劉永謙，謝梓杰，鐘洋均，劉付偉清，王濤（. 廣東省婦幼保健院藥學(xué)部，廣東 廣州 544；. 廣州中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，廣東 廣州 50006；. 廣東省婦幼保健院婦科，廣東 廣州 544）

乙酸冰片酯是一種廣泛存在于姜科植物陽春砂（Amomum villosumLour.）、樟科植物肉桂（Cinnamomum cassiaPresl）和菊科植物野菊花（Chrysanthemum indicumL.）揮發(fā)油中的單萜類成分，為散發(fā)松木香氣的無色液體或白色結(jié)晶固體。由于安全性高，乙酸冰片酯作為一種重要的化工原料、有機(jī)合成中間體，廣泛應(yīng)用于日化、食品、化妝品等領(lǐng)域。近年來，乙酸冰片酯作為多種傳統(tǒng)中藥的有效成分，潛在的藥理學(xué)研究價(jià)值逐漸被挖掘且多種的藥理活性被明確，其具有保胎、鎮(zhèn)痛、抗炎、抑制腸平滑肌痙攣等作用，尤以保胎、抗炎、鎮(zhèn)痛作用較為突出[1-3]。

乙酸冰片酯來源主要包括兩種方法：其一，從含有該成分的姜科、樟科等植物香精油中分離得到；其二，采用合理的原料（如莰烯與醋酸、冰片與乙酸酐等）催化合成制備。冰片與乙酸酐的成酯合成，常以傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝方式，即濃硫酸作催化劑加熱條件下實(shí)施反應(yīng)，往往給工業(yè)生產(chǎn)帶來一些不可避免的問題，如對設(shè)備腐蝕性大、副反應(yīng)多、后處理煩瑣、環(huán)境污染等。新型酯化催化劑的研發(fā)是一個(gè)重要的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。沸石分子篩、路易斯酸[4]、固體超強(qiáng)酸[5]、強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂[6]等新型催化劑在各種酯化反應(yīng)中不乏有成功的先例，但由于制備復(fù)雜、不易回收催化劑且催化效果不穩(wěn)定，后處理需要使用大量有機(jī)溶劑會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此，實(shí)際生產(chǎn)上均未得到廣泛應(yīng)用。離子液體作為新型綠色催化劑，擁有穩(wěn)定、低毒、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[7-10]，且離子液體在酯化反應(yīng)中應(yīng)用的可行性已被不少的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[11-15]。但離子液體用于催化乙酸冰片酯的合成及其工藝研究未見報(bào)道。

響應(yīng)面法是一種高效、便捷的統(tǒng)計(jì)手段，它能夠在有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下，建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，通過模型進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，找到最佳實(shí)驗(yàn)變量組合及最優(yōu)響應(yīng)值[16]，相對于正交設(shè)計(jì)而言，響應(yīng)面法具有更高的精確度[17]。目前，響應(yīng)面法在優(yōu)化提取工藝中已經(jīng)很普及，但很少在合成工藝上應(yīng)用[18]。本研究以離子液體為催化劑，應(yīng)用響應(yīng)面法，探討離子液體制備乙酸冰片酯的最佳的合成工藝，為推動乙酸冰片酯合成工藝的綠色發(fā)展提供參考。

1 試劑與儀器

1.1 試劑天然冰片（吉林市林料天然冰片廠，純度＞95%）；其余試劑均為分析純。

1.2 儀器AUY120 萬分之一分析天平（日本島津公司）；DF-1 型集熱式磁力攪拌器（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司）；DHG-9070A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；RE-52A 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）；DLSB-10/20 低溫冷卻液循環(huán)泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；AVANCE ⅢHD400 核磁共振波譜儀（瑞士Bruker 公司）；Thermo Scientific Nicolet iS5 FT-IR 光譜儀（美國Thermo fisher 公司）。

2 方法與結(jié)果

2.1 吡啶類離子液體的制備采用兩步法制備離子液體[19]，第一步由吡啶與二鹵代烷進(jìn)行親核反應(yīng)合成季銨的鹵化物鹽，第二步將鹵負(fù)離子與硫酸中的硫酸氫根負(fù)離子通過復(fù)分解而制得。離子液體合成路線如圖1。

圖1 吡啶類離子液體合成路線Figure 1 Synthetic routes of pyridine type ionic liquid

2.1.11-吡啶（2-溴乙）基溴化鹽的制備 在4 口燒瓶中加入5.20 mL（64 mmol）吡啶及15 mL 乙腈，用滴液漏斗滴入1，2-二溴乙烷2.76 mL（32 mmol），在80 ℃下攪拌回流4 h。停止反應(yīng)后，抽濾，將固體用5 mL 丙酮洗滌2～3 次后，置于75 ℃的干燥箱內(nèi)干燥3 h，得到白色粉末狀固體1-吡啶（2-溴乙）基溴化鹽。

2.1.21-吡啶（2-溴乙）基硫酸氫鹽的制備 取中間體1-吡啶（2-溴乙）基溴化鹽3.78 g（14.8 mmol），溶于20 mL 二氯甲烷中，緩慢滴加濃硫酸1.07 mL（0.02 mol），隨后攪拌回流反應(yīng)5～6 h。反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，用10 mL 乙酸乙酯洗滌2 ～3 次，分液可得黃色黏稠狀液體。將其置于干燥箱中于75 ℃干燥12 h 后，得到橙色油狀的吡啶類離子液體。1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）δ：9.07（d，J= 5.76 Hz，2H，pyridine-H），8.58（t，J= 7.80，7.80 Hz，1H，pyridine-H），8.11（t，J= 7.36，6.84 Hz，2H，pyridine-H），4.67（s，-CH2-Br，2H），1.97（s，-CH2-N+，2H）ppm。

2.2 乙酸冰片酯的合成以冰片和乙酸酐為原料合成乙酸冰片酯，具體合成路線見圖2。

圖2 乙酸冰片酯的合成路線Figure 2 Synthetic route of bornyl acetate

在100 mL 圓底燒瓶中，加入一定比例的冰片、乙酸酐、吡啶類離子液體和20 mL 環(huán)己烷，攪拌回流一定時(shí)間。以石油醚-乙酸乙酯（10∶1）為展開劑，TLC 薄層展開，噴以5%香草醛濃硫酸顯色檢測反應(yīng)進(jìn)行程度。停止反應(yīng)后，將反應(yīng)混合溶液倒入分液漏斗，用蒸餾水（25 mL × 3）洗滌有機(jī)層。有機(jī)層經(jīng)適量無水MgSO4干燥后，以石油醚-乙酸乙酯（40∶1）為洗脫劑柱層析分離，減壓脫除洗脫劑后，即得乙酸冰片酯。IR（KBr）ν：2 955（C-H），1 739（C=O），1 562，1 245，1 033 cm-1；1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ：4.82（m，1H），2.29（m，1H），2.00（s，3H），1.85-1.92（m，1H），1.60-1.73（m，3H），1.15-1.29（m，2H），0.85（d，J= 2.68 Hz，3H），0.82（s，3H），0.78（d，J= 2.80 Hz，3H）ppm；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ：171.4（C=O），79.9（C-O），48.7，47.8，44.9，36.8，28.1，27.1，21.3，19.7，18.9，13.5 ppm。

2.3 單因素試驗(yàn)

2.3.1 反應(yīng)物投料比對收率的影響 冰片的投料量為1.54 g（10 mmol），離子液體用量為冰片質(zhì)量的5%，反應(yīng)時(shí)間為6 h，改變乙酸酐的投料量，冰片與乙酸酐投料的摩爾比依次為1∶1.0，1∶1.5，1∶2.0，1∶3.0，1∶4.0，照“2.2”項(xiàng)下操作，研究不同反應(yīng)物投料比對乙酸冰片酯收率的影響。結(jié)果如圖3 所示。隨著乙酸酐用量的增加，乙酸冰片酯的收率先增加后減少，當(dāng)冰片∶乙酸酐=1∶3 時(shí)，得到乙酸冰片酯的收率最高，為71.73%。因此，試驗(yàn)中兩反應(yīng)物最佳投料比取1∶3。

圖3 不同反應(yīng)物投料比對乙酸冰片酯收率的影響Figure 3 Effect of different reactants molar ratio on the yield of bornyl acetate

2.3.2 反應(yīng)時(shí)間對收率的影響 固定反應(yīng)物投料比：冰片∶乙酸酐=1∶2，離子液體用量為冰片質(zhì)量的5%，改變反應(yīng)時(shí)間（6、8、10、12、14 h），照“2.2”項(xiàng)下操作，研究不同反應(yīng)時(shí)間對乙酸冰片酯收率的影響。結(jié)果如圖4 所示。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，乙酸冰片酯的收率整體呈上升趨勢。但隨著反應(yīng)時(shí)間的持續(xù)延長，收率增加緩慢，綜合考慮延長反應(yīng)時(shí)間對生產(chǎn)工藝中的能源消耗，確定最佳的反應(yīng)時(shí)間為12 h。

圖4 不同反應(yīng)時(shí)間對乙酸冰片酯收率的影響Figure 4 Effect of reaction time on the yield of bornyl acetate

2.3.3 催化劑用量對收率的影響 固定反應(yīng)物投料質(zhì)量比：冰片∶乙酸酐=1∶2，反應(yīng)時(shí)間為6 h，改變離子液體催化劑用量（離子液體用量為冰片質(zhì)量的2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%），照“2.2”項(xiàng)下操作，研究不同催化劑用量對乙酸冰片酯收率的影響。結(jié)果如圖5 所示。隨著離子液體催化劑用量的增加，乙酸冰片酯的收率先增加后減少，當(dāng)催化劑用量為冰片質(zhì)量的10%時(shí)，得到乙酸冰片酯的收率最高，為69.08%，該催化劑用量為最佳用量，且整個(gè)過程中吡啶類離子液體表現(xiàn)出較高的催化活性。

圖5 催化劑用量對乙酸冰片酯收率的影響Figure 5 Influence curve of catalyst amount on yield of bornyl acetate

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化

2.4.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，以反應(yīng)物投料質(zhì)量比（A）、反應(yīng)時(shí)間（B）、催化劑用量（C）為自變量，以乙酸冰片酯的收率（Y）為響應(yīng)值，運(yùn)用Design-Expert 12 中的Box-Behnken 設(shè)計(jì)出3 因素3 水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，研究各個(gè)因素對乙酸冰片酯收率的影響以及各因素之間的相互作用。響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平見表1，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平Table 1 Factor levels in the response surface experiment

表2 乙酸冰片酯合成工藝響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Design results of response surface test for synthesis process of bornyl acetate

2.4.2 合成因素?cái)M合 運(yùn)用Design-Expert 12 對各因素進(jìn)行回歸擬合，得到乙酸冰片酯收率（Y）與反應(yīng)物投料質(zhì)量比（A）、反應(yīng)時(shí)間（B）、催化劑用量（C）的二次多項(xiàng)式回歸模型：Y=85.05+1.74A+1.86B-0.105 0C-2.11AB-0.835 0AC+0.460 0BC-2.86A2-3.81B2-5.99C2。回歸方程的方差分析見表3。

表3 乙酸冰片酯合成工藝的響應(yīng)面模型方差分析Table 3 Variance analysis of response surface model for synthesis process of bornyl acetate

結(jié)果顯示，回歸方程兩決定系數(shù)（R2，PreR2）＞0.80，可以較好反映模型的變化[20]。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚉＜0.000 1，表明模型擬合顯著；失擬項(xiàng)為0.156 1（P＞0.05），差異無顯著性，說明3 個(gè)因素與收率之間的模擬關(guān)系是可行的，響應(yīng)面模型的可靠度高。R2= 0.990 8，表明乙酸冰片酯收率的實(shí)驗(yàn)值與模型對收率的預(yù)測值之間的一致性高，誤差較小，可以應(yīng)用該回歸方程模擬代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。另外，一次項(xiàng)A、B 及二次項(xiàng)A2、B2和C2對乙酸冰片酯收率的影響顯著，交互項(xiàng)AB 對收率的影響顯著，AC 對收率的影響顯著。從F值來看，各因素對乙酸冰片酯收率的影響順序?yàn)椋築（反應(yīng)時(shí)間）＞A（反應(yīng)物投料比）＞C（催化劑用量）。

2.4.3交互因素分析 交互因素對乙酸冰片酯合成收率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖見圖6 ～圖8。

圖6 反應(yīng)物投料比（A）與反應(yīng)時(shí)間（B）的等高線和響應(yīng)面圖Figure 6 Response surface and contour diagram of reactant feed ratio（A）and reaction time（B）

圖7 反應(yīng)物投料比（A）與催化劑用量（C）的等高線和響應(yīng)面圖Figure 7 Response surface and contour diagram of reactant feed ratio（A）and amount of catalyst（C）

圖8 反應(yīng)時(shí)間（B）與催化劑用量（C）的等高線和響應(yīng)面圖Figure 8 Response surface and contour diagram of reaction time（B）and amount of catalyst（C）

根據(jù)響應(yīng)面和等高線圖綜合分析可見，乙酸冰片酯的收率隨反應(yīng)物投料比和反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)物投料比和催化劑用量先升后降，且等高線均為橢圓形，說明反應(yīng)物投料比和反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)物投料比和催化劑用量的交互作用均較顯著；但反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量交互的等高線圖接近圓形，說明反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量的交互作用無顯著性。結(jié)合各因素?cái)M合結(jié)果的P值可知，兩因素交互作用對乙酸冰片酯收率的影響順序?yàn)椋篈B（反應(yīng)物投料比、反應(yīng)時(shí)間）＞AC（反應(yīng)物投料比、催化劑用量）＞BC（反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量）。

2.4.5 最佳合成工藝的驗(yàn)證 用Design-Expert 12 軟件，根據(jù)建立的響應(yīng)面模型，可以預(yù)測出最優(yōu)合成條件為：冰片∶乙酸酐=1∶3.05，反應(yīng)時(shí)間10.7 h，催化劑用量為冰片質(zhì)量的9.95%，其預(yù)測收率最高達(dá)到85.4%。結(jié)合實(shí)驗(yàn)的可行性和精度水平，將乙酸冰片酯的合成工藝條件調(diào)整為：冰片∶乙酸酐=1∶3，反應(yīng)時(shí)間11 h，催化劑用量為冰片質(zhì)量的10%。根據(jù)上述調(diào)整的工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，乙酸冰片酯的收率平均值為（85.10±1.03）%?？梢婎A(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差很小，說明實(shí)驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性較高。

3 討論

吡啶類離子液體催化乙酸冰片酯的酯化反應(yīng)，表現(xiàn)出良好的催化活性，反應(yīng)結(jié)束后能通過水洗直接除去，分離簡單，使用方便，對環(huán)境友好。實(shí)驗(yàn)中采用響應(yīng)面法對乙酸冰片酯合成的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳工藝條件為：冰片∶乙酸酐=1∶3，反應(yīng)時(shí)間11 h，離子液體催化劑用量為冰片質(zhì)量的10%，在該條件下乙酸冰片酯收率的實(shí)驗(yàn)值為85.10%。由此證明，離子液體用于乙酸冰片酯的合成切實(shí)可行，該研究對乙酸冰片酯綠色合成的進(jìn)一步研究有借鑒意義。