对羟基肉桂酸催化合成条件的研究DD汇编.docx

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对羟基肉桂酸催化合成条件的研究DD汇编

本科毕业论文（设计）

（2015届）

题目：

对羟基肉桂酸催化合成条件的研究

学院：

化学化工学院

专业：

应用化学

学生姓名：

GG学号：

21107031014

指导教师：

JG职称（学位）：

助教

合作导师：

职称（学位）：

完成时间：

2015年5月19日

成绩：

JG学院教务处制

学位论文原创性声明

兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。

本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。

本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。

声明人（签名）：

年月日

目录

1引言3

1.1对羟基肉桂酸合成的改进3

1.1.1传统催化方法3

1.1.2新型离子液体催化剂的特点3

2.1试剂与仪器4

2.2实验原理5

2.3实验方法与步骤5

2.3.1离子液体催化剂的制备5

2.3.2实验步骤5

2.3.3产率的计算6

3实验结果与讨论6

3.1单因素变化对酯化率的影响6

3.1.1催化剂种类对产率的影响6

3.1.2反应温度比对实验结果的影响8

3.1.3催化剂的用量对实验结果的影响9

3.1.4反应物的物质量之比对实验结果的影响10

3.2Box-Behnken设计-效应面法优化合成条件11

3.2.1实验数据与结果11

3.2.2二项式方程数学模型拟合12

3.2.3效应面优化与验证实验13

分析16

4结论17

参考文献18

致谢19

对羟基肉桂酸的催化合成条件的研究

化学化工学院应用化学端GG（21107031014）

指导教师：

黄GJ（助教）

摘要：

以对羟基苯甲醛和丙二酸为原料合成对羟基肉桂酸，通过试验研究了催化剂种类、反应时间、反应温度、反应物摩尔比、催化剂用量等条件对反应的影响。

实验结果表明最佳条件为：

离子液体作为催化剂，其用量为1ml，丙二酸与对羟基苯甲醛摩尔比为1.5:

1，反应时间60min，反应温度85℃。

该条件下其产率可以高达87.38%。

该方法工艺简单，反应所用的时间较短，反应所需的温度便于控制，催化剂可回收再利用，用于工业生产中可以带来较高的收益。

关键词：

对羟基肉桂酸；丙二酸；对羟基苯甲醛；离子液体；合成

Stadyonp-hydroxycinnamicacidCatalyticsynthesiscondition

Collegeofchemistryandchemicalengineeringappliedchemistry

DuanGH（21107031014）Director：

HuanGH（Assistant）

Abstract:

Usingofhydroxybenzaldehydeandmalonicacidasarawmaterialforthesynthesisofhydroxycinnamicacid,throughtheexperimentstudytheeffectofkindsofcatalyst,reactiontime,reactiontemperature,molarratioofreactants,amountofcatalyst,andsoonthereaction.Theexperimentalresultsshowedthattheoptimumconditionswere:

ionicliquidasthecatalyst,thedosageof1ml,propyleneacidandthemolarratioof1.5:

1,reactiontime60min,reactiontemperature85.Underthiscondition,theyieldcanbeashighas87.38%.Themethodissimple,thereactiontimeisshorter,thetemperatureofthereactioniseasytobecontrolled,thecatalystcanberecycledandusedforindustrialproduction,whichcanbringhigherreturns.

Keywords:

Thesynthesisofhydroxylcinnamonacid;propyleneacid;formaldehyde;ionicliquid;

1引言

对羟基肉桂酸是一种呈白色或淡黄色的粉末状物体，在医学、农药、化工方面有重要的应用。

医药方面，可用于祛痰新药杜鹃素的合成。

用作生产冠心病治疗药物可心定的中间体，以及用于制造局部麻醉剂、杀菌剂和止血药等；农业方面在农药行业用于生产植物生长促进剂、长效杀菌剂和果蔬保鲜防腐剂。

化妆品方面，用在化妆品里面抑制黑色素的生成。

化工方面，对羟基肉桂酸是很重要的香精香料。

还是一种强效的导电材料，在液晶显示器工业中近年来研究广泛。

作为一种重要的化工原料，对羟基肉桂酸的合成条件的研究直接关系到对羟基肉桂酸的产率，据有关广阔的市场前景。

近年来，对羟基肉桂酸在医学上和化妆品等的用途体现出来，对羟基肉桂酸对酪氨酸酶具有明显的抑制作用,可抑制酪氨酸酶单酚酶的稳态活力和二酚酶活力，络氨酸酶是合成黑色素的关键酶，抑制络氨酸酶对美白化妆品等的作用显而易见。

在医学上，阿魏酸和对羟基肉桂酸通过多种机制发挥抗肿瘤作用，抑制一氧化氮合酶和清除氧自由基等，从而影响肿瘤细胞凋亡、侵袭、转移等，因此研究肉桂酸的合成条件，在医学上，工业上都有很大的发展潜力和应用前景。

选择出最好的反应条件以及最环保的反应方式也是国内外一致追求的合成对羟基肉桂酸的方式。

1.1对羟基肉桂酸合成的改进

1.1.1传统催化方法

天然提取合成对羟基肉桂酸的产率很低，很难达到工业上的需求。

金继曙等，采用以对羟基苯甲醛与丙二酸为原料,按照Knoevenagel-doebner反应合成了对羟基肉桂酸，但是反应的产率仅为50％，Knoevenagel-doebner反应法是通过对羟基苯甲醛与苯二酸为原料，在吡啶的弱碱性催化下缩合得到对羟基肉桂酸。

许敬英，杨志国等，采用了微波合成以对羟基苯甲醛、丙二酸为原料，甲苯、吡啶作为溶剂,苯胺作催化剂合成了对-香豆酸，产率可以达到72.76%。

1.1.2新型离子液体催化剂的特点

离子液体具有很多突出的优点:

（1）呈液体的温度区间大,部分离子液体的熔点甚至低于-96℃,液程宽达40℃；

（2）能溶解许多无机、有机、金属有机物和高分子材料等,而且溶解度很大,可以达到很高的浓度；（3）不易挥发,几乎没有蒸汽压,可以用于高温和高真空体系,且在实验过程中不会产生对人体有害和环境污染的气体；（4）较好的化学稳定性,大部分离子液体的热分解温度都在30℃以上；（5）较宽的电化学稳定电位窗口；（6）通过设计阴阳离子的结构可将其酸度调至超强酸；（7）密度大,可与某些溶剂形成两相或多相体系,易分相,适合用作催化剂、介质、分离溶剂或构成反应/分离耦合新体系。

由于这些特殊的性质,离子液体与超临界CO2和双水相一起构成三大绿色溶剂与催化介质,具有广阔的应用前景。

离子液体是一类新颖的溶剂,不仅能够代替挥发性有机溶剂广泛应用于电化学、合成、分离过程中,而且可以作为催化剂、支撑试剂应用于有机合成中,因此成为近年来化学化工领域的研究热点。

用新型的离子液体催化剂催化合成对羟基肉桂酸的方法，不仅可以是催化剂的用量减少，而且催化剂可以完全回收，催化效率也比传统方法要高，对环境几乎没有污染。

降低合成对羟基肉桂酸的成本的同时加快合成的速率，是一种新型的催化方法。

2实验部分

2.1试剂与仪器

表3-1实验试剂

实验试剂

试剂纯度

试剂生产厂商

对羟基苯甲醛

化学纯（CP）

国药集团化学试剂有限公司

丙二酸

化学纯（CP）

北京化工厂

乙酸乙酯

分析纯（AR）

国药集团化学试剂有限公司

1-甲基咪唑

分析纯（AR）

上海晶纯试剂有限公司

1,3-丙磺酸内酯

分析纯（AR）

AladdinIndustrialCorporation

浓硫酸

分析纯（AR）

西陇化工有限公司

吡啶

苯胺

环己烷

分析纯（AR）

分析纯（AR）

分析纯（AR）

天津博迪化工股份有限公司

国药集团化学试剂有限公司

国药集团化学试剂有限公司

表3-2实验仪器

实验仪器

仪器型号

生产厂商

智能恒温磁力搅拌器

ZNCL-S

巩义市予华仪器有限责任公司

真空水循环泵

SHZ-D

巩义市予华仪器有限责任公司

红外光谱仪

Nicolet380

美国尼高力公司

马弗炉

SX-25-12

金坛市荣华仪器制造有限公司

电子天平

ELB2000

日本岛津公司

2.2实验原理

本实验原理即为1-甲基咪唑与1,3-丙磺酸内酯反应生成离子液体催化剂1-（3-磺酸）丙基-3-甲基咪唑硫酸氢盐[HSO3-pmim]+[HSO4]−，在离子液体催化剂的催化条件下，对羟基苯甲醛与丙二酸发生缩合反应，生成对羟基肉桂酸，本实验利用了离子液体催化剂，使反应速率更快，产率更高。

2.3实验方法与步骤

本实验为多因素多水平实验，故采取响应面试验法可提高实验效率，是一种快速，经济的实验设计方法。

实验的因素有催化剂种类、反应物摩尔比、反应时间、反应温度，催化剂有吡啶、吡啶与苯胺、离子液体催化剂，反应物的摩尔比分别为1：

1,、1：

1.5、1:

2，反应时间分别是40min、60min、80min，反应温度分别为80℃、85℃、90℃。

2.3.1离子液体催化剂的制备

称取18.3g1,3-丙磺酸内酯、100ml乙酸乙酯加入到500ml的三口沙盘瓶内，装上滴液漏斗、温度计、磁力搅拌子，在水浴锅内加热升温，至50℃时缓慢滴加1-甲基咪唑，滴加完毕后保持温度在70-80℃，反应2h，减压抽滤，并用乙酸乙酯冲洗，置于100℃烘箱内干燥4h，得到白色固体为1-（3-磺酸基）丙基-3-甲基咪唑盐（MIM-PS）。

称取10.2gMIM-PS加入到250ml三口烧瓶中，加入50ml蒸馏水，室温下将3.0ml的浓硫酸缓慢加入到反应液中，水浴升温至90℃反应2h，旋转蒸发出去水分得到的黄色粘稠状液体即为离子液体催化剂。

2.3.2实验步骤

实验过程：

按实验比例将对羟基苯甲醛和丙二酸加入到环己烷的溶剂中，放入有磁子搅拌器、温度计、和回流冷凝管的水浴锅的反应装置中，加热升温至反应温度后加入催化剂，反应至实验设计时间。

干燥过程：

反应所得到的白色粉末状的固体，湿度较大，放入100℃的烘箱内，烘干1h得到的白色粉末状固体即为所要的产品。

2.3.3产率的计算

产率的测定：

待反应完成时，冷却至10℃左右，抽滤，用少量的环己烷淋洗，得到产物，干燥后称取产物的质量。

产率=实际质量／理论质量×100％

3实验结果与讨论

3.1单因素变化对酯化率的影响

3.1.1催化剂种类产产率的影响

分别使用吡啶、吡啶与苯胺、离子液体催化剂为催化剂，催化剂用量为1ml吡啶，0.5ml和0.5ml苯胺，1ml离子液体，在烧瓶中依次加入1.22g（0.01mol）对羟基苯甲醛、1.16g（0.015mol）丙二酸和10ml环己烷作为溶剂，在反应温度为85℃，反应时间为1小时，研究催化剂种类对产率的影响。

表3-1催化剂种类对产率的影响

序号

催化剂种类

产率/%

1

吡啶

44.21

2

吡啶与苯胺

59.82

3

离子液体

86.61

图3-1催化剂种类对实验结果的影响

由以上图表可知在其他条件相同的情况下，单一的吡啶作为催化剂催化时的产率是44.21%，当使用吡啶与苯胺同时作为催化剂时，催化效果达到59.82%。

离子液体的催化效率最好，达到86.61%，可见离子液体的催化效率最高。

3.1.2反应时间对产率的影响

固定对羟基苯甲醛和丙二酸的物质量比为1：

1.5，离子液体为催化剂，催化剂用量1ml，反应温度为85℃，改变反应时间，对产率的影响。

表3-2反应时间比对实验结果的影响

序号

反应时间/min

产率/%

1

40

79.12

2

60

86.64

3

80

82.01

4

100

81.19

图3-2反应时间比对实验结果的影响

由以上图表可知，当反应时间为40min时反应的产率为79.12%，当反应时间为60min时，反应的产率到达了最高点为86.64%，随着反应时间的延长，副反应开始发生，80min时产率为82.01%，100min时为81.19%，可以得到60min为应的最佳时间。

3.1.3反应温度对产率的影响

固定反应时间为1h，对羟基苯甲醛和丙二酸摩尔比为1:

1.5，离子液体为催化剂，催化剂用量为1ml研究温度的改变对产率的影响。

表3-3反应温度对实验结果的影响

序号

反应温度/℃

产率/%

1

80

83.18

2

85

86.89

3

90

82.47

4

95

80.01

图3-3反应温度比对实验结果的影响

由以上图表可知当反应温度为80℃时，产率为83.18%，随着温度的上升，到达85℃时为86.89%，产率几乎达到了最大值。

在随着温度的上升，产率逐渐变小，可以得到85℃是反应的最佳反应温度。

3.1.4催化剂用量对产率的影响

固定对羟基苯甲醛和丙二酸摩尔比为1:

1.5应时间为1h，反应温度为85℃，观察催化剂用量对产率的影响。

表3-4催化剂用量对实验结果的影响

序号

催化剂用量（ml）

产率%

1

0.5

78.12

2

1.0

86.74

3

1.5

86.68

4

2.0

86.65

图3-3催化剂用量对实验结果的影响

图3-4催化剂的用量对实验结果的影响

由上图可知，当催化剂的用量为0.5ml时，反应的产率为78.12%，增加至1ml时，反应的产率为86.74%，随着催化剂的增加，产率趋于平稳。

催化剂的用量为1.5ml，2ml时，产率几乎不再改变，可以得到最佳的催化剂的用量为1.0ml。

3.1.5反应物摩尔比对产率的影响

固定反应时间为1h，反应温度为85℃，催化剂的用量为1ml，改变反应物的物质量之比，得到的结果如下。

表3-4反应物的物质量之比对实验结果的影响

序号

丙二酸：

对羟基苯甲醛

产率%

1

0.5：

1

65.02

2

1:

1

83.29

3

1.5:

1

86.92

4

2:

1

86.21

图3-4反应物的物质量之比对实验结果的影响

由上图可知，当丙二酸和对羟基苯甲醛的物质量之比为0.5:

1是，反应的产率较低，为65.02%，当两者物质量之比为1:

1时，反应的产率是83.29%，当两者比为1:

1.5，几乎达到了最大值，产率为86.92，当两者比为2:

1时，产率趋于不变。

所以可以得到，最佳的物质量之比为丙二酸：

对羟基苯甲醛=1.5:

1。

3.2Box-Behnken设计-效应面法优化合成条件

3.2.1实验数据与结果

对羟基肉桂酸在催化合成的过程中，反应物的摩尔比、反应时间、反应温度、催化剂的用量均会对产率产生影响，故把这四个因素同时作为考察因素。

实验的影响因素和水平表见表3-5。

表3-5因素与水平表.

水平

实验因素

A反应物的摩尔比

B反应时间/min

C反应温度/℃

D催化剂用量/ml

-1

1:

1

40

80

0.5

0

1.5:

1

60

85

1

1

2:

1

80

90

1.5

表3-7Box-Behnkens实验数据与结果

编号

A反应物摩尔比/1

B反应时间/min

D催化剂用量/ml

产率/%

1

2

3

2

1.5

2

40

60

60

1

1.5

1

77.21

84.18

82.24

4

1

80

1

78.02

5

6

7

1.5

1.5

1

80

80

40

0.5

1.5

1

80.33

82.01

78.56

8

1.5

60

1

86.74

9

1.5

80

1

83.78

10

1.5

40

1

77.11

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

1.5

1.5

1

1.5

2.0

1.5

1.5

2.0

1.5

1.5

1.5

2.0

1.5

1

1.5

1

1.5

1

2

60

60

60

60

60

40

80

60

60

40

40

80

60

60

60

60

60

60

60

1

1

1.5

0.5

1.5

1

1

0.5

1

1.5

0.5

1

0.5

1

1.5

1

1

0.5

1

86.64

86.51

76.32

80.64

82.14

78.91

84.31

81.46

86.89

79.12

76.53

81.24

80.45

82.45

84.21

80.14

86.92

79.32

82.96

3.2.2二项式方程数学模型拟合

完成效应面法随机设计29组实验，分别将产率填入表中。

得到上表3-7，利用软件Design-Expert8.0.6对实验数据（A、B、C、D）进行拟合分析，得到二项式方程拟合：

Y=86.74+1.04A+1.85B+1.06C+0.77D+1.14AB-0.40AC+0.92AD+0.23BD-0.04CD-3.68A2-4.3B2-1.27C2-3.1D2（R2=0.9007）；

多元线性回归方程：

Y=85.98+0.52A-0.071B+1.84C+2.72D（R2=0.8824）；比较两者R2大小，二项式方程拟合理想。

通过删除不显著因素t，可将二项式方程拟合简化为：

Y=86.74+1.04A+1.85B+0.16C+0.77D-3.68A2-4.3B2-1.27C2-3.1D2（R2=0.8648）；

3.2.2二项式方程数学模型拟合

完成效应面法随机设计29组实验，分别将产率填入表中。

得到上表3-7，利用软件Design-Expert8.0.6对实验数据（A、B、C、D）进行拟合分析，得到二项式方程拟合：

Y=85.88+0.52A-0.071B+1.84C+2.72D-0.19AB+AC+0.3AD+0.055BC+0.25CD-3.29A2-1.57B2-3.5C2-3.57D2（R2=0.9376）；

多元线性回归方程：

Y=85.98+0.52A-0.071B+1.84C+2.72D（R2=0.8916）；比较两者R2大小，二项式方程拟合理想。

通过删除不显著因素t，可将二项式方程拟合简化为：

Y=85.88+0.52A-0.071B+1.84C+2.72D-3.29A2-1.57B2-3.5C2-3.57D2（R2=0.9226）；

表3-8回归方程的方差分析

方差来源

平方和

自由度

均方

F值

P值Pro>F

Model

271.10

14

19.36

9.07

＜0.0001

A-反应物摩尔比

12.90

1

12.90

6.04

0.0276

B-反应时间

41.26

1

41.26

19.32

0.0006

C-反应温度

0.33

1

0.33

0.15

0.7015

D-催化剂用量

7.13

1

7.13

3.34

0.0890

AB

5.22

1

5.22

2.45

0.1402

AC

0.63

1

0.63

0.30

0.5949

AD

3.39

1

3.39

1.59

0.2285

BC

1.36

1

1.36

0.64

0.4386

BD

0.21

1

0.21

0.097

0.7601

CD

6.4000E-003

1

6.4000E-003

2.998E-003

0.9571

A2

87.88

1

87.88

41.16

＜0.0001

B2

119.77

1

119.77

56.10

＜0.0001

C2

10.39

1

10.39

4.87

0.0446

D2

62.32

1

62.32

29.19

＜0.0001

残差

29.89

14

2.13

失拟性

29.77

10

2.98

101.09

0.0002

纯误差

0.12

4

0.059

总差

300.99

28

注：

非常显著P<0.01，显著P<0.05

由上表方差分析不难得出：

醇酸摩尔比、催化剂用量、反应温度、反应时间对肉桂酸异丙酯合成反应产率具有非常显著的影响，同时失拟效果不显著，其他因素对实验干扰可忽略不计。

因此，效应面法具有较好的预测指导性。

3.2.3效应面优化与验证实验

利用Box-Behnken软件，绘制了各因素对肉桂酸异丙酯收率影响的效应面和等高线图，结果见图6-图8。

如果一个效应曲面的坡度较平缓，表明随着处理条件的变化，效应值变化较小；而如果一个效应曲面的坡度较陡峭，表明随着处理条件的变化，效应值变化较大。

反应时间和反应物摩尔比对产率影响的效应面图

反应时间和反应物摩尔比对产率影响的效应面图

催化剂用量和反应物摩尔比对产率影响的效应面图

反应时间和反应摩尔比对产率的影响的2D效应面图

由上图可知，反应温度和醇酸摩尔比、反应时间和反应物摩尔比、催化剂用量和醇酸摩尔比等两两因素的交互作用呈山丘形曲面，表明各交互作用对效应值有明显影响。

从等高线的疏密度可以判断出，反应物摩尔比对效应值的影响大于反应温度、反应物摩尔比对效应值的影响大于催化剂用量。

综上所述，离子液体对肉桂酸异丙酯收率影响的影响最大。

通过计算，得到的最佳工艺条件为：

反应物摩尔比为1.5:

1、反应温度85℃、催化剂用量为1ml、反应时间为60min。

在此条件下，进行验证实验，实际测得的得率为87.38%，实测值与预测值相对误差＜1%，说明回归模型拟合度高。

分析

经KBr压片法测壬二酸二辛酯的红外光谱，其红外光谱图见图3-5。