MCM-41負(fù)載對(duì)甲苯磺酸催化合成檸檬酸異辛酯

常 玥，孫士淇，孟小雷，楊發(fā)翠，查 飛

(西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，生態(tài)環(huán)境相關(guān)高分子材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730070)

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MCM-41負(fù)載對(duì)甲苯磺酸催化合成檸檬酸異辛酯

常 玥，孫士淇，孟小雷，楊發(fā)翠，查 飛

(西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，生態(tài)環(huán)境相關(guān)高分子材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730070)

采用浸漬法將對(duì)甲苯磺酸(p-TSA)負(fù)載到堿性條件下水熱法制備的介孔分子篩MCM-41(p-TSA/MCM-41)上，通過(guò)FT-IR,XRD,BET,TG,TEM和EA測(cè)試技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了表征.以檸檬酸異辛酯的合成為探針實(shí)驗(yàn)，研究了p-TSA/MCM-41的催化性能.結(jié)果表明，該酯化反應(yīng)的最佳條件為：160 ℃時(shí)，p-TSA/MCM-41用量為檸檬酸質(zhì)量的3%，檸檬酸與異辛醇摩爾比為1∶5，反應(yīng)2.5 h檸檬酸異辛酯的酯化率達(dá)96.7%.

MCM-41分子篩；固體酸；檸檬酸異辛酯；酯化反應(yīng)

檸檬酸異辛酯(檸檬酸三辛酯)作為安全的增塑劑之一，用于食品包裝材料、醫(yī)療器具、兒童玩具和個(gè)人衛(wèi)生用品等方面[1-2]，具有可觀的應(yīng)用前景[3].工業(yè)上生產(chǎn)酯的催化劑主要是無(wú)機(jī)液體酸，酯化率高，但環(huán)境污染、后處理繁瑣等缺點(diǎn)阻礙了檸檬酸異辛酯的大規(guī)模生產(chǎn).因此，開(kāi)發(fā)替代液體酸的新型催化劑成為合成檸檬酸異辛酯的研究重點(diǎn).目前，已報(bào)道的催化劑主要有無(wú)機(jī)鹽[4-6]、固體超強(qiáng)酸[7].

M41S是美國(guó)Mobil公司在1992年以季銨鹽類(lèi)表面活性劑為多孔硅酸鹽的模板劑，可用來(lái)合成孔徑在2～10 nm可調(diào)的新型硅基介孔分子篩[8-9].其中MCM-41介孔分子篩是M41S組中的典型代表，它具有六方有序的一維孔道(2～50 nm)、較大的比表面積(>1 000 m2·g-1)和孔容(>0.7 cm3·g-1)，其獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)和表面特性，在制備高效催化劑載體和特種材料方面顯示出微孔分子篩所不具有的優(yōu)越性[10-13].對(duì)甲苯磺酸(p-TSA)是一種固體有機(jī)酸，對(duì)酯化反應(yīng)有較高的催化活性[14-16]，由于易溶于醇，在酯化反應(yīng)中存在消耗量大、回收困難和產(chǎn)生廢液等弊端[17].本文結(jié)合MCM-41介孔分子篩和對(duì)甲苯磺酸各自優(yōu)點(diǎn)，將對(duì)甲苯磺酸負(fù)載到MCM-41上，用于無(wú)毒增塑劑檸檬酸異辛酯的合成.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

十六烷基三甲基溴化銨(CTABr分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，正硅酸乙酯(TEOS，分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司)，對(duì)甲苯磺酸(p-TSA，分析純，天津市凱信化學(xué)工業(yè)有限公司)，濃氨水、無(wú)水乙醇、氫氧化鉀、一水檸檬酸、異辛醇、無(wú)水碳酸鈉等試劑均為分析純?cè)噭?

Merlin FTS 3000 FT-IR 紅外光譜儀(Digilab，American)，KBr壓片；D/Max-2400 型X-射線衍射儀(Rigaku，Japan )，Cu靶 Kα射線(40 kV,20 mA)；Tecnai G2 F20熱場(chǎng)發(fā)射透射電鏡(FEI,American)；Quantachrome NOVA 1000-TS型比表面積和孔徑分布儀；SSC-5200型差熱-熱重分析儀(Perkin-Elmer，American)；Vario EL元素分析儀(Elementar, Germany).

1.2 催化劑的合成

按文獻(xiàn)[18]制備MCM-41分子篩：將1 g CTABr加入到裝有135 mL 蒸餾水、102.5 mL濃氨水溶液的三口燒瓶中，60 ℃水浴下攪拌至CTABr全部溶解，緩慢滴加5 mL TEOS.隨著硅源的水解，逐漸有白色沉淀生成，滴加完畢繼續(xù)攪拌2 h后，冷卻、過(guò)濾，二次蒸餾水洗滌白色固體至濾液呈中性， 80 ℃烘干.然后移入馬弗爐中以1 ℃·min-1的速率升溫到550 ℃，持續(xù)6 h除去有機(jī)模板劑，得到介孔分子篩MCM-41.

MCM-41分子篩負(fù)載p-TSA：100 mL圓底燒瓶中裝入上述制備的0.2 g MCM-41,0.17 gp-TSA及8 mL的蒸餾水，在80 ℃的油浴中回流12 h，倒入蒸發(fā)皿中、靜置過(guò)夜；80 ℃水浴下攪拌至蒸干、100 ℃干燥2 h，研磨，得到MCM-41負(fù)載對(duì)甲苯磺酸固體酸(記作：p-TSA/MCM-41)，備用.

1.3 檸檬酸異辛酯的合成

按比例將檸檬酸、異辛醇和催化劑加入到配有分水器和冷凝管的圓底燒瓶中，在一定溫度下反應(yīng)一定時(shí)間.反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，測(cè)酸值.分離催化劑，得到粗檸檬酸異辛酯.用4%的碳酸鈉溶液堿洗2次，分離出酯相，經(jīng)減壓蒸餾得檸檬酸異辛酯.

1.4 酯化率和收率的計(jì)算

體系酸值的測(cè)定按照GB 1668-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行.酚酞做指示劑，用氫氧化鉀-乙醇溶液滴定測(cè)定酸值，即檸檬酸完全溶解時(shí)，測(cè)定反應(yīng)體系起始酸值；加入催化劑反應(yīng)一段時(shí)間后，再測(cè)體系終止酸值.酯化率的計(jì)算如下：

其中，W0為反應(yīng)前體系的酸值(mg KOH/g);W為反應(yīng)后體系的酸值(mg KOH/g).

收率(%)=100×反應(yīng)生成物的質(zhì)量/反應(yīng)原料的總質(zhì)量.

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的表征

2.1.1 紅外光譜分析(FT-IR) 圖1分別為MCM-41(a)和p-TSA/MCM-41(b)的紅外光譜圖.曲線a中3 400,1 640,1 082,955,804,458 cm-1處為MCM-41的特征吸收峰，特別是955 cm-1處的吸收峰，是SiO2從無(wú)定形轉(zhuǎn)化成六方周期性排列的骨架所導(dǎo)致，該譜帶的存在可證明所合成的分子篩是具有MCM-41 結(jié)構(gòu)特征的介孔分子篩[19].b在1 600,1 497和1 450 cm-1處出現(xiàn)了苯環(huán)骨架的特征吸收峰；磺酸基團(tuán)在1 100～1 300 cm-1處的吸收峰由于與載體1 082 cm-1吸收峰重疊而變寬，813,684,567 cm-1處為p-TSA的特征吸收峰.以上結(jié)果表明對(duì)甲苯磺酸已被MCM-41負(fù)載.

2.1.2 X射線衍射分析(XRD) MCM-41和p-TSA/MCM-41的XRD譜圖見(jiàn)圖2.MCM-41(a)在2θ=2.5°,4.2°,4.9°,6.4°左右有4個(gè)衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于(100),(110),(200)和(210)衍射面，與文獻(xiàn)[9]報(bào)道的一維六方結(jié)構(gòu)的介孔MCM-41分子篩譜圖相一致.而p-TSA/MCM-41(b)的XRD譜圖中只有強(qiáng)的(100)晶面衍射峰2θ=2.5°，其余3個(gè)較弱衍射峰強(qiáng)度明顯降低，基本消失.可能是p-TSA覆蓋在MCM-41的孔道內(nèi)壁或外表面,引起晶格參數(shù)的變化，導(dǎo)致衍射峰強(qiáng)度降低[20].此現(xiàn)象表明，MCM-41負(fù)載p-TSA后影響了孔道結(jié)構(gòu).

圖1 MCM-41(a)和p-TSA/MCM-41(b)的紅外光譜Fig 1 FT-IR spectra of MCM-41(a) andp-TSA/MCM-41(b)

圖2 MCM-41(a)和p-TSA/MCM-41(b)的XRDFig 2 The XRD of MCM-41(a) andp-TSA/MCM-41(b)

2.1.3 透射電鏡分析(TEM) 圖3分別為MCM-41(a)和p-TSA/MCM-41(b)的TEM照片.MCM-41(a)形貌為六邊形，負(fù)載了p-TSA的MCM-41外貌仍為六邊形，與原MCM-41形貌相似，與文獻(xiàn)[21]報(bào)道的MCM-41負(fù)載前后六邊形形貌不變一致.但負(fù)載后的MCM-41分子篩表面光滑度下降，曲線b中右上處、左下處的分子篩表面附有其他物質(zhì)，有可能與負(fù)載的化合物有關(guān).

圖3 MCM-41(a)和p-TSA/MCM-41(b)的TEMFig 3 The TEM of MCM-41(a) andp-TSA/MCM-41(b)

2.1.4 N2吸附-脫附分析(BET) 表1列出了MCM-41,p-TSA/MCM-41的比表面積、孔容、孔徑.二者均有較高的比表面積，孔徑符合介孔材料的特征，但后者的比表面積、孔徑比MCM-41小，原因是負(fù)載后的MCM-41孔道內(nèi)進(jìn)入p-TSA，堵塞部分孔道所致.MCM-41分子篩的N2吸附-脫附等溫線見(jiàn)圖4a，屬典型的Ⅳ型.當(dāng)P/P0=0.25～0.35時(shí)，吸附-脫附等溫線突躍階段的陡峭程度增大，臨界點(diǎn)較小.負(fù)載p-TSA 的MCM-41的N2吸附-脫附等溫線變?yōu)棰蛐臀角€圖(4b)，最可幾孔徑位于介孔材料的邊緣.

表1 MCM-41,p-TSA/MCM-41的比表面積及孔徑Tab 1The BET results of MCM-41 and p-TSA/MCM-41

圖4 MCM-41(a)和p-TSA/MCM-41(b)的 N2吸附-脫附曲線Fig 4 N2 adsorption-desorption isotherms of MCM-41(a) and p-TSA/MCM-41(b)

2.1.5 熱分析(TGA) 對(duì)比分子篩MCM-41的TG曲線，p-TSA/MCM-41的TG曲線失重較大(圖5).25～167 ℃失重13%，主要是水的蒸發(fā)所致；167～307 ℃為部分苯環(huán)脫落，失重約為13.3%[21]；307～789 ℃主要是對(duì)甲苯磺酸完全脫除，失重21.2%.p-TSA/MCM-41中p-TSA共失重34.5%，也從側(cè)面證明，MCM-41負(fù)載p-TSA量較高，與BET結(jié)果中負(fù)載p-TSA的MCM-41在比表面積、孔容、孔徑三方面明顯降低相吻合.

圖5 MCM-41(a)和p-TSA/MCM-41(b)的熱重曲線Fig 5The TG of MCM-41(a) and p-TSA/MCM-41(b)

2.1.6 元素分析(EA) MCM-41和p-TSA/MCM-41的元素分析結(jié)果見(jiàn)表2，介孔MCM-41不含硫元素，可能吸附空氣中的CO2，含有少量的碳.負(fù)載后MCM-41中碳、氫、硫三種元素的含量均高于分子篩MCM-41，說(shuō)明p-TSA已負(fù)載在MCM-41上.

表2 元素分析數(shù)據(jù)Tab 2The date of elemental analysis

2.2 催化劑的活性評(píng)價(jià)

2.2.1 制備檸檬酸異辛酯催化劑的篩選 取檸檬酸1 g，按檸檬酸與異辛醇摩爾比1∶5、實(shí)驗(yàn)室自制不同介孔硅為催化劑(用量為檸檬酸質(zhì)量的3%)，在溫度160 ℃、反應(yīng)2.5 h的條件下，催化合成檸檬酸異辛酯，結(jié)果見(jiàn)表3.不同催化劑中p-TSA/MCM-41催化效果最好，檸檬酸異辛酯酯化率為96.7%.雖然負(fù)載型p-TSA比p-TSA催化檸檬酸異辛酯的酯化率提高了1.3%，但p-TSA為均相催化劑，反應(yīng)后不易分離，且用量大，而負(fù)載型催化劑(p-TSA/MCM-41)可克服這些缺點(diǎn).因此選擇p-TSA/MCM-41為催化劑，考察合成檸檬酸異辛酯的最佳合成條件.

2.2.2 溫度對(duì)酯化率的影響 稱取1 g 檸檬酸、30 mgp-TSA/MCM-41(檸檬酸質(zhì)量的3%)、檸檬酸與異辛醇摩爾比為1∶5、反應(yīng)2.5 h，考察不同溫度對(duì)酯化反應(yīng)的影響(圖6).隨著反應(yīng)溫度的升高，檸檬酸異辛酯收率增加.160 ℃時(shí)，檸檬酸異辛酯的酯化率可達(dá)96.7%;繼續(xù)升溫，酯化率下降，但顏色變深.反應(yīng)溫度升高，副反應(yīng)加速，影響產(chǎn)品品質(zhì)，故最佳反應(yīng)溫度為160 ℃.

表3 不同催化劑對(duì)酯化率的影響Tab 3 Influence of different catalysts on the esterification yield

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)酯化率的影響Fig 6 Effect of reaction temperature on the esterification yeild

2.2.3 酸醇摩爾比對(duì)酯化率的影響 在160 ℃、1 g檸檬酸、催化劑用量30 mg、反應(yīng)2.5 h的條件下，考察檸檬酸與異辛醇摩爾比對(duì)酯化反應(yīng)的影響.在檸檬酸異辛酯的制備中異辛醇與檸檬酸的理論摩爾比為3∶1，但酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng)，增加反應(yīng)原料用量益于酯化率的提高，因此，反應(yīng)中異辛醇的過(guò)量可提高反應(yīng)酯化率(圖7).當(dāng)異辛醇、檸檬酸摩爾比在5∶1時(shí)檸檬酸異辛酯可達(dá)96.7%；繼續(xù)增大醇酸比，酯化率反而降低.原因是反應(yīng)體系中檸檬酸濃度過(guò)低，不利于平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng).此外，異辛醇之間的脫水反應(yīng)，也不利于酯化反應(yīng).

2.2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化率的影響 圖8是溫度為160 ℃、檸檬酸為1 g、催化劑用量是檸檬酸質(zhì)量的3%、酸醇摩爾比為1∶5時(shí)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化率的影響.隨著反應(yīng)時(shí)間增加，檸檬酸異辛酯的酯化率升高，反應(yīng)2.5 h時(shí)，酯化率升至96.7%；繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，酯化率呈下降趨勢(shì).酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可引起化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，酯化率下降，因此該反應(yīng)較佳時(shí)間為2.5 h.

圖7 檸檬酸、異辛醇摩爾比對(duì)酯化率的影響Fig 7 Effect of various molar ratios of citrate acid to isooctyl alcohol on the esterification yeild

圖8 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化率的影響Fig 8Effect of reaction time on the esterification yeild

2.2.5 催化劑用量對(duì)酯化率的影響 溫度160 ℃、檸檬酸為1 g、酸醇摩爾比為1∶5、反應(yīng)2.5 h，改變p-TSA/MCM-41用量，酯化反應(yīng)結(jié)果見(jiàn)圖9.催化劑用量較少時(shí)，活性中心少，反應(yīng)不充分，酯化率較低.當(dāng)p-TSA/MCM-41用量增加至3%時(shí)，檸檬酸異辛酯酯化率最大.繼續(xù)增加催化劑的用量，過(guò)多的催化劑影響反應(yīng)活性中心之間的有效碰撞，引起酯化率下降.所以，催化劑用量為檸檬酸質(zhì)量的3%.依據(jù)元素分析中硫元素含量推斷，催化劑中活性成分p-TSA的用量為檸檬酸質(zhì)量的1.2%，低于文獻(xiàn)的報(bào)道[5，7].

在溫度160 ℃、檸檬酸1 g、酸醇摩爾比為1∶5、30 mg的p-TSA/MCM-41(檸檬酸質(zhì)量的3%)、反應(yīng)2.5 h的條件下，測(cè)試催化劑的循環(huán)利

圖9 催化劑用量對(duì)酯化率的影響Fig 9 Effect of amount of catalyst on the esterification yield

用實(shí)驗(yàn).催化劑重復(fù)使用5次，檸檬酸異辛酯酯化率分別為96.7%,88.1%,87.5%,83.2%,82.9%;收率依次為58.91%,54.22%,53.85%,51.20%,51.01%.酯化率、收率都降低，原因既與MCM-41表面有效成分p-TSA脫落有關(guān)，也與催化劑表面吸附產(chǎn)物，影響催化劑與反應(yīng)底物接觸有關(guān).

2.2.6 檸檬酸異辛酯成品分析 減壓蒸餾后的檸檬酸異辛酯為淺黃色油狀液體，折射率為1.448，符合標(biāo)樣的1.44～1.45的范圍，與文獻(xiàn)[23]報(bào)道一致.此外，由液相色譜得到該酯的純度為98.2%.

產(chǎn)品的紅外光譜見(jiàn)圖10，3 500 cm-1寬峰為—OH伸縮振動(dòng)吸收峰，2 958和2 870 cm-1為甲基和亞甲基中C—H伸縮振動(dòng)吸收峰，1 740 cm-1處的強(qiáng)吸收峰為酯基中C=O伸縮振動(dòng)峰，1 188和1 041 cm-1為酯基中C—O—C伸縮振動(dòng)吸收峰,1 109 cm-1處為叔醇C—O伸縮振動(dòng)吸收峰.這些吸收峰位置與標(biāo)準(zhǔn)檸檬酸三辛酯數(shù)據(jù)相符合[23].

圖10 產(chǎn)品檸檬酸三辛酯的紅外光譜Fig 10FT-IR of the products

3 結(jié)論

以負(fù)載型固體酸p-TSA/MCM-41為催化劑，催化合成環(huán)境友好型的檸檬酸異辛酯.經(jīng)單因素考察得出檸檬酸異辛酯制備的最佳條件：p-TSA/MCM-41為檸檬酸質(zhì)量的3%、溫度160 ℃、檸檬酸與異辛醇摩爾比為1∶5、反應(yīng)2.5 h時(shí)，檸檬酸異辛酯酯化率最高為96.7%.純化后產(chǎn)品的折光率、紅外光譜與標(biāo)準(zhǔn)檸檬酸異辛酯一致.負(fù)載催化劑具有用量少、易分離、不腐蝕設(shè)備、可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn).

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(責(zé)任編輯 陸泉芳)

Catalytic synthesis of isooctyl citrate byp-toluene sulphonic acid supported on MCM-41

CHANG Yue,SUN Shi-qi,MENG Xiao-lei,YANG Fa-cui,ZHA Fei

(Key Laboratory of Eco-Environment-Related Polymer Materials Ministry of Education，Key Laboratory of Polymer Material of Gansu Province，College of Chemistry and Chemical Engineering，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，Gansu,China)

MCM-41 supportedp-toluenesulfonic acid(p-TSA/MCM-41) are prepared by impregnation method usingp-toluenesulfonic acid and MCM-41,which is synthetised by hydrothermal crystallization method under the alkaline condition.p-TSA/MCM-41 is characterized by FT-IR,XRD,BET,TG,TEM and EA technique.It is studied as catalyst to synthesis of isooctyl citrate using single factor experiment.The results indicate that the esterification yield of isooctyl citrate can reach 96.7% under the optimum reaction conditions:the reaction temperature 160 ℃,the molar ratio of citrate acid to isooctyl alcohol 1∶5,the weight of catalyst 3% of citric acid weight,and the reaction time 2.5 h.

molecular sieve MCM-41;solid acid;isooctyl citrate;esterification

10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.01.014

2015-07-20;修改稿收到日期:2015-10-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21161017)

常玥(1970—)，女，吉林省吉林市人，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師.主要研究方向功能材料的制備及應(yīng)用.E-mail:cy70@sina.com

O 643.36

A

1001-988Ⅹ(2016)01-0062-06