乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯的合成與表征

張海飛，康婷婷，金凱楠，張小祥，朱新寶

(南京林業大學化學工程學院，江蘇 南京 210037)

?

乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯的合成與表征

張海飛，康婷婷，金凱楠，張小祥*，朱新寶*

(南京林業大學化學工程學院，江蘇 南京 210037)

以蓖麻油酸和乙二醇丁醚為原料，經酯化、酰化兩步反應合成了乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯。運用正交實驗與單因素實驗確定酯化和酰化反應的最佳條件：酯化反應中,蓖麻油酸與乙二醇丁醚物質的量比為1∶1.15，催化劑一水合硫酸氫鈉用量為蓖麻油酸質量的2%，反應時間為5 h，反應溫度為90 ℃，蓖麻油酸丁氧基乙酯的酯化率可達98.8%；酰化反應中，蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比為1∶1.2,催化劑對甲苯磺酸用量為蓖麻油酸丁氧基乙酯質量的3%，反應溫度為80 ℃，反應時間為2 h，酰化率達93.2%。采用紅外光譜(FTIR)、質譜(HRMS)表征并確認了合成產物的化學結構。

蓖麻油酸；乙二醇丁醚；酯化；酰化；乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯

近年來隨著全球環保意識的增強，人們越來越重視新型環保增塑劑的開發與應用研究。植物油基型增塑劑是一類高效、無毒、可降解型增塑劑，一直是塑料加工行業與增塑劑生產企業關注的熱點[1-5]。蓖麻油為黃色油狀黏稠液體，具有物理化學性能優異、柔軟性好、不易析出、揮發性低、耐抽出與耐遷移性極佳等優點，可以直接用作增塑劑,也可以發生多種化學反應制備新型蓖麻油基生物基環保增塑劑[6-9]。

乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯是一種生物基增塑劑，具有獨特的低溫持久性和高度的耐水、耐揮發、耐水解性能，與纖維素形成堅韌而柔軟的膜，在合成橡膠的配方中具有良好的低溫柔軟性，符合綠色環保的發展要求，加速開發此類市場潛力很大的蓖麻油衍生產品，可推動增塑劑產業的發展[10-12]。在堿性催化劑存在下，將蓖麻油酸與乙二醇丁醚進行酯交換，再與醋酐進行酰化反應合成乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯[13]。酯交換過程中所用的醇鈉催化劑易使二元醇醚與蓖麻油酸上的羥基發生醚化副反應，雜質難以去除；由于酯交換是一個可逆的平衡反應，產物體系中甘油濃度的增大對酯化率有不利的影響，甘油的沸點較高，難通過蒸餾的方式從體系中移走，從而抑制了反應朝正方向進行，導致產品純度不高；反應結束后，催化劑要通過酸洗處理才能分離，給環境造成嚴重污染。酰化過程中沒有使用催化劑，反應溫度較高，產品收率低。

針對以上問題，結合作者所在課題組前期的研究[14]，作者以蓖麻油酸為原料，與乙二醇丁醚發生酯化反應，生成蓖麻油酸丁氧基乙酯，再在對甲苯磺酸催化作用下將其羥基進行酰化，得到乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯。通過正交實驗考察了酯化反應中物料物質的量比、催化劑用量、反應溫度以及反應時間對酯化率的影響，再通過單因素實驗考察了酰化反應的影響因素，確定了最佳反應條件。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

蓖麻油酸，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙二醇丁醚，一級品，江蘇怡達化工有限公司；一水合硫酸氫鈉、醋酐、碳酸鈉、環己烷、無水硫酸鎂、氯化鈉，均為分析純，上海愛建試劑廠。

RE-2000B型旋轉蒸發器，上海亞榮生化儀器廠；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，長城科工貿有限公司；FTS-135型傅立葉變換紅外光譜儀，美國BIO-RAD公司；6540 UHD Q-TOF LC/MS型高分辨質譜儀，Agilent公司。

1.2 方法

乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯的合成采用兩步法：

第1步，蓖麻油酸與乙二醇丁醚進行酯化反應生成蓖麻油酸丁氧基乙酯，反應式為:

第2步，在催化劑作用下，對蓖麻油酸丁氧基乙酯上的羥基進行酰化，得到乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯，反應式為:

1.2.1 蓖麻油酸丁氧基乙酯的合成

在裝有分水器、溫度計和回流冷凝器的三頸瓶中,先后加入一定量的蓖麻油酸、乙二醇丁醚、帶水劑、催化劑，啟動攪拌器，加熱回流反應一定時間后，TLC監測反應進程，原料點消失結束反應，一般反應時間5 h。反應完畢，冷卻，抽濾分出催化劑，反應液先用飽和碳酸鈉溶液洗至中性，再用飽和氯化鈉溶液分兩次洗滌，最后用適量無水硫酸鎂干燥，靜置過夜,減壓蒸餾得蓖麻油酸丁氧基乙酯。

以反應溫度、反應時間、催化劑用量、蓖麻油酸與乙二醇丁醚物質的量比為考察因素，以蓖麻油酸丁氧基乙酯的酯化率為考察指標，選用一水合硫酸氫鈉為催化劑，采用3水平、4因素進行正交實驗優化酯化反應條件。正交實驗的因素與水平見表1。

1.2.2 乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯的合成

在裝有分水器、溫度計和回流冷凝器的三頸瓶中,先后加入一定量的蓖麻油酸丁氧基乙酯、催化劑、酰化劑，啟動攪拌器，加熱回流反應一定時間后，TLC監測反應進程，原料點消失結束反應，冷卻，反應液先用飽和碳酸鈉溶液洗至中性，再用飽和氯化鈉溶液分兩次洗滌，最后用適量無水硫酸鎂干燥，靜置過夜,減壓蒸餾得乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯。

表 1 正交實驗的因素與水平

Tab.1 The factors and levels of orthogonal experiment

1.3 分析方法

酸值的測定參照GB 5530-85，羥值的測定參照GB/T 7384-1996。按下式計算酯化率和酰化率。

2 結果與討論

2.1 酯化反應條件的優化

酯化反應條件采用正交實驗優化，正交實驗的結果與分析見表2。

表 2 正交實驗的結果與分析

Tab.2 Results and analysis of orthogonal experiment

由表2可以看出，影響蓖麻油酸丁氧基乙酯酯化率因素的大小順序為：反應溫度>反應時間>蓖麻油酸與乙二醇丁醚物質的量比>催化劑用量。酯化反應是可逆的吸熱反應，從熱力學角度分析，升高溫度能使平衡向生成物方向移動，因而溫度是影響酯化率的主要因素。催化劑是動力學影響因素，使用催化劑可加快反應速度，對反應平衡沒有太大影響，所以相對其它因素而言，催化劑用量對酯化率影響較小。合成蓖麻油酸丁氧基乙酯的最佳反應條件為A3B2C2D2，即蓖麻油酸與乙二醇丁醚物質的量比1∶1.15，催化劑一水合硫酸氫鈉用量為蓖麻油酸質量的2%，反應時間5 h，反應溫度90 ℃。在此反應條件下，蓖麻油酸丁氧基乙酯的酯化率可達98.8%。

2.2 酰化反應條件的優化

2.2.1 蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比對酰化率的影響

固定催化劑對甲苯磺酸用量為蓖麻油酸丁氧基乙酯質量的3%，反應溫度為80 ℃,反應時間為2 h，考察蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比對酰化率的影響，結果見圖1。

圖1 蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比對酰化率的影響Fig.1 The effect of molar ratio of ricinoleic acid ethyl butoxy to acetic anhydride on acylation rate

由圖1可知，適當提高蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比，可以提高乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯的酰化率，當蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比為1∶1.2時，酰化率達到93.2%。而原料中醋酐含量過高時，乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯的選擇性降低，可能是由于醋酐含量過高時與雙鍵發生了加成反應。因此，選擇蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比為1∶1.2。

2.2.2 反應溫度對酰化率的影響

固定蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比為1∶1.2,催化劑對甲苯磺酸用量為蓖麻油酸丁氧基乙酯質量的3%，反應時間為2 h，考察反應溫度對酰化率的影響，結果見圖2。

圖2 反應溫度對酰化率的影響Fig.2 The effect of reaction temperature on acylation rate

從反應動力學可知，反應溫度較低時，反應速率慢。由圖2可知，當反應溫度為70 ℃時，酰化率較低，隨著反應溫度的升高，反應速率加快，當反應溫度為80 ℃時，酰化率最高；反應溫度再升高，醋酐可能與蓖麻油酸丁氧基乙酯發生副反應，導致酰化率下降。因此，選擇反應溫度為80 ℃。

2.2.3 催化劑用量對酰化率的影響

固定蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比為1∶1.2，反應溫度為80 ℃，反應時間為2 h，考察催化劑對甲苯磺酸用量對酰化率的影響，結果見圖3。

圖3 催化劑用量對酰化率的影響Fig.3 The effect of catalyst dosage on acylation rate

由圖3可知，催化劑用量對酰化率有一定的影響，隨著催化劑用量的增加，酰化率升高，當催化劑用量為蓖麻油酸丁氧基乙酯質量的3%時，酰化率達93.2%，再增加催化劑用量，酰化率基本不變。考慮到經濟成本，選擇催化劑用量為蓖麻油酸丁氧基乙酯質量的3%。

2.2.4 反應時間對酰化率的影響

固定蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比為1∶1.2，反應溫度為80 ℃，催化劑對甲苯磺酸用量為蓖麻油酸丁氧基乙酯質量的3%，考察反應時間對酰化率的影響，結果見圖4。

圖4 反應時間對酰化率的影響Fig.4 The effect of reaction time on acylation rate

由圖4可知，延長反應時間有利于提高乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯的酰化率，但是超過2 h后，延長反應時間會發生復雜的副反應，影響產物的純度。因此，選擇反應時間為2 h。

2.3 結構表征

2.3.1 FTIR分析(圖5)

圖5 蓖麻油酸丁氧基乙酯(a)、乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯(b)的FTIR圖譜Fig.5 FTIR spectra of ricinoleic acid ethyl butoxy(a) and 2-butoxyethyl acetyl ricinoleate(b)

由圖5可知，在催化劑作用下，在1 735.8 cm-1處峰增強是乙酸酯的吸收峰，說明蓖麻油酸經兩步反應后得到了乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯。

2.3.2 HRMS分析(圖6)

由圖6可知，蓖麻油酸丁氧基乙酯、乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯的[M+Na]+實測值分別為421.3295、463.3390,與理論值一致，說明合成了相應的目標化合物。

3 結論

先以蓖麻油酸和乙二醇丁醚為原料合成蓖麻油酸丁氧基乙酯，采用正交實驗考察了原料配比、催化劑用量、反應溫度和反應時間對酯化率的影響。再以蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐進行酰化反應，采用單因素實驗考察蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比、反應溫度、催化劑用量、反應時間對酰化率的影響。結果如下：

(1)酯化反應中，蓖麻油酸與乙二醇丁醚物質的量比為1∶1.15，催化劑一水合硫酸氫鈉用量為蓖麻油酸質量的2%，反應時間為5 h，反應溫度為90 ℃，蓖麻油酸丁氧基乙酯酯化率可達98.8%。

(2)酰化反應中，蓖麻油酸丁氧基乙酯與醋酐物質的量比為1∶1.2,催化劑對甲苯磺酸用量為蓖麻油酸丁氧基乙酯質量的3%，反應溫度為80 ℃，反應時間為2 h，酰化率達93.2%。

圖6 蓖麻油酸丁氧基乙酯(a)、乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯(b)的HRMS圖譜Fig.6 HRMS spectra of ricinoleic acid ethyl butoxy(a) and 2-butoxyethyl acetyl ricinoleate(b)

(3)通過紅外(FTIR)、質譜(HRMS)對所合成的目標化合物進行了表征和確認。

[1] 佟拉嘎,榮華,林世靜,等.蓖麻油基精細化工產品的研究開發進展[J].北京石油化工學院學報,2010,18(1):58-60.

[2] 張啟興.環氧增塑劑的生產工藝及其在PVC塑料加工中的應用[J].聚氯乙烯,2007(12):1-4.

[3] 周永紅，宋湛謙，許玉芝，等，松香季戊四醇酯聚氧乙烯醚的表面活性研究[J].林產化學與工業，2004,24(增刊)：61-64.

[4] 陳宇,王朝輝,鄭德編.實用塑料助劑手冊[M].北京：化學工業出版社,2007:107-111.

[5] 汪多仁.增塑劑的新產品開發與市場展望[J].橡塑資源利用,2010(5):28-30.

[6] 鄧廣山,羅輝.環氧乙酰蓖麻油酸甲酯生產技術[J].內蒙古石油化工,2008(6):66-68.

[7] 吳杰.環氧乙酰蓖麻油酸甲酯的工藝研究[J].農業機械,2011(8):61-64.

[8] 李存燕,李為民.離子液體催化制備乙酰蓖麻油酸甲酯的工藝研究[J].中國油脂,2011,36(8):56-58.

[9] 謝春和,金偉光,張家森,等.乙酰檸檬酸三丁酯的催化合成[J].高校化學工程學報,2006,20(3):428-432.

[10] 吳芹,董斌琦,韓明漢,等.新型Bronsted酸性離子液體的合成與表征[J].光譜學與光譜分析,2007,27(10):2027-2031.

[11] LEE S G，PARK J H．Metallic Lewis acids-catalyzed acetylation of alcohols with acetic anhydride and acetic acid in ionic liquids：study on reactivity and reusability of the catalysts[J]．Journal of Molecular Catalysis A:Chemical，2003，194(1/2):49-52.

[13] 陳煥章,趙地順.對甲苯磺酸作為酯化催化劑的研究[J].化學工業與工程技術,1997,18(1):9-10.

[14] 張海飛，劉冬梅,康婷婷，等.新型苯并噻唑離子液體的合成及其催化蓖麻油酸酯化研究[J].有機化學，2016，36(5):1104-1110.

Synthesis and Characterization of 2-Butoxyethyl Acetyl Ricinoleate

ZHANG Hai-fei，KANG Ting-ting，JIN Kai-nan，ZHANG Xiao-xiang*,ZHU Xin-bao*

(SchoolofChemicalEngineering,NanjingForestryUniversity，Nanjing210037,China)

Using ricinoleic acid and butyl cellosolve(BCS) as raw materials，2-butoxyethyl acetyl ricinoleate was synthesized by a two-step reaction of esterification and acylation.Through orthogonal experiment and single factor experiment，the optimal conditions were obtained as follows:for the esterification reaction，the molar ratio of ricinoleic acid to BCS 1∶1.15，dosage of catalyst NaHSO4·H2O 2% (based on the mass of ricinoleic acid)，reaction time 5 h and reaction temperature 90 ℃，the esterification rate of ricinoleic acid ethyl butoxy reached 98.8%;for the acylation reaction，the molar ratio of ricinoleic acid ethyl butoxy to acetic anhydride 1∶1.2，dosage of catalystp-toluenesulfonic acid 3% (based on the mass of ricinoleic acid ethyl butoxy)，reaction temperature 80 ℃ and reaction time 2 h，the acylation rate reached 93.2%.The chemical structure of the synthesized product was characterized by FTIR and HRMS.

ricinoleic acid;butyl cellosolve；esterification；acylation;2-butoxyethyl acetyl ricinoleate

國家林業局948項目(2015-4-55)，江蘇高校優勢學科建設工程項目

2016-12-16

張海飛(1974-)，男，江蘇鹽城人，博士研究生，研究方向：林產化學加工，E-mail:419346796@qq.com；通訊作者：張小祥，副教授，E-mail：S070038@hotmail.com；朱新寶，教授，E-mail：zhuxinbao@njfu.com.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.05.003

TQ414

A

1672-5425(2017)05-0012-05

張海飛，康婷婷，金凱楠，等.乙酰化蓖麻油酸丁氧基乙酯的合成與表征[J].化學與生物工程，2017，34(5)：12-16.