对甲苯磺酸催化合成咖啡酸丙酯的研究

韩立亚，刘 伟，刘红莉，毕艳兰

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

0 前言

咖啡酸（caffeic acid，CA，图 1）是一种天然存在的酚酸，广泛分布于植物界，如水果、谷物、咖啡、蔬菜中[1-2].近年来，咖啡酸作为一种天然抗氧化剂得到了广泛的关注和研究，并应用于食品、医药、化妆品等领域，具有抗氧化[3]、抗菌[4]、抗肿瘤[5]等生物或生理活性.然而咖啡酸在常见的非极性体系（疏水体系）中具有很低的溶解性和稳定性，限制了它的应用，因此，将咖啡酸与一些脂溶性较强的分子结合，既可以保持其生物活性，又可以增强其亲脂性，从而扩大其应用范围[6-9].

图1 咖啡酸的结构式

研究发现，咖啡酸烷基酯相比咖啡酸不仅具有更好的亲脂性而且具有更强的抗氧化活性[10].Francisco等[11]采用Fischer酯化，硫酸作催化剂合成了咖啡酸丙酯，产率达62%.Uwai等[6]通过咖啡酸和亚硫酰氯在1，4-二氧己烷溶液中回流17 h，合成咖啡酸丙酯，产率达86%.以上这些方法操作较复杂，同时易生成副产物，从而增加了提纯的难度.硫酸作为一种廉价的酸性催化剂，已广泛应用于工业化生产中.然而，硫酸的催化需要较高的反应温度和较长的反应时间，会造成环境污染，并且腐蚀设备从而增加生产成本[12].因此，需要寻找一种廉价、简单和高效的催化剂来合成咖啡酸丙酯.近年来，对甲苯磺酸（PTSA）作为替代传统的酸性催化剂的一种化学催化剂，其主要特点是反应条件温和、价格低廉、具有优良的官能团耐受性，从而能够实现高产率地合成各种酯类[13].脂肪酶催化合成咖啡酸丙酯尽管反应条件温和，但是反应时间长，酶制剂价格高昂，从而限制了酶催化方法的广泛使

用[14].

本研究以咖啡酸和丙醇为原料，以对甲苯磺酸为催化剂，考察不同底物比、反应温度、催化剂添加量、分子筛用量等对咖啡酸的转化率和咖啡酸丙酯产率的影响，从而得到合成咖啡酸丙酯的最优反应条件.

1 材料与方法

1.1 材料

咖啡酸（纯度＞98.0%）：国药集团化学试剂有限公司；丙醇（纯度＞99.5%）：阿法埃莎（天津）化学有限公司；对甲苯磺酸（PTSA）：纯度＞99.0%，天津市光复精细化工研究所；分子筛（4A型）、甲醇：分析纯（AR），天津市科密欧化学试剂有限公司.

1.2 仪器与设备

90-1型恒温磁力搅拌器：上海泸西分析仪器厂有限公司；e2695高效液相色谱仪（HPLC）：沃特世科技（上海）有限公司（Waters）；BSA224S电子天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司.

1.3 试验方法

1.3.1 高效液相色谱（HPLC）分析方法

色谱柱：Symmetry Shield TM 柱（4.6×150 mm，3.5 μm）；流速：0.8 mL/min；进样量：10 μL；柱温：30℃.采用等度洗脱，流动相体系B相为0.5%乙酸水，C相为甲醇，其体积比为35∶65，紫外检测波长为325 nm.

1.3.2 合成方法

称取一定量的咖啡酸和对甲苯磺酸于10 mL的反应管中，加入分子筛，最后加入一定量的丙醇，在一定搅拌速度下置于油浴锅中反应6 h，催化合成咖啡酸丙酯（图 2）.分别在 0.25、0.5、1、2、4、6 h取样，每次取样10μL，容量瓶定容至10 mL，高效液相色谱定量分析，考察不同底物物质的量的比、温度、催化剂的添加量以及分子筛的加入量对咖啡酸的转化率和咖啡酸丙酯产率的影响.

图2 咖啡酸丙酯的合成过程

2 结果与分析

2.1 底物物质的量的比对咖啡酸酯化反应的影响

咖啡酸和丙醇的酯化反应是一个可逆的反应过程，因此通过减少逆反应的发生可以获得更高的平衡转化率和产率.有两种方法减少逆反应的发生，一是通过移除副产物（在此反应中是水），二是使反应物原料中的一种过量（在此反应中是丙醇）[15].在此反应体系中，使丙醇过量更容易实现，因此，通过加入过量的丙醇来促进酯化反应的进行.

在反应温度80℃下，加入咖啡酸1.0 mmol，对甲苯磺酸0.1%（以咖啡酸的物质的量计），分子筛0.2%（以咖啡酸的质量计），咖啡酸和丙醇的物质的量的比分别为 1∶5、1∶10、1∶20、1∶30 和 1∶40 的条件下，考察不同底物物质的量的比对咖啡酸的转化率和咖啡酸丙酯产率的影响，结果见图3和图4.

从图3、图4可以看出，随着反应时间的延长，咖啡酸的转化率和咖啡酸丙酯的产率先逐渐增加，反应4 h基本达到平衡.当咖啡酸和丙醇的物质的量的比为1∶10时，反应速度最快，咖啡酸的转化率从反应15 min的56.21%到6 h的97.93%，咖啡酸丙酯的产率则从45.67%升到93.73%.当继续增加丙醇的用量时，发现对此酯化反应有明显抑制作用，这是由于丙醇的量增多，导致咖啡酸以及催化剂的浓度明显降低，逆反应加快，因此咖啡酸丙酯的产率有所降低[16].综合以上结果，选择咖啡酸和丙醇物质的量的比1∶10为最佳.

图3 咖啡酸和丙醇的物质的量的比对咖啡酸转化率的影响

图4 咖啡酸和丙醇的物质的量的比对咖啡酸丙酯的产率的影响

2.2 反应温度对咖啡酸酯化反应的影响

反应温度是影响反应速度的重要因素，从而影响咖啡酸的转化率和咖啡酸丙酯的产率.在加入咖啡酸1.0 mmol，丙醇10 mmol，对甲苯磺酸0.1%（以咖啡酸物质的量计），分子筛0.2%（以咖啡酸质量计），反应温度分别为 60、70、80、90 ℃的条件下，研究了不同反应温度对咖啡酸的转化率和咖啡酸丙酯产率的影响如图5和图6所示.

从图5、图6可以看出，在不同反应温度下，随着反应时间的延长，咖啡酸的转化率和咖啡酸丙酯的产率逐渐增加，当反应温度为80℃和90℃时，反应到4 h基本达到平衡，并且反应速率随温度的增加而显著加快.这是因为较高的反应温度能够活化底物分子，且降低反应混合物的黏度，从而加快反应速率[17].在温度为60℃时，反应6 h还未达到平衡.当反应温度为90℃时，咖啡酸的转化率从15 min的83.65%增加到6 h的98.06%，而咖啡酸丙酯产率则从82.36%增加到94.71%.考虑到丙醇的沸点为97℃，若进一步提高反应温度，易导致丙醇大量挥发损失.因此，选择90℃为最佳反应温度.

图5 反应温度对咖啡酸转化率的影响

图6 反应温度对咖啡酸丙酯产率的影响

2.3 对甲苯磺酸的添加量对咖啡酸酯化反应的影响

对甲苯磺酸作为催化剂，其添加量对反应速率也有着重要的影响.在添加咖啡酸1.0 mmol，丙醇10 mmol，分子筛0.2%（以咖啡酸质量计），反应温度90℃，对甲苯磺酸的加入量分别为0.05%、0.1%、0.2%和0.3%的条件下，考察催化剂的不同添加量对咖啡酸的转化率和咖啡酸丙酯产率的影响如图7和图8所示.

从图7、图8可以看出，随着反应时间的增加，咖啡酸的转化率先逐渐增加，后达到平衡；而咖啡酸丙酯的产率在对甲苯磺酸的添加量分别为0.2%和0.3%时，先增大后降低.分析可能原因是在较多对甲苯磺酸存在条件下，咖啡酸的苯环会与脂肪醇发生傅-克烷基化反应，产生较多副产物，因而导致咖啡酸丙酯的产率明显降低[18].在对甲苯磺酸的添加量分别为0.05%和0.1%时，转化率和产率均是先逐渐增加后达到平衡，同时，从图8可以看出，添加0.1%的催化剂能够得到更高的产率，从15 min的82.36%上升到反应结束时的94.71%.综合考虑，对甲苯磺酸的添加量以0.1%为宜.

图7 对甲苯磺酸添加量对咖啡酸转化率的影响

图8 对甲苯磺酸添加量对咖啡酸丙酯产率的影响

2.4 分子筛的添加量对咖啡酸酯化反应的影响

咖啡酸和丙醇酯化反应的主要副产物是水，因此水的含量是影响该酯化反应的另一个重要因素.已有文献报道分子筛的添加能够提高酯化反应平衡转化率[12].在其他反应条件相同的情况下，考察加入0%、0.1%和0.2%的分子筛（以咖啡酸质量计）对咖啡酸的转化率和咖啡酸丙酯的产率的影响如图9和图10所示.

从图9、图10可以看出，加入分子筛量的多少对咖啡酸的转化率影响不大，但对咖啡酸丙酯的产率有较大影响.这是由于分子筛的主要作用是除去反应生成的水，当不添加或添加较少分子筛时，体系的含水量较多，可能会引起生成的产物咖啡酸丙酯发生其他副反应，从而导致咖啡酸丙酯的产率降低.同时考虑到添加分子筛过多时，会导致反应体系搅拌不均匀.综合以上分析，选择加入0.2%的分子筛最佳.

图9 分子筛的添加量对咖啡酸转化率的影响

图10 分子筛的添加量对咖啡酸丙酯产率的影响

3 结论

作者研究了对甲苯磺酸催化咖啡酸和丙醇酯化合成咖啡酸丙酯的影响因素，通过考察底物物质的量的比、反应温度、对甲苯磺酸的添加量、分子筛的加入量和反应时间对咖啡酸的转化率和咖啡酸丙酯产率的影响，得出最优反应条件为：咖啡酸和丙醇的物质的量的比 1∶10，反应温度90℃，对甲苯磺酸的添加量为0.1%（以咖啡酸的物质的量计），分子筛的加入量为0.2%（以咖啡酸的质量计），在此条件下，反应6 h，咖啡酸的转化率达到98.06%，咖啡酸丙酯的产率为94.71%.

［1］ Yang S Y，Hong C O，Lee G P，et al.The hepatoprotection of caffeic acid and rosmarinic acid，major compounds of Perilla frutescens，against t-BHP-induced oxidative liver damage［J］.Food and C hemical T oxicology，2013，55:92-99.

［2］ Rao C V，Desai D，Kaul B，et al.Effect of caffeic acid esters on carcinogen-induced mutagenicity and human colon adenocarcinoma cell growth［J］.Chemico-biological I nteractions，1992，84（3）:277-290.

［3］ Gülçin I.Antioxidant activity of caffeic acid（3，4-dihydroxycinnamic acid）［J］.Toxicology，2006，217（2）:213-220.

［4］ Kartal M，Yildiz S，Kaya S，et al.Antimicrobial activity of propolis samples from two different regions of Anatolia［J］.Journal of Ethnopharmacology，2003，86（1）:69-73.

［5］ Cárdenas M，Marder M，Blank V C，et al.Antitumor activity of some natural flavonoids and synthetic derivatives on various human and murine cancer cell lines［J］.Bioorganic &M edicinal C hemistry，2006，14（9）:2966-2971.

［6］ Uwai K，Osanai Y，Imaizumi T，et al.Inhibitory effect of the alkyl side chain of caffeic acid analogues on lipopolysaccharide-induced nitric oxide production in RAW264.7 macrophages［J］.Bioorganic&M edicinal C hemistry，2008，16（16）:7795-7803.

［7］ Wang J，Gu S，Zhang L，et al.Pentyl （E）-3-（3，4-dihydroxyphenyl）acrylate［J］.Acta Crystallographica Section E:Structure Reports Online，2011，67（11）:2871.

［8］ Gu S S，Wang J，Pan F，et al.（E）-Isopentyl 3-（3，4-dihydroxyphenyl） acrylate［J］.Acta Crystallographica Section E:Structure Reports Online，2012，68（3）:557.

［9］ Zhou X S，Liu J B，Luo W F，et al.Novel Bronsted -acidic ionic liquids based on benzothiaz-olium cations as catalysts for esterification reactions ［J］.Journal of the Serbian Chemical Society，2011，76（12）:1607-1615.

［10］ Garrido J，Gaspar A，Garrido E M，et al.Alkyl esters of hydroxycinnamic acids with improved antioxidant activity and lipophilicity protect PC12 cells against oxidative stress［J］.Biochimie，2012，94（4）:961-967.

［11］ Silva F A M，Borges F，Guimar a~es C，et al.Phenolic acids and derivatives:studies on the relationship among structure，radical scavenging activity，and physicochemical parameters［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2000，48（6）:2122-2126.

［12］ Kumar A，Kanwar S S.Synthesis of ethyl ferulate in organic medium using celite-immobilized lipase［J］.Bioresource Technology，2011，102（3）:2162-2167.

［13］ Le Bras G，Provot O，Peyrat J F，et al.Rapid microwave assisted hydration of internal arylalkynes in the presence of PTSA:an efficient regioselective access to carbonyl compounds［J］.Tetrahedron Letters，2006，47（31）:5497-5501.

［14］ Pang N，Gu S S，Wang J，et al.A novel chemoenzymatic synthesis of propyl caffeate using lipase-catalyzed transesterification in ionic liquid［J］.Bioresource Technology，2013，139:337-342.

［15］ Deshmane V G，Gogate P R，Pandit A B.Ultrasound assisted synthesis of isopropyl esters from palm fatty acid distillate［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2009,16（3）:345-350.

［16］ Chin L H，Abdullah A Z，Hameed B H.Sugar cane bagasse as solid catalyst for synthesis of methyl esters from palm fatty acid distillate［J］.Chemical Engineering Journal，2012，183:104-107.

［17］ Wang J，Gu S，Pang N，et al.A study of the esterification of caffeic acid with methanol using p-toluenesulfonic acid as a catalyst［J］.Journal of the Serbian Chemical Society，2013，78（7）:1023-1034.

［18］杨光，王雷波.碳基对甲苯磺酸催化剂在烷基化反应中的研究［J］.当代化工，2010，39（1）:55-57.