1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

无机固体酸催化合成对羟基苯甲酸乙酯

一、前言

对羟基苯甲酸乙酯，又名防腐剂,尼泊金 ,（英文名：Ethyl Hydroxybenzoate, Nipagin A, Ethylparaban）。它对毒菌、霉菌及细菌有很好的抗菌作用，是目前世界上用途最广、用量最大、应用频率最高的系列防腐剂。它具有高效、低毒、广谱、易配伍等优点，是食品、饮料、化妆品、日用化工品、医药等领域广泛使用的高效保鲜剂和杀菌防腐剂^[1]，也是重要的有机合成原料。是我国重点发展的替代苯甲酸钠等食品防腐剂的产品之一。工业上通常采用对羟基苯甲酸与乙醇为原料，在浓硫酸作用下直接制备^[2]，但由于浓硫酸存在一些弊端。近年来化学工作者们经过不断的实践经验，努力改善合成方法，已经报道有不少合成用的催化剂。在此篇文章中重点论述无机固体酸催化合成对羟基苯甲酸乙酯，即采用对羟基苯甲酸和乙醇为原料，以活性炭负载磷钨酸为催化剂进行的合成实验，经过表征分析，得出最佳反应条件。

二、对羟基苯甲酸乙酯的基本性质、用途及研究发展历程

2.1对羟基苯甲酸乙酯的物理化学性质

2.1.1 对羟基苯甲酸乙酯的分子结构式为：

HO-C₆H₄-COOCH₂CH₃ ^[2]

2.1.2 对羟基苯甲酸乙酯的物质的理化常数：

标准号： GB 8850-2005^[3] ；分子式 C₉H₁₀O₃；外观与性状 ：白色、晶状、几乎无臭的粉末；味微苦、灼麻；摩尔质量 ：166；分子量：166.18；

溶解度：几乎不溶于冷水(25℃时为0．17％W／V，80℃时为0．86％W／V)，易溶于乙醇、乙醚、丙酮或丙二醇，在氯仿中略溶，在甘油中微溶，pH3～6的水溶液在室温稳定，能在120℃灭菌20min不分解，pHgt;8时水溶液易水解；本品具有抗微生物特性。熔程114#176;～118#176;。质量与标准：鉴别 ；酸度(4%水溶液pH值)4．0～7．0 ；氯化物≤0．035％ ；硫酸盐≤0．04% ；水杨酸≤0．1% ；炽灼残渣≤0．1% ；含量≥99.0% ^[4] 。

闪点：120.3℃； 熔 点：115-118℃； 沸点：297-298℃；密度：1.168 g/cm³ ；储藏温度：0-6℃；折射率：1.538；

2.2 对羟基苯甲酸乙酯的应用

对羟基苯甲酸乙酯对真菌的抑菌效果较强，但对细菌的抑菌效果较弱。用作抑菌防腐剂，广泛用于液体制剂及半固体制剂，也用于食品及化妆品的防腐。它具有高效、低毒、广谱、易配伍等优点，是食品、饮料、化妆品、日用化工品、医药等领域广泛使用的高效保鲜剂和杀菌防腐剂，也是重要的有机合成原料。是我国重点发展的替代苯甲酸钠等食品防腐剂的产品之一。

2.3 对羟基苯甲酸乙酯的使用注意事项（不良反应）

2.3.1本品与非离子表面活性剂（如吐温#8212;20、吐温--80）、聚乙二醇#8212;6000等合用，能增加本品水溶度，但也能形成络合物而影响其抑菌作用。

2.3.2 遇铁变色，遇强酸、强碱易水解。

2.3.3 当液体制剂中含有低浓度（2%-15%）的丙二醇时，则防腐作用增强。

2.4近年来对羟基苯甲酸乙酯的合成方法研究的发展历程

虽然我国的尼泊金酯研究开发应用地比较晚，但为了能迅速发展，我国学者从易得的乙醇入手，首先广泛开展了合成对羟基苯甲酸乙酯的研究，为了提高酯化产率，我们需要探索出它的最佳工艺条件，即工艺流程简单易操作、反应时间较短、反应温度易于调节控制、醇酸摩尔比合适、合适的催化剂、产品纯度高、产品外观色泽好等因素。

2.4.1对羟基苯甲酸乙酯的传统合成工艺

早期工业上通常采用对羟基苯甲酸与乙醇为原料，在浓硫酸作用下直接制备^[2]_。

该工艺条件所得产率高达80.0%，其产率虽高，但浓硫酸存在腐蚀性强、选择性差、生产时间长、副产品多、后处理复杂和三废污染等弊端，长期以来人们一直在寻找新的方法以替代浓硫酸作催化剂，以寻求最佳的工艺路线和最佳的工艺条件。

2.4.2对羟基苯甲酸乙酯合成方法的改进

有文献报道，利用对甲苯磺酸铜^[5]、氨基磺酸^[6]、对甲苯磺酸^[7]等进行合成对羟基苯甲酸乙酯，与硫酸作催化剂相比是工艺上的很大进步。以对甲苯磺酸作催化剂为例与硫酸作催化剂作一比较说明。采用IR、熔点测定等方法对合成的物质进行表征分析。硫酸的反应工艺条件是：醇酸比是4:1，催化剂用量是醇酸总质量的7.5%，反应时间是5h，产率是80.0%；对甲苯磺酸催化合成对羟基苯甲酸乙酯的最佳工艺条件是：醇酸比是4:1，催化加用量是醇酸总质量的7.5%，反应时间是3.5h，产率是81.3%，此法生产工艺简单，反应时间短，产品色泽浅，收率亦较高与硫酸相比工艺大大改进。

三、无机固体酸催化合成对羟基苯甲酸乙酯---合成方法的新发展

在不断的实践经验总结研究探索中，国内外化学工作者又相继开发出不同固体酸作为酯化反应的催化剂，这其中包括磷钨酸^[8]、三氯化铁^[9]、杂多酸^[10]、固体超强酸、树脂、分子筛等^[10-14]固体酸作催化剂，所的产品色泽好，选择性高，后处理简单易行，催化剂可重复使用，环境污染少等优点。本实验采用的是无机固体酸磷钨酸，催化合成对羟基苯甲酸乙酯。

3.1实验原理：

磷钨酸

此法即采用对羟基苯甲酸和乙醇为原料，以活性炭负载磷钨酸为催化剂催化合成得到对羟基苯甲酸乙酯的合成实验：

活性炭负载磷钨酸催化合成丁酸异丁酯^[15]一文中提到，以活性炭为载体，用回流吸附法制备出H₃PWO₁₂O₄₀/C催化剂，将其用于丁酸和异丁醇合成丁酸异丁酯的过程，考察各反应因素确定了最佳合成工艺条件，酯化率高达99.2%，该催化剂重复使用5次后酯化率达95.8%^[17]。

相同的原理，在对羟基苯甲酸乙酯合成中，我们以活性炭负载磷钨酸^[16-17]为催化剂，以苯甲酸乙酯和乙醇为原料进行合成反应^[15-17]。此外，本实验中由于是负载型催化剂，在制备活性炭负载磷钨酸催化剂时，需要控制磷钨酸和回流时间，分别制得不同负载量的H₃PWO₁₂O₄₀/C催化剂，找出最佳负载量。如赵勇等人的活性炭负载磷钨酸催化合成丁酸异丁酯^[15]文献中表明，催化剂负载量对酯化率有很大的影响，综合考虑，在他们的实验中最佳负载量应为20.2%，此时既有较高的催化活性又有较低的杂多酸脱附量；在李伟宏等人的活性炭负载磷钨酸哌啶盐催化合成苯偶酰^[18] 文献中了解到催化剂的最佳负载量为10%。

3.2 实验试剂与仪器：

磷钨酸、对羟基苯甲酸、乙醇，（均为分析纯）；颗粒活性碳（层析用）；

傅里叶红外光谱仪；数字显示显微熔点仪； DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器（巩义市予华仪器）；500ml四口烧瓶、滴液漏斗、温度计、回流冷凝管、150ml容量瓶、玻璃棒、铁架台；

3.3实验操作：

3.3.1活性炭负载磷钨酸催化剂的制备

称取一定量的活性炭用 2mol/L 盐酸洗1次，再用蒸馏水洗至无 Cl^- （用AgNO₃检验）。将活性炭在120℃烘干，准确称重后备用。将 H₃PW₁₂O₄₀ 配成 30mL 一定浓度的溶液，加入装有冷凝管、搅拌器的四口烧瓶中，再加入10g预处理后的活性炭，加热回流吸附3h后，于 80-90℃ 水浴中蒸干，蒸馏水洗至中性，110℃干燥后准确称重。通过控制磷钨酸溶液的浓度和回流时间，可以分别制得不同负载量的催化剂H₃PW₁₂O₄₀/C催化剂。

3.3.2对羟基苯甲酸乙酯的合成

在合成中我们需要选择合适的醇酸摩尔比、催化剂用量、反应时间、反应温度等，以探索出其最佳反应条件。

将一定量的对羟基苯甲酸、乙醇、催化剂按照一定的比例（约1:4:1）加入带有温度计、分水器、回流冷凝管和搅拌装置的四口烧瓶中，加热搅拌反应条件下，反应温度在115-135℃，控制加热使反应缓慢均匀地回流一定时间（约3h）后，停止反应，冷却滤出催化剂。取样测定酸值。将有机相依次用适量的饱和食盐水、饱和碳酸钠溶液、饱和食盐水洗涤，之后用适量无水MgSO₄干燥。常压蒸馏，先蒸出乙醇，再收集297-298℃的馏分，得产品对羟基苯甲酸乙酯。

3.4结果与讨论

3.4.1产品分析

采用IR、熔点测定等方法对合成的物质对羟基苯甲酸乙酯进行表征分析得出最佳反应条件。用毛细管法和显微镜熔点仪测定样品的熔点为116-118℃，（文献值116-118℃），测定产品的红外光谱图，与对羟基苯甲酸乙酯的标准IR谱图比较一致^[19]。

3.4.2经过比较分析初步得出最佳反应条件的影响因素^[20]

经过比较分析，可以初步得出通常情况下影响酯化产率的因素，即最佳工艺条件：

（1）醇酸摩尔比。醇在反应体系中，起着溶剂的作用，同时又起着反应物的作用。其他条件不变的情况下，改变醇与酸的配比进行酯化实验，当醇量增加时，收率亦增加；醇量达到一定值时，则收率与醇量无关。此反应中醇酸摩尔比为4:1为宜；

（2）催化剂的用量。催化剂的增加会使反应速率加快，变化催化剂的量进行酯化反应，当催化剂增加到一定量时，收率不再发生变化，此时已达到热力学平衡。最佳催化剂用量为酸醇总量的5%；

（3）催化剂的负载量（负载型催化剂，如：活性炭负载磷钨酸催化剂^[15,17]）。不同催化剂的负载量对酯化率有很大的影响，因此我们需要选用最佳负载量，以提高酯化率（酯化率＝（１－反应后体系的酸值／反应前体系的酸值）#215;１００％）^[17]。此反应中催化剂负载量为10%为宜；

（4）反应时间。随着反应时间的延长，收率增加；当接近热力学平衡时，则收率不再随时间的延长而增加。此反应反应时间约为3h为宜；

（5） 反应温度。反应温度越高, 反应速度则越快, 达到热力学平衡的时间也就越短。因而, 在反应初期, 收率是随反应温度的升高而增加。但是反应温度过高, 会出现烧结现象,使后处理困难。因此，应在不发生烧结的前提下，尽可能地提高反应温度。此反应温度为115-135℃为宜；

（6）体系含水量。体系中含有水能够引起副反应。对此我们研究了体系含水量对收率的影响, 结果表明微量的水, 就会使产率大幅度下降。因此, 应尽量除去体系中的水分。

3.4.3此合成方法与其他方法相比具有的优势

此合成方法中，活性炭负载磷钨酸催化剂具有不腐蚀设备,不污染环境,不怕水, 耐高温,反应活性高,选择性好,制备容易,易与反应体系分离,操作方便,不易中毒,易于回收,重复使用和再生等优点,是一种具有开发前景的环境友好型催化剂，在工业上具有一定的应用价值，具有很好的发展前景^[15-18]。

四、小结

本篇文章首先介绍了对羟基苯甲酸乙酯合成方法的研究改进历程，之后探索出最为优化的方法：无机固体酸催化合成对羟基苯甲酸乙酯，即采用对羟基苯甲酸和乙醇为原料，以活性炭负载磷钨酸为催化剂进行的合成实验，采用IR、熔点测定等对合成的物质对羟基苯甲酸乙酯进行表征分析，选出最佳反应条件，提高酯化产率。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

(1)、实验目的：

本课题是无机固体酸催化合成对羟基苯甲酸乙酯，即采用对羟基苯甲酸和乙醇为原料，以活性炭负载磷钨酸为催化剂进行的合成实验，采用ir、熔点测定等对合成的物质对羟基苯甲酸乙酯进行表征分析，选出最佳反应条件，即合适的醇酸摩尔比、合适的催化剂用量、合适的催化剂负载量、合适的反应时间、合适的反应温度、合适的体系含水量等条件，提高酯化产率。

（注：酯化率＝（１－反应后体系的酸值／反应前体系的酸值）#215;１００％）