脯氨酸离子液体催化合成尼泊金十二醇酯
2021-04-15尹大伟李洁刘玉婷
尹大伟，李洁，刘玉婷
(陕西科技大学 化学与化工学院，教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，西安 710021)
绿色合成具有明确的社会需求和科学目标，按照合理的反应机理和方法，从源头上减少或消除化学工业对环境的危害，保证从各个环节如反应试剂、催化剂、溶剂、副产品、产品等方面放在各个环节后是目前有机合成的主要目标。基于此，绿色催化剂的研发即应用研究成了有机合成的热点之一。催化剂的作用是可以提高或降低有机反应，也是有机合成反应的重要影响因素之一，其种类及用量直接影响反应的产率。催化剂在有机反应中的作用是参与反应中间体的结构合成而不参与产物的合成，从而达到催化反应的目的，因此有很多催化剂可以、提高原子经济性，加快反应速率和提高转化率，提高化学反应选择性，直接关系到反应的成败。目前，酯化反应催化剂从传统的浓硫酸催化转向使用低毒、绿色催化剂，如酶、离子液体等。用离子液体催化酯化反应具有操作简便、绿色环保、低能耗、催化剂可以重复使用等优点，因此受到科学家的青睐。近年来，诸多离子液体的研发及其催化酯化反应的应用层出不穷，如哌嗪类、吡啶类、Brønsted酸类、苯并咪唑类、咪唑类等离子液体[1-9]。尼铂金酯即对羟基苯甲酸酯，是重要的有机化学防腐剂，广泛应用于果蔬、饮料、酱油、醋、罐头、果汁等的防腐[10-11]，在化妆品的防腐方面也大量使用，因此对于其合成方法的探索和研究备受关注，主要集中在探索高效、绿色、低成本的合成工艺。本课题组近年来也致力于探索离子液体催化尼泊金酯的绿色合成[12-14]，作为课题的延续，本文探索苯并咪唑氨基酸离子液体并应用于催化尼泊金十二醇酯的合成，旨在研发绿色、环保、低成本、高效的酯化反应催化剂。尼泊金十二醇酯的合成路线见图1。
图1 尼泊金十二醇酯的合成Fig.1 The synthesis of dodecylparaben
1 试验部分
1.1 试剂及仪器
所用试剂均为市售分析纯。N-丁基苯并咪唑按文献[15]的方法合成。红外光谱用德国Bruker公司的Vector-22傅立叶红外光谱仪(KBr压片)测定；核磁共振采用德国Bruker公司的Advance Ⅲ 400 MHz核磁共振仪(以DMSO-d6为溶剂，以TMS为内标)测定；熔点采用北京泰克仪器有限公司的X-4型数字显示显微熔点仪(温度计未经校正)测定。
1.2 脯氨酸离子液体的合成
于干燥的三口烧瓶中，加入0.208 g(1 mmol)N-丁基苯并咪唑、20 mL无水乙醇，脯氨酸，搅拌下缓慢升温回流反应8 h至反应完全(TLC监测，展开剂V乙酸乙酯∶V石油醚为1∶3)。减压蒸除溶剂得淡黄色油状液体，即脯氨酸离子液体，产率83%。IR(KBr)ν:3071(ν=C-H),1612(νC=N),1505,1447(νC=C),1378(δC-H),718(δ=C-H);1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)δ:8.22(s,1H,N-CH),7.64(m,2H,Ar-H),7.22(m,2H,Ar-H),4.20(t,J=2.4 Hz,2H,N-CH2),3.59(m,6H,CH2-CH2-CH2),3.15(m,1H,N-H),3.02(s,1H,C-H),1.68(m,2H,-CH2),1.17(m,2H,-CH2),0.80(t,J=1.6Hz,3H,-CH3);13C NMR(DMSO-d6,101 MHz)δ:144.09,143.45,133.86,122.33,121.50,119.47,110.54,43.89,38.88,31.52,23.88,19.42,13.48。
1.3 尼泊金十二醇酯的合成
于干燥的三口烧瓶中依次加入1.381 g (10 mmol)对羟基苯甲酸、2.236 g(12 mmol)十二醇、10%n对羟基苯甲酸脯氨酸离子液体、20 mL甲苯，搅拌下缓慢升温至100 ℃反应完全(TLC监测，V乙酸乙酯∶V石油醚为1∶3)。反应结束后，将反应混合液转入分液漏斗中，静置、分液，离子液体层经水洗、干燥后，可重复使用；甲苯层经减压蒸除溶剂得白色固体，再经无水乙醇重结晶后得白色固体尼泊金十二醇酯纯品，产率87%，m.p.35～37 ℃(文献值：35～37 ℃)。IR(KBr)ν:3428(νO-H),3084(ν=C-H),2935(νC-H),1722(νC=O),1640,1428(νC=C),1285 (νC-O-C),833(γ=C-H)。
2 结果与讨论
2.1 离子液体催化合成尼泊金十二醇酯的机理
尼泊金十二醇酯的合成属于典型的酯化反应。在酸的催化作用下，对羟基苯甲酸的羧羰基被质子化，然后十二醇作为亲核试剂与其反应，再经脱水即得到酯。
2.2 合成尼泊金十二醇酯的反应条件优化
为了得到脯氨酸离子液体催化合成尼泊金十二醇酯的最佳反应条件，在课题组前期单因素试验的基础上，以甲苯为溶剂，以脯氨酸离子液体IL为催化剂，通过正交试验，考察反应物摩尔比、反应温度、反应时间、催化剂用量等因素对尼泊金十二醇酯产率的影响及其催化尼泊金十二醇酯合成的效果。正交试验的因素水平表见表1，正交试验的结果见表2。
表1 正交试验因素水平表Table 1 The factors and levels of orthogonal experiment
表2 正交试验与结果Table 2 The results of orthogonal experiment
续 表
由表2可知，各因素对尼泊金十二醇酯产率影响的主次顺序为反应温度>反应时间>对羟基苯甲酸和十二醇的摩尔比>催化剂用量；各因素的较优水平组合为A2B3C3D3，即合成尼泊金十二醇酯最佳的反应条件是：以甲苯为溶剂，对羟基苯甲酸和十二醇的摩尔比为1∶1.1，反应时间为6 h，反应温度为100 ℃，催化剂用量为10%n对羟基苯甲酸。
为了考察正交试验得出的最佳反应条件的合理性，以最佳反应条件合成尼泊金十二醇酯，1.381 g (10 mmol)对羟基苯甲酸，20 mL甲苯，2.046 g(11 mmol)十二醇、10% n对羟基苯甲酸脯氨酸离子液体，在100 ℃反应6 h，结果见表3。
表3 最佳反应条件的验证Table 3 The verification of the optimal reaction conditions
由表3可知，在最佳反应条件下重复5次 ，尼泊金十二醇酯的产率均比正交表中的数据高，说明最佳反应条件的合理性。在最佳反应条件下，探索放大试验效果，在上述条件的基础上，分别放大5，10，50，100倍，考察尼泊金十二醇酯的产率，结果见表4。
表4 放大试验结果Table 4 The results of amplification experiment
由表4可知，在最佳反应条件下，放大试验结果较好，说明可以用于工业化生产。
2.3 催化剂的重复使用
酯化反应结束后，脯氨酸离子液体经回收、干燥后可以重复使用。为了考察其重复使用效果，在最佳的反应条件下，将脯氨酸离子液体重复使用于尼泊金十二醇酯的合成，重复使用5次的结果见表5。
表5 催化剂的重复使用性Table 5 The reusability of catalyst
由表5可知，随着使用次数的增多，尼泊金十二醇酯的产率略有降低，说明催化剂具有良好的重复使用性。
3 结论
尼泊金酯是重要的有机食品防腐剂，广泛应用于各类食品及酱油、醋等调味品中。以合成的苯并咪唑脯氨酸离子液体为催化剂，甲苯为溶剂，对羟基苯甲酸与十二醇反应得到尼泊金十二醇酯，通过正交试验得出反应的最佳条件：对羟基苯甲酸和十二醇的摩尔比为1∶1.1，反应时间为6 h，反应温度为100 ℃，催化剂用量为10% n对羟基苯甲酸，产率87%以上，催化剂可重复使用5次而不影响产率。通过最佳反应条件的重复及放大试验，证明了最佳反应条件的可行性，为尼泊金十二醇酯的合成提供了一种绿色环保、低成本、高效的方法，同时为其工业化生产提供了理论依据。
