咖啡因生產(chǎn)過程中硫酸二甲酯的降耗工藝研究

單 彬，江 漫，尹進(jìn)華，孫曉巖

(1.青島科技大學(xué)化工學(xué)院;2.青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院:山東青島 266042)

咖啡因?qū)儆诩谆S嘌呤的生物堿，純的咖啡因是白色、有強(qiáng)烈苦味的粉狀物，其化學(xué)式是C8H10N4O2［1］。很多藥品及食品飲料中含有咖啡因，它能減輕疲勞，促進(jìn)思維，提高工作效率?？Х纫虻纳a(chǎn)工藝主要有人工合成法［2－4］和天然植物提取法［5－9］。目前人工合成法主要采用硫酸二甲酯與茶堿鈉鹽進(jìn)行甲基化反應(yīng)生成咖啡因。硫酸二甲酯是傳統(tǒng)合成化學(xué)中的一種高活性的甲基化試劑，有很高的選擇性，但硫酸二甲酯是劇毒品，有強(qiáng)致癌作用，使用過程中稍有不慎就會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成極大危害。因此在工業(yè)生產(chǎn)中，在保證咖啡因產(chǎn)率的同時(shí)，降低硫酸二甲酯的用量顯得尤為重要。筆者以硫酸二甲酯和茶堿鈉鹽為原料，經(jīng)直接甲基化反應(yīng)合成咖啡因，通過單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)加料方式、反應(yīng)溫度、反應(yīng)pH和相轉(zhuǎn)移催化劑的用量進(jìn)行優(yōu)化，并采用正交試驗(yàn)確定最佳反應(yīng)參數(shù)。通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，達(dá)到既保證咖啡因產(chǎn)率，又降低甲基化過程中硫酸二甲酯用量的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

茶堿鈉鹽、硫酸二甲酯、咖啡因、非那西汀，山東新華制藥有限公司;氫氧化鈉，天津市紅巖化學(xué)試劑廠;硫酸、乙醇，萊陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠;硝酸銀，上海埃彼化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鉀，山東省煉油化工總公司;芐基三乙基氯化銨，江蘇建湖縣催化劑廠。

CP225D型分析天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;KS300E型超聲波清洗機(jī)，威潔特超聲科技有限公司;JULABO U3型恒溫水浴，常州國華電器有限公司;BT300K蠕動(dòng)泵，保定蘭格恒流泵有限公司;78－1型電磁攪拌器，常州國華電器有限公司;PHS－3C型pH計(jì)，上海偉業(yè)儀器廠;GC－2014型氣相色譜儀，島津國際貿(mào)易(上海)有限公司;CH1015超級(jí)恒溫槽，上海衡平儀器儀表廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

向燒杯中加入300 mL水及36 g茶堿鈉鹽，升溫至60～75℃，溶解2 h，備用。將硫酸二甲酯在70～90 min內(nèi)均勻緩慢加入燒杯，同時(shí)滴加氫氧化鈉，控制氫氧化鈉和二甲酯的流量，使pH保持在9.1～9.5，溫度控制在38～45 ℃，停止加入硫酸二甲酯。繼續(xù)滴加氫氧化鈉，調(diào)節(jié)pH為9.1～9.5，攪拌50～70 min，待 pH 穩(wěn)定 5 min 不變化，停止滴加氫氧化鈉，繼續(xù)反應(yīng)70～90 min。反應(yīng)結(jié)束，用硫酸調(diào)節(jié)，使 pH 為6.5～7.5，升溫至65～75℃溶解，停止攪拌，取樣分析。攪拌結(jié)晶析出咖啡因，過濾，干燥。

1.3 分析方法

采用氣相色譜法分析咖啡因含量。氣相色譜分析條件:氫火焰離子化檢測(cè)器(FID);DB－5毛細(xì)管柱，30 m ×0.53 mm ×1 μm;固定相 Se －30;載氣(N2)流速30 mL/min;H2流速30 mL/min;空氣流速300 mL/min;色譜柱溫度(COL)220℃;填充柱進(jìn)樣口溫度(INJ)250℃;檢測(cè)器溫度(DET)250 ℃;進(jìn)樣量0.4 μL;分流比1∶20;計(jì)算方法采用內(nèi)標(biāo)法。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 加料方式對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響

液上加料和液下加料方式對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響見表1。若硫酸二甲酯與茶堿鈉鹽的質(zhì)量比相同，采用液下加料方式時(shí)咖啡因的產(chǎn)率明顯高于液上加料方式。主要原因是采用液下加料方式時(shí)，硫酸二甲酯與茶堿鈉鹽溶液得到充分接觸，副反應(yīng)減少，在保證咖啡因產(chǎn)率的同時(shí)能夠降低硫酸二甲酯的用量。因此在后續(xù)的單因素實(shí)驗(yàn)中，均采用液下加料方式加料。

表1 加料方式對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響

2.1.2 反應(yīng)溫度對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響

采用液下加料方式，考察反應(yīng)溫度對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表2。反應(yīng)溫度為30～35℃時(shí)，咖啡因產(chǎn)率最高，反應(yīng)效果最好。溫度為25～35℃時(shí)，隨著溫度升高，硫酸二甲酯的活性增強(qiáng)，與茶堿鈉鹽的甲基化反應(yīng)速率加快，咖啡因產(chǎn)率提高;當(dāng)溫度為30～35℃時(shí)，硫酸二甲酯的活性處于較高水平，此時(shí)咖啡因產(chǎn)率最高;若溫度繼續(xù)升高，硫酸二甲酯的水解速率增快，與茶堿鈉鹽甲基化反應(yīng)時(shí)有效的活性較低，因此確定30～35℃為適宜的反應(yīng)溫度。

表2 溫度對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響

2.1.3 pH對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響

采用液下加料方式，控制反應(yīng)溫度為30～35℃，考察反應(yīng)pH對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表3。pH為8.0～8.5時(shí)，咖啡因產(chǎn)率最高，反應(yīng)效果最好。其原因是硫酸二甲酯與茶堿鈉鹽合成咖啡因的反應(yīng)必須在微堿性的條件下進(jìn)行，pH對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響非常顯著，若堿性過強(qiáng)，硫酸二甲酯尚未與茶堿鈉鹽充分反應(yīng)即被氫氧化鈉中和;若pH過低，反應(yīng)不能發(fā)生。因此選取適宜的pH為8.0～8.5。

表3 pH對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響

2.1.4 相轉(zhuǎn)移催化劑用量對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響

采用液下加料方式，控制反應(yīng)溫度為30～35℃，反應(yīng)pH為8.0～8.5，考察相轉(zhuǎn)移催化劑芐基三乙基氯化銨的用量對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表4。相轉(zhuǎn)移催化劑用量為0.36 g，即茶堿鈉鹽質(zhì)量的1%時(shí)，咖啡因產(chǎn)率最高，反應(yīng)效果最好。這可能是因?yàn)橄噢D(zhuǎn)移催化劑能使反應(yīng)活化能降低，活化分子的百分?jǐn)?shù)增大，可以提高反應(yīng)速度。隨著相轉(zhuǎn)移催化劑用量的增加，反應(yīng)的選擇性提高，活化分子數(shù)增加;當(dāng)催化劑用量增至一定量后，活化分子數(shù)達(dá)到上限，再繼續(xù)增加相轉(zhuǎn)移催化劑用量，對(duì)反應(yīng)基本沒有影響，對(duì)有些反應(yīng)甚至?xí)懈弊饔?。相轉(zhuǎn)移催化劑可以使硫酸二甲酯與茶堿鈉鹽處于一相中，降低硫酸二甲酯的水解速率。因此確定較適宜的相轉(zhuǎn)移催化劑用量為茶堿鈉鹽質(zhì)量的1%。

表4 相轉(zhuǎn)移催化劑用量對(duì)咖啡因產(chǎn)率的影響

2.2 各項(xiàng)參數(shù)的綜合優(yōu)化

影響咖啡因產(chǎn)率的因素有加料比例、反應(yīng)溫度、pH、相轉(zhuǎn)移催化劑用量等。本實(shí)驗(yàn)的目的是在確?？Х纫虍a(chǎn)率的前提下，降低硫酸二甲酯原料的用量。實(shí)驗(yàn)中不考慮攪拌速度和其他因素對(duì)反應(yīng)的影響，在現(xiàn)有條件下，保證咖啡因產(chǎn)率不小于95%，采用3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)法，考察反應(yīng)溫度(A)、pH(B)、相轉(zhuǎn)移催化劑用量(C)這3個(gè)因素對(duì)硫酸二甲酯用量的影響，結(jié)果如表5所示。

各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的大小順序?yàn)?B＞C＞A。最佳合成條件是A2B2C2，即反應(yīng)溫度為30～35 ℃，pH 為8.0～8.5，相轉(zhuǎn)移催化劑用量為0.36 g。

正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)組合與單因素試驗(yàn)得到的最佳工藝參數(shù)相吻合。在硫酸二甲酯與茶堿鈉鹽的反應(yīng)過程中，反應(yīng)溫度及pH均處于動(dòng)態(tài)變化的過程，將溫度與pH控制在本試驗(yàn)的設(shè)置范圍內(nèi)符合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際?？梢源_定本試驗(yàn)最佳反應(yīng)條件為:反應(yīng)溫度30～35 ℃，pH 8.0～8.5，相轉(zhuǎn)移催化劑用量0.36 g。

表5 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3 結(jié)論

以硫酸二甲酯和茶堿鈉鹽為原料，通過直接甲基化反應(yīng)合成咖啡因。用氣相色譜法對(duì)咖啡因含量進(jìn)行了分析。通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)法探討了合成咖啡因工藝中硫酸二甲酯降耗的適宜工藝條件，即:采用液下加料方式，反應(yīng)溫度為30～35℃，反應(yīng)pH 為8.0～8.5，相轉(zhuǎn)移催化劑用量為茶堿鈉鹽質(zhì)量的1%。在此條件下，m(硫酸二甲酯)∶m(茶堿鈉鹽)=1.24∶1，咖啡因產(chǎn)率大于95%，在保證咖啡因產(chǎn)率的同時(shí)，有效減少了硫酸二甲酯的用量。

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