德國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)測定；熔點采用北京泰克儀器有限公司的X-4型數(shù)字顯示顯微熔點儀(溫度計未經(jīng)校正)測定。

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8 h至反應完全(TLC監(jiān)測，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)對羥基苯甲酸、2.236 g(12 mmol)十二醇、10%n對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 ℃反應完全(TLC監(jiān)測，V乙酸乙酯∶V石油醚為1∶3)。反應結束后，將反應混合液轉入分液漏斗中，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 結果與討論

2.1 離子液體催化合成尼泊金十二醇酯的機理

尼泊金十二醇酯的合成屬于典型的酯化反應。在酸的催化作用下，對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，再經(jīng)脫水即得到酯。

2.2 合成尼泊金十二醇酯的反應條件優(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條件，在課題組前期單因素試驗的基礎上，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，考察反應物摩爾比、反應溫度、反應時間、催化劑用量等因素對尼泊金十二醇酯產(chǎn)率的影響及其催化尼泊金十二醇酯合成的效果。正交試驗的因素水平表見表1，正交試驗的結果見表2。

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

表2 正交試驗與結果Table 2 The results of orthogonal experiment

續(xù) 表

由表2可知，各因素對尼泊金十二醇酯產(chǎn)率影響的主次順序為反應溫度>反應時間>對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條件是：以甲苯為溶劑，對羥基苯甲酸和十二醇的摩爾比為1∶1.1，反應時間為6 h，反應溫度為100 ℃，催化劑用量為10%n對羥基苯甲酸。

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

表3 最佳反應條件的驗證Table 3 The verification of the optimal reaction conditions

由表3可知，在最佳反應條件下重復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，說明最佳反應條件的合理性。在最佳反應條件下，探索放大試驗效果，在上述條件的基礎上，分別放大5，10，50，100倍，考察尼泊金十二醇酯的產(chǎn)率，結果見表4。

表4 放大試驗結果Table 4 The results of amplification experiment

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

2.3 催化劑的重復使用

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

表5 催化劑的重復使用性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使用性。

3 結論

尼泊金酯是重要的有機食品防腐劑，廣泛應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，對羥基苯甲酸與十二醇反應得到尼泊金十二醇酯，通過正交試驗得出反應的最佳條件：對羥基苯甲酸和十二醇的摩爾比為1∶1.1，反應時間為6 h，反應溫度為100 ℃，催化劑用量為10% n對羥基苯甲酸，產(chǎn)率87%以上，催化劑可重復使用5次而不影響產(chǎn)率。通過最佳反應條件的重復及放大試驗，證明了最佳反應條件的可行性，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，同時為其工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。