【背景及概述】[1][2]
對羥基苯甲酸乙酯又稱尼泊金乙酯，屬于合成防腐劑，由對羥基苯甲酸與乙醇在硫酸催化作用下酯化而得。無色纖細(xì)晶體或白色結(jié)晶性粉末。無臭無味，略有麻舌感。熔點(diǎn)116～118℃。難溶于水，易溶于乙醇、丙二醇、花生油。對霉菌及酵母的抗菌作用強(qiáng)，對細(xì)菌尤其是革蘭氏陰性菌和乳酸菌的作用弱。其抗菌力比苯甲酸和山梨酸強(qiáng)，在pH 4～8范圍內(nèi)均具有良好效果。其抗菌作用機(jī)理在于抑制微生物細(xì)胞的呼吸酶系與電子傳遞酶系的活性，以及破壞微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。
由于難溶于水，一般是與對羥基苯甲酸丙酯、對羥基苯甲酸乙酯鈉等混用，既改善了水溶性，又具有一定的協(xié)同增效作用。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB 8850-1988(強(qiáng)制性國標(biāo))，含量(以干基計(jì))≥99%；干燥失重≤0.5%；灼燒殘?jiān)?le;0.05%；熔點(diǎn)115～118℃；酸度：合格；硫酸鹽灰分≤0.024%；對羥基苯甲酸及水楊酸：合格；醛類(以丙醛計(jì))：合格； 砷≤0.0001%；重金屬≤0.001%。尼泊金酯即對羥基甲酸酯，在較寬pH范圍內(nèi)均具有良好的抑菌作用效果，由于毒性低、無刺激性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、藥品的防腐劑，是國內(nèi)外常用的防腐劑、抑菌劑之一。
因此，開發(fā)新的綠色高效的催化劑合成對羥基苯甲酸乙酯具有重要意義和廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)合成方法是以硫酸為催化劑，有機(jī)溶劑為帶水劑，對羥基苯甲酸與相應(yīng)的醇反應(yīng) 。硫酸作催化劑價(jià)格低廉，酯收率較高，但副反應(yīng)較多，難分離，且對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，污染環(huán)境。隨著環(huán)保法規(guī)對環(huán)境要求的提高，開發(fā)可取代硫酸的新型催化劑已成為工業(yè)生產(chǎn)中普遍關(guān)注問題。
【用途】[1]
對羥基本甲酸乙酯主要用作防腐劑、防霉劑?？捎糜诟恻c(diǎn)、月餅餡料、糖漿、濃縮果汁、碳酸飲料、水果餡料、腌制魚的防腐及果蔬保鮮。推薦用量0～1.0g/kg。根據(jù)《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 2760-1996)，可用于果蔬保鮮，使用量 0.012g/kg(以對羥基苯甲酸計(jì))；食醋，使用量0.10g/kg；碳酸飲料，使用量0.20g/kg；果汁(味)型飲料、果醬、醬油、醬料，使用量 0.25g/kg；糕點(diǎn)餡料，使用量 0.5g/kg(單用或與對羥基苯甲酸丙酯合用量)；蛋黃餡，使用量0.20g/ kg。
【制備】[3]
1. 固體超強(qiáng)酸
1）S2O82-/ZrO2-Al2O3
采用浸漬、沉淀法制備固體超強(qiáng)酸催化劑S2O82-/ZrO2-Al2O3通過正交試驗(yàn)確定催化劑制備的條件，即ZrO12·8H2O和大孔A1O，質(zhì)量比為25.0：14.2，硫代硫酸銨濃度為0.8 mol/L，活化溫度為650℃，活化時(shí)間為3 h。以固體超強(qiáng)酸S2O82-/ZrO2-Al2O3為催化劑，由對羥基苯甲酸和無水乙醇合成對羥基苯甲酸乙酯。
2）SO4-/TiO2-凹凸棒土
以固體超強(qiáng)酸SO4-/TiO2-凹凸棒土為催化劑，對羥基苯甲酸和乙醇為原料合成尼泊金乙酯，并考察影響反應(yīng)的因素。在酸醇物質(zhì)的量比為1：4，催化劑用量為3％ ，反應(yīng)時(shí)間4 h的反應(yīng)條件下，產(chǎn)品收率達(dá)93.2％。該催化劑與單組分固體超強(qiáng)酸SO4-/TiO2相比，具有成本較低，與產(chǎn)物易分離、可重復(fù)使用、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，是對環(huán)境友好并具有應(yīng)用前景的綠色催化劑。
3）鈰改進(jìn)固體超強(qiáng)酸
以對羥基苯甲酸與乙醇為原料，自制新型固體超強(qiáng)酸SO4-/Sb2O3/Ce4+ 催化劑，催化合成尼泊金乙酯。苯甲醇加量100 mL，乙酸加量2.80 mL，確定工藝條件為：r/，(對羥基苯甲酸)：n(乙醇)=1.0：4.0，溫度約為350℃ ，催化劑用量為0.6 g，反應(yīng)時(shí)間為4 h，酯收率為93.8％ 。
4）SO4/La2O3-TiO2
將SO4/ TiO2負(fù)載鑭制備新型催化劑SO4/La2O3-TiO2，以對羥基苯甲酸和乙醇的酯化反應(yīng)為探針，考察不同制備條件對催化劑性能的響。結(jié)果表明最高酯化率可達(dá)94.5％ 。且該催化劑具有良好的重復(fù)使用和再生能力，非常適宜合成尼泊金乙酯。
2. 對甲苯磺酸銅
最近有報(bào)道，甲烷磺酸銅對有機(jī)酸的酯化反應(yīng)具有很好的催化效果?？紤]到甲烷磺酸的合成條件較為繁瑣，以對甲苯磺酸為原料制備了對甲苯磺酸銅，用其催化合成對羥基苯甲酸乙酯。以對羥基苯甲酸、乙醇為原料、對甲苯磺酸銅為催化劑、合成對羥基苯甲酸乙酯，并討論了催化酯化的影響因素。優(yōu)化的反應(yīng)條件為：對羥基苯甲酸用量為0.10 mol，醇酸物質(zhì)的量比為4：1，甲苯磺酸銅用量為2.2 g，回流溫度下反應(yīng)4.0 h，在此實(shí)驗(yàn)下酯化率可達(dá)94.3％。產(chǎn)品經(jīng)傅立葉紅外光譜儀及熔點(diǎn)儀表征，證實(shí)與目標(biāo)產(chǎn)物完全一致。
3. 離子液體：離子液體作為一種室溫下熔融的鹽、新型反應(yīng)介質(zhì)和綠色溶劑，具有液態(tài)范圍寬、溶解范圍廣、蒸氣壓為0、穩(wěn)定性好、酸堿性可調(diào)、產(chǎn)品易分離和可循環(huán)利用等一系列獨(dú)特性質(zhì)，被認(rèn)為是繼水和超臨界二氧化碳后的又一大類在現(xiàn)代有機(jī)合成中具有良好應(yīng)用前景的反應(yīng)介質(zhì)和新型綠色溶劑，目前某些離子液體已成功應(yīng)用于對羥基苯甲酸乙酯的合成。
1） 1，3-二烷基咪唑離子液體
4種1，3一二烷基咪唑離子液體催化合成對羥基苯甲酸乙酯反應(yīng)，考察反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量、酸醇物質(zhì)的量比對反應(yīng)產(chǎn)率的影響及離子液體重復(fù)使用性能。研究結(jié)果表明，以[BMIm]BF 為催化劑，其用量為3 mL，酸醇物質(zhì)的量比為1.0：2.5，反應(yīng)時(shí)間為2.5 h，反應(yīng)溫度為80 cI=，收率為79.7％ ，達(dá)最高，且產(chǎn)物與離子液體催化體系不溶而分層，便于分離，離子液體可穩(wěn)定重復(fù)使用5次。離子液體可作為一種新型綠色溶劑，有效催化合成對羥基苯甲酸乙酯反應(yīng)，并可減少環(huán)境污染。
2） 酸性離子液體
采用酸性離子液體[C，SO，Hmim]HSO4、[C4SO3Hmim]HSO4和[C3SO3Hnhm]HSO4代替濃硫酸為催化劑合成對羥基苯甲酸乙酯?？疾旆磻?yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量、酸醇物質(zhì)的量比對該反應(yīng)產(chǎn)率的影響及離子液體的重復(fù)使用性能。
3）反應(yīng)控制相轉(zhuǎn)移離子液體
以SO3H功能化的1-(3-磺酸基)丙基-3-甲基咪唑磷鉬酸離子液體為催化劑，催化合成尼泊金酯，考察了催化劑性能及尼泊金酯的綠色合成工藝。實(shí)驗(yàn)表明，該催化體系可實(shí)現(xiàn)催化劑的反應(yīng)控制相轉(zhuǎn)移，產(chǎn)物易分離，催化劑易回收利用。不同極性的醇對實(shí)現(xiàn)催化劑的反應(yīng)控制相轉(zhuǎn)移有顯著的影響，優(yōu)化的尼泊金酯反應(yīng)條件為：(催化劑)：(醇)：凡(尼泊金酸)=0.03：3：1，反應(yīng)時(shí)間8 h，反應(yīng)溫度120℃時(shí)，尼泊金乙酯收率可達(dá)97.6％。該綠色酯化體系中，催化劑可重復(fù)使用6次，產(chǎn)物收率穩(wěn)定。
4） Br6nsted酸性離子液體[Hmim]C1
以Br+nsted酸性離子液體[Hmim]cl為催化劑催化合成尼泊金酯，考察反應(yīng)時(shí)間、醇酸物質(zhì)的量比和離子液體用量等條件對反應(yīng)的影響，確定反應(yīng)條件：對羥基苯甲酸用量為0.04 mol，反應(yīng)時(shí)間2.5 h，醇酸物質(zhì)的量比2：1，離子液體用量3 mL，收率大于82％。離子液體可循環(huán)使用5次，催化活性基本不變。
5）新型離子液體1-(4-磺酸基)丁基-3-甲基咪唑磺酸[BSmim]HSO
研究新型離子液體1-(4-磺酸基)丁基-3-甲基咪唑磺酸[BSmim]HSO 催化合成尼泊金乙酯，考察反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、醇酸物質(zhì)的量比和離子液體用量對尼泊金乙酯產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：尼泊金乙酯的反應(yīng)條件為：當(dāng)反應(yīng)時(shí)間2.5 h，反應(yīng)溫度為回流溫度，醇酸物質(zhì)的量比2.5：1，離子液體用量3 mL。以該離子液體作為合成尼泊金酯的催化劑具有收率高，操作簡便，可重復(fù)使用，具有較好的應(yīng)用前景。
4. 微波輻射催化合成
在微波輻射條件下，以對羥基苯甲酸與乙醇為原料，SnC1 /C為異相催化劑，高效、綠色地合成對羥基苯甲酸乙酯。分別研究催化劑用量、醇酸物質(zhì)的量比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、微波輻射功率等對收率的影響，并采用傅里葉變換紅外光譜(FT—IR)、核磁共振氫譜( H NMR)和質(zhì)譜(MS)確定產(chǎn)物的結(jié)構(gòu).結(jié)果表明：合成對羥基苯甲酸乙酯條件為 (對羥基苯甲酸)：n(乙醇)=4：4，反應(yīng)時(shí)間25 min，催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10％，反應(yīng)溫度120 ℃，微波輻射功率640w，產(chǎn)品收率為95％ ；SnC1 /C催化劑循環(huán)使用4次后，仍顯示出良好的催化活性，收率可達(dá)89％。
5. 超聲波催化合成
利用超聲波可改進(jìn)化學(xué)反應(yīng)條件及縮短反應(yīng)時(shí)間的手段，在超聲波輻射下，以對羥基苯甲酸和乙醇為原料，以對甲苯磺酸為催化劑，合成對羥基苯甲酸乙酯，并對影響收率的因素進(jìn)行考察，經(jīng)正交試驗(yàn)確定條件：超聲功率350 W，超聲溫度70～80℃，超聲時(shí)間70 min，乙醇與對羥基苯甲酸物質(zhì)的量比為7：1，催化劑用量8％，收率可達(dá)85.51％ 。
6. 殼聚糖磷鎢酸鹽
據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，其可作為固體路易斯酸催化一些酯的合成。以對羥基苯甲酸和乙醇為原料，殼聚糖磷鎢酸鹽為催化劑合成尼金乙酯，確定反應(yīng)的條件：醇酸物質(zhì)的量比為5：1，催化劑用量為0.9 g，反應(yīng)時(shí)間3 h，產(chǎn)品收率達(dá)87.1％。實(shí)驗(yàn)表明，采用殼聚糖磷鎢酸鹽作為催化劑不僅反應(yīng)時(shí)間短、活性高、酯化率高，且催化劑又可重復(fù)使用，開拓了尼泊金乙酯酯化催化劑的新領(lǐng)域。
7. 原甲酸三乙酯脫水法合成
以甲磺酸為催化劑，在反應(yīng)原料中加入原甲酸三乙酯作為脫水劑，尼泊金乙酯能有效地提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，縮短反應(yīng)時(shí)間。賴雅平 以對羥基苯甲酸和乙醇為主要原料，甲磺酸為催化劑，采用在反應(yīng)體系中加入原甲酸三乙酯加熱回流的脫水方合成尼泊金乙酯，通過高效液相色譜跟蹤反應(yīng)進(jìn)程，考察諸因素對產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：原甲酸三乙酯脫水法與傳統(tǒng)方法比較能提高目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率，減少反應(yīng)時(shí)間。
【主要參考資料】
[1] 中華烘焙食品大辭典·原輔料及食品添加劑分冊
[2] 李玲珍, 趙淑桂, 易楊柳. 對羥基苯甲酸乙酯合成方法的改進(jìn)[J]. 化學(xué)通報(bào), 1988, 4: 33.
[3] 陳都, 楊水金. 綠色合成對羥基苯甲酸乙酯催化劑研究進(jìn)展[J]. 精細(xì)石油化工進(jìn)展, 2015, 16(4): 44-47.