唐建可，程幫貴，馬春蕾（太原工業(yè)學(xué)院化學(xué)與化工系，山西太原030008）

響應(yīng)面法優(yōu)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(yè)學(xué)院化學(xué)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(chǎn)物收率的影響。在單因素實驗基礎(chǔ)上，固定微波輻射功率400W，利用響應(yīng)面法優(yōu)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(zhì)量的17.4%，收率達92.08%。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)經(jīng)紅外表征。

響應(yīng)面法；三氯化鋁；微波輻射；對硝基苯甲酸乙酯；工藝優(yōu)化

1引言

對硝基苯甲酸乙酯又名4-硝基苯甲酸乙酯，形態(tài)為淡黃色或無色結(jié)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(yī)藥中間體，主要用于生產(chǎn)一些鎮(zhèn)咳藥或局部麻醉劑如鹽酸普魯卡因、苯佐卡因等[2～5]。傳統(tǒng)的濃硫酸催化合成方法收率低，反應(yīng)時間長，后續(xù)處理過程麻煩，設(shè)備易腐蝕，有廢酸液排放污染環(huán)境。

微波輻射合成技術(shù)是一種物理催化過程，避免了傳統(tǒng)加熱方式易造成物料加熱不均勻的問題，可使反應(yīng)速度加快，改進了傳統(tǒng)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(yīng)具有價格低廉、催化效率高、對設(shè)備和環(huán)境危害小的優(yōu)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(chǎn)物收率的影響，利用響應(yīng)面法對合成工藝進行優(yōu)化。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

儀器：WBFY-205微電腦微波化學(xué)反應(yīng)器；SHZ-(Ⅲ)循環(huán)水式多用真空泵；SPECTRUN-100傅立葉變換紅外光譜儀；X-4數(shù)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(yīng)器中，裝上回流冷凝管，通回流冷凝水后開啟微波反應(yīng)器進行反應(yīng)。反應(yīng)一定時間后，將溶液注入到冰水中（3～5℃），攪拌，用8%Na2CO3溶液調(diào)節(jié)pH至7.5～8.0，過濾，水洗，得白色固體，干燥至恒重[8]。測定產(chǎn)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(jié)果分析與討論

3.1單因素實驗結(jié)果分析

3.1.1醇酸比對產(chǎn)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(zhì)量比），考察醇酸比對產(chǎn)物收率的影響。結(jié)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(chǎn)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(chǎn)物收率下降。該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，增加乙醇的量可以使反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動，從而增加產(chǎn)物收率。但當醇酸比到達一定的比值后，反應(yīng)進度已到達最大值，即反應(yīng)達到平衡，再增加醇酸比產(chǎn)物收率也無法增加。同時當醇酸比過大時，反應(yīng)物對硝基苯甲酸和催化劑AlCl3的濃度也會降低，不利于反應(yīng)的進行，會導(dǎo)致產(chǎn)物收率下降，適宜醇酸比為6:1。

3.1.2微波輻射功率對產(chǎn)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(zhì)量比），考察微波輻射功率對產(chǎn)物收率的影響。結(jié)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(chǎn)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(chǎn)物收率開始下降。這是因為當微波輻射功率過低時，反應(yīng)體系內(nèi)溫度達不到支持分子活化的要求，會導(dǎo)致對硝基苯甲酸乙酯的收率較低。當功率較大時反應(yīng)體系內(nèi)反應(yīng)物系易爆沸導(dǎo)致噴濺，造成產(chǎn)物損失，導(dǎo)致產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量比），考察微波輻射時間對產(chǎn)物收率的影響。結(jié)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(chǎn)物收率隨微波輻射時間的上升而增加；大于10min時，產(chǎn)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(yīng)也隨之增加，導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量比）對產(chǎn)物收率的影響。結(jié)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(chǎn)物收率最高。當催化劑AlCl3用量較低時，產(chǎn)物收率較低。當催化劑AlCl3用量過多時，會水解產(chǎn)生一種膠狀物，阻礙AlCl3與反應(yīng)物接觸，降低了其催化能力[10]，從而產(chǎn)物收率降低，故適宜催化劑用量為15%。

3.2響應(yīng)面實驗結(jié)果分析

3.2.1 Box-Behnken實驗設(shè)計及結(jié)果與響應(yīng)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(yīng)值。表1為響應(yīng)面設(shè)計因素水平表，表2為響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果。

表1 實驗因素水平表

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果

將表2實驗數(shù)據(jù)進行多元化回歸分析，結(jié)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(yù)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(chǎn)物收率進行預(yù)測。

3.2.2響應(yīng)面分析

由響應(yīng)面軟件作出三因素兩兩交互作用三維響應(yīng)面曲線，如下圖1所示?？梢钥闯龃妓岜群痛呋瘎┯昧繉Ξa(chǎn)物收率影響較為明顯，隨著醇酸比的增加產(chǎn)物收率先升高后降低，隨著催化劑用量的增加產(chǎn)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(yīng)面圖

由回歸模型預(yù)測最優(yōu)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(jù)實際情況將反應(yīng)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(jié)果與預(yù)測值基本一致。說明基于響應(yīng)面法優(yōu)化所得到的工藝參數(shù)是準確可靠的，模型具有實際應(yīng)用價值。

4結(jié)論

利用響應(yīng)面法優(yōu)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(zhì)量的17.4%，在此條件下產(chǎn)物收率可達92.08%。

［1］周虹屏,于金文,楊開炳.苯磺酸催化合成對硝基苯甲酸乙酯[J].化學(xué)世界, 2001, (9): 484-485.

［2］趙志剛,邵太麗,秦國正.微波輻射下陽離子交換樹脂催化合成對硝基苯甲酸乙酯[J].應(yīng)用化工, 2012, 41(6): 968-974.

［3］羅士平,張明輝,郭俊,等. SiO2負載全氟磺酸樹脂催化合成對硝基苯甲酸乙酯[J].化學(xué)世界, 2010, (5): 260-263.

［4］劉太澤,肖鑒謀,劉奉強,等.微波輻射活性炭固載對甲苯磺酸催化合成對硝基苯甲酸乙酯[J].南昌大學(xué)學(xué)報(工科版), 2010, 32(1): 24-27.

［5］朱海峰,黃飛隆,蔡晨光,等.酸性離子液體催化合成對硝基苯甲酸乙酯的研究[J].寧波大學(xué)學(xué)報(理工版), 2013, 26(3): 91-93.

［6］Gedye R, Smith F, Westaway K, et al. The use of microwave ovens for rapid organic synthesis[J]. Tetrahedron letters, 1986, 27(3): 279-282.

［7］Wiles C, Watts P, Haswell S J, et al. Solution phase synthesis of esters within a micro reactor[J]. Tetrahedron, 2003, 59(51): 10173-10179.

［8］劉太澤,肖鑒謀,劉奉強,等.微波輻射對甲苯磺酸催化合成對硝基苯甲酸乙酯[J].化學(xué)世界, 2009, 50(11): 678-680.

［9］章思規(guī).精細有機化學(xué)品技術(shù)手冊(下冊)[M].北京:科學(xué)出版社, 1992.

［10］張熊祿,張盛泉,薛君.路易斯酸催化制乙酸乙酯的研究[J].精細石油化工進展, 2001, 2(4): 13-15.

［11］劉慧杰,王峰,馬立.響應(yīng)面法優(yōu)化黃酒非生物渾濁的處理條件[J].釀酒, 2011, 38(2): 66-69.

［12］杜雙奎,于修燭.紅棗酶法提汁工藝條件響應(yīng)面分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2007, 38(3): 191-193.

·信息·

浙江力普細分市場搞新品開發(fā)

浙江力普粉碎設(shè)備有限公司經(jīng)紹興市科技局批準獲建紹興市2012年公共科技創(chuàng)新平臺——嵊州市粉碎設(shè)備科技創(chuàng)新服務(wù)平臺以來，在超細粉碎設(shè)備領(lǐng)域多方位創(chuàng)新，長袖善舞，精彩紛呈。

一是高起點，立足高端客戶，細分市場，定向精準開發(fā)新產(chǎn)品

浙江力普研發(fā)的“低成本、節(jié)能和無污染納米級碳酸鈣的粉碎成套生產(chǎn)線”，解決了納米碳酸鈣分散解聚的技術(shù)難題，使碳酸鈣產(chǎn)業(yè)向納米級轉(zhuǎn)型升級提供了技術(shù)裝備支撐。該項目在2015年全國碳酸鈣行業(yè)年會上，榮獲中國無機鹽工業(yè)協(xié)會碳酸鈣行業(yè)分會、中國碳酸鈣協(xié)會行業(yè)專家組聯(lián)合頒發(fā)的專家認定證書，一致認為“浙江力普納米鈣粉碎分散成套生產(chǎn)線為碳酸鈣生產(chǎn)節(jié)能降耗技術(shù)和設(shè)備”。這是該生產(chǎn)線獲得國家發(fā)明專利、列入浙江省新產(chǎn)品和省科技創(chuàng)新項目之后的又一殊榮。在2015第一屆嵊州市創(chuàng)客、創(chuàng)新項目大賽中榮獲十佳創(chuàng)新項目。

浙江力普公司研制出的石墨粉碎球化生產(chǎn)線，技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，為國內(nèi)的粉體行業(yè)解決了一大難題，吸引并成了日本、巴西客商的首選。

力普自主研發(fā)的精棉粉碎成套生產(chǎn)線集打散、檢測、粉碎、集料、除塵于一體，實現(xiàn)了精制棉制備纖維的規(guī)?；a(chǎn)并有效的集塵，前不久列入2015年嵊州市科技計劃。該生產(chǎn)線與纖維素成品粉碎機、濕粉碎機三項產(chǎn)品已經(jīng)在纖維素行業(yè)中廣泛應(yīng)用，客戶涵蓋國內(nèi)規(guī)模前十位的纖維素醚生產(chǎn)企業(yè)并獲得高度認可。

二是新戰(zhàn)略，以專利保護為核心，構(gòu)建特色技術(shù)產(chǎn)品鏈，打造行業(yè)品牌

浙江力普以專利特色技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品鏈，積極打造粉碎設(shè)備行業(yè)名牌產(chǎn)品，成效顯著。擁有8項國家專利的納米碳酸鈣分散粉碎生產(chǎn)線集粉碎、分級、集料、除塵于一體，高效節(jié)能環(huán)保，是國內(nèi)頂尖的粉碎設(shè)備。其他如石墨粉碎球形化成套設(shè)備；黃原膠、瓜爾膠精細粉碎以及精制棉制備纖維素醚的粉碎加工技術(shù)等一系列高新產(chǎn)品，構(gòu)筑成專利產(chǎn)品技術(shù)鏈，以特色優(yōu)勢專利產(chǎn)品成功搶占粉碎設(shè)備高端市場，被紹興市科技局、經(jīng)信委認定為“2014年紹興市專利示范專業(yè)”。擁有的“力普高科”牌粉碎設(shè)備獲評2014年紹興名牌產(chǎn)品，躋身成為我國粉碎設(shè)備行業(yè)屈指可數(shù)的名牌產(chǎn)品之一。

力普在品牌價值塑造層面用產(chǎn)品說話，注重技術(shù)驅(qū)動，品質(zhì)取勝，以高品質(zhì)的產(chǎn)品成功搶占行業(yè)高地。目前，力普已成為專業(yè)生產(chǎn)各類超細粉碎、精細分級成套粉體設(shè)備的國家高新技術(shù)企業(yè)，浙江省優(yōu)秀創(chuàng)新型企業(yè)。研發(fā)的多款粉碎設(shè)備新品進入省市科研項目，成為浙江省新產(chǎn)品，評為浙江省重點科技產(chǎn)品。

（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(yè)學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)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。