應用響應面法優化丁酸環己酯的制備

周凌霄 韓曉祥 陳 青 李 昂 勵建榮

(浙江工商大學食品與生物工程學院應用化學系，杭州 310035)

應用響應面法優化丁酸環己酯的制備

周凌霄 韓曉祥 陳 青 李 昂 勵建榮

(浙江工商大學食品與生物工程學院應用化學系，杭州 310035)

選取反應時間、酸醇物質的量比、催化劑用量和帶水劑用量4個因素進行中心組合設計，運用響應面法對酸性離子液體催化制備丁酸環己酯的工藝參數進行了優化。試驗結果表明，離子液體1－甲基－3－(丙基－3－磺酸基)咪唑硫酸氫鹽(［HSO3－pmim］HSO4)具有最好的催化活性，以該催化劑合成丁酸環己酯的最佳反應條件為:反應時間2.6 h，n(丁酸):n(環己醇)=1∶1.7，離子液體劑量4.8%，帶水劑用量9.8 mL，在該條件下，丁酸環己酯的酯化率為97.2%，與模型預測值基本相符。離子液體［HSO3－pmim］HSO4重復使用5次后，催化活性基本未降低。

離子液體 響應面法 丁酸丁酯 酯化反應

丁酸環己酯屬于低碳脂肪酸酯類，無色或微帶黃色透明液體，具有水果香味(蘋果、菠蘿)，常用于食品工業和化妝品的香料配料［1］，同時由于丁酸環己酯良好的溶解性，也可以用作糧油作物深加工時的溶劑、萃取劑等［2－4］。丁酸環己酯傳統的工業生產方法是濃硫酸催化合成，但是濃硫酸由于具有強酸性和強氧化性，在進行催化酯化反應時易發生氧化、脫水等副反應，同時強酸對設備腐蝕嚴重，酸廢液后處理工藝復雜，催化劑再生困難等，所以該路線屬于非綠色生產工藝路線。利用固體超強酸、Lewis酸或活性炭固載Lewis酸作為催化酯化反應的催化劑時，雖然在一定程度上解決了傳統催化劑催化酯化反應時存在的一些缺點，但催化劑存在相對活性低、表面易積碳、酸強度分布不均及酸性位密度低等缺陷［5－6］，限制了它們的應用。因此，尋找具有高活性、高選擇性、高穩定性的催化劑代替傳統的酯化反應催化劑，成為研究的熱點。

近年來，離子液體作為環境友好的“清潔”催化體系，受到廣泛關注［7－8］。酸性離子液體繼承了離子液體的普遍優點，其酸強度分布均勻、酸性位密度高和酸性不易流失，當其作為催化劑時顯示很好的催化活性和穩定性。酸性離子液體代替質子酸催化酯化反應已見文獻報道［9－19］。這種工藝的優勢在于目標產物不溶于離子液體，容易分離，且離子液體可以回收利用，從而為催化合成丁酸環己酯提供一條綠色合成路線。

本試驗中以咪唑類離子液體［HSO3－pmim］HSO4為催化劑，考察反應物物質的量比、催化劑用量、反應時間、帶水劑量等因素對合成丁酸環己酯的影響，并采用響應面法(response surface methodology，RSM)優化合成工藝，為低成本、規模化合成丁酸環己酯提供基礎研究數據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

N－甲基咪唑(工業級):浙江凱樂化工有限公司;1，3－丙烷磺內酯(工業級):武漢風帆化工有限公司;硫酸、對甲苯磺酸、磷酸、三氟醋酸、丁酸、環己醇、甲苯(分析級):匯普試劑有限公司。

1.2 主要儀器

Nicolet 380型傅里葉紅外光譜儀:美國熱電公司;Bruker AV500型核磁共振儀:瑞士Bruker公司;STARe TGA熱重分析儀:瑞士梅特勒－托利多公司;UV2550紫外－可見光譜儀:日本島津公司。

1.3 離子液體的制備

稱取12.2 g 1，3－丙烷磺內酯于三口燒瓶(250 mL)中，加入30 mL乙酸乙酯使其溶解，機械攪拌下于55℃時滴加8.2 g N－甲基咪唑，滴加完畢后55℃恒溫攪拌2 h，然后將反應液進行抽濾，產物用乙酸乙酯洗滌3次，75℃真空干燥6 h，所得白色粉末狀固體即1－甲基－3－(丙基－3－磺酸基)咪唑鹽(MIM－PS)。稱取10.2 g MIM－PS于三口燒瓶(250 mL)中，加入30 mL水使其溶解，攪拌下于常溫滴加4.4 g濃硫酸，滴加完畢后緩慢升溫至90℃，反應2 h，再用60 mL甲苯分3次洗滌。蒸除甲苯，75℃真空干燥6 h，所得淺黃色黏稠狀液體即1－甲基－3－(丙基 －3－磺酸基)咪唑硫酸氫鹽(［HSO3－pmim］HSO4)。類似過程用于制備其他離子液體。

1.4 離子液體的結構、穩定性及酸性表征

Nicolet 380型傅里葉紅外光譜儀測定離子液體紅外光譜，KBr壓片。Bruker AV500型核磁共振儀測定離子液體的核磁共振譜，D2O作溶劑。STARe TGA熱重分析儀考察離子液體樣品的熱穩定性。天平平衡氣為60 mL/min氮氣，爐內氣氛為40 mL/min動態氮氣，升溫速率20℃/min。

利用Hammett法測定離子液體的酸強度。以4－硝基苯胺為指示劑，在紫外可見分光光度計下測定堿性指示劑的吸光度。通過以下公式可以計算Hammett函數H0，H0值可用來表示離子液體的酸度。

H0=pKa(I)aq+log［x(I)/x(IH+)］

式中:pKa(I)aq為指示劑的離解常數;x(I)為未質子化指示劑的物質的量分數;x(IH+)為質子化的指示劑的物質的量分數。試驗將4－硝基苯胺(pKa=0.99)配成水溶液，在加入相同量指示劑的情況下，將離子液體配成的5×10－3mol/L水溶液，測定吸光度并計算H0值，水是參比液。

1.5 丁酸環己酯的合成

在裝有溫度計、回流冷凝管、分水器的250 mL三口燒瓶中按比例加入丁酸、環己醇、甲苯及離子液體，加熱攪拌，使反應體系保持回流2.5 h，當不再有水生成時，結束反應。此時離子液體與反應體系分層，待溫度降至50℃以下，分離出上層液，減壓蒸餾除去甲苯及環己醇，用5%Na2CO3水溶液洗滌至偏堿性，再用70～80℃熱水洗至中性，減壓蒸餾，即得丁酸環己酯。按照國標GB/T 1668—1995測定反應前、后酸值，計算酯化反應的酯化率。

酯化率 =(1–反應后酸值/反應前酸值)×100%

2 結果與討論

2.1 離子液體的結構、穩定性及酸性表征

不同離子液體核磁光譜數據、紅外光譜數據及熱重數據如下:

［HSO3－ pmim］HSO4:1H NMR(500 MHz，D2O):δ 2.01(m，1H)，2.60(t，3H)，3.58(s，3H)，4.05(t，2H)，7.13(s，1H)，7.19(s，1H)，8.41(s，1H);13C NMR(500 MHz，D2O):δ 24.92，35.59，47.11，47.58，122.01，123.64，135.97;IR(KBr):=3 417，3 159，3 111，1 647，1 573，1 170，1 034，748，653，527 cm－1。熱分解溫度為 317.4 ℃。

［HSO3－pmim］PTSA (PTSA = p－CH3C6H4SO3):1H NMR(500 MHz，D2O):δ 2.12(t，2H)，2.67(t，2H)，3.61(s，3H)，4.07(t，2H)，7.23(m，1H)，7.44(d，1H)，8.43(s，1H);13C NMR(500 MHz，D2O):δ 24.97，35.58，47.13，47.59，121.99，123.62，135.85;IR:v=3 430，3 154，3 106，1 572，1 425，1 172，1 009，746，446 cm－1。熱分解溫度為310.9 ℃。

［HSO3－ pmim］H2PO4:1H NMR(500 MHz，D2O):δ 2.08(m，2H)，2.69(t，2H)，3.67(s，3H)，4.13(t，2H)，7.22(s，1H)，7.29(d，1H)，8.51(s，1H);13C NMR(500 MHz，D2O):δ 24.96，35.62，47.13，47.60，122.04，123.66，135.99;IR:v=3 401，3 154，3 113，2 344，1 643，1 575，1 220，1 172，1 041，746，621，524，486 cm－1。熱分解溫度為 335.2 ℃。

［HSO3－ pmim］COOCF3:1H NMR(500 MHz，D2O):δ 2.08(m，2H)，2.68(t，3H)，3.69(s，3H)，4.12(t，2H)，7.22(s，1H)，7.29(s，1H)，8.52(s，1H);13C NMR(500 MHz，D2O):δ 24.97，35.58，47.11，47.60，122.04，123.65，135.97，161.74，162.03;IR:v=3 443，3 135，3 111，3 074，1 743，1 687，1 575，1 556，1 210，1 188，1 034，807，733，650，521cm－1。熱分解溫度為326.3 ℃。

離子液體的核磁光譜數據，紅外光譜數據與文獻報道基本一致［8，20－21］。

表1給出不同酸性離子液體在水溶液中H0值，由表1可見，［HSO3－pmim］HSO4催化劑具有最強酸性，［HSO3－pmim］H2PO4及［HSO3－pmim］COOCF3催化劑酸性相對較弱。酸強度活性大小次序常與催化反應時的活性次序有關。

表1 水溶液中不同離子液體的H0值

2.2 不同離子液體對酯化反應的影響

酯化反應中酯化反應的速率受很多因素的影響，其中重要因素之一就是催化劑的選擇，為此考察了不同離子液體催化劑對丁酸與環己醇酯化反應的影響，結果見表2。由表2可見，反應條件相同時，由硫酸和對甲苯磺酸制備的功能化離子液體具有較好的催化效果，由磷酸和三氟醋酸制成的離子液體催化效果較差。這與HSO4和p－CH3C6H4SO－3構成的離子液體具有高的酸強度有關。該2種離子液體較磷酸和三氟醋酸形成的離子液體具有更強的酸性。由HSO4構成的強酸性離子液體催化酯化反應時具有較好催化活性同樣見諸于文獻報道［22］。試驗中選擇離子液體［HSO3－pmim］HSO4為催化劑，考察影響酯化反應的因素，進而對丁酸環己酯的合成工藝進行優化。

表2 不同離子液體對丁酸與環己醇酯化反應產物的影響

2.3 酯化反應單因素試驗

影響酯化反應酯化率的因素很多，主要包括:底物濃度、反應時間、催化劑用量及帶水劑量。針對這幾個因素，分別在保持其他因素相同的條件下進行單因素試驗，考察各因素對合成丁酸環己酯酯化率的影響，從而選取最佳的合成工藝條件，反應結果見表3。

由表3可見，酸醇物質的量比對反應有一定的影響，增加酸醇物質的量比實際上增加了反應物的濃度，有利于平衡向生成產物的方向移動，而當酸醇物質的量比提高到一定程度后，繼續增加醇的量，酯化率有所下降。如丁醇過量時，反應溶液體積增加較多，催化劑濃度相對下降，反應速度變慢，丁酸酯化率降低。確定最佳酸醇物質的量比為1∶1.7。

由表3中試驗3和試驗6～10可以看出，酯化率隨反應時間的增長開始有所增加，但是當時間超過2.5 h后，酯化率有所降低。酯化反應為可逆反應，反應時間過長時生成的丁酸環己酯又會發生部分水解，導致酯化率略有降低，所以反應時間選擇2.5 h為宜。

表3中試驗3和試驗11～13反映了離子液體的用量對反應的影響。表3中可見，隨著離子液體用量的增大，酯化率先升后降。當離子液體用量為酸質量的5%(0.44 g)時，酯化率達最大值96.5%，試驗時選擇離子液體用量5%進行考察;繼續增大離子液體用量，酯化率降低，但降低幅度不明顯，這是因為增加離子液體用量，使反應體系的酸性增強，容易發生副反應，導致酯化率下降。帶水劑用量對酯化反應也有一定影響，隨著帶水量用量增加，酯化率增加，當帶水劑量超過10 mL時，繼續增加帶水劑量，酯化率降低，這是由于加入過量帶水劑，降低了醇和酸的相對濃度，使酯化反應速度降低，所以選10 mL甲苯作為帶水劑進行考察。

表3 不同條件對丁酸與環己醇酯化反應產物的影響

2.4 采用響應面法優化丁酸環己酯的合成

2.4.1 分析因素的選取及分析方案

根據Box－Benhnken的中心組合試驗設計原理，綜合單因素試驗結果，選取反應時間、反應物物質的量比、帶水劑量和離子液體用量這4個因素，采用4因素3水平響應面分析方法確定丁酸環己酯制備最佳工藝條件，試驗因素和水平設計見表4。

表4 響應面分析法的因素與水平表

以 A、B、C和D為自變量，以丁酸環己酯酯化率為響應值(Y)，試驗方案及結果見表5。表中29個試驗點可分為兩類:其一是析因點，自變量取值在各因素所構成的三維頂點，共有24個析因點;其二是零點，為區域中心點，零點試驗重復5次，用以估計試驗誤差。

表5 響應面分析結果

2.4.2 模型的建立與顯著性檢驗

以酯化率為響應值，通過RSM軟件對其進行方差分析，其結果見表6。由表6可知，模型 F值為6.99，F ＞ F0.01(14，14)=3.70。模型顯著水平遠小于0.05，表明二次回歸模型高度顯著。實測值與預測值的相關系數為0.874 9，說明自變量與響應值之間線性關系顯著，模型的預測值和實測值擬合較好。回歸方差顯著性檢驗結果表明，該模型回歸顯著，失擬項不顯著。另外，該模型的變異系數(C.V)為2.03%，在可接受范圍。變異系數是衡量每個平均值偏離情況的參數，其值越小，重復性越好。綜合各參數，該試驗方法可靠，各因素水平區間設計較合理，因此可用該回歸模型預測丁酸環己酯的酯化率。

反應時間和離子液體量一次項均達到顯著水平(P＜0.05)。反應時間、醇酸物質的量比、帶水劑和離子液體量二次項均達到極顯著水平(Pr＜0.01)。由F值可以知道，各因素二次項對酯化率的影響相差不大。由于各因素對酯化率的影響不是簡單的線性關系，為了明確各因子對響應值的影響，各因素(反應時間、帶水劑量、離子液體量和醇酸物質的量比)經擬合得到二次多項回歸方程如下:

Y= －1 645.74+164.01A+1 536.49B+4.92C+83.14D －16.88AB －379.19AC －0.22AD －3.08BC －42.10BD －0.36CD －0.34A2+0.73B2－29.93C2－0.20D2

表6 方差分析表

2.4.3 因素間的交互影響

借助Design Expert軟件，依據回歸方程式來繪制分析圖。RSM的圖形是響應值對各試驗因子構成的等高線圖和曲面圖，分別見圖1～圖6和圖7～圖12。響應面等高線可以較直觀地反映各因素相互作用對響應值的影響。等高線若呈圓形，則交互作用不顯著;若呈橢圓形，則交互作用顯著［23］。

圖1 反應時間和醇酸物質的量比交互作用等高線圖

從圖1和圖5中看出，等高線呈橢圓形，說明圖中的兩因素交互作用顯著，與表6方差分析顯著性相符。而其他等高線趨向圓形，兩因素交互作用不明顯，也與方差分析顯著性相符。從圖7和圖8看出，醇酸物質的量比和帶水劑量分別一定時，丁酸環己酯收率隨著時間的延長先快速增加后緩慢減少。在圖9和圖10中，一個因素一定時，酯化率隨另一個因素先增加后減少的速率相差不大。從圖5、圖11和圖6、圖12看出，離子液體量對酯化率的影響比醇酸物質的量比、帶水劑量對酯化率的影響更加敏感，而從圖4和圖10中看出，帶水劑對酯化率的影響比酸醇物質的量比對酯化率的影響更敏感。

2.4.4 最佳工藝條件

結合回歸模型的數學分析可知，制備丁酸環己酯最佳工藝參數為:反應時間2.58 h，反應物物質的量比 1∶1.70，帶水劑用量 9.73 mL，離子液體量4.77%，在此最佳工藝條件下丁酸環己酯的酯化率為97.1%。為檢驗RSM法的可靠性，采用上述最佳反應條件做丁酸環己酯的酯化試驗。考慮到實際操作便利，將最佳合成條件修正為反應時間2.6 h，反應物物質的量比1∶1.7，帶水劑用量9.8 mL，離子液體量4.8%，在此條件下進行3次驗證試驗，測得的平均酯化率為97.2%，與理論預測值基本相符，這說明回歸方程能夠真實地反映各因素對酯化率的影響。

2.5 離子液體的重復使用性

試驗中考察了［HSO3－pmim］HSO4酸性離子液體在優化反應條件下的重復使用性，結果見表7。一次反應結束后，通過簡單分層的方法將上層產物與離子液體分離，將分離出的離子液體120℃真空干燥5 h，以除去催化劑中殘留的反應物和水。簡單處理的酸功能化離子液體［HSO3－pmim］HSO4重復使用5次后，酯化反應的酯化率幾乎沒有改變，酯化率仍高于94.5%，可見酸功能化離子液體［HSO3－pmim］HSO4具有較好的重復使用性能。這可能因為該離子液體中起主要催化作用的烷基磺酸與陽離子間以共價鍵相連，使其在重復使用過程中不易流失，表現出良好的重復使用性。

表7 離子液體催化劑的重復使用結果

3 結論

3.1 SO3H －功能化離子液體中，［HSO3－pmim］HSO4離子液體具有最高的催化活性，高催化活性與催化劑具有強酸度有關。

3.2 HSO3－pmim］HSO4為催化劑，得到合成丁酸環己酯的較佳工藝條件:n(丁酸)∶n(環己醇)=1∶1.7，反應時間2.6 h離子液體劑量4.8%，帶水劑用量9.8 mL。在此條件下，酯化反應的酯化率達97.2%。

3.3 離子液體［HSO3－pmim］HSO4具有較好的重復使用性能。分離后的離子液體簡單處理重復使用5次后，酯化率仍高于94.5%。

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Preparation of Process Variables in the Synthesis of Cyclohexyl Butyrate by Response Surface Methodology

Zhou Lingxiao Han Xiaoxiang Chen Qing Li Ang Li Jianrong
(Department of Applied Chemistry，College of Food Science ＆ Biotechnology Engineering，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310035)

Response surface methodology(RSM)was applied to optimize the synthesis of cyclohexyl butyrate in acidic ionic liquid.The effects of various reaction conditions，including reaction time，alcohol/acid mole ratio，amount of water carrying agent and amount of ionic liquid were investigated.A Box－ Behnken experimental Design(BBD)was employed to search for the optimal yield of cyclohexyl butyrate.Factors influencing the synthesis were discussed.［HSO3－pmim］HSO4ionic liquid showed the best catalytic activity on the esterification of cyclohexanol with butyric acid.The optimum conditions were as follows:n(butyric acid):n(cyclohexanol)=1∶1.7，ionic liquid 4.8%of acid，reaction time 2.6 h and the amount of water carrying agent 9.8 mL.Under the optimized conditions，the conversion rate of butyrate acid reached 97.2%，in basic agreement with values predicted by the mathematical model.［HSO3－pmim］HSO4ionic liquid could be reused five times without noticeable drop in activity.

ionic liquid，response surface methodology，cyclohexyl butyrate，esterification

TQ655

A

1003－0174(2012)04－0084－08

2011－08－12

周凌霄，女，1965年出生，高級實驗師，食品化學

李昂，男，1960年出生，副教授，食品化學