胡椒酸甲酯合成工藝研究

吉惠杰，于麗穎，楊艷俊，程振玉，戴盈韜

（吉林化工學院 化學與制藥工程學院，吉林 吉林 132022）

0 引言

胡椒（Piper nigrum L.）系胡椒科植物，原產(chǎn)東南亞，現(xiàn)廣植于熱帶地區(qū)，其果實中含多種酰胺類化合物，如胡椒堿、胡椒酰胺、胡椒油堿、胡椒亭堿等.近年來學者們通過研究不斷證實胡椒堿及其衍生物具有多種生物活性，如降血脂作用[1-4]、抗氧化活性[5]、抗驚厥作用[6]、抗腫瘤作用[7-9]等.胡椒中胡椒堿的含量很低，降血脂效果不明顯，可對其進行化學改性，成為作用明顯的胡椒酸酯.本課題曾對胡椒酸乙二醇單酯合成方法進行過研究[10]，彌補了胡椒酸酯類合成工藝與表征方法[11-12]的空缺，對胡椒酸酯類的合成工藝設計具有一定應用價值.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

胡椒酸：實驗室自制；無水甲醇：天津市大茂化學試劑廠；對甲苯磺酸、冰乙酸：天津市永大化學試劑有限公司；甲酸：天津市瑞金特化學品有限公司；磷酸、濃硫酸、氫氧化鉀：天津市北方天醫(yī)化學試劑廠；無水乙醚：煙臺市雙雙化工有限公司.所用試劑均為分析純.

1.2 儀器與設備

DF-Ⅱ集熱式磁力攪拌器：江蘇省金壇市環(huán)宇科學儀器廠；WRS-2B 微機熔點儀、FA2004N 電子分析天平：上海精密科學儀器有限公司；JT520N 電子天平：上海精天電子儀器有限公司；SHB-3 循環(huán)水多用真空泵：鄭州長城科工貿(mào)有限公司；DHG-9075A 電熱恒溫鼓風干箱：上海一恒科學儀器有限公司.

1.3 試驗方法

稱取胡椒酸0.2 g 于圓底燒瓶中，加入對甲苯磺酸0.05 g，18 mL 無水甲醇.安裝回流裝置，使用集熱式磁力攪拌器90 ℃水浴加熱5 h.反應結(jié)束后，冷卻，將反應液用乙醚分別萃取幾次，分液，合并上層的醚液.安裝蒸餾裝置，蒸除乙醚，靜置，抽濾，得粗產(chǎn)物再經(jīng)重結(jié)晶精制純化，干燥得到產(chǎn)品.

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 催化劑類型的選擇

稱取等量的原料和溶劑，催化劑分別選用濃硫酸、磷酸、對甲苯磺酸、冰乙酸、甲酸，加入等摩爾的量，反應時間相同，反應溫度相同，按照1.3 中步驟進行試驗，結(jié)果見表1.

由表1 可知，選用對甲苯磺酸為催化劑，反應速度快，胡椒酸甲酯產(chǎn)率最高.濃硫酸產(chǎn)率雖然較高，但有腐蝕設備、污染環(huán)境的缺點，冰乙酸、磷酸和甲酸由于酸性較弱，催化效果不理想.因此，在單因素合成試驗中，適宜催化劑為對甲苯磺酸.

2.1.2 催化劑劑量的確定

稱取0.2 g 胡椒酸和18 mL 溶劑，分別加入不同量的對甲苯磺酸，反應時間相同，反應溫度相同，按照1.3 中步驟進行試驗，結(jié)果見表2.

表1 催化劑選擇對胡椒酸甲酯產(chǎn)率的影響Table 1 Effect of selection of catalyst on the yields of piperic acid methyl ester

表2 催化劑劑量對胡椒酸甲酯產(chǎn)率的影響Table 2 Effect of amount of catalyst on the yields of piperic acid methyl ester

由表2 可知，隨著催化劑劑量的增加，產(chǎn)率逐漸增加.當催化劑質(zhì)量為0.1 g 時，胡椒酸甲酯產(chǎn)率達到最高，說明催化效果最好.再增加劑量，產(chǎn)率呈下降趨勢.適宜的催化劑劑量為0.1 g.為進一步考察催化劑劑量對胡椒酸甲酯產(chǎn)率的影響，選擇對甲苯磺酸的劑量分別為0.05、0.1、0.15 g 進行正交試驗.

2.1.3 反應時間的確定

稱取0.2 g 胡椒酸和18 mL 溶劑，加入0.1 g對甲苯磺酸，反應時間不同，反應溫度相同，按照1.3 中步驟進行試驗，結(jié)果見表3.

表3 反應時間對胡椒酸甲酯產(chǎn)率的影響Table 3 Effect of reaction time on the yields of piperic acid methyl ester

由表3 可知，隨著反應時間的延長，胡椒酸甲酯的產(chǎn)率也逐漸增加，當反應時間為5.5 h 時，產(chǎn)率達到84.1%，6 h 時產(chǎn)率也在80%以上，從經(jīng)濟角度考慮，確定反應時間5.5 h 為宜.為進一步考察反應時間對胡椒酸甲酯產(chǎn)率的影響，選擇反應時間分別為5、5.5、6 h 進行正交試驗.

2.1.4 反應溫度的確定

稱取0.2 g 胡椒酸和18 mL 溶劑，加入0.1 g對甲苯磺酸，反應時間為5.5 h，反應溫度不同，按照1.3 中步驟進行試驗，試驗結(jié)果見表4.

表4 反應溫度對胡椒酸甲酯產(chǎn)率的影響Table 4 Effect of reaction temperature on the yields of piperic acid methyl ester

由表4 可知，隨著溫度上升，產(chǎn)率逐漸增加，當反應溫度為90 ℃時，胡椒酸甲酯的產(chǎn)率達到75.2%，當溫度大于95 ℃時，溫度較高則產(chǎn)率較低，可能由于溫度較高易發(fā)生分解反應，因此，反應溫度控制在90 ℃較合適.為進一步考察反應溫度對胡椒酸甲酯產(chǎn)率的影響，選擇反應溫度分別為85 ℃、90 ℃、95 ℃進行正交試驗.

2.2 正交試驗結(jié)果與分析

在單因素試驗基礎上，設計正交試驗.考察反應時間、催化劑質(zhì)量和反應溫度對胡椒酸甲酯產(chǎn)率的影響.因素與水平見表5，試驗結(jié)果見表6，方差分析見表7.

表5 正交試驗因素與水平Table 5 Factors and levels design of orthogonal test

表6 正交試驗方案及結(jié)果Table 6 Design and results of orthogonal experiments

表7 方差分析結(jié)果Table 7 The results of variance analysis

正交試驗結(jié)果表明，影響胡椒酸甲酯產(chǎn)率因素的顯著性依次為：催化劑劑量＞反應溫度＞反應時間，胡椒酸甲酯的最佳水平組合為A2B3C2，即胡椒酸甲酯合成的最佳工藝條件為：對甲苯磺酸用量0.15 g，反應時間5.5 h，反應溫度90 ℃.

2.3 最佳工藝驗證試驗

按照正交試驗最佳工藝條件，考察優(yōu)選工藝的穩(wěn)定性，3 次驗證試驗胡椒酸甲酯產(chǎn)率分別為88.4%、90.2%、89.7%，平均為89.4%，表明優(yōu)選工藝穩(wěn)定可行.

2.4 化合物的表征與分析

2.4.1 胡椒酸甲酯熔點測定

胡椒酸甲酯熔點測定結(jié)果為140.6～142.8 ℃.查得胡椒酸甲酯的熔點為141～142 ℃，可以初步判斷所得產(chǎn)品為胡椒酸甲酯，且純化后的產(chǎn)品純度高.

2.4.2 胡椒酸甲酯紅外光譜分析

胡椒酸甲酯的紅外光譜如圖1 所示，波數(shù)為1 708.3 cm-1的吸收峰為共軛羰基伸縮振動（C＝O特征吸收峰）；波數(shù)為1 618.5 cm-1的吸收峰說明存在共軛雙鍵；波數(shù)為1 437.6 cm-1（甲基吸收峰）；波數(shù)為1 373.2 cm-1（甲基吸收峰）；波數(shù)為1 265.3 cm-1的吸收峰為C—O—C 不對稱伸縮振動.

圖1 胡椒酸甲酯的紅外光譜Fig.1 IR of piperic acid methyl ester

3 結(jié)論

本試驗采用單因素和正交試驗法確定合成胡椒酸甲酯的最佳工藝條件為：對甲苯磺酸為催化劑，催化劑用量0.15 g，回流反應時間5.5 h，反應溫度90 ℃，胡椒酸甲酯產(chǎn)率平均為89.4%.通過對合成產(chǎn)品紅外光譜的分析，所得產(chǎn)品為胡椒酸甲酯，產(chǎn)率在80%以上.

［1］韓景芬.多糖胡椒酸酯的合成及其降血脂作用研究［D］.合肥：中國科學技術(shù)大學，2007：84-85.

［2］吳勇，博·格日勒圖.兩種胡椒酸酯的合成及其降血脂作用的研究［J］.中國民族醫(yī)藥雜志，2004，4（2）：21-22.

［3］包蘭蘭，金樁，博·格日勒圖.胡椒堿降血脂作用的實驗研究［J］.中國民族醫(yī)藥雜志，2004（1）：22-23.

［4］烏恩，烏樂，吳恩巴亞爾.幾種胡椒基羧酸酯降血脂作用的研究［J］.內(nèi)蒙古醫(yī)學院學報，1994，16（1）：36-37.

［5］莫崢嶸，張岐.胡椒堿的抗氧化活性及穩(wěn)定性研究［J］.海南師范學院學報：自然科學版，2006，3（1）：52-54.

［6］崔廣智，李軍，張仲一，等.胡椒堿對中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的影響［J］.中國藥學雜志，2003，38（4）：268-270.

［7］Sunila E S，KuRan G.Immuno modulatory and antitumor activity of Piper longum Linn and piperine ［J］.Joumal of Ethnophar macology，2004，90（2-3）：339.

［8］梁愛華，譯.白胡椒及胡椒堿在體內(nèi)及體外致癌試驗中的抗促癌作用［J］.國外醫(yī)學·中醫(yī)中藥分冊，1998，20（6）：32-33.

［9］丁航，唐旭東，周克元.蝙蝠葛堿和胡椒堿對兩株鼻咽癌細胞增殖的影響［J］.廣東醫(yī)學院學報，2003，21（1）：16-17.

［10］吉惠杰，楊英杰，薛俊禮，等.胡椒酸乙二醇單酯合成的工藝研究［J］.吉林化工學院學報：自然科學版，2014，31（9）：1-16.

［11］Bradshaw J S，Krakowiak K E，Lindh G C，et al.Synthesis of macrocyclic Acetals containing lipophilic substituent［J］.Tetrahedron，1987，43（19）:4271-4276.

［12］謝晶曦，常俊標，王緒明.紅外光譜在有機化學和藥物化學中的應用［M］.北京：科學出版社，2001：489-498.