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        [L-Glu]HSO4催化合成檸檬酸三丁酯

        2022-12-29 12:00:28
        遼寧化工 2022年12期
        關鍵詞:醇酸酸值丁酯

        王 勤

        (常州夏青科技有限公司 常州市工程技術研究中心,江蘇 常州 213101)

        鄰苯二甲酸酯類是目前工業(yè)上使用最多的一個系列增塑劑,伴隨著人們近些年研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)其具有較強的生物毒性,長期使用該類增塑劑會干擾人體內分泌,所以迫切需要尋找新的綠色的增塑劑取而代之[1-2]。發(fā)酵法制備檸檬酸技術的成熟,檸檬酸的市場供應充足,檸檬酸酯類增塑劑的生產(chǎn)和應用又引起了廣大科研工作者重視[3-5]。

        傳統(tǒng)檸檬酸三丁酯的制備方法主要是濃硫酸催化,其缺點是腐蝕設備,影響色澤,污染環(huán)境,處理復雜。因此,不斷有報道對其進行改進,如負載雜多酸[6]、固體超強酸[7]、可膨脹石墨[8]、磷鎢酸銨鋁復合鹽[9]、十二烷基磺酸鑭[10]、離子交換樹脂[11]、硫酸氫鈉[12]等。這些研究對該產(chǎn)品的制備起到了一定促進作用,但依然存在部分催化劑酸性中心易流失,催化劑用量大,回收困難等問題。因此,需要對該反應進行進一步的研究,尋找合適的改進工藝。

        離子液體具有不易揮發(fā),不腐蝕設備,化學穩(wěn)定性好,易與反應體系分離等特點。在很多有機反應中,離子液體既可以作為溶劑又可作為催化劑[13-14]。

        隨著生物技術的突飛猛進,氨基酸作為一種化工原料,來源方便[15]。我們選擇氨基酸系列離子液體,主要因其具有良好的環(huán)境相容性[16-18]。用L-谷氨酸和濃硫酸,制備得到[L-Glu]HSO4離子液體,將其用于催化合成檸檬酸三丁酯,該工藝制備的產(chǎn)品顏色淺,后處理簡單,不腐蝕設備。該工藝的成功研發(fā),對檸檬酸三丁酯的推廣和應用具有積極而深遠的影響。

        1 實驗

        1.1 試劑與儀器

        檸檬酸、正丁醇、L-谷氨酸(L-Glu)、98%硫酸、碳酸氫鈉、無水硫酸鎂、氯化鈉,以上均為分析純,上海國藥集團生產(chǎn)。

        JJ-1型大功率電動攪拌器(江蘇國華儀器廠);Nicolet 6700 傅立葉變換紅外吸收光譜儀(美國熱電公司);AVANCE-500M超導核磁共振波譜儀(瑞士Bruker公司);WYA-ZT型阿貝折射儀(上海儀電物理光學儀器有限公司)。

        1.2 催化劑的制備

        將一定量的去離子水加入到四口燒瓶中,放入一定量氨基酸,攪拌溶解,低溫下滴加與氨基酸物質量比為1∶1的98%硫酸,滴加完畢攪拌1 h,升溫到80 ℃反應12 h。反應結束后,用少量乙酸乙酯洗滌3次,旋蒸濃縮至恒重后,置于干燥器備用。

        1.3 檸檬酸三丁酯的合成及表征

        1.3.1 產(chǎn)品的合成

        將一定量的檸檬酸、正丁醇和[L-Glu]HSO4離子液體加入到裝有分水器的四口燒瓶中,啟動攪拌加熱,升溫到一定溫度進行回流分水,當不再有水分出,冷卻至室溫,通過傾析法將產(chǎn)物與離子液體分離,離子液體留在四口瓶底部用于下一次酯化反應。

        減壓蒸出多余的正丁醇,用飽和NaHCO3洗滌至pH呈中性,再用飽和食鹽水洗滌,無水硫酸鎂干燥,減壓蒸餾,收集198~200℃(0.8~0.9 kPa)的餾分,即為產(chǎn)品。

        反應體系反應前后的酸值用0.015 mol·L-1的NaOH進行滴定,并以此計算檸檬酸的酯化率。具體公式:

        酯化率=(1-反應后體系的酸值(X1)/反應前體系的酸值(X0))×100%

        式中:X0—反應前體系的酸值(NaOH),mg·g-1;

        X1—反應后體系的酸值(NaOH),mg·g-1。

        1.3.2 產(chǎn)品的表征

        1)折光率測定 產(chǎn)品經(jīng)阿貝折光儀檢測=1.445,與文獻[8],數(shù)值符合。

        2)IR測定 產(chǎn)品IR(KBr壓片)(σ·cm-1):3 492.9(υ-OH);2 874.9(υC-H);1 738.9(υC=O);1 471.5;1 379.2(υ-CH);1 069.5(υ-C-O);未見羧基-OH和醇-OH羥基吸收峰。

        3)核磁測定1H-NMR(500 MHz,CDCl3×10-6)δ:4.21(t, J=6.7 Hz,2H),4.10(t, J=6.7 Hz,4H),2.83(dd,J=7.8,7.8 Hz,4H),1.63~1.68 (m,2H),1.58~1.62 (m,6H),0.91~0.95(m,9H)。

        據(jù)上述數(shù)據(jù)判斷,制備產(chǎn)品結構正確。

        2 結果與討論

        2.1 正丁醇與檸檬酸摩爾比對酯化率的影響

        反應過程中,其他條件不變,改變醇酸比(正丁醇和檸檬酸的物質量比),考察酯化率的變化,結果見表1。

        表1 醇酸比對酯化率的影響

        從表1可以看出,醇酸比從3∶1(理論摩爾比)開始升高,酯化率也隨之升高,反應過程中正丁醇既是原料也是帶水劑,多余的正丁醇會將反應生成的水帶走,促進反應向正方向移動。當醇酸比達到5∶1時,酯化率達到最高,進一步增大醇酸比,體系濃度開始降低,分子碰撞發(fā)生反應機會開始降低。所以選擇最優(yōu)的醇酸比為5∶1。

        2.2 反應時間對酯化率的影響

        反應過程中,其他條件不變,改變反應時間,考察酯化率的變化,結果見表2。

        表2 反應時間對酯化率的影響

        從表2 可以看出,隨著時間的延長,酯化率明顯提高,當反應時間為3.5 h時,達到最高99.1%。進一步延長反應時間,酯化率反而下降。這主要可能是因為生成的檸檬酸酯發(fā)生了部分水解,以及長時間的加熱導致副反應的發(fā)生。所以,選擇最優(yōu)反應時間為3.5 h。

        2.3 離子液體用量對酯化率的影響

        反應過程中,其他條件不變,改變離子液體用量,考察酯化率的變化,結果見表3。

        表3 離子液體用量對酯化率的影響

        從表3可以看出,當增加離子液體的用量時,酯化率隨之增加,當離子液體與檸檬酸的摩爾比為8%時,酯化率最高達到99.1%,進一步增加離子液體用量,酯化率變化不大。所以從經(jīng)濟學角度考慮,離子液體最優(yōu)添加量為8%。

        2.4 反應溫度對酯化率的影響

        反應過程中,其他條件不變,改變反應溫度,考察酯化率的變化,結果見表4。

        從表4可以看出,溫度較低時,酯化率不高,伴隨著溫度的上升,酯化率不斷提高。當溫度達到120 ℃時,酯化率達到最高;繼續(xù)增加溫度,酯化率反而下降。這可能是因為高溫不利于檸檬酸三丁酯的穩(wěn)定存在。

        2.5 離子液體重復使用次數(shù)對酯化率的影響

        為了研究離子液體的重復使用性能,將該離子液體回收使用,結果見表5。

        表5 離子液體使用次數(shù)對酯化率的影響

        從表5可以看出,離子液體催化劑使用8次后,酯化率仍可以達到94.1%,說明該離子液體具有較高的催化活性。實驗中酯化率降低的原因可能是在循環(huán)使用回收離子液體時損失造成的,表明離子液體[L-Glu]HSO4有著良好的循環(huán)使用效果。

        3 結論

        1)[L-Glu]HSO4是一種制備簡單,成本低廉的離子液體,對設備無腐蝕、對環(huán)境無污染、可以多次重復使用,適合工業(yè)化生產(chǎn)的催化劑。

        2)[L-Glu]HSO4離子液體催化制備檸檬酸三丁酯的最佳條件為:n(正丁醇)∶n(檸檬酸)=5∶1,離子液體用量為為8%(以檸檬酸的物質的量計),120 ℃反應3.5 h,酯化率為99.1%。重復使用8次,其酯化率仍可達到94%以上。該離子液體具有優(yōu)異的催化性能和可重復使用性能,值得推廣應用。

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