對(duì)甲苯磺酸催化合成咖啡酸丙酯的研究

韓立亞，劉 偉，劉紅莉，畢艷蘭

（河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 前言

咖啡酸（caffeic acid，CA，圖 1）是一種天然存在的酚酸，廣泛分布于植物界，如水果、谷物、咖啡、蔬菜中[1-2].近年來，咖啡酸作為一種天然抗氧化劑得到了廣泛的關(guān)注和研究，并應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域，具有抗氧化[3]、抗菌[4]、抗腫瘤[5]等生物或生理活性.然而咖啡酸在常見的非極性體系（疏水體系）中具有很低的溶解性和穩(wěn)定性，限制了它的應(yīng)用，因此，將咖啡酸與一些脂溶性較強(qiáng)的分子結(jié)合，既可以保持其生物活性，又可以增強(qiáng)其親脂性，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍[6-9].

圖1 咖啡酸的結(jié)構(gòu)式

研究發(fā)現(xiàn)，咖啡酸烷基酯相比咖啡酸不僅具有更好的親脂性而且具有更強(qiáng)的抗氧化活性[10].Francisco等[11]采用Fischer酯化，硫酸作催化劑合成了咖啡酸丙酯，產(chǎn)率達(dá)62%.Uwai等[6]通過咖啡酸和亞硫酰氯在1，4-二氧己烷溶液中回流17 h，合成咖啡酸丙酯，產(chǎn)率達(dá)86%.以上這些方法操作較復(fù)雜，同時(shí)易生成副產(chǎn)物，從而增加了提純的難度.硫酸作為一種廉價(jià)的酸性催化劑，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中.然而，硫酸的催化需要較高的反應(yīng)溫度和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，會(huì)造成環(huán)境污染，并且腐蝕設(shè)備從而增加生產(chǎn)成本[12].因此，需要尋找一種廉價(jià)、簡(jiǎn)單和高效的催化劑來合成咖啡酸丙酯.近年來，對(duì)甲苯磺酸（PTSA）作為替代傳統(tǒng)的酸性催化劑的一種化學(xué)催化劑，其主要特點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和、價(jià)格低廉、具有優(yōu)良的官能團(tuán)耐受性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高產(chǎn)率地合成各種酯類[13].脂肪酶催化合成咖啡酸丙酯盡管反應(yīng)條件溫和，但是反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，酶制劑價(jià)格高昂，從而限制了酶催化方法的廣泛使

用[14].

本研究以咖啡酸和丙醇為原料，以對(duì)甲苯磺酸為催化劑，考察不同底物比、反應(yīng)溫度、催化劑添加量、分子篩用量等對(duì)咖啡酸的轉(zhuǎn)化率和咖啡酸丙酯產(chǎn)率的影響，從而得到合成咖啡酸丙酯的最優(yōu)反應(yīng)條件.

1 材料與方法

1.1 材料

咖啡酸（純度＞98.0%）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；丙醇（純度＞99.5%）：阿法埃莎（天津）化學(xué)有限公司；對(duì)甲苯磺酸（PTSA）：純度＞99.0%，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；分子篩（4A型）、甲醇：分析純（AR），天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司.

1.2 儀器與設(shè)備

90-1型恒溫磁力攪拌器：上海瀘西分析儀器廠有限公司；e2695高效液相色譜儀（HPLC）：沃特世科技（上海）有限公司（Waters）；BSA224S電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 高效液相色譜（HPLC）分析方法

色譜柱：Symmetry Shield TM 柱（4.6×150 mm，3.5 μm）；流速：0.8 mL/min；進(jìn)樣量：10 μL；柱溫：30℃.采用等度洗脫，流動(dòng)相體系B相為0.5%乙酸水，C相為甲醇，其體積比為35∶65，紫外檢測(cè)波長(zhǎng)為325 nm.

1.3.2 合成方法

稱取一定量的咖啡酸和對(duì)甲苯磺酸于10 mL的反應(yīng)管中，加入分子篩，最后加入一定量的丙醇，在一定攪拌速度下置于油浴鍋中反應(yīng)6 h，催化合成咖啡酸丙酯（圖 2）.分別在 0.25、0.5、1、2、4、6 h取樣，每次取樣10μL，容量瓶定容至10 mL，高效液相色譜定量分析，考察不同底物物質(zhì)的量的比、溫度、催化劑的添加量以及分子篩的加入量對(duì)咖啡酸的轉(zhuǎn)化率和咖啡酸丙酯產(chǎn)率的影響.

圖2 咖啡酸丙酯的合成過程

2 結(jié)果與分析

2.1 底物物質(zhì)的量的比對(duì)咖啡酸酯化反應(yīng)的影響

咖啡酸和丙醇的酯化反應(yīng)是一個(gè)可逆的反應(yīng)過程，因此通過減少逆反應(yīng)的發(fā)生可以獲得更高的平衡轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率.有兩種方法減少逆反應(yīng)的發(fā)生，一是通過移除副產(chǎn)物（在此反應(yīng)中是水），二是使反應(yīng)物原料中的一種過量（在此反應(yīng)中是丙醇）[15].在此反應(yīng)體系中，使丙醇過量更容易實(shí)現(xiàn)，因此，通過加入過量的丙醇來促進(jìn)酯化反應(yīng)的進(jìn)行.

在反應(yīng)溫度80℃下，加入咖啡酸1.0 mmol，對(duì)甲苯磺酸0.1%（以咖啡酸的物質(zhì)的量計(jì)），分子篩0.2%（以咖啡酸的質(zhì)量計(jì)），咖啡酸和丙醇的物質(zhì)的量的比分別為 1∶5、1∶10、1∶20、1∶30 和 1∶40 的條件下，考察不同底物物質(zhì)的量的比對(duì)咖啡酸的轉(zhuǎn)化率和咖啡酸丙酯產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖3和圖4.

從圖3、圖4可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，咖啡酸的轉(zhuǎn)化率和咖啡酸丙酯的產(chǎn)率先逐漸增加，反應(yīng)4 h基本達(dá)到平衡.當(dāng)咖啡酸和丙醇的物質(zhì)的量的比為1∶10時(shí)，反應(yīng)速度最快，咖啡酸的轉(zhuǎn)化率從反應(yīng)15 min的56.21%到6 h的97.93%，咖啡酸丙酯的產(chǎn)率則從45.67%升到93.73%.當(dāng)繼續(xù)增加丙醇的用量時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)此酯化反應(yīng)有明顯抑制作用，這是由于丙醇的量增多，導(dǎo)致咖啡酸以及催化劑的濃度明顯降低，逆反應(yīng)加快，因此咖啡酸丙酯的產(chǎn)率有所降低[16].綜合以上結(jié)果，選擇咖啡酸和丙醇物質(zhì)的量的比1∶10為最佳.

圖3 咖啡酸和丙醇的物質(zhì)的量的比對(duì)咖啡酸轉(zhuǎn)化率的影響

圖4 咖啡酸和丙醇的物質(zhì)的量的比對(duì)咖啡酸丙酯的產(chǎn)率的影響

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)咖啡酸酯化反應(yīng)的影響

反應(yīng)溫度是影響反應(yīng)速度的重要因素，從而影響咖啡酸的轉(zhuǎn)化率和咖啡酸丙酯的產(chǎn)率.在加入咖啡酸1.0 mmol，丙醇10 mmol，對(duì)甲苯磺酸0.1%（以咖啡酸物質(zhì)的量計(jì)），分子篩0.2%（以咖啡酸質(zhì)量計(jì)），反應(yīng)溫度分別為 60、70、80、90 ℃的條件下，研究了不同反應(yīng)溫度對(duì)咖啡酸的轉(zhuǎn)化率和咖啡酸丙酯產(chǎn)率的影響如圖5和圖6所示.

從圖5、圖6可以看出，在不同反應(yīng)溫度下，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，咖啡酸的轉(zhuǎn)化率和咖啡酸丙酯的產(chǎn)率逐漸增加，當(dāng)反應(yīng)溫度為80℃和90℃時(shí)，反應(yīng)到4 h基本達(dá)到平衡，并且反應(yīng)速率隨溫度的增加而顯著加快.這是因?yàn)檩^高的反應(yīng)溫度能夠活化底物分子，且降低反應(yīng)混合物的黏度，從而加快反應(yīng)速率[17].在溫度為60℃時(shí)，反應(yīng)6 h還未達(dá)到平衡.當(dāng)反應(yīng)溫度為90℃時(shí)，咖啡酸的轉(zhuǎn)化率從15 min的83.65%增加到6 h的98.06%，而咖啡酸丙酯產(chǎn)率則從82.36%增加到94.71%.考慮到丙醇的沸點(diǎn)為97℃，若進(jìn)一步提高反應(yīng)溫度，易導(dǎo)致丙醇大量揮發(fā)損失.因此，選擇90℃為最佳反應(yīng)溫度.

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)咖啡酸轉(zhuǎn)化率的影響

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)咖啡酸丙酯產(chǎn)率的影響

2.3 對(duì)甲苯磺酸的添加量對(duì)咖啡酸酯化反應(yīng)的影響

對(duì)甲苯磺酸作為催化劑，其添加量對(duì)反應(yīng)速率也有著重要的影響.在添加咖啡酸1.0 mmol，丙醇10 mmol，分子篩0.2%（以咖啡酸質(zhì)量計(jì)），反應(yīng)溫度90℃，對(duì)甲苯磺酸的加入量分別為0.05%、0.1%、0.2%和0.3%的條件下，考察催化劑的不同添加量對(duì)咖啡酸的轉(zhuǎn)化率和咖啡酸丙酯產(chǎn)率的影響如圖7和圖8所示.

從圖7、圖8可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，咖啡酸的轉(zhuǎn)化率先逐漸增加，后達(dá)到平衡；而咖啡酸丙酯的產(chǎn)率在對(duì)甲苯磺酸的添加量分別為0.2%和0.3%時(shí)，先增大后降低.分析可能原因是在較多對(duì)甲苯磺酸存在條件下，咖啡酸的苯環(huán)會(huì)與脂肪醇發(fā)生傅-克烷基化反應(yīng)，產(chǎn)生較多副產(chǎn)物，因而導(dǎo)致咖啡酸丙酯的產(chǎn)率明顯降低[18].在對(duì)甲苯磺酸的添加量分別為0.05%和0.1%時(shí)，轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率均是先逐漸增加后達(dá)到平衡，同時(shí)，從圖8可以看出，添加0.1%的催化劑能夠得到更高的產(chǎn)率，從15 min的82.36%上升到反應(yīng)結(jié)束時(shí)的94.71%.綜合考慮，對(duì)甲苯磺酸的添加量以0.1%為宜.

圖7 對(duì)甲苯磺酸添加量對(duì)咖啡酸轉(zhuǎn)化率的影響

圖8 對(duì)甲苯磺酸添加量對(duì)咖啡酸丙酯產(chǎn)率的影響

2.4 分子篩的添加量對(duì)咖啡酸酯化反應(yīng)的影響

咖啡酸和丙醇酯化反應(yīng)的主要副產(chǎn)物是水，因此水的含量是影響該酯化反應(yīng)的另一個(gè)重要因素.已有文獻(xiàn)報(bào)道分子篩的添加能夠提高酯化反應(yīng)平衡轉(zhuǎn)化率[12].在其他反應(yīng)條件相同的情況下，考察加入0%、0.1%和0.2%的分子篩（以咖啡酸質(zhì)量計(jì)）對(duì)咖啡酸的轉(zhuǎn)化率和咖啡酸丙酯的產(chǎn)率的影響如圖9和圖10所示.

從圖9、圖10可以看出，加入分子篩量的多少對(duì)咖啡酸的轉(zhuǎn)化率影響不大，但對(duì)咖啡酸丙酯的產(chǎn)率有較大影響.這是由于分子篩的主要作用是除去反應(yīng)生成的水，當(dāng)不添加或添加較少分子篩時(shí)，體系的含水量較多，可能會(huì)引起生成的產(chǎn)物咖啡酸丙酯發(fā)生其他副反應(yīng)，從而導(dǎo)致咖啡酸丙酯的產(chǎn)率降低.同時(shí)考慮到添加分子篩過多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)體系攪拌不均勻.綜合以上分析，選擇加入0.2%的分子篩最佳.

圖9 分子篩的添加量對(duì)咖啡酸轉(zhuǎn)化率的影響

圖10 分子篩的添加量對(duì)咖啡酸丙酯產(chǎn)率的影響

3 結(jié)論

作者研究了對(duì)甲苯磺酸催化咖啡酸和丙醇酯化合成咖啡酸丙酯的影響因素，通過考察底物物質(zhì)的量的比、反應(yīng)溫度、對(duì)甲苯磺酸的添加量、分子篩的加入量和反應(yīng)時(shí)間對(duì)咖啡酸的轉(zhuǎn)化率和咖啡酸丙酯產(chǎn)率的影響，得出最優(yōu)反應(yīng)條件為：咖啡酸和丙醇的物質(zhì)的量的比 1∶10，反應(yīng)溫度90℃，對(duì)甲苯磺酸的添加量為0.1%（以咖啡酸的物質(zhì)的量計(jì)），分子篩的加入量為0.2%（以咖啡酸的質(zhì)量計(jì)），在此條件下，反應(yīng)6 h，咖啡酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.06%，咖啡酸丙酯的產(chǎn)率為94.71%.

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