響應曲面法優化PW12/SBA-15催化合成尼泊金丁酯

王少鵬，付長亮，王會娜，陳鶴文，陳爽，羅佳昕，劉夢夢

(1.鄭州工程技術學院 化工食品學院，鄭州 450044；2.鄭州市第36中學，鄭州 450042)

尼泊金酯(對羥基苯甲酸酯)是目前國際上認可的三大食品防腐劑之一[1-2]，具有高效、廣譜性的特點，同時，由于其特殊的酚羥基結構，抑菌效果強于苯甲酸、山梨酸[3-4]，且在人體內易水解，具有安全性高、用量少等優勢[5]。目前，苯甲酸及其鹽仍為我國的主要食品防腐劑，而美國、歐洲、日本等國家均已將尼泊金酯列入食品防腐劑名錄。磷鎢酸(H3PW12O40·nH2O，PW12，Keggin型結構)具有良好的催化活性，在酯化、烷基化、異構化等反應過程中都具有良好的表現[6-8]，經負載后，在催化劑回收及重復使用方面[9-10]也有較大改進。響應曲面法(response surface method，簡稱RSM)[11]是采用統計學方法進行實驗設計，同時利用多元二次回歸方程對考察因素與響應值進行擬合，通過對回歸方程的分析，優化工藝參數。本文利用響應曲面法進行實驗方案設計，考察了催化劑用量、醇酸摩爾比、反應溫度、反應時間及其交互作用對尼泊金丁酯產率的影響，探討了最佳工藝，獲得了良好的效果。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

分子篩SBA-15(工業品)：太原新安化工廠；磷鎢酸(PW12，Keggin型)、正丁醇(分析純)：天津市科密歐化學試劑有限公司；對羥基苯甲酸(分析純)：天津市光復精細化工研究所；環己烷(分析純)：天津市永大化學試劑有限公司；實驗用水為蒸餾水。

加熱反應設備采用河南鞏義英峪予華儀器廠的CL-2型恒溫加熱磁力攪拌器；紅外光譜采用PerkinElmer公司的Spectrum 100型紅外光譜儀(KBr壓片)測定；熔點采用上海儀電物理光學儀器有限公司的WRR型熔點儀測定。

1.2 方案設計

根據前期的實驗結果，PW12的負載量固定為27%，確定醇酸摩爾比(2∶1～4∶1)、反應時間(2～4 h)、催化劑27% PW12/SBA-15用量(2.5%～3.5%，為質量百分比，下同)、反應溫度(120～140 ℃)等因素對尼泊金丁酯產率的影響較大，利用中心組合實驗設計原理，進行實驗設計和數據分析，以上述4個因素為自變量，尼泊金丁酯產率為響應值，設計四因素三水平共29組實驗，實驗因素水平及編碼設計見表1。

表1 實驗因素水平及編碼Table 1 The experimental factors and levels

1.3 PW12/SBA-15的制備

根據前期的研究結果，以SBA-15為載體，采用浸漬法負載PW12，當負載量為27%時已基本負載飽和，并在載體表面形成微量的晶相，因此，本文不再對PW12負載量進行考察，所用催化劑均為負載量27%的PW12/SBA-15催化劑，具體制備方法參照文獻[10]。

1.4 尼泊金丁酯的合成與鑒定

合成：將0.05 mol(約6.91 g)對羥基苯甲酸計算量的正丁醇及催化劑加入配有分水器、回流冷凝管和轉子的100 mL反應器中，將固定量的帶水劑(環己烷)加入分水器中，開啟恒溫加熱磁力攪拌器，設定反應溫度，達到預定反應時間后，停止加熱及攪拌。

分離(純化)：反應完畢，抽濾回收催化劑。用飽和NaHCO3溶液中和濾液，并經水洗、分水、減壓蒸餾分離正丁醇。蒸餾余液轉入盛有冰水的燒杯中，有大量白色晶體析出，經抽濾、干燥、稱重，計算產品產率。

鑒定：將干燥后的粗酯用乙醇-水(粗酯∶乙醇∶水為1∶0.5∶5)進行重結晶，并對重結晶后的產品進行熔點測定及FT-IR表征。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗法初探尼泊金丁酯合成工藝

利用自制催化劑(27% PW12/SBA-15)催化合成尼泊金丁酯，考察催化劑用量、反應溫度、醇酸摩爾比、反應時間等因素對產率的影響，并在單因素實驗的基礎上，利用響應曲面法進行實驗方案設計，優化合成工藝。

2.1.1 催化劑用量對尼泊金丁酯產率的影響

合成條件：對羥基苯甲酸0.05 mol，正丁醇0.1 mol，設定反應溫度為120 ℃，反應時間為2.0 h，帶水劑環己烷適量，考察催化劑用量對產品產率的影響，結果見表2。

表2 催化劑用量對尼泊金丁酯產率的影響Table 2 The effect of catalyst amount on the yield of butylparaben

2.1.2 醇酸摩爾比對尼泊金丁酯產率的影響

合成條件：對羥基苯甲酸0.05 mol，催化劑用量3%，設定反應溫度為120 ℃，反應時間為2.0 h，帶水劑環己烷適量，考察醇酸摩爾比對產品產率的影響，結果見表3。

表3 醇酸摩爾比對尼泊金丁酯產率的影響Table 3 The effect of molar ratio of alcohol to acid on the yield of butylparaben

2.1.3 反應溫度對尼泊金丁酯產率的影響

合成條件：對羥基苯甲酸0.05 mol，正丁醇0.15 mol，27% PW12/SBA-15用量3%，設定反應時間為2.0 h，帶水劑環己烷適量，考察反應溫度對產品產率的影響，結果見表4。

表4 反應溫度對尼泊金丁酯產率的影響Table 4 The effect of reaction temperature on the yield of butylparaben

2.1.4 反應時間對尼泊金丁酯產率的影響

合成條件：對羥基苯甲酸0.05 mol，正丁醇0.15 mol，設定反應溫度為150 ℃，反應時間為3.0 h，帶水劑環己烷適量，考察反應時間對產品產率的影響，結果見表5。

表5 反應時間對尼泊金丁酯產率的影響Table 5 The effect of reaction time on the yield of butylparaben

2.2 響應曲面法優化尼泊金丁酯合成工藝

在單因素實驗考察的基礎上，利用響應曲面法進行實驗方案設計，優化合成工藝。實驗方案設計的變量值與實驗結果見表6。

表6 響應曲面實驗設計變量值與結果Table 6 The response surface experimental design variable values and results

利用軟件Design-Expert 8.0.6對實驗數據進行分析，得出實驗設計因素(醇酸摩爾比、反應時間、催化劑用量、反應溫度)的編碼值與尼泊金丁酯產率之間的擬合方程為：

Y=+89.6+5.11A+1.25B+1.83C+1.17D+1.2AB+2.2AC+1.68AD+1.15BC-1.05BD+0.95CD-8.09A2-3.93B2-3.63C2-9.04D2+1.65A2B。

方程中Y為尼泊金丁酯產率，A為醇酸摩爾比，B為反應時間，C為催化劑用量，D為反應溫度。

對該回歸模型進行方差分析，根據系數顯著性檢驗得到F=43.07>F0.99(14,14)=3.72[12-13], P<0.0001(顯著)，且R2=0.9803，說明該模型顯著，該設計實驗結果的方差分析見表7。

表7 實驗結果方差分析Table 7 The variance analysis of experimental results

將編碼值轉換為實際值，則實驗設計因素與尼泊金丁酯產率之間的二次回歸方程為：

Y=-1597.6+44.78A+42.83B+45.97C+22.87D-8.7AB+4.4AC+0.17AD+2.3BC-0.1BD+0.19CD-13.04A2-3.93B2-14.52C2-0.09D2+1.65A2B。

2.2.1 參數的影響分析

2.2.1.1 醇酸摩爾比和反應時間及其交互作用對尼泊金丁酯產率的影響

當催化劑用量為3%，反應溫度為130 ℃時，考察醇酸摩爾比和反應時間及其交互作用對產品產率的影響，見圖1。

圖1 尼泊金丁酯產率與醇酸摩爾比和反應時間的響應曲面圖Fig.1 The response surface diagram of the yield of butylparaben with molar ratio of alcohol to acid and reaction time

由圖1可知，產品產率隨著醇酸摩爾比的增大及反應時間的延長均呈先增大后減少的趨勢，且醇酸摩爾比的影響較為明顯，這是由于在反應過程中，正丁醇同時參與了酯化反應與共沸脫水。反應前期隨著醇量增大，產品產率不斷提升，但醇量過大，會造成對羥基苯甲酸及催化劑濃度降低，影響產率的提高；隨著反應時間的延長，產品產率不斷提升，反應時間過長，會出現副反應增多、部分產品水解等現象，影響產率的進一步提升，醇酸摩爾比與反應時間相互交互，有一最佳值。

2.2.1.2 醇酸摩爾比和催化劑用量及其交互作用對尼泊金丁酯產率的影響

設定反應時間為3 h，反應溫度為130 ℃，考察醇酸摩爾比和催化劑用量及其交互作用對產品產率的影響，見圖2。

圖2 尼泊金丁酯產率與醇酸摩爾比和催化劑用量的響應曲面圖Fig.2 The response surface diagram of the yield of butylparaben with molar ratio of alcohol to acid and catalyst amount

由圖2可知，隨著醇酸摩爾比和催化劑用量的增加，產品產率先增大后減少，醇酸摩爾比對產品產率的影響較催化劑用量更為顯著，二者相互交互，存在一最佳值。當催化劑用量超過這一最佳值時，產率有所下降，這是由于當催化劑提供的活性中心數量已能滿足反應需要時，催化效果的提升對活性中心數量的依賴性將明顯下降，且過多的活(酸)性中心對反應物的活性位點有一定的吸附及遮蔽作用，造成產品產率略有下降。

2.2.1.3 醇酸摩爾比和反應溫度及其交互作用對尼泊金丁酯產率的影響

當反應時間為3 h，催化劑用量為3%時，醇酸摩爾比和反應溫度及其交互作用對產品產率的影響見圖3。

圖3 尼泊金丁酯產率與醇酸摩爾比和反應溫度的響應曲面圖Fig.3 The response surface diagram of the yield of butylparaben with molar ratio of alcohol to acid and reaction temperature

由圖3可知，產品產率隨著醇酸摩爾比和反應溫度的增大均呈現先增大后減小的趨勢，且影響均較為顯著。在一定范圍內，反應溫度的升高有利于產品產率的提升，但溫度過高，產率又有所下降，這是由于高溫導致副反應增加，且該反應為放熱反應，溫度過高不利于平衡右移，致使產率下降；醇酸摩爾比與反應溫度相互交互，相互影響，使得曲面有一最佳點，當二者均超過最佳點時，產品的產率出現下降趨勢。

2.2.1.4 反應時間和催化劑用量及其交互作用對尼泊金丁酯產率的影響

當醇酸摩爾比為3∶1，反應溫度為130 ℃時，反應時間和催化劑用量及其交互作用對產品產率的影響見圖4。

圖4 尼泊金丁酯產率與反應時間和催化劑用量的響應曲面圖Fig.4 The response surface diagram of the yield of butylparaben with reaction time and catalyst amount

由圖4可知，產品產率隨著催化劑用量的增大和反應時間的延長均呈先增大后緩慢下降的趨勢，兩者相互交互，有一最佳值，但影響較為平緩。在達到最佳值之前，催化劑用量的增加可提供更多的催化活性中心，反應時間的延長能有效促使平衡右移，提高產率，超過最佳值后，過多的活(酸)性中心對反應物的活性位點有一定的吸附及遮蔽作用，過長的反應時間無益于平衡右移，且造成能耗增加及副反應增多，不利于產品產率的提升。

2.2.1.5 反應時間和反應溫度及其交互作用對尼泊金丁酯產率的影響

當催化劑用量為3%，醇酸摩爾比為3∶1時，反應時間和反應溫度及其交互作用對產品產率的影響見圖5。

圖5 尼泊金丁酯產率與反應時間和反應溫度的響應曲面圖Fig.5 The response surface diagram of the yield of butylparaben with reaction time and reaction temperature

由圖5可知，產品產率隨著反應溫度的升高先增大后減少，變化較為顯著，隨著反應時間的延長，產率先逐漸增大，而后趨于穩定且略有下降，變化較為平緩，兩者相互交互，在曲面上有一最佳值。在最佳值之前，隨著反應溫度的升高，反應物活性不斷提升，產率升高，超過最佳值后，過高的溫度致使副反應增多，產品產率下降。

2.2.1.6 催化劑用量和反應溫度及其交互作用對尼泊金丁酯產率的影響

當反應時間為3 h，醇酸摩爾比為3∶1時，催化劑用量和反應溫度及其交互作用對產品產率的影響見圖6。

圖6 尼泊金丁酯產率與催化劑用量和反應溫度的響應曲面圖Fig.6 The response surface diagram of the yield of butylparaben with catalyst amount and reaction temperature

由圖6可知，產品產率隨著反應溫度的升高先增加后下降，隨著催化劑用量的增加，呈現先增加，而后趨于平穩并略有下降的趨勢，兩者相互交互，有一最佳值。這是由于在最佳值之前，反應溫度的升高和催化劑用量的增加均有利于產品產率的提升，在最佳值之后，高溫副反應及反應熱效應逐步凸顯，致使產品產率下降。

2.2.2 參數優化及模型驗證

根據模型預測，尼泊金丁酯的最大產率可達91.4%，最佳工藝條件為：醇酸摩爾比為3.41∶1，反應時間為3.34 h，催化劑用量為3.22%，反應溫度為131.07 ℃。

為便于操作，將模型預測的最佳工藝條件略微調整：醇酸摩爾比為3.4∶1，反應時間為3.3 h，催化劑用量為3.2%，反應溫度為131 ℃，在該條件下重復實驗3次，尼泊金丁酯產率分別為91.2%、91.0%、91.4%，實驗值與模型預測值基本吻合。因此，確定在使用自制催化劑27% PW12/SBA-15的條件下，尼泊金丁酯合成的最佳工藝條件為：醇酸摩爾比為3.4∶1，反應時間為3.3 h，催化劑用量為3.2%，反應溫度為131 ℃。

2.2.3 產品的純化及鑒定

按照設計的純化方案對合成的粗酯進行重結晶，得到精制尼泊金丁酯。首先利用熔點儀測得精制尼泊金丁酯熔點為67～71 ℃，與文獻[14]的報道基本一致，其次對精制尼泊金丁酯進行FT-IR分析，其紅外光譜圖見圖7。

圖7 產品的紅外光譜圖Fig.7 The infrared spectrogram of the product

3 結論

尼泊金丁酯合成方案經過單因素法初選，響應曲面法優化，得到最佳工藝條件為：醇酸摩爾比為3.4∶1，反應時間為3.3 h，催化劑27% PW12/SBA-15用量為3.2%，反應溫度為131 ℃。在此條件下，產品最高產率可達91.4%左右，催化劑具有制備簡單、綠色環保、可重復使用等優勢，具有極佳的工業應用前景。