碘催化合成维生素E乙酸酯的研究 毕业论文.doc

毕业设计(论文)碘催化合成维生素e乙酸酯的研究系 别 ：应用化学与环境工程系专业（班级）：应用化学10级1班作者（学号）： 指导教师： 完成日期： 2014年 4月 15 日 蚌埠学院教务处制目 录中文摘要- 1-英文摘要- 2-1 引言- 3-1.1碘催化剂在有机合成中的应用- 3-1.2维生素e乙酸酯的研究- 4-1.3 课题研究的目的意义及内容- 6-2 实验部分- 7-2.1 主要仪器- 7-2.2 主要试剂- 7-2.3维生素e乙酸酯的合成- 7-2.4维生素e乙酸酯的结构表征- 8-2.4.1 折光率分析- 8-2.4.2 红外光谱分析- 9-3 结果与讨论- 9-3.1维生素e乙酸酯合成工艺的优化- 9-3.1.1反应温度对酯化率的影响- 9-3.1.2反应时间对酯化率的影响- 10-3.1.3 催化剂用量对酯化率的影响- 11-3.1.4 反应物摩尔比对酯化率的影响- 12-3.2 组合实验设计- 13-4 结论- 14-谢辞- 14-参考文献- 15- 碘催化合成维生素e乙酸酯的研究摘 要: 本研究是以碘为催化剂，乙酸酐和维他命e为原料，通过酯化反应合成维生素e乙酸酯。考察了反应温度、反应时间、催化剂的用量和维生素e与乙酸酐的摩尔比对产品收率的影响。实验表明，较优的反应条件为：反应温度40 ;反应时间3.5 h;碘单质的用量为1.2 g;维生素e与乙酸酐的摩尔比为1:1.4。在最优实验条件下，产物维生素e乙酸酯的收率达68.5。关键词：碘；维生素e乙酸酯；催化；合成study on the catalytic synthesis of vitamin e acetate by iodineabstract: vitamin e acetate was synthesized by esterification with acetic anhydride and ve,and catalyst is iodine. influences of reaction temperature,reaction time ,amount of catalysts and molar ratio of ve to acetic anhydride on the yield of product were discussed. the experiment showed that the optimized reaction conditions are as follows: reaction temperature is 40 ;and the reaction time of 3.5 h;the dosage of the iodine elemental is 1.2 g; the molar ratio of vitamin e (0.05mol) to acetic anhydride(0.07mol) is 1:1.4 .in the optimal experimental conditions, the vitamin e acetate reached more than 68.5.keywords: iodine; vitamin e acetate; catalysis; synthesis碘催化合成维生素e乙酸酯的研究1 引 言维生素e可以消除人体内的自由基、提高机体的免疫力、促进血液循环、预防过早早衰、预防癌症发生等功效，是一种对人体生命活动必不可少的营养素，也是一种重要的医药和保健品。由于维生素e在空气中会缓慢氧化，紫外线也可使其分解，可以保护其他易氧化的物质不被破坏，所以是极有效的天然抗氧化剂1。因为维生素e苯并二氢呋喃环上的六位羟基非常容易被氧化转变成相对应的醌类物质，而维生素e醌失去了维生素e的生物活性，这就给维生素e产品的储存和运输制造了许多不便，也不利于维生素e的开发和生产。维生素e经过酯化修饰后转化成酯类衍生物，生理功能不但不会改变，而且随着基团的加入可以提高维生素e产品的稳定性和表面活性，同时还可以解决本身水溶性差的问题2,3。维生素e乙酸酯是一种活性很高的维生素e酯类衍生物，稳定性好，可以代替维生素e而广泛应用于食品、医药和化妆品行业。目前合成维生素e乙酸酯的方法主要是化学法，在催化剂的作用下，将维生素e和酸酐进行酯化反应合成目的产物。合成维生素e乙酸酯的途径有很多种，按所用原料的不同可以分为三类：异植醇与三甲基氢醌酯缩合反应；植醇与三甲基氢醌缩合反应；维生素e与乙酸酐的酯化反应4。上述几种方法通常用硫酸以及其他的质子酸作为催化剂，尽管相对于其他的催化剂产率略高一些，这种方法存在以下几个缺点：合成产品纯度低，反应后产品后期处理起来相对困难，合成工艺产生的废酸多，同时对设备的腐蚀也较为严重。除用酸作为催化剂外还有三乙胺作为催化剂用于合成维生素e乙酸酯5。用碘单质作为催化剂合成维生素e乙酸酯的研究目前还没有见文献报道。研究表明：碘单质催化的有机合成反应具有反应时间短、收率高、选择性高等优点。用碘作为催化剂催化有机反应，有很高的催化性能。碘作为一种催化剂用于酯化反应，具有催化效率高，方法简单，不产生三废等诸多独特的优点。碘催化的有机化学反应符合绿色化学的发展要求，随着人们对环境保护问题的重视程度不断提高，利用碘作为新型环保催化剂将成为必然趋势。1.1 碘催化剂在有机合成中的应用 碘是制备各类碘的有机和无机化合物的重要原料，同时也是人体及动植物所必须的微量元素。碘元素位于周期表的第a族的最下端，原子半径较大，因此，它除了具有卤族元素具备的共性以外，还具有某些特殊的化学性质，如可以作为有机合成反应的催化剂，是有机化学的重视领域。自从cromwell等6把碘用于催化合成氮丙啶类化合物以来，发现碘在精细有机合成中的催化性能优越，已经引起人们的高度重视。因为在诸多的酸性催化剂中，质子酸作为催化剂催化合成的有机反应存在副反应较多，对反应设备腐蚀严重，后处理工艺繁杂困难，对环境的污染严重等缺点。而一些固体酸催化剂存在原料不容易获得，反应所需温度高，效率低下等不足，因此寻找高效、价格便宜、反应条件温和的催化剂是非常重要和必要的。研究表明：碘除被用作催化剂以外，它作为一种催化剂具有低毒、高效、价格便宜、操作简捷等优点。borah等7用碘作为催化剂在室温条件下成功的催化酸酐和醇合成了酯且产率很高。此外，碘可以催化酰化反应8，催化合成胺类化合物9和催化合成其他的物质10。碘催化剂已被普遍应用于精细有机合成中，应用前景较好。由于碘是中性物质，所以它尤其适用于催化对敏感物质的化学反应11。目前对于碘催化有机化合反应的机理尚未定论。一些文献中，认为碘作为作路易斯酸起催化作用，但有些文献则认为碘是通过溶剂或反应物反应生成少量的氢碘酸而起到催化作用11。当然，碘作为催化剂也存在着某些不足的地方，主要的缺点就是碘不能回收和重复使用以及反应后要用还原剂来去除，但碘仍然可以被当作是一种应用前景很广的催化剂。我们有理由肯定，随着研究工作的持续进展，碘作为一种新型环保催化剂在有机合成反应中的开发价值会越来越高，应用前景也将越来越宽广阔。1.2 维生素e乙酸酯的研究 维生素e是生育酚化合物的统称，按来源可分为人工合成维生素e和动、植物维生素e。其中，天然维生素e是苯并二氢呋喃的衍生物，由八种同系物组成，根据结构差异可以分为两类。一类是根据苯环上甲基的数量和位置不同分为:-生育酚、-生育酚、-生育酚、-生育酚。另一类是生育三烯酚系的四种同系物，分为:-生育三烯酚、-生育三烯酚、-生育三烯酚、-生育三烯酚。区别这两类生育酚的在于侧链是否饱和。维生素e具有很高的抗氧化性，是最主要的抗氧化剂之一，能消除机体内的自由基，增强机体的免疫力，预防癌症发生等功效。自由基是人体在新陈代谢的过程中产生的有危害性物质，氧化性很强，对细胞和组织都有一定的伤害，会导致慢性疾病的发生和引发机体的衰老。如果人体中自由基含量太高，会引起氧化反应，即自由基链式反应，将会导致细胞膜多不饱和脂肪酸的脂质过氧化，脂质过氧化会损害细胞内的核酸和大分子蛋白质及细胞膜。由于维生素e的第六位碳原子上的羟基具有活泼的氢原子，在体内新陈代谢的过程中脱氢，使得自由基被还原。当发生链式反应时，维生素e能主动捕获自由基，阻断链式反应的发生，从而起到保护机体的作用。反应式如下： 图 1-1 维生素e的抗氧化机理目前，在临床上已明确维生素e的生理功能主要有：抗不育症，即生育酚命名的由来；预防胆结石的形成；治疗贫血；对骨髓中血红蛋白的合成有促进作用，使红细胞发育正常；促进毛细血管血液循环，加快人体组织中养料供给和排泄代谢废物，缓解疲劳等功效。经大量临床实验证明，维生素e还可用于防治更年期综合征、营养不良症、高血脂、冠心病、肝脏疾病、风湿病、神经系统疾病等12。维生素e能改善皮肤血液循环，促进皮肤的新陈代谢，防止色素沉淀，增强皮肤弹性等。如果机体缺少维生素e，会出现皮肤发干，粗糙，皮肤老化等现象。因此，维生素e在化妆品行业也被广泛应用。维生素e乙酸酯是维生素e酯类主要的衍生物之一，由维生素e与乙酸酐发生酯化反应制得。 图 1-2 维生素e乙酸酯结构式 维生素e经过酯化修饰，在维生素e的六位羟基上连上保护基团13，解决了维生素e分子本身易氧化的缺陷。图 1-3 ve酯化修饰的基本原理 由于酚羟基受到保护，使得维生素e乙酸酯不易被氧化，相对于游离态的维生素e要稳定的多，且表面活性和水溶性都得到提高，药理功效和生理功能也得到增强。研究表明：维生素e的酯类衍生物在生理或酸性条件下会缓慢水解释放出游离态的维生素e分子，而维生素e的生理活性并没有受到破坏14。在临床上适用于治疗不育症、流产、更年期综合征，对肿瘤细胞生长有明显的抑制作用，对冠心病、动脉硬化、高血压等疾病都有很好的治疗效果。同时，由于维生素e乙酸酯表面活性得到了改善，也广泛应用于化妆品行业中，常作为保湿成分添加到化妆品中，起到很好的保湿效果，从而达到预防皮肤老化的目的。粉状维生素e乙酸酯在水中的分散性很好，所以可用于各种饮料、糖果、谷类食品等食品的营养强化。无论是在医药、食品还是化妆品领域，维生素e乙酸酯都具有很高的开发价值和广泛的应用前景。随着维生素e乙酸酯生产工艺的不断优化，质量不断的提高，其在医药、日化、食品及其他领域的应用价值会越来越大。1.3 课题研究的目的意义及内容 随着人们环保意识的不断提高和国家一系列的政策和法规出台，人们对即环保又具有高催化性能的催化剂越来越重视。传统的催化剂存在着不足之处，生成过程中产生的废酸较多。目前维生素e乙酸酯的生成过程存在催化剂用较大、对生产设备腐蚀严重、产生的废水多且较难处理、对环境污染严重等问题。因此有必要需找高效、环保、价格低廉、反应条件温和的新型催化剂，以期为维生素e酯类的合成找到绿色环保的合成方法。本课题以碘作为催化剂，维生素e和乙酸酐作为原料催化合成维生素e乙酸酯，探究碘在酯化反应中的催化效果。实验还考察了反应温度、反应时间、催化剂的加入量及维生素e与乙酸酐的摩尔比对产率的影响，在单独对每个因素进行实验的基础上，进行多因素组合实验，确定实验的最佳工艺条件。2 实验部分2.1 主要仪器数显磁力搅拌器，jb-2010型，金坛市杰瑞尔电器有限公司电热套，znhw型，巩义市予华仪器有限责任公司电子天平，fa2004型，上海舜宇恒平科学仪器有限公司 超声波清洗器，kq2200b型，合肥金尼克有限公司微机差热天平，hct-3型，北京恒久科学仪器厂傅里叶变换红外光谱仪，jb-2010型，天津港东科技发展股份有限公司2.2 主要试剂 维生素e，ar,郑州郑亚化工产品有限公司乙酸酐，ar，国药集团化学试剂有限公司碘，ar，天津市永大化学试剂有限公司硫代硫酸钠，ar，无锡市亚盛化工有限公司无水乙醚，ar，江苏彤晨化学试剂有限公司无水氯化钙，ar，国药集团化学试剂有限公司碳酸氢钠，ar，天津市永大化学试剂有限公司2.3 维生素e乙酸酯的合成 在带有温度计和冷凝管的微型三口烧瓶中，依次加入适量的维生素e、乙酸酐、碘，同时恒温加热磁力搅拌器搅拌打开，调节至适中的转速，等到温度升高至设定温度时，开始计时，在设定的温度下回流进行酯化反应。反应至设定的时间后立即停止搅拌，关闭加热按钮，取下冷凝管，拆下反应装置。 图 2-1 酯化反应装置图 向三口烧瓶中加入饱和硫代硫酸钠使碘褪色，用分液漏斗将烧瓶中的反应液分离出油层（粗品）和水层，继续用乙醚萃取出水层中残留的油相，然后再用碳酸氢钠洗涤粗品至ph呈中性。把油层置于锥形瓶内，加入一定量的无水氯化钙进行干燥。最后对其进行蒸馏，收集沸点在200250的馏分。得到淡黄色油状液体，对其折光率进行测定，然后采用红外光谱对产物进行表征。维生素e乙酸酯酯化率的计算w=(酯化开始的酸值-酯化后的酸值)/酯开始酸值100%。 图 2-2 维生素e乙酸酯合成工艺2.4 维生素e乙酸酯的结构表征2.4.1 折光率分析折光率是有机化合物的重要光学性质。当被测材料的折光率大小在1.31.7 时，采用全反射法测量具有操作方便迅速、环境条件要求低、不需要单色光源等优点点15。阿贝折射仪是利用光的反射原理制成的、主要用于测定半透明或透明液体的折光率的仪器。利用阿贝折射仪测量液体折射率以确定其组成是石油化工、轻工食品等生产和科研中常用的分析检测手段之一16。本实验采用wya-zwaj型阿贝折射仪对产物进行检测，折光率为：1.4950.003，与参考资料17值相符，可以确定实验生成产物为维生素e乙酸酯。 2.4.2红外光谱分析红外光谱分析采用溴化钾压片，产物的红外吸收图谱如图所示。从产物的特征吸收峰可以看出，3459cm-1附近的弱吸收峰是由于少量水或未反应的维生素e中的oh伸缩振动峰；2900cm-1左右的强吸收峰表示存在饱和的c-h;1733cm-1左右为ve乙酸酯中的c=o的吸收峰；1428cm-1、1586cm-1和1634cm-1等处有吸收峰说明有苯环的存在；1347cm-1处的吸收峰表示存在甲基；在12301100cm-1处的多个强吸收峰是由于维生素e乙酸酯中的c-o键伸缩振动形成的。 图2-3 产物红外光谱图3 结果与讨论3.1 维生素e乙酸酯合成工艺的优化3.1.1 反应温度对酯化率的影响维生素e的加入量为12.5ml，乙酸酐3ml，n（维生素e）：n（乙酸酐）=1:1.2，催化剂碘加入1.0g，反应时间设定4h，考察温度的变化对酯化率的影响，实验的结果如表3-1所示。据表3-1可知，反应温度的变化对酯化率的影响很大。随着温度的逐渐升高，酯化率开始增加而后出现降低的趋势，温度升高至40时酯化率达到最大值。高温促进维生素e的酯化反应，这可能是由于温度升高，反应物分子的平均动能增大，反应物分子间发生碰撞的几率增大，促进了产物的生成；但当温度高于高时，由于副反应开始增多，酯化率反而降低了。 表3-1 温度对酯化率的影响温度/ 30 35 40 45 50 55 60酯化率/% 58.2 65.4 69.5 65.7 61.2 56.5 52.0 图 3-1 温度对酯化率曲线 3.1.2反应时间对酯化率的影响维生素e的加入量为12.5 ml，乙酸酐3 ml，n（维生素e）：n（乙酸酐）=1:1.2，催化剂碘加入1.0g，反应温度设定为40 ，考察反应时间对酯化率的影响，实验的结果如表3-2所示.根据表3-2可知，随着反应时间的增加，酯化率开始增大，反应时间为4 h时酯化率达到最大。4 h以后，随时间的增加，酯化率开始逐渐降低。 表3-2 反应时间对酯化率的影响时间/h 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5酯化率/% 52.6 57.3 61.5 64.7 69.5 65.0 59.2 图 3-2 时间对酯化率曲线3.1.3催化剂用量对酯化率的影响在温度为40 ，维生素e的加入量为12.5 ml，乙酸酐3 ml，n（维生素e）：n（乙酸酐）=1:1.2的条件下反应4个小时，考察催化剂用量对酯化率的影响。实验结果见表3。由表3可知，酯化率随着催化剂用量的加大先增加后减小，当催化剂的加入量为1.2 g时酯化率达到最大值，继续加大催化剂用量酯化率开始降低，所以选择催化剂为1.2 g。 表3-3 催化剂用量对酯化率的影响催化剂/g 0.5 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8酯化率/% 53.6 58.3 65.8 72.9 67.5 63.4 56.7 图 3-3 催化剂用量对酯化率的影响 3.1.4反应物摩尔比对酯化率的影响 在反应温度设定40，时间4 h，催化剂加入1.2 g，维生素e加入15 ml的条件下，考察n（维生素e）：n（乙酸酐）对酯化率的影响，实验结果见表3-4。根据表3-4可以看出，随着乙酸酐量的逐渐增加，酯化率逐渐增大，当n(维生素e):n(乙酸酐)1:1.2时，酯化率开始出现下降的趋势。主要原因是由于维生素e很容易被氧化，因此当乙酸酐的物质的量过于大时会阻碍反应物分子间的接触从而导致酯化率下降。由于维生素e乙酸酯合成的过程中有微量的水产生使得乙酸酐的浓度被稀释，酯化率降低，所以乙酸酐的量要适中，否则，即导致原料的浪费，也会给产品的后期处理带来麻烦。表3-4 反应物摩尔比对酯化率的影响n(ve):n(乙酸酯) 1：0.8 1:1 1：1.2 1：1.:4 1：1.6 1：1.8 1：2 酯化率/% 58.2 64.9 72.0 67.5 61.4 57.6 54.5 图 3-4 反应物摩尔比对酯化率的影响3.2 组合实验设计对于实验中只有一个因素或两个因素，因为实验因素相对少一些，实验的设计、实施和分析都较简单。但在本实验中，需要考察反应温度、反应时间、催化剂用量和反应物摩尔比4个因素，如果进行全面实验，实验的规模会很庞大，出于实验条件有限的原因而难以实施。所以将四个因素进行交叉组合，选取其中部分具有代表性的组合进行实验，通过分析这部分实验结果进而了解全面实验的情况并找出其中最优方案。组合实验结果表3-5所示，通过组合实验设计优化得到合成维生素e乙酸酯的最佳反应条件是：反应温度为40 、反应时间为3.5 h、碘的加入量为1.2 g、原料的摩尔比（维生素e/乙酸酐）为1:1.4，在此条件下酯化率达到68.5%。表3-5 组合设计实验水平表因子/序号 1 2 3 4 5 6 7 8温度（） 30 30 40 40 50 50 60 60时间（h） 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5碘单质（g） 0.5 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0n(ve）：n(乙) 1:0.8 1:1 1:1.2 1:1.4 1:1.6 1:1.8 1:2 1:2.2酯化率 57.8 60.4 65.7 68.5 66.2 64.0 60.8 56.2 4 结 论（1） 以单质碘作为催化剂催化合成维生素e乙酸酯具有优良的催化性能。实验温度，反应时间，催化剂用量及反应物的物料比对合成反应的实验结果都有很大的影响。通过组合实验优化，确定实验的最优工艺条件为：反应温度为40 ，反应时间为3.5小时，催化剂用量为1.2 g，维生素e与乙酸酐的物质的量比为1：1.4，制得的维生素e乙酸酯为淡黄色液体，在最优条件下维生素e乙酸酯的酯化率为68.5。（2） 产物的折光率在1.4950.003范围内，与参考文献相符。采用红外光谱对产品进行结构表征，确定产物为维生素e乙酸酯。（3） 碘作为催化剂合成维生素e乙酸酯，用量少，活性高，副反应少，后处理工艺简单，对设备没有腐蚀，对环境无污染，可降低成本。因此碘非常适合用于催化合成维生素e乙酸酯。具有较高的工业开发价值和广泛的应用前景。谢 辞 本文是在郭春燕老师的悉心指导下完成的，在做论文实验的几个月里，她为我们创造了大量的学习和锻炼的机会，论文中凝结着她的智慧和心血。她渊博的学文，丰富的教学经验和严谨的治学态度为我的论文顺利完成提供了保障。她开阔的胸襟和积极的工作热情使我受益匪浅，为我以后的工作树立了榜样。在此向郭老师致以衷心的感谢。 在实验期间郭老师给我们提供了很大的帮助和指导。她给我们提出了很多好的实验方法和建议，为我们排忧解难。在这期间，我不仅掌握了更多的专业知识，而且把所学的理论知识应用于研究过程中，更加深了对所学知识了理解；在实验中，了解掌握了许多仪器设备的功能操作，而且动手能力有了显著的提高。同时也非常感谢宋庆明、唐高军等在实验和论文写作期间给予的帮助和配合。参 考 文 献1 郭红菊.维生素e功能的研究进展j.天水师范学院学报,2005,25(5) : 113-121.2 夏美莲，罗金平.维生素e醋酸酯在牙膏中的应用j.江西化工，2002，（4）:131-133.3 周固基.维生素e简介及在牙膏中的应用j.牙膏工业，2004，（3）：25-254 刘雅南，刘宁，刘涛，等.维生素e酯类衍生物的合成研究及发展现状