對甲苯磺酸催化合成類辣椒素的工藝研究

雍達(dá)明，金黨琴，羅志臣，楊瑞洪，袁書婷，韓曉軍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工與化學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150006；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

辣椒素亦稱辣椒堿或辣素，是辣椒中引起辛辣味的主要物質(zhì)，有“軟黃金”之稱[1-2]。天然辣椒素具有抗腫瘤、消炎鎮(zhèn)痛、抗疲勞和良好的抗病菌作用[3-5]，在食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥、輕工等行業(yè)具有廣闊的市場應(yīng)用前景。在食品中可作為添加劑和防腐劑，也可用于辣椒醬、辣椒油等的生產(chǎn)[6]；作為特種涂料添加劑，也可防止海洋生物對船體的附著、腐蝕[7-8]；同時(shí)，辣椒素作為食品添加劑，可以有效控制食品的辣度以及人體對辣椒素的充分吸收和利用。

目前，辣椒素提取方法主要包括有機(jī)溶劑萃取、酸堿法提取、酶法提取、超臨界萃取、超聲波或微波輔助提取等[9-13]。但由于天然辣椒素資源有限，產(chǎn)品分離純化困難，所以，合成辣椒素及其類似物逐漸成為研究的熱點(diǎn)。N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺及其聚合物具有與天然辣椒素相同的抑菌作用，其合成方法是以N-羥甲基丙烯酰胺分子中的羥基與鄰苯二酚的芳環(huán)發(fā)生Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)來制備[14]。在Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)中以醇為烷基化試劑時(shí)，常用HF、H2SO4、H3PO4等質(zhì)子酸為催化劑[15]。吳曉靜等[16]以濃H2SO4為催化劑，考察該反應(yīng)機(jī)理，并對過渡態(tài)、中間體和產(chǎn)物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)確認(rèn)。張智嘉等分別以AlCl3和H2SO4為催化劑，合成N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺單體，并對其抑菌性能進(jìn)行了考察。由于H2SO4和AlCl3具有腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境等缺點(diǎn)，本文選用與硫酸酸性相當(dāng)?shù)膶妆交撬?p-toluene sulfonic acid，簡稱PTSA)為合成催化劑，與硫酸相比不具有氧化性和對設(shè)備的腐蝕性，是一種可以替代硫酸的催化性能良好的酸性催化劑，反應(yīng)式如下：

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

鄰苯二酚(分析純)：阿拉丁試劑有限公司；N-羥甲基丙烯酰胺、無水乙醇(分析純)：成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司；對甲苯磺酸(分析純)：上海國藥集團(tuán)。

DF-1型集熱式磁力加熱攪拌器 上海紅星儀器有限公司；Avance III 400M 核磁共振波譜儀 瑞士Bruker公司；670-IR+610-IR型傅里葉變換紅外吸收光譜儀 美國Varian公司。

1.2 類辣椒堿N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺的合成

分別稱取11.0 g鄰苯二酚和25.3 g N-羥甲基丙烯酰胺于100 mL四口燒瓶中，加無水乙醇溶解，再加入0.5 g對甲苯磺酸催化劑，安裝回流冷凝管、溫度計(jì)。將四口燒瓶置于磁力加熱攪拌器油浴中，開動(dòng)攪拌，加熱至35～40 ℃，體系中逐漸有白色固體產(chǎn)生，反應(yīng)10～15 d后，停止加熱，攪拌下冷卻至15 ℃以下。減壓過濾，無水乙醇洗滌3次，固體經(jīng)壓干、真空干燥得白色固體，即為目標(biāo)產(chǎn)物類辣椒堿N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺。

1.3 產(chǎn)物的表征

將1.2所制得的粗產(chǎn)物用體積分?jǐn)?shù)為25%的乙醇水溶液重結(jié)晶2次，得到白色固體，并對其進(jìn)行物性測試及結(jié)構(gòu)表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同催化劑對產(chǎn)品收率的影響

為了提高產(chǎn)物的收率，需要對實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化?？疾炝?種催化劑對產(chǎn)物收率的影響，5種催化劑分別為濃硫酸、無水三氯化鋁、硫酸氫鉀、對甲苯磺酸、氨基磺酸，鑒于濃硫酸的氧化性、腐蝕性以及對環(huán)境的污染，選擇了與硫酸酸性相接近的對甲苯磺酸、氨基磺酸兩種常用的酸性催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以考察不同催化劑對產(chǎn)品收率的影響。操作條件同1.2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同催化劑對產(chǎn)品收率的影響Table 1 Effect of different catalysts on the product yield

由表1可知，所選的5種催化劑中，AlCl3催化性能最低，產(chǎn)物的產(chǎn)率為50.6%，這是由于AlCl3與反應(yīng)物鄰苯二酚發(fā)生了反應(yīng)，形成了加成物而降低了其催化性能。NH2SO3H、KHSO4和H2SO4作為催化劑，產(chǎn)物的產(chǎn)率沒有明顯差別，分別為74.5%、72.2%和71.5%，NH2SO3H和KHSO4比H2SO4催化性能略高。在所用的5種催化劑中，PTSA作為催化劑產(chǎn)物的收率最高，為75.6%，可見在此體系中使用PTSA作為催化劑催化性能最好、產(chǎn)品收率最高，并且PTSA與其他幾種催化劑比較，腐蝕性非常小，所以，選擇PTSA為本實(shí)驗(yàn)的催化劑。

2.2 反應(yīng)物摩爾比對產(chǎn)品收率的影響

除了考察催化劑對產(chǎn)物收率的影響，本實(shí)驗(yàn)還考察了反應(yīng)原料的摩爾比對產(chǎn)物收率的影響。固定反應(yīng)物鄰苯二酚11.0 g(0.1 mol)，PTSA催化劑0.4 g，通過調(diào)整N-羥甲基丙烯酰胺的用量使n(N-羥甲基丙烯酰胺)∶n(鄰苯二酚)為2∶1、2.05∶1、2.1∶1、2.15∶1、2.2∶1、2.25∶1、2.3∶1、2.35∶1和2.4∶1時(shí)，對所制備的產(chǎn)物收率進(jìn)行比較。催化劑選用PTSA，其他操作同1.2，考察反應(yīng)物摩爾比對產(chǎn)品收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 反應(yīng)物摩爾比對產(chǎn)品收率的影響Fig.1 Effect of molar ratio of reactants on the product yield

由圖1可知，隨著N-羥甲基丙烯酰胺加入量的增加，即n(N-羥甲基丙烯酰胺)與n(鄰苯二酚)的比值增大，所得產(chǎn)物的收率明顯提高，當(dāng)比值為2.3∶1時(shí)，收率達(dá)到最大，當(dāng)摩爾比超過2.3∶1之后，產(chǎn)物收率不再發(fā)生明顯變化，與2.3∶1產(chǎn)物收率基本一致，基于此，本體系選擇n(N-羥甲基丙烯酰胺)與n(鄰苯二酚)的最佳摩爾比為2.3∶1。

2.3 催化劑用量對產(chǎn)品收率的影響

催化劑的用量是影響產(chǎn)物收率的重要指標(biāo)之一，通過改變催化劑的用量，對比所得產(chǎn)物的收率，來確定本體系最佳催化劑的用量。在一定的反應(yīng)條件下，鄰苯二酚為11.0 g(0.1 mol)，N-羥甲基丙烯酰胺為23.2 g(0.23 mol)，反應(yīng)溫度為40 ℃，反應(yīng)時(shí)間為15 d，改變催化劑PTSA用量，催化劑的用量分別為0.15，0.20，0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60 g，其他操作同1.2?？疾齑呋瘎┯昧繉Ξa(chǎn)物收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 PTSA用量對產(chǎn)品收率的影響Fig.2 Effect of the amount of PTSA on the product yield

由圖2可知，PTSA對本反應(yīng)體系具有良好的催化活性，隨著催化劑加入量的增加，產(chǎn)品收率得到了大幅度提高，當(dāng)催化劑用量超過0.5 g后，繼續(xù)增加催化劑的用量，產(chǎn)物收率提高幅度不大，與0.5 g得到的收率基本持平。因此，根據(jù)催化劑使用原則，本體系選擇的催化劑最佳用量為0.5 g(約為鄰苯二酚質(zhì)量的4.55%)。

2.4 反應(yīng)溫度對產(chǎn)品收率的影響

反應(yīng)溫度對有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行具有決定性的影響，溫度過低，反應(yīng)不能進(jìn)行；溫度過高，雖然能加速反應(yīng)的進(jìn)行，但同時(shí)也會(huì)加快副反應(yīng)的進(jìn)行，降低目標(biāo)產(chǎn)物的收率。為考察反應(yīng)溫度對產(chǎn)品收率的影響，在一定的反應(yīng)條件下，固定鄰苯二酚為11.0 g(0.1 mol)，n(N-羥甲基丙烯酰胺)∶n(鄰苯二酚)為2.3∶1，催化劑PTSA用量為0.5 g，反應(yīng)時(shí)間為15 d，其他操作同1.2。通過改變反應(yīng)溫度，分別設(shè)置20，25，30，35，40，45 ℃，考察不同反應(yīng)溫度對產(chǎn)品收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)溫度對產(chǎn)品收率的影響Table 2 Effect of reaction temperature on the product yield

由表2可知，隨著反應(yīng)溫度逐漸升高，產(chǎn)品收率明顯增加，但當(dāng)溫度超過40 ℃后，收率隨著溫度的升高反而下降，這是由于提高反應(yīng)溫度，不僅提高了主反應(yīng)的速率，而且也增加了副反應(yīng)的速率。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)溫度超過45 ℃以后，產(chǎn)物的顏色逐漸變深，可見副反應(yīng)隨著反應(yīng)溫度的升高而加重。對比反應(yīng)溫度為35 ℃和40 ℃，產(chǎn)物收率相近，分別為76.1%和76.7%，但在溫度達(dá)到40 ℃時(shí)，產(chǎn)物的顏色已經(jīng)略有黃色，故本體系選擇的最佳反應(yīng)溫度為35 ℃。

2.5 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)品收率的影響

反應(yīng)時(shí)間作為化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)主要條件，對反應(yīng)產(chǎn)物的收率也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本實(shí)驗(yàn)考察了反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物收率的影響。反應(yīng)條件：鄰苯二酚11.0 g(0.1 mol)，n(N-羥甲基丙烯酰胺)∶n(鄰苯二酚)為2.3∶1，催化劑PTSA用量0.5 g，反應(yīng)溫度35 ℃，改變反應(yīng)時(shí)間，時(shí)間分別設(shè)定為2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12 d，其他操作同1.2。考察反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)品收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)品收率的影響Fig.3 Effect of reaction time on the product yield

由圖3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，產(chǎn)品收率不斷增加，但當(dāng)超過10 d以后，收率提高不顯著，從節(jié)約能源和時(shí)間角度考慮，選取最佳反應(yīng)時(shí)間為10 d。

2.6 最佳工藝條件驗(yàn)證

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，PTSA催化下由鄰苯二酚與N-羥甲基丙烯酰胺制備類辣椒素N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺的最佳工藝條件：鄰苯二酚用量為11.0 g(0.1 mol)，n(鄰苯二酚)∶n(N-羥甲基丙烯酰胺)為1∶2.3，催化劑PTSA用量為鄰苯二酚質(zhì)量的4.55%，最佳反應(yīng)溫度為35 ℃，最佳反應(yīng)時(shí)間為10 d。為驗(yàn)證此工藝條件，進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化條件下的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Repeatability experimental results under optimized conditions

由表3中5次平行實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知，最佳工藝條件具有良好的重復(fù)性和可靠性，產(chǎn)品5次平均收率為76.2%，超過76%。

2.7 產(chǎn)物的物性測試及結(jié)構(gòu)表征

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表征采用KBr壓片法，由670-IR+610-IR型傅里葉變換紅外吸收光譜儀進(jìn)行測定，結(jié)果見圖4。由圖4可知，3412.13 cm-1是羥基vO-H伸縮振動(dòng)吸收峰，3287.62 cm-1為vN-H伸縮振動(dòng)吸收峰，3001.34 cm-1為烯烴δCC-H彎曲振動(dòng)吸收峰，1656.65 cm-1為酰胺vCO伸縮振動(dòng)吸收峰，1608.76，1560.71，1529.34，1459.06 cm-1為苯環(huán)骨架vC C伸縮振動(dòng)吸收峰，1290.55 cm-1為酚羥基vC-O伸縮振動(dòng)吸收峰，967.18 cm-1為端烯烴特征吸收峰。

圖4 產(chǎn)品的IR譜圖Fig.4 The IR spectrum of the product

產(chǎn)品的核磁共振氫譜數(shù)據(jù)測定(DMSO-d6為溶劑，600 Hz，TMS)如下：δ8.81(1H，s，酚羥基的O-H)，8.41～8.42(1H，t，酰胺基N-H)，6.63(1H，s，Ph-H)，6.24～6.27(1H，q，=CH-)，6.10～6.13(1H，q，=C-H)，5.59～5.61(1H，q，=C-H)，4.21～4.22(2H，d，-CH2-)。

結(jié)合反應(yīng)物原料的結(jié)構(gòu)式、產(chǎn)品的IR與1H NMR譜圖結(jié)果，數(shù)據(jù)符合N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺的結(jié)構(gòu)特征。

3 結(jié)論

以無水乙醇為溶劑，對以甲苯磺酸為催化劑，以鄰苯二酚和N-羥甲基丙烯酰胺為原料合成類辣椒素N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺的最佳工藝條件：鄰苯二酚為11.0 g(0.1 mol)，n(鄰苯二酚)∶n(N-羥甲基丙烯酰胺)為1∶2.3，對甲苯磺酸用量為鄰苯二酚質(zhì)量的4.55%，35 ℃下反應(yīng)10 d，產(chǎn)品收率達(dá)到76%以上。

對甲苯磺酸的酸性與濃硫酸相當(dāng)，在催化鄰苯二酚與N-羥甲基丙烯酰胺反應(yīng)中具有良好的催化活性，且對設(shè)備無腐蝕，對原料及產(chǎn)品無氧化、碳化作用，環(huán)境友好，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。