，，，，

(陜西科技大學(xué) 陜西省輕化工助劑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)、用途最廣、用量最大的三大工業(yè)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(diǎn)[1]，被歸類為“通常被認(rèn)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(guī)批準(zhǔn)用于食品中[2]，也是我國法定在A級(jí)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(shí)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(huán)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(chǎn)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(zhǎng)，親水性與毒性逐漸降低，而親脂性與抗菌活性逐漸增強(qiáng)，例如尼泊金辛酯的抗菌防腐性能可大約達(dá)到尼泊金甲酯的數(shù)十倍，但是其水溶性與毒副作用均遠(yuǎn)大于尼泊金甲酯[3]。因此在食品與化妝品工業(yè)中，通?；旌鲜褂酶鞣N尼泊金酯類化合物來平衡各項(xiàng)指標(biāo)，達(dá)到預(yù)期的防腐效果[4]。

然而目前尼泊金酯類的工業(yè)合成方法大都采用無機(jī)強(qiáng)酸(如：濃硫酸、濃鹽酸等)作為催化劑，以對(duì)應(yīng)的羧酸與醇類為反應(yīng)物，進(jìn)行Fischer-Speier酯化反應(yīng)，該工藝成本低廉，但是不僅反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，容易腐蝕設(shè)備，而且會(huì)產(chǎn)生大量的強(qiáng)酸性、腐蝕性廢水，對(duì)環(huán)境負(fù)擔(dān)較大[5]。因此，開發(fā)構(gòu)造綠色、高效的新酯化工藝仍具備較高的研究?jī)r(jià)值。本課題組近年來致力于綠色合成方面的研究，尤其對(duì)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(fù)載型催化劑合成尼泊金甲酯。負(fù)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(dǎo)致催化活性進(jìn)一步提高，最重要的是易回收且具有循環(huán)使用的特點(diǎn)，是目前在催化領(lǐng)域兼具綠色與高效的重要成員之一。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

負(fù)載型濃硫酸固體催化劑按照參考文獻(xiàn)[9]的方法制備；其他試劑均采用市售分析純?cè)噭?。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(cè)定；熔點(diǎn)使用X-4顯微熔點(diǎn)儀(上海精科儀器有限公司)測(cè)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(cè)定(溶劑為CDCl3)。

1.2 負(fù)載型濃硫酸催化尼泊金甲酯的合成

負(fù)載型濃硫酸催化尼泊金甲酯的合成見圖1。

圖1 負(fù)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(jié)果與討論

根據(jù)單因素控制變量法所提供的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了以負(fù)載型固體酸催化劑的用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)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(duì)酯化產(chǎn)率的影響

本實(shí)驗(yàn)控制對(duì)羥基苯甲酸用量為500 mg(0.0036 mol)，負(fù)載型固體酸催化劑(負(fù)載量20%)活性成分的量是對(duì)羥基苯甲酸質(zhì)量的10%，反應(yīng)溫度65 ℃，反應(yīng)時(shí)間8 h，僅改變醇酸摩爾比，考察不同醇酸摩爾比對(duì)酯化反應(yīng)產(chǎn)率的影響，見表1。

表1 醇酸摩爾比對(duì)酯化產(chǎn)率的影響Table 1 Effect of molar ratio of alcohol and acid on esterification yield

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

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化產(chǎn)率的影響

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

表2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化產(chǎn)率的影響Table 2 Effect of reaction time on esterification yield

由表2可知，當(dāng)其他因素保持不變時(shí)，僅以反應(yīng)時(shí)間作為單一變量，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在0～8 h時(shí)，尼泊金甲酯的收率會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而迅速增大至82.1%，但是當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過8 h時(shí)，該酯化反應(yīng)的收率不僅停止增加，反而開始小幅度降低。根據(jù)酯化反應(yīng)的機(jī)理以及濃硫酸的性質(zhì)進(jìn)行推測(cè)，可能的原因是在反應(yīng)過程中，催化劑在高速催化酯化反應(yīng)的同時(shí)，也使反應(yīng)系統(tǒng)中緩慢地產(chǎn)生副產(chǎn)物，因此在8 h之后，當(dāng)主反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，只會(huì)使副產(chǎn)物慢慢增加，從而導(dǎo)致產(chǎn)率慢慢降低。因此，選擇8 h作為本反應(yīng)的最佳反應(yīng)時(shí)間。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)酯化產(chǎn)率的影響

對(duì)羥基苯甲酸的用量為500 mg (0.0036 mol)，醇酸摩爾比為優(yōu)化過的5∶1，負(fù)載型固體酸催化劑(負(fù)載量20%)活性成分的量是對(duì)羥基苯甲酸質(zhì)量的10%，反應(yīng)時(shí)間8 h，僅改變反應(yīng)溫度，考察不同反應(yīng)溫度對(duì)尼泊金甲酯產(chǎn)率的影響，見表3。

表3 反應(yīng)溫度對(duì)酯化產(chǎn)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(shí)，僅以反應(yīng)溫度作為單一變量，當(dāng)反應(yīng)溫度低于65 ℃時(shí)，尼泊金甲酯的收率會(huì)隨著反應(yīng)溫度的增加而快速提升，達(dá)到82.3%?？赡艿脑蚴牵?dāng)反應(yīng)溫度在25～65 ℃時(shí)，隨著反應(yīng)溫度的增大，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的熱能迅速升高，反應(yīng)物分子因而獲得了大量的動(dòng)能，加快了自身的運(yùn)動(dòng)，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(dāng)反應(yīng)溫度超過65 ℃時(shí)，反應(yīng)體系的化學(xué)平衡達(dá)到了平衡，此時(shí)液相體系中溶解的少量氧氣會(huì)在催化劑的強(qiáng)氧化性作用下，使尼泊金甲酯發(fā)生氧化，可直接觀測(cè)到反應(yīng)液的顏色變深，使目標(biāo)產(chǎn)物的純度與產(chǎn)率均發(fā)生一定幅度的減少。因此，選擇65 ℃作為本反應(yīng)的最佳反應(yīng)溫度。

2.4 催化劑用量對(duì)酯化產(chǎn)率的影響

對(duì)羥基苯甲酸用量為500 mg (0.0036 mol)，選擇經(jīng)過優(yōu)化的醇酸投料摩爾比5∶1，反應(yīng)時(shí)間8 h，反應(yīng)溫度65 ℃，使用負(fù)載型濃硫酸催化，研究負(fù)載型濃硫酸催化劑的用量對(duì)尼泊金甲酯產(chǎn)率的影響，見表4。

表4 催化劑用量對(duì)酯化產(chǎn)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(yīng)的活化能，從而加快反應(yīng)速度。在反應(yīng)進(jìn)行之初，增加催化劑用量，可以很大程度地降低反應(yīng)所需的活化能，加快反應(yīng)速度，產(chǎn)率增加。由表4可知，尼泊金甲酯產(chǎn)率隨著催化劑用量的增加而增加，但是當(dāng)催化劑用量增大到10%時(shí)，產(chǎn)率不再提高?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益，催化劑用量為對(duì)羥基苯甲酸用量的10%。

2.5 催化劑循環(huán)使用性能研究

通過以上酯化最佳反應(yīng)條件的探索，得出最佳條件：醇酸投料摩爾比5∶1，反應(yīng)時(shí)間8 h，反應(yīng)溫度65 ℃，催化劑用量為對(duì)羥基苯甲酸用量的10%。為了驗(yàn)證負(fù)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(huán)催化活性，本文對(duì)此進(jìn)行了深度探討，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 負(fù)載型濃硫酸固體催化劑的循環(huán)使用性能Table 5 Recycling performance of supported concentrated sulfuric acid solid catalyst

由表5可知，循環(huán)使用5次后，催化酯化產(chǎn)率保持在75%以上。隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加，酯化產(chǎn)率降低，可能是因?yàn)殡S著使用次數(shù)增多，催化劑的空間結(jié)構(gòu)慢慢開始被破壞，比表面積已經(jīng)開始降低，并且長(zhǎng)時(shí)間的使用也可能造成活性成分的部分脫負(fù)。

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(yōu)勢(shì)，本文將其與其他催化劑在用量、產(chǎn)率、反應(yīng)時(shí)間等方面進(jìn)行討論，分別在各自的最佳工藝上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(yīng)時(shí)間為7 h，產(chǎn)率為92.2%，但是其用量高達(dá)40% mol；殼聚糖硫酸鹽的反應(yīng)時(shí)間最短，僅為4 h，產(chǎn)率高達(dá)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(dá)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(fù)載型濃硫酸固體催化劑極其低廉的成本完全可以彌補(bǔ)在產(chǎn)率上的略微不足。

3 結(jié)論

本文以負(fù)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(yīng)時(shí)間8 h，反應(yīng)溫度65 ℃，催化劑活性成分用量是對(duì)羥基苯甲酸質(zhì)量的10%。該催化劑高效環(huán)保，在保持濃硫酸成本低廉、催化活性高的基礎(chǔ)上，消除了其強(qiáng)腐蝕性的隱患，并且在循環(huán)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(yè)化前景的新型尼泊金甲酯的合成工藝。