學科講座報告

學科講座報告（尼泊金酯的生產(chǎn)、加工技術(shù)的研究進展）尼泊金酯的生產(chǎn)、加工技術(shù)的研究進展摘要：尼泊金酯是國際上公認的廣譜性高效食品防腐劑，美國、歐洲、日本、加拿大、韓國、俄羅斯等國都允許尼泊金酯在食品中應用。它被廣泛應用于醬油、醋等調(diào)味品、腌制品、烘焙食品、醬制品、飲料、黃酒以及果蔬保鮮等領(lǐng)域。中國GB2760中規(guī)定尼泊金乙酯以及尼泊金甲酯鈉等等可以作為食品防腐劑。根據(jù)我國今后日用化工、精細化工的發(fā)展方向，預計尼泊金酯類防腐劑將會有很大發(fā)展。目前尼泊金酯的合成方法有離子交換樹脂催化合成法，以下，我將針對尼泊金酯的生產(chǎn)、加工技術(shù)進行一個比較完整的歸納和整理。關(guān)鍵詞：尼泊金酯；防腐劑；催化劑；合成1引言尼泊金酯即對羥基苯甲酸酯是國際上采用的安全有效的防腐劑，廣泛地應用于食品、化妝品及醫(yī)藥等行業(yè)。我國目前使用的防腐劑仍以苯甲酸鈉、山梨酸鉀、尼泊金酯、丙酸鈣、脫氫乙酸鈉等產(chǎn)品，在這些產(chǎn)品中除尼泊金酯外，其它的均是酸性防腐劑，即只能夠在酸性條件下使用，尼泊金酯是解決中性食品（如面制品等）防腐問題的首選產(chǎn)品，目前尼泊金酯在食品中的使用量逐年增加。同時，它們還具有低毒、高效、用量少等特點，是我國重點發(fā)展的食品防腐劑之一[1]。此外，尼泊金酯還是新型酯類有機液晶的中間體和熱記錄材料里的染料中間體[2,3]。尼泊金酯殺菌抑菌作用隨著醇烴基碳原子數(shù)的增加而增加，如尼泊金辛酯對酵母菌發(fā)育的抑制作用是丁酯的50倍，比乙酯強100倍左右；而在水中的溶解度則隨著醇烴基的碳子數(shù)增加而降低；另外，碳鏈愈長，毒性愈小，用量愈少。通常的作法是將幾種產(chǎn)品混合使用，以提高溶解度，并通過增效作用提高其防腐能力。國內(nèi)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品都是一些低碳醇酯，如尼泊金甲酯、乙酯、丙酯與丁酯等。因此，對該類產(chǎn)品的系列化研究非常重要。目前，在一些歐美國家尼泊金甲酯是應用廣闊的一種，在食品、藥物、化妝品等領(lǐng)域已應用較多。尼泊金酯傳統(tǒng)的合成方法是采用硫酸作為催化劑，此法的缺點是催化劑用量大，副產(chǎn)物眾多，產(chǎn)物分離困難，產(chǎn)率低下，嚴重腐蝕反應設備以及廢液嚴重污染壞境。隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，環(huán)境保護要求不斷提高，其局限性日益顯著。為了推動尼泊金酯系列的生產(chǎn)與發(fā)展，本綜述將對關(guān)于尼泊金酯類的直接酯化合成方法進行綜述與評價，試著尋找較為理想的合成方法。2生產(chǎn)尼泊金酯所需了解的條件尼泊金酯即對羥基苯甲酸酯，通常指對羥基苯甲酸與低級脂肪醇形成的酯。其通式為p-HOPhCOOR(R=C2H5,C3H7,C4H9)。它是無色結(jié)晶或白色結(jié)晶粉末，無味，無臭。防腐效果優(yōu)于苯甲酸及其鈉鹽，使用量約為苯甲酸鈉的1/10，使用范圍pH為4?8。缺點是使用時因?qū)αu基苯甲酸酯類水溶性較差，常用醇類先溶解后再使用；同時價格也較高。影響尼泊金酯的合成的因素如下：催化劑的選擇、最佳催化劑用量比的確定、最佳醇酸比的確定、最佳反應時間的確定。這些條件是生產(chǎn)尼泊金酯的理論基礎(chǔ)。因此，我們必須對尼泊金酯的合成條件有所了解，這樣才能以最優(yōu)化、經(jīng)濟的方法生產(chǎn)尼泊金酯。3生產(chǎn)尼泊金酯的方法及其優(yōu)缺點1濃硫酸［4］(微波輻射)催化合成尼泊金酯陳新客、劉鐘棟等經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)，微波可以加速有機合成反應的進行。用微波輻照這一技術(shù)研究對羥基苯甲酸與低級脂肪醇的酯化反應，所用的微波工作頻率為2450MHz，采用間歇輻照方式。結(jié)果表明，在微波輻照條件下，醇酸物質(zhì)的量比為4:1，苯為帶水劑時，增加催化劑濃硫酸的用量可使反應速率加快，反應時間由300分鐘縮短至30分鐘，酯的產(chǎn)率由83.8%增至85.1%，同時產(chǎn)率也隨著醇的用量的增加而增加，但當催化劑量及醇達到一定值后產(chǎn)率不再發(fā)生變化。該種方法可大大縮短尼泊金酯的合成所需時間，為該類防腐劑的生產(chǎn)開辟了一條節(jié)時節(jié)能的工藝路線，但是用濃硫酸作催化劑沒有改變傳統(tǒng)方法的弊端，解決了這個問題就是一個具有良好發(fā)展前景的好方法。2結(jié)晶氯化鐵及其他鐵鹽催化合成尼泊金酯結(jié)晶氯化鐵FeCl3-XH2O和十二水合硫酸鐵銨等都是價廉易得的固體催化劑，姚春鳳［5］等利用六水合氯化鐵催化合成尼泊金丁酯，實驗表明，利用它作催化劑合成操作方便、對設備腐蝕小、對環(huán)境污染低，是一種值得推廣應用的方法。另外用硫酸鐵的水合物Fe2(SO4)3-XH2O作催化劑制備尼泊金酯的最佳條件是：酸醇的物質(zhì)的量比為1:4，催化劑用量為酸的3.6%，反應時間為4h，回流溫度不超過140°C。采用水蒸氣蒸餾回流脂肪醇，產(chǎn)品經(jīng)活性炭脫色和重結(jié)晶處理，精酯收率可達85%。但是缺點是產(chǎn)品顏色深，呈膠狀，不易處理。這可能是在反應過程中生成了Fe(OH)3膠體。若反復用活性炭脫色處理，產(chǎn)品損失大，收率低。3稀土化合物催化合成尼泊金稀土化合物是我國易得、資源豐富的化合物。這類化合物具有很高的催化活性與選擇性，用量少，反應時間短，無副作用，無腐蝕，無污染，易分離，可回收循環(huán)使用，因此開發(fā)稀土化合物的利用具有較好的經(jīng)濟價值與實際應用價值。彭安順等［6］成功地以稀土改性SO42-/TiO2催化合成尼泊金乙酯，其合成的最佳工藝條件為：酸醇摩爾比為1:3，催化劑用量為20g/mol酸，裝置盛有吸水劑MgSO4的索氏提取器、油浴中加熱回流反應3h，用5%NaOH與水洗滌，用15%乙醇與活性炭重結(jié)晶。稀土改性的SO42-/TiO2固體超強酸制備簡便，原料易得，催化合成對羥基苯甲酸乙酯、丙酯、丁酯產(chǎn)率高，無污染，且分離容易，是一種具有良好應用前景的催化劑。4雜多酸及其固載化催化合成尼泊金酯2000年楊水金等［7］人成功的利用固載雜多酸TiSiW12O40/TiO2催化合成尼泊金丙酯，實驗研究結(jié)果顯示，其反應的最佳條件為：醇酸摩爾比為4:1,催化劑用量為反應物料總量的2.0%，反應時間2h，在此條件下，尼泊金丙酯的收率為89.2%，尼泊金丁酯的收率為91.1%。精制得到尼泊金酯為白色晶體，質(zhì)量好。酯化溫度低，，反應時間短，催化劑用量少且可較好地回收循環(huán)使用，無廢酸排放，工藝流程簡便，可降低生產(chǎn)成本。因此，固載化雜多酸TiSiW12O40/TiO2是合成尼泊金酯的優(yōu)良催化劑，具有良好的應用前景。5水合硫酸鋁催化合成尼泊金酯高麗新等［8］利用水合硫酸鋁催化合成尼泊金丁酯和甲酯。其實驗過程和結(jié)果表明，以Al2(SO4)318H2O作為催化劑，雖然工藝簡單，不腐蝕設備，可重復使用，但在后處理所產(chǎn)生的氫氧化鋁膠體嚴重影響產(chǎn)品的分離純化，因而收率雖然高但產(chǎn)率卻低，實際上是一種不可取的酯化方法。6維生素C催化合成尼泊金酯許文范等［9］利用維生素C作催化劑成功的合成了尼泊金正丁酯和異丁酯，尼泊金正丁酯的合成優(yōu)化條件是：酸醇摩爾比為1:3，維生素C用量為對羥基苯甲酸質(zhì)量的12%，反應時間2.5h，在上述條件下，尼泊金正丁酯收率為93.0%；尼泊金異丁酯的優(yōu)化條件是:酸醇摩爾比為1:5,維生素C的用量為對羥基苯甲酸質(zhì)量的15%，反應時間為3h，尼泊金異丁酯的收率為91.3%。由于尼泊金異丁酯較尼泊金正丁酯存在較大的位阻，合成尼泊金異丁酯的反應條件較為苛刻。維生素C具有催化性能良、合成工藝簡單，無毒、無污染、無腐蝕性、價廉易得等優(yōu)點，在尼泊金酯合成中具有較好的應用前景。同時此研究為國內(nèi)維生素C的應用領(lǐng)域的擴大提供了新的思路。7對甲苯磺酸催化合成尼泊金酯劉汝鋒等［10］利用磺酸催化原甲酸三乙酯脫水法合成高轉(zhuǎn)化率的尼泊金乙酯產(chǎn)品，該種方法目標產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率高，反應時間短，最佳配料比為乙醇:對羥基苯甲酸=3:1；不足之處是苯磺酸在后處理方面存在較大問題。8磺酸樹脂催化合成尼泊金酯曾立華等［11］利用磺酸樹脂作催化劑，成功地合成了尼泊金甲酯、乙酯、丙酯、丁酯，合成過程中采用大孔磺酸樹脂催化合成尼泊金酯，用3A或4入作脫水劑，醇酸物質(zhì)的量比為5:1，催化劑用量為酸質(zhì)量的2.0%，反應時間為5h，收率可達82.6%。該種方法的優(yōu)點是催化劑可重復使用、產(chǎn)物與催化劑易分離、原料易回收、副反應少；缺點大孔磺酸樹脂只適合合成四碳以上的酯，不適合催化合成甲酯、乙酯、丙酯等低級酯。9硫酸氫鹽催化合成尼泊金酯陳丹云［12］等利用硫酸氫鹽催化合成尼泊金丁酯，硫酸氫鹽(如硫酸氫鈉、硫酸氫鉀等)是固體酸催化劑中的一種，它是價廉易得、穩(wěn)定的無機晶體，與一般液體酸催化劑相比具有以下優(yōu)點：分離操作方便，難溶于有機反應體系，對設備腐蝕小，催化合成尼泊金丁酯收率高，反應時間較短，產(chǎn)品色澤好。且產(chǎn)品不經(jīng)重結(jié)晶，熔點達到使用要求，是種合成尼泊金酯的良好的無機固體酸催化劑。10硫酸鹽催化合成尼泊金丁酯利用固體超強酸、雜多酸、硫酸氫鹽及三氯化鐵等為催化劑均能不同程度地克服濃硫酸催化存在的某些弊端。蔡永紅等［13］首次采用稀有金屬硫酸鎵為催化劑合成目標產(chǎn)物，取得比較理想的實驗研究結(jié)果。結(jié)果表明該催化劑具有催化活性高，后處理方便，不需加帶水劑等優(yōu)點，最佳反應條件為：醇酸物質(zhì)的量之比為4:1，反應時間為5h，催化劑用量為0.6g，收率可達94.8%。11固體超強酸催化合成尼泊金酯固體超強酸是比100%的硫酸更強的酸。固體超強酸具有不腐蝕設備、不污染環(huán)境、不怕水、耐高溫、反應活性高、選擇性好、不易中毒等優(yōu)點，同時可以重復使用，因而極具工業(yè)應用價值。夏贊成等［14］以新型磁性固體酸ZrO2/Fe3O4為催化劑，成功地合成了尼泊金丁酯，其反應最佳工藝條件為：醇酸摩爾比為4:1，催化劑用量為7%，回流溫度下反應3h，重結(jié)晶后產(chǎn)率達88.2%，反應結(jié)束后催化劑分離十分方便，可重復使用，且壽命較長，具有良好的工業(yè)應用價值。12近年的研究情況黃艷仙等［15］以酸性離子液體［Hmim］HSO4為催化劑，對羥基苯甲酸和正丙醇為原料合成了尼泊金丙酯，采用丙醇一水共沸的原理，以丙醇自身做反應溶劑及帶水劑，避免了使用苯、環(huán)己烷等做帶水劑，減少了對環(huán)境的污染，具有產(chǎn)率高、對設備的腐蝕性較小、對環(huán)境友好、催化劑可循環(huán)使用等優(yōu)點，符合綠色化學發(fā)展的方向。王勤［16］以對羥基苯甲酸和正丙醇為原料，可膨脹石墨為催化劑，經(jīng)過回流脫水酯化法直接合成尼泊金丙酯，該方法產(chǎn)率高，反應時間短，操作簡單，不污染環(huán)境，酯化率高，催化劑可重復使用等特點，具有廣闊的應用前景。徐斌等［17］采用超聲波輔助活性炭負載雜多酸鹽催化合成尼泊金丁酯，以對羥基苯甲酸和正丁醇為原料，活性炭負載Keggin型雜多酸鹽［(CH2)5SiMo12O40為催化劑，在超聲波輻射下合成尼泊金丁酯，這一方法克服了催化劑流失問題，縮短酯化反應時間，提高產(chǎn)率，為該類化合物的綠色合成及工業(yè)化生產(chǎn)提供了一種新的方法。4縱觀各種生產(chǎn)的方法的可行性經(jīng)過以上簡單的綜述，在許多種相近或不相近的尼泊金酯合成方法中，產(chǎn)率在80%以上的方法，大多數(shù)采用的催化劑都是固體酸類，它們有著便于運輸，可重復使用，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點。相比于濃硫酸直接催化，濃硫酸(微波照射)反應大大節(jié)省反應時間和反應耗能；結(jié)晶氯化鐵FeCl3XH2O和水合硫酸鐵銨用量少，反應時間短，產(chǎn)率較高，合成操作