对羟基苯甲酸正丁酯的合成条件优化.docx

对羟基苯甲酸正丁酯的合成条件优化安科摘要：对羟基苯甲酸丁酯是应用最广泛、应用量最大的安全有效的防腐剂。采用正交实验方法对对羟基苯甲酸正丁酯合成条件（催化剂，携水剂，酸醇比，反应温度，反应时间等）的进行筛选并优化，确定影响合成对羟基苯甲酸的，筛选出合成对羟基苯甲酸的最佳条件。关键词：对羟基苯甲酸 正交实验 优化Abstract：Butyl p-hydroxybenzoate is the most widely used antiseptic because it is safe and effective. Using the orthogonal experimental technique, we chose the most favorable reaction conditions (activator, Portability agent, ratio of acid to alcohol, reaction temperature, reaction time) of Butyl p-hydroxybenzoate and find the major factor of Butyl p-hydroxybenzoate synthesis, making the perfect reaction condition of Butyl p-hydroxybenzoate.Keyword：Butyl p-hydroxybenzoate, orthogonal experimental technique, optimize1. 前言对羟基苯甲酸酯(俗称尼泊金酯)一般是由对羟基苯甲酸与C1C7等醇反应形成的酯，1923年被正式批准应用于食品中。作为食品防腐剂，尼泊金酯和尼泊金酯钠在很多领域可以取代苯甲酸和苯甲酸钠。尼泊金酯最大缺点是水溶性低，然而随着尼泊金酯盐衍生物(如尼泊金酯钠)的开发和应用，这一缺陷将成为历史，预计尼泊金酯和尼泊金酯钠未来可能成为用量最大的食品防腐剂之一。当前尼泊金酯在国内外的需求量越来越大，而国内尼泊金酯的产量较少，且主要由传统工艺生产，成本较高，废液处理复杂，设备腐蚀性大。目前我国使用的防腐剂大多仍以苯甲酸钠为主，而在日本等发达国家已禁止使用苯甲酸钠作食品防腐剂，而代之以尼泊金酯。尼泊金酯类中，构成酯的醇碳原子数越大，抗菌作用越强，毒性越小，其中丁酯由于具有良好的防腐抗菌作用而被广泛用于防腐剂1。尼泊金乙酯由于其毒性低、无刺激性、高效易复配、适用PH值较宽等优点，被广泛用于食品、化妆品、日用化工品、医药、饲料、各种工业防腐剂等，是目前世界上用途最广泛的防腐剂之一，在国际市场上售价为每吨1万美元，开发前景十分广阔。2. 发展状况从尼泊金酯的分子结构看，既有亲水活性基团羟基，通过适当的改性，可以大幅度增加尼泊金酯的水溶性，彻底改变尼泊金酯不溶于水这一缺陷2。而尼泊金酯类系列产品间的复配防腐剂所难以达到的3。因此，尼泊金酯类生产技术今后主要发展趋势为产品系列化，特别是长烷基链尼泊金酯类的开发研究，而这些产品的开发又能使食品防腐剂使用微量化；其次是产品改性技术和复配技术的研究，提高产品的水溶性和稳定性，增强抑菌效果，使产品使用制剂化和专业化。尽管有研究表明尼泊金酯对动物以及人类的生殖系统有影响,但是它已被联合国粮农组织、世界卫生组织、美国食品药物管理局及我国有关机构列为安全防腐剂(ADIO 10g/kg)。近20年来,尼泊金酯的研究不断有报道,而其工业化生产还远远落后于国外。现在国内厂家主要生产一些低级醇酯,对高级醇酯尚无生产4。3产品的合成与提纯3.1粗产品的合成将恒温油浴锅设定某一温度后加热至那一温度后，称一定量的对羟基苯甲酸（固体），按相应的酸醇物质的量比计算出应加的正丁醇的量，用量筒量取后一起装入100ml的圆底烧瓶中，再加一定量的环己烷，将磁力转子放入烧瓶中。放入恒温水浴锅中后，接装有一定量水的分水器（留12ml的空位来接反应产生的水），其上面接球型回流冷凝管,以逆流的方式通冷凝水。将搅拌器调至某一定合适的转速后，开始计时。3.2粗产品的分离与提纯将反应一定时间后的反应液倒入小烧杯中，加入事先配制好的5%的NaOH溶液和10%的Na2CO3溶液，调PH至中性，这一步骤主要是除去未反应完全的对羟基苯甲酸，它的熔点为212，可溶于正丁醇中，在后续的蒸馏中随着醇的减少很容易析出，然后吸附在烧瓶中。将调好PH的溶液倒入三口烧瓶中，组装好仪器后蒸馏，随着时间的进行，蒸馏液颜色变深，为黄色，蒸出90%的醇即可，少许醇有利于酯的分散，因为对羟基苯甲酸正丁酯很容易结块。趁热将蒸馏液倒出，用自来水冷却至析出白色固体，要不断地搅拌以防止析出的固体结块。将析出的固体用蒸馏水洗涤数次后，抽滤，干燥，得粗产品。以粗酯：乙醇（95%）：水=1：0.5：5（质量比）的比例进行重结晶处理，得到产品，在烘箱中干燥后，称重，测定熔点并计算产率。4合成条件的筛选4.1实验结果完成试验后，将试验结果整理成如下表1所示。表1 正交试验结果表试验号98H2SO4/ml环己烷/ml酸醇比/摩尔比反应温度/反应时间/h收率/10.0501：1.5110115.12151：2120229.33261：3130329.740.0571：4140440.550.1001：2130470.260.1051：1.5140382.370.1061：4110223.080.1071：3120111.490.1501：3140288.8100.1551：4130135.2110.1561：1.5120478.7120.1571：2110351.8130.2001：4120375.8140.2051：3110465.1150.2061：2140125.8160.2071：1.5130241.0K1114.6249.9217.1155.087.5K2186.9211.9177.1195.2182.1K3254.5157.2195.0176.1239.6K4207.7144.7174.5237.4254.5k128.762.554.338.821.9k246.753.044.348.845.5k363.639.348.844.059.9k451.936.243.659.463.6R34.926.310.720.641.74.2结果分析对正交试验得结果分析有直观分析和方差分析2种方法。对于不考虑交互作用的试验可用直观分析方法。计算Ki和ki值。Ki为同一水平试验之和。如K1为水平1的4次指标值之和。ki=Ki/n，在这里，n=4。Ki和ki值得计算结果如表3所示1、计算各因素列得极差R，R表示该因素在其取值范围内试验指标变化得幅度。 R=kimax-kimin2、根据极差R的大小，进行因素的主次排队。R越大，表示该因素得水平变化对试验得影响越大，因此在本实验中这个因素就越重要，反之，R越小，这个因素就越不重要。 比较本实验中各个因素中的R值得大小，可以看出反应时间是最重要的因素，其次为催化剂用量，各个因素的主次关系是主 次：反应时间、催化剂用量、携水剂、反应温度、酸醇比。4.2.1催化剂的筛选图1 催化剂对收率的影响从图1可看出，随着浓硫酸量的增加，酯的收率也逐渐增加，当增加至某一最大值即浓硫酸用量为酸用量的6%时，浓硫酸的量再增加，酯收率反而下降。这是因为浓硫酸具有脱水、氧化及醚化等作用，当浓硫酸的用量太大时副反应发生剧烈，且可以使生产的酯部分炭化造成酯的收率降低。所以，最佳催化剂用量应为对羟基苯甲酸的6%。4.2.2携水剂的筛选图2 携水剂对收率的影响由图2可知，随着携水剂的，酯的收率一直下降。酯化反应是一个典型的可逆反应，有携水剂及时带走反应生成的水，有利于化学平衡向右进行，可使酯的收率提高。但是，携水剂环己烷的沸点是80.7，正丁醇的沸点是117.7，常温下对羟基苯甲酸的熔点是212.加了携水剂环己烷之后，降低了反应体系的温度，酯化反应常数减小，酯化反应速率减缓，从而酯收率下降。本实验是少量的合成实验，加入的酸才7g左右，生成的水特别少，故加入的携水剂带出水这一有利条件对反应真正的有利影响却不明显。4.2.3酸醇比的筛选图3 酸醇比对收率的影响从图3可看出，酯收率随着酸醇比的降低先是下降，再升高，接着是下降。本实验的结果得，反应温度是比酸醇比更敏感的影响因素。加入过多的醇使反应温度下降，进而使酯化反应减缓。况且加入过多的醇，也使后续的醇回收方面困难，。因此，综合考虑，使醇稍微过量即可，酸醇比选为1：1.5。4.2.4反应温度的筛选图4 反应温度对收率的影响从图4可看出，随着反应温度的增加，酯的收率先是增加，下降再增加。4.2.5反应时间的筛选图5 反应时间对收率的影响从图5可看出，反应时间越长，酯的收率越大。因为酯化反应是一个可逆的、反应速率缓慢的反应，反应时间较长。所以，时间在不是特别长如4小时以内，酯收率是随时间而增加的。5.最优水平组合的筛选根据因素的主次顺序，将对试验有主要影响的因素，选出最好水平；而对于次要因素，既可以根据试验选取最好水平，又可根据某些既定条件来选取因素的各具体水平。最优条件为表2 最优条件98H2SO4/ml环己烷/ml酸醇比/摩尔比反应温度/反应时间/h0.15001:01.51404上述条件只是根据数据处理得到的最佳条件，然后在做验证性实验。最优条件试验结果如下：表3 最优条件试验结果试验号98%H2SO4/ml环己烷/ml酸醇比/摩尔比反应温度/反应时间/h收率/10.1501：1.5140484.820.1501：1.5140486.16.总结1、反应的最佳实验条件为：在对羟基苯甲酸为0.05mol的条件下,n(对羟基苯甲酸)：n(正丁醇)=1：1.5（摩尔比），催化剂的用量为0.003mol,反应时间为4h,反应温度为140，酯收率高达85。2、反应时间为主要的影响因素，其次为催化剂用量，再次为反应温度，最后是酸醇比。3、环己烷的沸点是80.7，加入反应体系后，体系温度降低，这就减缓了反应的进行，所以，不加携水剂