对羟基肉桂酸催化合成条件的研究DD

1、 本科毕业论文（设计）( 2015届 ) 题 目：对羟基肉桂酸催化合成条件的研究 学 院： 化学化工学院 专 业： 应用化学 学生姓名： GG 学号： 21107031014 指导教师： JG 职称（学位）： 助教 合作导师： 职称（学位）： 完成时间： 2015年 5 月19日 成 绩： JG学院教务处制学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人（签名）：年 月 日黄山学院本科毕业论文目 录1引言31.1 对羟基肉桂酸合成的改进31.

2、1.1 传统催化方法31.1.2新型离子液体催化剂的特点32.1 试剂与仪器42.2 实验原理52.3 实验方法与步骤52.3.1 离子液体催化剂的制备52.3.2 实验步骤52.3.3 产率的计算63 实验结果与讨论63.1 单因素变化对酯化率的影响63. 1. 1 催化剂种类对产率的影响63. 1. 2 反应温度比对实验结果的影响83. 1. 3 催化剂的用量对实验结果的影响93. 1. 4 反应物的物质量之比对实验结果的影响103.2 Box-Behnken设计-效应面法优化合成条件113.2.1 实验数据与结果113.2.2 二项式方程数学模型拟合123.2.3 效应面优化与验证实验1

3、3分析164 结论17参考文献18致 谢19对羟基肉桂酸的催化合成条件的研究 化学化工学院应用化学 端GG（21107031014） 指导教师：黄GJ（助教）摘要：以对羟基苯甲醛和丙二酸为原料合成对羟基肉桂酸，通过试验研究了催化剂种类、反应时间、反应温度、反应物摩尔比、催化剂用量等条件对反应的影响。实验结果表明最佳条件为：离子液体作为催化剂，其用量为1ml，丙二酸与对羟基苯甲醛摩尔比为1.5:1，反应时间60min，反应温度85。该条件下其产率可以高达87.38%。该方法工艺简单，反应所用的时间较短，反应所需的温度便于控制，催化剂可回收再利用，用于工业生产中可以带来较高的收益。关键词：对羟基肉

4、桂酸；丙二酸；对羟基苯甲醛；离子液体；合成 Stady on p-hydroxycinnamic acid Catalytic synthesis conditionCollege of chemistry and chemical engineering applied chemistryDuanGH （21107031014） Director：HuanGH（Assistant）Abstract: Using of hydroxy benzaldehyde and malonic acid as a raw material for the synthesis of hydroxy cin

5、namic acid, through the experiment study the effect of kinds of catalyst, reaction time, reaction temperature, molar ratio of reactants, amount of catalyst, and so on the reaction. The experimental results showed that the optimum conditions were: ionic liquid as the catalyst, the dosage of 1ml, prop

6、ylene acid and the molar ratio of 1.5:1, reaction time 60min, reaction temperature 85. Under this condition, the yield can be as high as 87.38%. The method is simple, the reaction time is shorter, the temperature of the reaction is easy to be controlled, the catalyst can be recycled and used for ind

7、ustrial production, which can bring higher returns.Keywords: The synthesis of hydroxyl cinnamon acid; propylene acid; formaldehyde; ionic liquid;1 引言对羟基肉桂酸是一种呈白色或淡黄色的粉末状物体，在医学、农药、化工方面有重要的应用。医药方面，可用于祛痰新药杜鹃素的合成。用作生产冠心病治疗药物可心定的中间体，以及用于制造局部麻醉剂、杀菌剂和止血药等；农业方面在农药行业用于生产植物生长促进剂、长效杀菌剂和果蔬保鲜防腐剂。化妆品方面，用在化妆品里面抑制黑

8、色素的生成。化工方面，对羟基肉桂酸是很重要的香精香料。还是一种强效的导电材料，在液晶显示器工业中近年来研究广泛。作为一种重要的化工原料，对羟基肉桂酸的合成条件的研究直接关系到对羟基肉桂酸的产率，据有关广阔的市场前景。 近年来，对羟基肉桂酸在医学上和化妆品等的用途体现出来，对羟基肉桂酸对酪氨酸酶具有明显的抑制作用,可抑制酪氨酸酶单酚酶的稳态活力和二酚酶活力，络氨酸酶是合成黑色素的关键酶，抑制络氨酸酶对美白化妆品等的作用显而易见。在医学上，阿魏酸和对羟基肉桂酸通过多种机制发挥抗肿瘤作用，抑制一氧化氮合酶和清除氧自由基等，从而影响肿瘤细胞凋亡、侵袭、转移等，因此研究肉桂酸的合成条件，在医学上，工业上

9、都有很大的发展潜力和应用前景。选择出最好的反应条件以及最环保的反应方式也是国内外一致追求的合成对羟基肉桂酸的方式。1.1 对羟基肉桂酸合成的改进 1.1.1 传统催化方法 天然提取合成对羟基肉桂酸的产率很低，很难达到工业上的需求。金继曙等，采用以对羟基苯甲醛与丙二酸为原料, 按照Knoevenagel-doebner 反应合成了对羟基肉桂酸，但是反应的产率仅为50，Knoevenagel-doebner反应法是通过对羟基苯甲醛与苯二酸为原料，在吡啶的弱碱性催化下缩合得到对羟基肉桂酸。许敬英，杨志国等，采用了微波合成以对羟基苯甲醛、丙二酸为原料，甲苯、吡啶作为溶剂, 苯胺作催化剂合成了对- 香豆

10、酸，产率可以达到72.76%。1.1.2 新型离子液体催化剂的特点离子液体具有很多突出的优点:(1)呈液体的温度区间大,部分离子液体的熔点甚至低于-96,液程宽达40；（2）能溶解许多无机、有机、金属有机物和高分子材料等,而且溶解度很大,可以达到很高的浓度；（3）不易挥发,几乎没有蒸汽压,可以用于高温和高真空体系,且在实验过程中不会产生对人体有害和环境污染的气体；（4）较好的化学稳定性,大部分离子液体的热分解温度都在30以上；（5）较宽的电化学稳定电位窗口；（6）通过设计阴阳离子的结构可将其酸度调至超强酸；（7）密度大,可与某些溶剂形成两相或多相体系,易分相,适合用作催化剂、介质、分离溶剂或构

11、成反应/分离耦合新体系。由于这些特殊的性质,离子液体与超临界CO2和双水相一起构成三大绿色溶剂与催化介质,具有广阔的应用前景。离子液体是一类新颖的溶剂,不仅能够代替挥发性有机溶剂广泛应用于电化学、合成、分离过程中,而且可以作为催化剂、支撑试剂应用于有机合成中,因此成为近年来化学化工领域的研究热点。用新型的离子液体催化剂催化合成对羟基肉桂酸的方法，不仅可以是催化剂的用量减少，而且催化剂可以完全回收，催化效率也比传统方法要高，对环境几乎没有污染。降低合成对羟基肉桂酸的成本的同时加快合成的速率，是一种新型的催化方法。2 实验部分 2.1 试剂与仪器表3-1 实验试剂实验试剂试剂纯度试剂生产厂商对羟基

12、苯甲醛化学纯（CP）国药集团化学试剂有限公司丙二酸化学纯（CP）北京化工厂乙酸乙酯分析纯（AR）国药集团化学试剂有限公司1-甲基咪唑分析纯（AR）上海晶纯试剂有限公司1,3-丙磺酸内酯分析纯（AR）Aladdin Industrial Corporation浓硫酸分析纯（AR）西陇化工有限公司吡啶苯胺环己烷 分析纯（AR）分析纯（AR）分析纯（AR）天津博迪化工股份有限公司国药集团化学试剂有限公司国药集团化学试剂有限公司表3-2 实验仪器实验仪器仪器型号生产厂商智能恒温磁力搅拌器ZNCL-S巩义市予华仪器有限责任公司真空水循环泵SHZ-D巩义市予华仪器有限责任公司红外光谱仪Nicolet 38

13、0美国尼高力公司马弗炉SX-25-12金坛市荣华仪器制造有限公司电子天平ELB2000日本岛津公司2.2 实验原理本实验原理即为1-甲基咪唑与1,3-丙磺酸内酯反应生成离子液体催化剂1-(3-磺酸)丙基-3-甲基咪唑硫酸氢盐HSO3-pmim+HSO4，在离子液体催化剂的催化条件下，对羟基苯甲醛与丙二酸发生缩合反应，生成对羟基肉桂酸，本实验利用了离子液体催化剂，使反应速率更快，产率更高。2.3 实验方法与步骤本实验为多因素多水平实验，故采取响应面试验法可提高实验效率，是一种快速，经济的实验设计方法。实验的因素有催化剂种类、反应物摩尔比、反应时间、反应温度，催化剂有吡啶、吡啶与苯胺、离子液体催化

14、剂，反应物的摩尔比分别为1：1,、1：1.5、1:2，反应时间分别是40min、60min、80min，反应温度分别为80、85、90。 2.3.1 离子液体催化剂的制备称取18.3g1,3-丙磺酸内酯、100ml乙酸乙酯加入到500ml的三口沙盘瓶内，装上滴液漏斗、温度计、磁力搅拌子，在水浴锅内加热升温，至50时缓慢滴加1-甲基咪唑，滴加完毕后保持温度在70-80，反应2h，减压抽滤，并用乙酸乙酯冲洗，置于100烘箱内干燥4h，得到白色固体为 1-(3-磺酸基)丙基-3-甲基咪唑盐（MIM-PS）。称取10.2g MIM-PS加入到250ml三口烧瓶中，加入50ml蒸馏水，室温下将3.0ml

15、的浓硫酸缓慢加入到反应液中，水浴升温至90反应2h，旋转蒸发出去水分得到的黄色粘稠状液体即为离子液体催化剂。2.3.2 实验步骤实验过程：按实验比例将对羟基苯甲醛和丙二酸加入到环己烷的溶剂中，放入有磁子搅拌器、温度计、和回流冷凝管的水浴锅的反应装置中，加热升温至反应温度后加入催化剂，反应至实验设计时间。干燥过程：反应所得到的白色粉末状的固体，湿度较大，放入100的烘箱内，烘干1h得到的白色粉末状固体即为所要的产品。2.3.3 产率的计算产率的测定：待反应完成时，冷却至10左右，抽滤，用少量的环己烷淋洗，得到产物，干燥后称取产物的质量。产率=实际质量理论质量×1003 实验结果与讨论

16、3.1 单因素变化对酯化率的影响3.1.1 催化剂种类产产率的影响分别使用吡啶、吡啶与苯胺、离子液体催化剂为催化剂，催化剂用量为1ml吡啶，0.5ml和0.5ml苯胺，1ml离子液体，在烧瓶中依次加入1.22g（0.01mol）对羟基苯甲醛、1.16g（0.015mol）丙二酸和10ml环己烷作为溶剂，在反应温度为85，反应时间为1小时，研究催化剂种类对产率的影响。表3-1催化剂种类对产率的影响序号催化剂种类产率/%1吡啶44.212吡啶与苯胺59.823离子液体86.61图3-1 催化剂种类对实验结果的影响由以上图表可知在其他条件相同的情况下，单一的吡啶作为催化剂催化时的产率是44.21%，

17、当使用吡啶与苯胺同时作为催化剂时，催化效果达到59.82%。离子液体的催化效率最好，达到86.61%，可见离子液体的催化效率最高。3.1.2 反应时间对产率的影响固定对羟基苯甲醛和丙二酸的物质量比为1：1.5，离子液体为催化剂，催化剂用量1ml，反应温度为85，改变反应时间，对产率的影响。表3-2 反应时间比对实验结果的影响序号反应时间/min产率/%14079.1226086.6438082.01410081.19 图3-2 反应时间比对实验结果的影响由以上图表可知，当反应时间为40min时反应的产率为79.12%，当反应时间为60min时，反应的产率到达了最高点为86.64%，随着反应时间

18、的延长，副反应开始发生，80min时产率为82.01%，100min时为81.19%，可以得到60min为应的最佳时间。3.1.3 反应温度对产率的影响固定反应时间为1h，对羟基苯甲醛和丙二酸摩尔比为1:1.5，离子液体为催化剂，催化剂用量为1ml研究温度的改变对产率的影响。表3-3 反应温度对实验结果的影响序号反应温度/产率/%18083.1828586.8939082.4749580.01 图3-3 反应温度比对实验结果的影响由以上图表可知当反应温度为80时，产率为83.18%，随着温度的上升，到达85时为86.89%，产率几乎达到了最大值。在随着温度的上升，产率逐渐变小，可以得到85是反

19、应的最佳反应温度。3.1.4 催化剂用量对产率的影响 固定对羟基苯甲醛和丙二酸摩尔比为1:1.5应时间为1h，反应温度为85，观察催化剂用量对产率的影响。表3-4 催化剂用量对实验结果的影响序号催化剂用量（ml）产率%10.578.1221.086.7431.586.6842.086.65图3-3 催化剂用量对实验结果的影响图3-4 催化剂的用量对实验结果的影响由上图可知，当催化剂的用量为0.5ml时，反应的产率为78.12%，增加至1ml时，反应的产率为86.74%，随着催化剂的增加，产率趋于平稳。催化剂的用量为1.5ml，2ml时，产率几乎不再改变，可以得到最佳的催化剂的用量为1.0ml。

20、3.1.5 反应物摩尔比对产率的影响固定反应时间为1h，反应温度为85，催化剂的用量为1ml，改变反应物的物质量之比，得到的结果如下。表3-4 反应物的物质量之比对实验结果的影响序号丙二酸：对羟基苯甲醛产率%10.5：165.0221:183.2931.5:186.9242:186.21 图3-4 反应物的物质量之比对实验结果的影响由上图可知，当丙二酸和对羟基苯甲醛的物质量之比为0.5:1是，反应的产率较低，为65.02%，当两者物质量之比为1:1时，反应的产率是83.29%，当两者比为1:1.5，几乎达到了最大值，产率为86.92，当两者比为2:1时，产率趋于不变。所以可以得到，最佳的物质量

21、之比为丙二酸：对羟基苯甲醛=1.5:1。3.2 Box-Behnken设计-效应面法优化合成条件3.2.1 实验数据与结果对羟基肉桂酸在催化合成的过程中，反应物的摩尔比、反应时间、反应温度、催化剂的用量均会对产率产生影响，故把这四个因素同时作为考察因素。实验的影响因素和水平表见表3-5。表3-5 因素与水平表.水平实验因素A反应物的摩尔比B反应时间/minC反应温度/D催化剂用量/ml-11:140800.501.5:16085112:180901.5表3-7 Box-Behnkens实验数据与结果编号A反应物摩尔比/1B反应时间/minD 催化剂用量/ml产率/%12321.52406060

22、11.5177.2184.1882.244180178.025671.51.518080400.51.5180.3382.0178.5681.560186.7491.580183.78101.540177.11111213141516171819202122232425262728291.51.511.52.01.51.52.01.51.51.52.01.511.511.51260606060604080606040408060606060606060111.50.51.5110.511.50.510.511.5110.5186.6486.5176.3280.6482.1478.9184.31

23、81.4686.8979.1276.5381.2480.4582.4584.2180.1486.9279.3282.963.2.2 二项式方程数学模型拟合完成效应面法随机设计29组实验，分别将产率填入表中。得到上表3-7，利用软件Design-Expert 8.0.6对实验数据（A、B、C、D）进行拟合分析，得到二项式方程拟合： Y=86.74+1.04A+1.85B+1.06C+0.77D+1.14AB-0.40AC+0.92AD+0.23BD-0.04CD-3.68A2-4.3B2-1.27C2-3.1D2 ( R2= 0.9007）；多元线性回归方程：Y=85.98+0.52A-0.07

24、1B+1.84C+2.72D( R2= 0. 8824）；比较两者R2大小，二项式方程拟合理想。通过删除不显著因素t，可将二项式方程拟合简化为：Y=86.74+1.04A+1.85B+0.16C+0.77D-3.68A2-4.3B2-1.27C2-3.1D2 ( R2= 0.8648）；3.2.2 二项式方程数学模型拟合完成效应面法随机设计29组实验，分别将产率填入表中。得到上表3-7，利用软件Design-Expert 8.0.6对实验数据（A、B、C、D）进行拟合分析，得到二项式方程拟合： Y=85.88+0.52A-0.071B+1.84C+2.72D-0.19AB+AC+0.3AD+0

25、.055BC+0.25CD-3.29A2-1.57B2-3.5C2-3.57D2 ( R2= 0.9376）；多元线性回归方程：Y=85.98+0.52A-0.071B+1.84C+2.72D( R2= 0. 8916）；比较两者R2大小，二项式方程拟合理想。通过删除不显著因素t，可将二项式方程拟合简化为：Y=85.88+0.52A-0.071B+1.84C+2.72D-3.29A2-1.57B2-3.5C2-3.57D2 ( R2= 0.9226）；表3-8 回归方程的方差分析方差来源平方和自由度均方F值P值Pro>F Model271.101419.369.070.0001 A-反应

26、物摩尔比12.90112.906.040.0276 B-反应时间41.26141.2619.320.0006 C-反应温度0.3310.330.150.7015 D-催化剂用量7.1317.133.340.0890 AB5.2215.222.450.1402 AC0.6310.630.300.5949 AD3.3913.391.590.2285 BC1.3611.360.640.4386 BD0.2110.210.0970.7601 CD6.4000E-00316.4000E-0032.998E-0030.9571 A287.88187.8841.160.0001 B2119.771119.7

27、756.100.0001 C210.39110.394.870.0446 D262.32162.3229.190.0001残差29.89142.13失拟性29.77102.98101.090.0002纯误差0.1240.059总差300.9928注：非常显著P<0.01，显著P<0.05由上表方差分析不难得出：醇酸摩尔比、催化剂用量、反应温度、反应时间对肉桂酸异丙酯合成反应产率具有非常显著的影响，同时失拟效果不显著，其他因素对实验干扰可忽略不计。因此，效应面法具有较好的预测指导性。3.2.3 效应面优化与验证实验利用Box-Behnken软件，绘制了各因素对肉桂酸异丙酯收率影响的效

28、应面和等高线图，结果见图6-图8。如果一个效应曲面的坡度较平缓，表明随着处理条件的变化，效应值变化较小；而如果一个效应曲面的坡度较陡峭，表明随着处理条件的变化，效应值变化较大。反应时间和反应物摩尔比对产率影响的效应面图反应时间和反应物摩尔比对产率影响的效应面图催化剂用量和反应物摩尔比对产率影响的效应面图反应时间和反应摩尔比对产率的影响的2D效应面图由上图可知，反应温度和醇酸摩尔比、反应时间和反应物摩尔比、催化剂用量和醇酸摩尔比等两两因素的交互作用呈山丘形曲面，表明各交互作用对效应值有明显影响。从等高线的疏密度可以判断出，反应物摩尔比对效应值的影响大于反应温度、反应物摩尔比对效应值的影响大于催化

29、剂用量。综上所述，离子液体对肉桂酸异丙酯收率影响的影响最大。通过计算，得到的最佳工艺条件为：反应物摩尔比为1.5:1、反应温度85、催化剂用量为1ml、反应时间为60min。在此条件下，进行验证实验，实际测得的得率为87.38%， 实测值与预测值相对误差1%，说明回归模型拟合度高。分析经KBr压片法测壬二酸二辛酯的红外光谱，其红外光谱图见图3-5。 图3-5对羟基肉桂酸的红外光谱图由图可知，主要的官能团为3388.27为-OH基，1672.05为C=O键，1628.28为反式C=C双键，1602.05,1447.98，1512.17为苯环，831.57为对二取代苯，978.43为反式双键，同时

30、以上测定结果与文献报道的对羟基肉桂酸的红外谱图的最大吸收峰结果相一致。通过对比文献的红外光谱图可以得到，反应的产物是对羟基肉桂酸。4 结论以丙二酸和对羟基苯甲醛为原料，经过单因素和响应面分析，实验结果表明，其最佳的反应条件为:用离子液体催化剂，环己烷为溶剂，催化剂量为1ml，反应物摩尔比丙二酸：对羟基苯甲醛1:5，反应时间60min，反应温度85 ，其酯化率可达87.38%。反应物经抽滤淋洗干燥可以得到。该路线具有成本便宜、操作简单、生产工艺简单、收率高等特点，极其适合于工业化生产。由极差和方差分析可以得出：反应物摩尔比对对羟基肉桂酸的差率的影响最大，当反应物摩尔比为1.5：1时酯化产率最高。 其次分别为反应温度、催化剂用量和反应时间。 参考文献（1）许敬英, 杨志国，王鹏飞等. 微波合成对-香豆酸的工艺研究J . 科技与开发, 2006, 10( 4) : 31-33.（2）金继曙, 都述虎. 海金沙草利胆有效成分对香