胡椒酸甲酯合成工艺研究

吉惠杰，于丽颖，杨艳俊，程振玉，戴盈韬

（吉林化工学院 化学与制药工程学院，吉林 吉林 132022）

0 引言

胡椒（Piper nigrum L.）系胡椒科植物，原产东南亚，现广植于热带地区，其果实中含多种酰胺类化合物，如胡椒碱、胡椒酰胺、胡椒油碱、胡椒亭碱等.近年来学者们通过研究不断证实胡椒碱及其衍生物具有多种生物活性，如降血脂作用[1-4]、抗氧化活性[5]、抗惊厥作用[6]、抗肿瘤作用[7-9]等.胡椒中胡椒碱的含量很低，降血脂效果不明显，可对其进行化学改性，成为作用明显的胡椒酸酯.本课题曾对胡椒酸乙二醇单酯合成方法进行过研究[10]，弥补了胡椒酸酯类合成工艺与表征方法[11-12]的空缺，对胡椒酸酯类的合成工艺设计具有一定应用价值.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

胡椒酸：实验室自制；无水甲醇：天津市大茂化学试剂厂；对甲苯磺酸、冰乙酸：天津市永大化学试剂有限公司；甲酸：天津市瑞金特化学品有限公司；磷酸、浓硫酸、氢氧化钾：天津市北方天医化学试剂厂；无水乙醚：烟台市双双化工有限公司.所用试剂均为分析纯.

1.2 仪器与设备

DF-Ⅱ集热式磁力搅拌器：江苏省金坛市环宇科学仪器厂；WRS-2B 微机熔点仪、FA2004N 电子分析天平：上海精密科学仪器有限公司；JT520N 电子天平：上海精天电子仪器有限公司；SHB-3 循环水多用真空泵：郑州长城科工贸有限公司；DHG-9075A 电热恒温鼓风干箱：上海一恒科学仪器有限公司.

1.3 试验方法

称取胡椒酸0.2 g 于圆底烧瓶中，加入对甲苯磺酸0.05 g，18 mL 无水甲醇.安装回流装置，使用集热式磁力搅拌器90 ℃水浴加热5 h.反应结束后，冷却，将反应液用乙醚分别萃取几次，分液，合并上层的醚液.安装蒸馏装置，蒸除乙醚，静置，抽滤，得粗产物再经重结晶精制纯化，干燥得到产品.

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 催化剂类型的选择

称取等量的原料和溶剂，催化剂分别选用浓硫酸、磷酸、对甲苯磺酸、冰乙酸、甲酸，加入等摩尔的量，反应时间相同，反应温度相同，按照1.3 中步骤进行试验，结果见表1.

由表1 可知，选用对甲苯磺酸为催化剂，反应速度快，胡椒酸甲酯产率最高.浓硫酸产率虽然较高，但有腐蚀设备、污染环境的缺点，冰乙酸、磷酸和甲酸由于酸性较弱，催化效果不理想.因此，在单因素合成试验中，适宜催化剂为对甲苯磺酸.

2.1.2 催化剂剂量的确定

称取0.2 g 胡椒酸和18 mL 溶剂，分别加入不同量的对甲苯磺酸，反应时间相同，反应温度相同，按照1.3 中步骤进行试验，结果见表2.

表1 催化剂选择对胡椒酸甲酯产率的影响Table 1 Effect of selection of catalyst on the yields of piperic acid methyl ester

表2 催化剂剂量对胡椒酸甲酯产率的影响Table 2 Effect of amount of catalyst on the yields of piperic acid methyl ester

由表2 可知，随着催化剂剂量的增加，产率逐渐增加.当催化剂质量为0.1 g 时，胡椒酸甲酯产率达到最高，说明催化效果最好.再增加剂量，产率呈下降趋势.适宜的催化剂剂量为0.1 g.为进一步考察催化剂剂量对胡椒酸甲酯产率的影响，选择对甲苯磺酸的剂量分别为0.05、0.1、0.15 g 进行正交试验.

2.1.3 反应时间的确定

称取0.2 g 胡椒酸和18 mL 溶剂，加入0.1 g对甲苯磺酸，反应时间不同，反应温度相同，按照1.3 中步骤进行试验，结果见表3.

表3 反应时间对胡椒酸甲酯产率的影响Table 3 Effect of reaction time on the yields of piperic acid methyl ester

由表3 可知，随着反应时间的延长，胡椒酸甲酯的产率也逐渐增加，当反应时间为5.5 h 时，产率达到84.1%，6 h 时产率也在80%以上，从经济角度考虑，确定反应时间5.5 h 为宜.为进一步考察反应时间对胡椒酸甲酯产率的影响，选择反应时间分别为5、5.5、6 h 进行正交试验.

2.1.4 反应温度的确定

称取0.2 g 胡椒酸和18 mL 溶剂，加入0.1 g对甲苯磺酸，反应时间为5.5 h，反应温度不同，按照1.3 中步骤进行试验，试验结果见表4.

表4 反应温度对胡椒酸甲酯产率的影响Table 4 Effect of reaction temperature on the yields of piperic acid methyl ester

由表4 可知，随着温度上升，产率逐渐增加，当反应温度为90 ℃时，胡椒酸甲酯的产率达到75.2%，当温度大于95 ℃时，温度较高则产率较低，可能由于温度较高易发生分解反应，因此，反应温度控制在90 ℃较合适.为进一步考察反应温度对胡椒酸甲酯产率的影响，选择反应温度分别为85 ℃、90 ℃、95 ℃进行正交试验.

2.2 正交试验结果与分析

在单因素试验基础上，设计正交试验.考察反应时间、催化剂质量和反应温度对胡椒酸甲酯产率的影响.因素与水平见表5，试验结果见表6，方差分析见表7.

表5 正交试验因素与水平Table 5 Factors and levels design of orthogonal test

表6 正交试验方案及结果Table 6 Design and results of orthogonal experiments

表7 方差分析结果Table 7 The results of variance analysis

正交试验结果表明，影响胡椒酸甲酯产率因素的显著性依次为：催化剂剂量＞反应温度＞反应时间，胡椒酸甲酯的最佳水平组合为A2B3C2，即胡椒酸甲酯合成的最佳工艺条件为：对甲苯磺酸用量0.15 g，反应时间5.5 h，反应温度90 ℃.

2.3 最佳工艺验证试验

按照正交试验最佳工艺条件，考察优选工艺的稳定性，3 次验证试验胡椒酸甲酯产率分别为88.4%、90.2%、89.7%，平均为89.4%，表明优选工艺稳定可行.

2.4 化合物的表征与分析

2.4.1 胡椒酸甲酯熔点测定

胡椒酸甲酯熔点测定结果为140.6～142.8 ℃.查得胡椒酸甲酯的熔点为141～142 ℃，可以初步判断所得产品为胡椒酸甲酯，且纯化后的产品纯度高.

2.4.2 胡椒酸甲酯红外光谱分析

胡椒酸甲酯的红外光谱如图1 所示，波数为1 708.3 cm-1的吸收峰为共轭羰基伸缩振动（C＝O特征吸收峰）；波数为1 618.5 cm-1的吸收峰说明存在共轭双键；波数为1 437.6 cm-1（甲基吸收峰）；波数为1 373.2 cm-1（甲基吸收峰）；波数为1 265.3 cm-1的吸收峰为C—O—C 不对称伸缩振动.

图1 胡椒酸甲酯的红外光谱Fig.1 IR of piperic acid methyl ester

3 结论

本试验采用单因素和正交试验法确定合成胡椒酸甲酯的最佳工艺条件为：对甲苯磺酸为催化剂，催化剂用量0.15 g，回流反应时间5.5 h，反应温度90 ℃，胡椒酸甲酯产率平均为89.4%.通过对合成产品红外光谱的分析，所得产品为胡椒酸甲酯，产率在80%以上.

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