防腐劑——對羥基苯甲酸正丁酯的合成

項艷

（安徽省阜陽環(huán)境保護監(jiān)測站，安徽 阜陽 236033）

1 引言

防腐劑是指能防止由微生物所引起的食品腐敗變質(zhì)，增長食品保質(zhì)期的食品添加劑。引起食品腐敗變質(zhì)的原因有物理、化學(xué)及生物等諸多因素［1］，如氧化作用可使食品發(fā)生變色，油脂酸敗會引起食品變味，許多微生物在食品中繁殖生長，會導(dǎo)致食品腐敗。雖然冷藏設(shè)備越來越普及，但由于食品防腐劑使用方便，效果好，從而防腐劑使用數(shù)量逐年增加。

防腐劑中應(yīng)用最廣泛的是對羥基苯甲酸酯類，對羥基苯甲酸酯類稱尼泊金酯類，主要有對羥基苯甲酸甲酯、對羥基苯甲酸乙酯、對羥基苯甲酸丙酯、對羥基苯甲酸丁酯及對羥基苯甲酸庚酯等［2］。它們的性質(zhì)與烷基有直接相關(guān)性。隨著烷基的增大，毒性降低，抗菌性增高，水溶性減小，脂溶性增大。而異丙酯、異丁酯的毒性分別比正丙酯和正丁酯的毒性要大。

對羥基苯甲酸酯類的抗菌能力是由其未電離的分子決定的［3］，所以其抗菌效果不像酸性防腐劑那樣易受pH值的變化的影響，在pH值為4～8的范圍內(nèi)有較好的抗菌效果。自從苯甲酸鈉大量投產(chǎn)后，對羧基苯甲酸酯類的使用大量減少。其特點是毒性較苯甲酸等低，抗菌作用與pH值無關(guān)，但水溶性較低及濃度稍大時具有特殊的氣味，使其在食品防腐中的應(yīng)用具有局限性。目前，我國只允許使用對羥基苯甲酸乙酯和丙酯。

2 防腐劑的安全性

目前，我國只批準了32種允許使用的食品防腐劑［4］，且都為低毒、安全性較高的品種。它們在被批準使用前都經(jīng)過了大量的科學(xué)實驗，有動物飼養(yǎng)和毒性毒理試驗和鑒定，只要食品生產(chǎn)廠商所使用的食品防腐劑品種、數(shù)量和范圍，嚴格控制在國家標(biāo)準《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準》規(guī)定的范圍之內(nèi)。比如，在市場上所見到的食品通常會添加山梨酸鉀等防腐劑，這種應(yīng)用廣泛的防腐劑只要不過量攝入，一般攝入后會隨尿排泄，并不會在人體內(nèi)蓄積。

當(dāng)前使用的防腐劑多用人工合成，長期過量攝入，對食用者身體健康會造成一定損害，產(chǎn)生一定的負面效應(yīng)。有些防腐劑甚至含有微量毒素，長期過量攝入會對人體健康造成一定的損害。以目前廣泛使用的食品防腐劑苯甲酸為例，國際上對其使用一直存有爭議。因為已有苯甲酸及其鈉鹽蘊積中毒的報道，歐共體兒童保護集團認為它不宜用于兒童食品中，即使是國際上公認的安全防腐劑之一山梨酸和山梨酸鉀，過量攝入也會影響人體新陳代謝的平衡。

3 研究目標(biāo)和方法

對羥基苯甲酸正丁酯廣泛應(yīng)用于日化、醫(yī)藥、食品、飼料及各種工業(yè)防腐方面，也是有機合成中間體。食品防腐、殺菌是其主要用途，是我國重點發(fā)展的替代苯甲酸鈉等食品防腐劑的產(chǎn)品之一。對羥基苯甲酸正丁酯常用的生產(chǎn)方法是以濃硫酸為催化劑，對羥苯甲酸與丁醇在一定溫度下酯化。此法雖然十分簡便，但收率不高，對設(shè)備腐蝕也比較嚴重，且廢液會污染環(huán)境，使該法的應(yīng)用受到限制。

目前世界上合成對羥基苯甲酸正丁酯的方法很多［5，6］，例如利用 Discover微波精確有機合成系統(tǒng)，采用單膜聚焦微波輻射技術(shù)及電腦微控和空壓氣體同步冷卻技術(shù)，以一水合硫酸氫鈉為催化劑合成對羥基苯甲酸正丁酯；在微波輻射下，以SnCl4·5H2O為催化劑催化合成對羥基苯甲酸正丁酯；以H3PO4為催化劑，在微波促進無溶劑條件下合成對羥基苯甲酸正丁酯；以硫酸氫鈉為催化劑，在微波場中，快速合成對羥基苯甲酸丁酯等等［7］，所以選擇一種或幾種合適的合成方法和合適的催化劑對高效輕污染地生產(chǎn)對羥基苯甲酸丁酯具有十分重要的意義。

本文針對以濃硫酸作催化劑催化合成、對甲苯磺酸為催化劑微波輻射、磷鎢酸銫作催化劑催化合成對羥基苯甲酸正丁酯的幾種合成方法做了一個大致的比較，通過比較這幾種方法的利弊考察了酯化反應(yīng)的各種影響因素，以及這幾種反應(yīng)方法的優(yōu)化反應(yīng)條件，為如何既高效又環(huán)保節(jié)能地生產(chǎn)對羥基苯甲酸正丁酯提供最佳選擇。

4 材料與方法

4.1 試劑和儀器

4.1.1 試劑

對羥基苯甲酸、正丁醇、苯、甲苯、碳酸鈉、對甲苯磺酸、5%NaOH溶液、10%NaHCO3溶液、鎢酸鈉、濃硫酸（0.003mol／L）、磷酸氫二鈉、硝酸銫、濃鹽酸、乙醚。

4.1.2 儀器

電熱套、干燥器、三口瓶、分水器、冷凝管、真空泵、PE1710型紅外分光光度計、磁力攪拌器、MCL Tr型通用微波化學(xué)實驗儀、X4數(shù)字顯示顯微熔點測定儀

4.2 實驗方法

4.2.1 以濃硫酸為催化劑制取

取對羥基苯甲酸27.9g（0.2mol），正丁醇51.8g（0.7mol），催 化 劑 苯 15.6g （0.2mol），濃 硫 酸 0.3g（0.003mol／L）（大約為2滴）置于三口瓶中，并在三口瓶上裝好分水器、冷凝管和磁力攪拌器，將三口瓶放在電熱套中，電熱套溫度調(diào)到150℃，加熱、回流、攪拌，酯化反應(yīng)時間不能少于1h。

1h后撤掉分水器，改回流裝置為蒸餾裝置，電熱套溫度控制在110℃左右，保持溫度計中的溫度控制在60℃上下，待基本上不再出現(xiàn)餾出液后停止蒸餾。

將三口瓶中的液體倒入燒杯中，用5%NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH值到6，然后用10%NaHCO3水溶液中和調(diào)節(jié)pH值到7～8，即析出晶體。用真空泵抽濾，水洗（用約200mL蒸餾水洗滌晶體）。最后將所得的晶體風(fēng)干，稱量，計算產(chǎn)率。

依照該反應(yīng)的化學(xué)方程式，0.2mol對羥基苯甲酸與0.7mol正丁醇反應(yīng)完全后能生成0.2mol（38.8g）對羥基苯甲酸正丁酯，因此產(chǎn)率計算公式為:

其中38.8g＝0.2mol×194g／mol，為對羥基苯甲酸正丁酯的理論生成值。m為反應(yīng)所得的產(chǎn)物質(zhì)量，g；X為對羥基苯甲酸正丁酯的產(chǎn)率，%。

4.2.2 以對甲苯磺酸為催化劑微波輻射制取

在250mL三口瓶中加入10g（0.072mol）對羥基苯甲酸，26.3mL（0.288mol）正丁醇和1.3g（0.0075mol）對甲苯磺酸，混合后置于微波爐中，裝上分水器（分水器內(nèi)先放適量的水）、冷凝管，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)妮椛涔β屎头磻?yīng)時間。酯化完畢后水蒸汽蒸餾出過量的正丁醇，殘余液低溫冷卻析晶，抽濾，濾餅用10%碳酸鈉溶液洗滌，再用水洗至pH值為7.5～8.0，得白色產(chǎn)品。

4.2.3 以磷鎢酸銫為催化劑制取

取一定量的鎢酸鈉、磷酸氫二鈉、硝酸銫溶于溫水中，加入適量濃鹽酸酸化，冷卻過濾除去不溶物。濾液中加入適量乙醚靜止后分出乙醚層，將醚層蒸發(fā)除去乙醚，得到淡黃色固體即為磷鎢酸銫，真空干燥后，放入干燥器中備用。

在裝有分水器、攪拌器、溫度計的三頸瓶中，加入一定量的對羥基苯甲酸、正丁醇、催化劑、甲苯，加熱回流分水，經(jīng)過一段時間反應(yīng)完全后，蒸去未反應(yīng)的醇和甲苯，將反應(yīng)液倒入水中冷卻得粗產(chǎn)品。將制得的粗產(chǎn)品重結(jié)晶，得到白色固體即為對羥基苯甲酸正丁酯。

4.3 實驗注意事項

（1）試驗前切忌用水清洗所需要用到的容器，由于殘留在容器中的水分會給試驗帶來一定的誤差。

（2）蒸餾過程中一定要控制好溫度計的溫度。蒸餾溫度的控制是試驗成敗的關(guān)鍵因素［16］。

（3）調(diào)節(jié)pH值要嚴格對照pH試紙。

5 結(jié)果與討論

5.1 以濃硫酸作催化劑制取法

5.1.1 經(jīng)典產(chǎn)率計算法測定產(chǎn)率值

采用對羥基苯甲酸∶正丁醇∶苯∶硫酸摩爾比為1∶3.5∶1∶0.015，回流分水1h的經(jīng)典制法，通過4次試驗測定，實驗結(jié)果見表1。

表1 經(jīng)典產(chǎn)率計算法測定產(chǎn)率值

圖1 經(jīng)典產(chǎn)率計算法測得的產(chǎn)率值

由圖1可知，實驗產(chǎn)品取平均值m＝（29.5＋27.5＋31.6＋29.4）g÷4＝29.5g，平均產(chǎn)率 X＝29.5g÷38.8g×100%＝76.1%。造成實驗產(chǎn)率較理論狀況偏低的原因可能是濃硫酸炭化了部分有機物以及脫水劑萃取了部分產(chǎn)物所致。

5.1.2 濃硫酸的量對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

控制對羥基苯甲酸∶正丁醇∶苯摩爾比為1∶3.5∶1（對羥基苯甲酸取27.9g），反應(yīng)時間1h，反應(yīng)溫度控制在150℃，進行實驗，考察濃硫酸的加入對酯化反應(yīng)的影響，實驗結(jié)果見表2。

表2 濃硫酸的量對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

圖2 濃硫酸的量對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

由圖2可知，濃硫酸在低于0.3g時，由于其用量過少，不能完全發(fā)揮起催化劑的作用，因此產(chǎn)率偏低，而高于0.3g特別是達到0.5g以后，產(chǎn)率呈直線下降，這說明濃硫酸由于其脫水性和強氧化性而使部分有機物發(fā)生了炭化，嚴重影響了反應(yīng)進程。所以，濃硫酸的量在0.3g即與對羥基苯甲酸摩爾比為1∶0.015最合適。

5.1.3 反應(yīng)時間對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

控制對羥基苯甲酸∶正丁醇∶苯∶濃硫酸摩爾比為1∶3.5∶1∶0.015（對羥基苯甲酸取27.9g），反應(yīng)溫度控制在150℃，進行實驗，考察反應(yīng)時間對酯化反應(yīng)的影響，實驗結(jié)果見表3。

表3 反應(yīng)時間對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

圖3 反應(yīng)時間對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

由圖3可知，反應(yīng)時間在低于1h時，產(chǎn)率逐漸升高，但1h以后，產(chǎn)率由初步的不穩(wěn)定到逐漸下降，這說明反應(yīng)時間過長會導(dǎo)致產(chǎn)率降低，其主要原因可能是酯化產(chǎn)物又重新分解所致。所以反應(yīng)時間在1h左右屬于最佳反應(yīng)時間。

5.1.4 產(chǎn)品分析

合成的對羥基苯甲酸丁酯為白色（略帶淡黃色）固體，數(shù)字顯示顯微熔點測定儀測出熔點為67～69℃（文獻值［17，18］為68～69℃），產(chǎn)品IR 光譜圖見圖4。由IR光譜圖分析可知，各官能團的特征吸收峰與理論值一致。

圖4 所得產(chǎn)品的IR光譜

5.2 以對甲苯磺酸作催化劑微波輻射制取法

5.2.1 微波輻射功率對產(chǎn)率的影響

0.072mol對羥基苯甲酸，26.3mL（0.288mol）正丁醇和1.3g（0.0075mol）對甲苯磺酸，微波輻射回流時間為30min，改變微波輻射功率，制備標(biāo)題化合物，結(jié)果見表4。

表4 微波輻射功率對對羥基苯甲酸丁酯產(chǎn)率的影響

圖5 微波輻射功率對產(chǎn)率的影響

由圖5可知，產(chǎn)率隨輻射功率增大而上升，但增加到一定功率后產(chǎn)率變化不大，雖然功率為400W時產(chǎn)率最高，但穩(wěn)定性不好；而超過500W之后反應(yīng)過于劇烈且產(chǎn)率沒有提高，所以選擇500W為較佳微波輻射功率。

5.2.2 反應(yīng)物配比對酯化產(chǎn)率的影響

控制微波輻射功率為500W，輻射時間為60min，催化劑用量為0.0075mol，改變酸醇的摩爾比進行酯化反應(yīng)，結(jié)果見表5。

表5 酸醇摩爾比對對羥基苯甲酸丁酯產(chǎn)率的影響

由上圖可知，酸醇比在1∶4和1∶3，產(chǎn)率沒有多大變化，在1∶2時，產(chǎn)率明顯提高。但酸醇比在1∶1.5時正丁醇的量太少，導(dǎo)致反應(yīng)溫度過高，短時間內(nèi)有大量反應(yīng)物和生成物從冷凝管中蒸出，只能終止反應(yīng)，且余下的液體顏色很深并十分粘稠，可能是部分反應(yīng)物被氧化的緣故，因此取對羥基苯甲酸∶正丁醇（摩爾比）＝1∶2為宜。

5.2.3 微波輻射時間對酯產(chǎn)率的影響

對羥基苯甲酸∶正丁醇＝1∶2，控制微波輻射功率為500W，對甲苯磺酸0.0075mol，結(jié)果見表6。

表6 微波輻射時間對對羥基苯甲酸丁酯產(chǎn)率的影響

由圖6可知，反應(yīng)60min的產(chǎn)率為98%，但相對于30min來說，反應(yīng)時間較長，且反應(yīng)30min的產(chǎn)率已達到97%，從節(jié)省成本的角度考慮，反應(yīng)時間選擇30min為宜。

圖6 微波輻射時間對產(chǎn)率的影響

5.2.4 微波輻射法與傳統(tǒng)合成法的比較

應(yīng)用微波輻射新技術(shù)進行酯化反應(yīng)，傳統(tǒng)合成法用電熱套加熱，兩者的結(jié)果有明顯的差異［19，20］。表7的結(jié)果表明兩點:①酸醇比從1∶4降至1∶2，電熱套加熱法要用大大過量的正丁醇來控制反應(yīng)的溫度，醇量越多，反應(yīng)溫度越高，溫度越高副反應(yīng)增加，且產(chǎn)物呈黃色，后處理復(fù)雜。微波輻射法反應(yīng)正丁醇用量明顯降低，大大節(jié)約成本，更重要的是避免加入毒性較大的帶水劑；②微波加熱是通過偶極分子旋轉(zhuǎn)（主要原因）和離子傳導(dǎo)耗散微波能而實現(xiàn)。在微波輻射作用下，極性分子為響應(yīng)磁場方向變化，通過分子偶極以每秒數(shù)十億次的高速旋轉(zhuǎn)，使分子間不斷碰撞和摩擦而產(chǎn)生熱，這種加熱方式較電熱套加熱更迅速、更均勻。因而反應(yīng)時間可以在30min就能達到甚至超過4h的產(chǎn)率，產(chǎn)品為白色固體，色澤均勻，基本不需進行重結(jié)晶，更符合綠色合成的新趨勢。

表7 微波輻射法與傳統(tǒng)合成法的比較

5.2.5 產(chǎn)物分析

合成的對羥基苯甲酸丁酯為白色固體，經(jīng)傅里葉紅外光譜儀測定，產(chǎn)品的紅外光譜圖與標(biāo)準譜圖一致。

5.3 以磷鎢酸銫作催化劑制取

5.3.1 醇酸物質(zhì)的量比對酯收率的影響

磷鎢酸銫作催化劑，甲苯作脫水劑，改變醇酸物質(zhì)的量比（簡稱醇酸比），回流反應(yīng)4h合成對羥基苯甲酸正丁酯［21，22］，實驗結(jié)果見表8。

表8 醇酸比對酯收率的影響

由實驗結(jié)果可知:醇酸比的增加，酯的收率增加，醇酸比為4∶1時酯的收率最高，繼續(xù)增大醇酸比，酯的收率呈下降趨勢，這是由于醇用量大時，導(dǎo)致體系溫度降低，達不到酯化反應(yīng)的溫度，造成酯的收率降低。最佳的醇酸比為4∶1。

5.3.2 催化劑用量對酯收率的影響

在醇酸比4∶1，反應(yīng)時間4h，反應(yīng)溫度130℃的條件下，進行實驗，考察催化劑的加入量對酯化反應(yīng)的影響，實驗結(jié)果見表9。

表9 催化劑加入量對酯收率的影響 %

由實驗結(jié)果可知:隨著催化劑用量的增加，酯的收率逐漸提高，催化劑用量為10%時，酯收率為97.0%，繼續(xù)增加催化劑的量，酯的收率變化不大，從經(jīng)濟因素考慮，催化劑用量為酸質(zhì)量的10%左右較合適。

5.3.3 反應(yīng)時間對酯收率的影響

醇酸比4∶1，催化劑加入量10%，反應(yīng)溫度130℃左右，改變反應(yīng)時間，考察反應(yīng)時間對酯收率的影響，實驗結(jié)果見表10。

表10 反應(yīng)時間對酯收率的影響 %

由實驗結(jié)果可知:隨著時間的增加，酯的收率提高，反應(yīng)時間為4h時，收率最高，繼續(xù)增加時間酯的收率下降，這是由于時間過長，導(dǎo)致酯發(fā)生了部分分解，造成產(chǎn)率降低。所以最佳反應(yīng)時間為4h左右。

5.3.4 反應(yīng)溫度對酯收率的影響

醇酸比4∶1，催化劑加入量為酸質(zhì)量的10%，反應(yīng)時間4h，改變反應(yīng)溫度，考察反應(yīng)溫度對酯收率的影響，試驗結(jié)果見表11。

表11 反應(yīng)溫度對酯收率的影響

由實驗結(jié)果可知:隨著溫度的升高，酯的收率提高，溫度在130℃時收率最高，而溫度升到140℃時產(chǎn)率發(fā)生急劇下降，可能是由于溫度高時催化劑分解造成的。所以最佳反應(yīng)溫度為130℃左右。

5.3.5 產(chǎn)物分析

合成的對羥基苯甲酸丁酯為白色固體，經(jīng)傅里葉紅外光譜儀測定，產(chǎn)品的紅外光譜圖與標(biāo)準譜圖一致。

6 結(jié)語

（1）以濃硫酸為催化劑，對羥苯甲酸與丁醇采用電熱套加熱在一定溫度下酯化生成對羥基苯甲酸正丁酯的經(jīng)典制法是對羥基苯甲酸∶正丁醇∶苯∶濃硫酸的摩爾比為1∶3.5∶1∶0.015，回流分水1h，通過實驗測定，用該辦法測得平均產(chǎn)率為76.1%，造成實驗產(chǎn)率較理論狀況偏低的原因可能是濃硫酸炭化了部分有機物以及脫水劑萃取了部分產(chǎn)物所致。通過濃硫酸的量和反應(yīng)時間對產(chǎn)率影響的測定，可確定在對羥基苯甲酸、正丁醇、苯在摩爾比為1∶3.5∶1的情況下，濃硫酸的量控制在與苯摩爾比0.015∶1，反應(yīng)時間控制在1h最合適。該方法一般用于實驗室制取。

（2）以對甲苯磺酸為催化劑微波輻射合成對羥基苯甲酸正丁酯，反應(yīng)優(yōu)化條件為對羥基苯甲酸∶正丁醇∶對甲苯磺酸（催化劑）＝1∶2∶0.19（摩爾比），微波輻射功率為500W，微波輻射時間30min，酯的產(chǎn)率可達97%以上。與傳統(tǒng)的電熱套加熱法相比加熱更均勻，反應(yīng)時間更短，產(chǎn)品純度更高。該方法是今后尼泊金丁酯的合成趨勢之一。

（3）用磷鎢酸銫作催化劑制備，反應(yīng)優(yōu)化條件為正丁醇、對羥基苯甲酸與甲苯物質(zhì)的量比為4∶1∶2，催化劑用量為對羥基苯甲酸質(zhì)量的10%左右，反應(yīng)時間4h，反應(yīng)溫度130℃左右，對羥基苯甲酸正丁酯的收率能高達97%以上。該法比濃硫酸法要方便，對設(shè)備腐蝕小，但磷鎢酸銫昂貴，反應(yīng)時間較長，不適合工業(yè)生產(chǎn)。

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