肉桂酸正丁酯

2020年10月10日 17:45

   肉桂酸正丁酯又稱β-苯基丙烯酸正丁酯,具有令人愉快的微帶可可的香酯氣味,是日用香精和食用香精的主要配料,是重要的合成香料。其經典的制備方法是在硫酸催化下由肉桂酸和正丁醇酯化而成;也有采用肉桂酰氯和丁醇,吡啶存在下合成。由于硫酸具有強腐蝕性,且易引起副反應(如磺化、氧化、加成、炭化)而影響產品的產量和質量;同時酰氯不穩定,吡啶具有惡臭,生產不安全也影響產品的質量。近來也見到利用殼聚糖鈀催化由碘化苯和丙烯酸丁酯合成肉桂酸丁酯的報道,不過此催化劑昂貴,仍在實驗階段。所以研究酯化法的催化劑合成肉桂酸丁酯是主要方向。固體酸具有不揮發、保管運輸和使用方便安全的特點,備受化學工作者的關注,特別是那些難溶或不溶于有機反應體系,能夠回收和重復使用的,有“環境友好催化劑”之稱的固體酸,使用價值更大。近年來有不少化學工作者在這方面進行過研究。下面就固體酸催化合成肉桂酸正丁酯的方法進行綜合評述。

    1  磺酸催化合成肉桂酸正丁酯
    1.1  對甲基苯磺酸
    對甲基苯磺酸(p-CH3C6H4SO3H·H2O),是一種強有機酸,催化活性高,保管運輸使用方便安全,同時經濟易得,是替代無機酸的良好催化劑。許同桃利用它催化合成了肉桂酸正丁酯,其優化反應條件為:0.02mol肉桂酸、0.30mol正丁醇、1.0g催化劑,回流分水3.5h,產品收率達81.6%。但對甲基苯磺酸易溶于反應體系中,酸性仍較強,難于回收。為克服其不足,張海軍等將對甲基苯磺酸負載于活性炭上并催化合成了肉桂酸正丁酯:0.02mol肉桂酸、0.05mol正丁醇、0.8g催化劑,回流分水1h,產品產率達85.7%。他們同時也報道了硅膠固載對甲基苯磺酸的催化效果:上述反應物的用量,1.5g催化劑,回流分水45min,肉桂酸的酯化率為99.5%。這兩種固載型對甲基苯磺酸效果良好,同時回收容易,回收的催化劑仍具有較好的催化活性。為了加速反應進程,李紅纓等報道了微波作用下對甲苯磺酸催化合成肉桂酸正丁酯:0.007mol(1.Og)肉桂酸、0.014mol正丁醇、0.15g對甲基苯磺酸,利用功率為462w的微波輻射5min,肉桂酸轉化率達87.4%,反應速度大大加快。
    1.2  強酸性陽離子交換樹脂
    強酸性陽離子交換樹脂是一種高分子磺酸,很早就有催化酯化的報道,其優點為:催化劑易得,經濟,不腐蝕反應設備,不污染環境,不會引起副反應,反應溫和,操作方便、安全,催化活性高,催化劑能與反應液分離并可重復催化,具有工業使用價值,是一種良好的環境友好催化劑。早在1995年韓寶成等就報道了D72花和D61均可催化合成肉桂酸正丁酯,而且D72的活性比D61好,當肉桂酸和正丁醇的摩爾比為1:1,D72用量為20%,苯為帶水劑,回流分水5h,丁酯產率達92%,此回收樹脂重復催化10次,活性未發生變化。牛梅菊等也報道了強酸性陽離子交換樹脂催化合成肉桂酸正丁酯:當酸醇摩爾比為1:1.5,催化劑用量為12%,15%的甲苯為帶水劑,170℃回流分水3h,正丁酯的收率為93.85%,也證實樹脂重復使用10次,催化活性未發生變化。

    2  無機鹽催化合成肉桂酸正丁酯
    2.1  結晶氯化鐵及樹脂固載氯化鐵
    磺酸催化為質子酸催化,而無機鹽類的催化則因不同化合物而異,其中有一大類無機鹽(如三氯化鐵、四氯化錫)是價廉易得的Lewis酸,其金屬原子具有能與羧酸中羰基氧配位的空軌道,因而具有催化酯化作用,同時酸性較弱,對設備的腐蝕性低,環境污染低,副反應少,是替代無機酸的良好催化劑。結晶氯化鐵(FeCl3·6H2O)屬于此類化合物,它價廉易得,催化活性好。0.02mol肉桂酸、0.40mol正丁醇、0.00185mol(0.50g)催化劑,回流分水2h,肉桂酸轉化率80%。為了克服三氯化鐵在反應液中的溶解性能,丁亮中等將結晶氯化鐵固載聚氯乙烯(PVO樹脂上并催化合成了肉桂酸正丁酯:0.02mol(3.0g)肉桂酸、0.40mol正丁醇、1.5g固載樹脂,回流分水2.0h,肉桂酸正丁酯的收率達80.0%,跟未固載時相近,但此催化劑易于分離并具有重復催化性能。
    2.2  結晶四氯化錫
    跟結晶氯化鐵一樣,結晶四氯化錫(SnCl4·5H2O)也是一種具有外層空軌道的Lewis酸,具有催化酯化性能。0.02mol(2.0g)肉桂酸、0.15mol正丁醇,在0.006mol(2.0g)結晶四氯化錫作用下回流分水1.5h,肉桂酸正丁酯收率達84.4%。后來王海南等也報道了結晶四氯化錫的催化效果:肉桂酸、正丁醇與結晶四氯化錫的摩爾比為1:10:0.07,回流分水2h,產品收率達94.77%。
    2.3  鐵銨礬
    鐵銨礬即十二水合硫酸鐵銨NH4Fe(SO4)2·12H2O,它是一種穩定的晶體,除具有氯化鐵的優點外,與結晶氯化鐵不一樣,它不易吸潮,不溶于反應體系中,反應后結成疏松的固體,易于分離,操作方便,不腐蝕反應設備,反應液顏色很淺,是一種良好催化劑。0.02mol(3.0g)肉桂酸、0.40mol正丁醇、0.01mol(5.0g)催化劑,回流分水2.0h,肉桂酸正丁酯收率達80.0%。
    2.4  稀土硫酸鹽
    稀土元素同樣具有外層空軌道,我國又是稀土資源豐富的國家。夏金虹等利用稀土元素的硫酸鹽催化合成了肉桂酸正丁酯:0.015mol肉桂酸、0.045mol正丁醇、0.37mmol催化劑,回流分水2.5h,酯產率達92%。是一種較好的合成催化劑。
    2.5  結晶硫酸氫鈉(鉀)
    結晶硫酸氫鈉(NaHSO4·H2O)同樣是一種價廉易得穩定的晶體。由于在水溶液中HSO4-能電離出H+,水溶液呈酸性,與前面討論的無機鹽不一樣,它屬于質子酸催化。同時它還難溶于有機反應體系,因而對設備的腐蝕較小,易從反應液中分離,分理出的固體仍有一定催化活性。0.02mol肉桂酸、0.20mol正丁醇、0.007mol(1.0g)硫酸氫鈉,回流分水2h,肉桂酸正丁酯收率為97.5%,同時回收的硫酸氫鈉仍具有一定的催化活性。為了加速反應進程,馮喜芳等在本反應中引入微波輻射:0.02mol肉桂酸、0.16mol正丁醇、0.05g硫酸氫鈉,采用功率為340w的微波輻射25min,肉桂酸轉化率達85%。
    硫酸氫鉀與硫酸氫鈉是同一類物質,只是成本較貴。黃鎖義等同樣證實它可以催化合成肉桂酸正丁酯:肉桂酸、正丁醇和硫酸氫鉀的摩爾比為1:15:0.55,回流分水5h,酯產率達95.9%,同時也證實硫酸氫鉀具有重復催化性能。

    3  固體超強酸催化合成肉桂酸正丁酯
    超強酸是酸度比100%硫酸更強的酸。固體超強酸具有不腐蝕反應設備、不污染環境、不怕水、耐高溫、反應活性高、選擇性好、制備容易、在反應體系中易分離、能夠重復使用與再生、不易中毒等優點,具有一定的工業使用價值。張海軍等利用固體超強酸S2O82-/TiO2催化合成了肉桂酸正丁酯:0.02mol肉桂酸、0.050mol正丁醇、0.8g催化劑,回流分水90min,肉桂酸酯化率為98.48%,同時該催化劑具有良好的重復催化性能。蔣濤等利用固體超強酸Fe2O3/SO42-催化合成了肉桂酸正丁酯,其優化條件為:0.05mol肉桂酸、0.10mol正丁醇、0.08g催化劑,回流分水1.5h,產品收率為98.7%以上。同時發現該催化劑重復使用3次,活性未發生變化。
    為了增大固體超強酸的比表面,調節其酸強度和酸密度,改善其催化活性、穩定性及壽命等性能,近年來不少化學工作者對固體超強酸的改性進行了研究。夏金虹報道了稀土改性的固體超強酸SO42-/TiO2/La3+催化合成肉桂酸正丁酯:當0.015mol肉桂酸,0.045mol正丁醇,1.5g催化劑,回流分水2.5h,產品產率達92%,同時其重復催化效果良好。

    4  雜多酸催化合成肉桂酸正丁酯
    雜多酸是多核多催化活性中心的固體酸,在有機反應中具有催化活性高,選擇性好,能與產品分離,不污染環境,不腐蝕設備,能夠重復使用,可回收再生等優點,是替代無機酸的良好催化劑。丁宏遠等利用磷鎢酸HPW(H3PO4·12WO3·12H2O)催化合成了肉桂酸正丁酯:醇酸摩爾比為5:1,HPW為丁醇的3%,回流分水4h,肉桂酸轉化率為98.5%,產率達85%-87%。同時發現在相同反應條件磷鎢酸與其他幾種固體酸的活性次序為HPW>SnCl4·5H2O>NH4Fe(SO4)2·12H2O>SO42-/ZrO2。吳慶銀發現鎢鍺雜多酸可催化合成肉桂酸正丁酯:0.067mol肉桂酸、0.091mol正丁醇、0.8g催化劑,10ml苯為帶水劑,回流分水2h,肉桂酸酯化率為84.6%。張富捐報道了鎢硅酸催化合成肉桂酸正丁酯:0.05mol肉桂酸、0.10mol正丁醇、1.0g催化劑,8ml苯為帶水劑,回流分水110min,肉桂酸酯化率為96%。
    由于雜多酸的比表面較小,不易與產品分離,回收較困難,將雜多酸固載化有利于增大雜多酸的比表面,改善其催化活性,有利于再利用和回收。因此,固載型雜多酸成為近年來研究者熱衷的環境友好催化劑。楊水金等也報道了雜多酸鹽TiSiW12O40/TiO2催化合成肉桂酸正丁酯;當醇酸摩爾比為4:1時,催化劑為反應物用量的2.0%,回流分水2h,肉桂酸正丁酯產率達81.2%,同該催化劑重復使用多次活性幾乎不發生變化。
    5  結束語
    肉桂酸正丁酯是一種重要的合成香料,用途廣泛。前面討論的各種固體酸催化劑,雖各有利弊,但絕大多數效果良好,有的可以回收和重復使用,是良好的環境友好催化劑,有的作者引入微波技術使反應速度大大加快,只要深入進行研究可以開發出適用于工業生產的良好催化劑及使用技術。