以低温陈化方法制备改性SO4-2/ZrO2 型固体超强酸为催化剂合成没食子酸甲酯，考察了不同反应条件对没食子酸甲酯纯度与收率的影响，利用正交设计原理优化合成条件，实验结果表明：催化剂的制备条件为陈化温度：-10℃、浸渍H+ 浓度：1.0 mol/L；合成条件为催化剂用量：7.5 g；反应时间：5 h，酸醇摩尔比约为1 ∶ 20，不采用带水剂；产品经液相色谱、红外和熔点检测分析，没食子酸甲酯的平均收率达88.80%，纯度达≥ 99%，符合没食子酸甲酯的质量标准。

Based on the low temperature aging method to prepare modified SO4-2/ZrO2 solid Superacid as catalyst for synthesis of gallic acid methyl ester. The effects of different reaction conditions on the purity and yield of methyl gallate were investigated. The orthogonal design was used to optimize the prepare and synthesis conditions. The results show that the optimum reaction conditions for nthesis of methyl gallate by modified SO4 2-/ZrO2 solid superacid were as follows: aging temperature: 10 ℃ , impregnation H+ concentration: 1.0 mol/L, andthe optimum reaction conditions forsynthesis conditions: catalyst dosage: 7.5 g; reaction time: 5 h; molar ratio of acid to alcohol 1:20. The product was analyzed by liquid chromatography, infrared and melting point analysis. The average yieldand purityof methyl gallate was 88.80% and 99%, respectively,which was in accordance with the quality standard of methyl gallate.

没食子酸甲酯(MG)，化学名3, 4, 5- 三羟基苯甲酸甲酯，白色单斜棱柱体结晶，对血小板聚集有对抗作用^[1]，对大肠杆菌等的活性比没食子酸、水杨酸、咖啡酸、氯原酸等强^[2]，具有抗病毒作用，对II- 型单纯疤疹效果明显^[3]，对心脑血管梗塞、短暂性局部缺血、过敏及哮喘等有治疗作用^[4-5]，有抑制或杀死真菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌的作用^[6-8]，还可以作抗氧化剂^[9]。MG 广泛应用于植物生长调节剂、着色性能良好的记录材料合成的中间体、金属材料腐蚀抑制剂、头发调理剂、卤化银彩色照相光敏材料等^[10-11]。

多年来，没食子酸合成烷基酯主要以浓硫酸为催化剂，使没食子酸与过量的醇回流脱水制得^[12]。然而，浓硫酸具有强氧化性，没食子酸又具有邻二酚结构，更易氧化，此传统方法存在反应不易控制、副反应多、产品颜色深、腐蚀管道严重、造成三废污染等缺点^[12]。如何改进生产工艺，从而提高生产没食子酸甲酯效益向绿色化生产看齐，是我们研究的重点。固体超强酸则是一种较为理想的酯化催化剂。它以其酯化催化活性高，选择性好，再生速度快，腐蚀性小，易分离而被人们所重视。是一种高效、低温、绿色型催化剂^[13-14]。本课题主要探讨以低温陈化法制备的改性SO_42-/ZrO₂ 型固体超强酸为催化剂对甲酯酯化反应的影响及工艺条件的优化。为没食子酸甲酯生产提供依据。

• 1.1 试剂与仪器

  试剂：没食子酸，购于张家界奥威科技有限公司；甲醇，浓硫酸，氧氯化锆，氨水，硝酸银均为分析纯试剂。

  仪器：LGJ-10 冷冻干燥机，北京松源华兴科技发展有限责任公司；WRS-1B 数字熔点仪，上海精密科学仪器有限公司；UVD170U 液相色谱仪，日本岛津株式会社；AVA3000 红外光谱仪，美国热电傅立叶公司；SX-12-10 箱式电阻炉，天津市泰斯特仪器有限公司。

• 1.2 实验方法

  • 1.2.1 改性固体超强酸催化剂的制备

    将500 gZrOCl₂•8H₂O 加入蒸馏水搅拌溶解，待溶解完后，滴加浓氨水调节溶液 pH 值为9 ～ 10，至白色沉淀物生成。然后将制取的沉淀物分为若干份，分别在不同低温温度下陈化 24 h 后抽滤，再用 0.1 moL/L AgNO₃ 洗涤洗至无氯离子检出，将滤饼放在真空烘箱中干燥24 h。取出干燥后的试样，放在研钵中研磨成细小颗粒，在浓度为1.0 mol/L 硫酸溶液中浸泡12 h，真空抽滤后干燥2 h，放在 650℃马弗炉中焙烧3 h，冷至室温，即得SZ 催化剂，置于干燥器中待用。

  • 1.2.2 没食子酸甲酯(MG) 的合成

    在250 mL 的四颈烧瓶中加入30 g 没食子酸和130 mL 甲醇，在分水器中加入甲醇直至与支管口相切，通冷却水，开启搅拌，水浴加热。待甲醇达到沸点并开始回流后，加入所制备的催化剂，加热回流8 h，反应完后，用布氏漏斗过滤出催化剂，蒸馏滤液, 回收过量的甲醇，残余物用冰水重结晶，得白色晶体即MG 产品。

• 2 结果与分析

  • 2.1 单因素试验

    • 2.1.1 催化剂陈化温度对产品收率的影响

      催化剂陈化温度对催化剂的性能有很大影响，从而影响酯化反应的收率。实验在酸醇质量体积比为1 ∶ 4.3，催化剂用量为7.5 g，反应时间8 h，催化剂H⁺ 浓度为1.0 mol/L 等条件下，考察了不同陈化温度下催化剂对酯收率的影响，结果如图1；由图1 可知：陈化温度为-15℃时，产品收率最高，这可能是因为-15℃下陈化的样品经650℃焙烧后出现了较强的锐钛矿晶相，而常温陈化的样品经焙烧后为无定形态，在低温下晶核的形成功减小，晶核形成速率增大，而且溶液始终处于过饱和状态，对晶核的形成有利。金属氧物的晶化是形成超强酸的必要条件。

      

      图1 陈化温度对产品收率的影响
      Fig.1 Effects of the aging temperature on the production yield

    • 2.1.2 反应时间对产品收率的影响

      在反应条件中催化剂的陈化温度定为-15℃时，其它反应条件不变下，探讨反应时间对对酯收率的影响。图2 结果表明，酯化反应的时间为6 h 时MG 收率最高。反应时间过短，酯化反应不完全，致使产品收率降低；而反应时间过长，没食子酸苯环上的羟基被氧化成醌，也使得产品收率降低。所以酯化反应时间为6 h 时收率较高。

      

      图2 反应时间对产品收率的影响
      Fig.2 Effects of the reaction time on the production yield

    • 2.1.3 催化剂用量对产品收率的影响

      试验将酯化反应时间修改为6 h，其它工艺条件不变下，探讨催化剂用量对酯收率的影响。由图3 可知，催化剂用量少时，反应不充分，导致催化效果不是很好， MG 收率不高；当催化剂用量多时，会导致副反应发生，因而MG 收率也开始降低。因此，催化剂最佳用量在7.5 g 时产品收率最高。

      

      图3 催化剂用量对产品收率的影响
      Fig.3 Effects of the catalyst dosage on the production yield

    • 2.1.4 酸醇质量体积比对产品收率的影响

      在催化剂用量为7.5 g，反应时间为6 h，陈化温度为-15℃时，催化剂H⁺ 浓度为1.0 mol/L等条件下，考查了不同酸醇质量体积比对产品收率的影响，由图4 可知：酸醇比为质量体积比1 g ∶ 4.3 mL 较优。在反应中甲醇既是反应试剂也是溶剂与带水剂，因此甲醇是过量反应，酸醇摩尔比约为1 ∶ 20。这主要是由于没食子酸在甲醇中的溶解度不大，醇酸比太小时，没食子酸不能完全溶解，反应在非均相条件下进行的，且酯化原料不足导致反应不充分，MG 收率降低；当醇酸比无限制扩大后，甲醇用量过多使酸催化剂被稀释，使收率也下降，并造成试剂的浪费。由于酸醇比变化会影响到酸催化剂浓度的变化，因此，在正交设计中酸醇比就不作为变量来考虑，重点讨论催化剂的制备与用量对反应的影响。

      

      图4 酸醇质量体积比对产品收率的影响
      Fig.4 Effects of the ratio of acid and alcohol on the production yield

  • 2.2 正交试验确定MG 合成最佳条件

    为了考察不同制备条件下SO_42-/ZrO₂ 型固体超强酸的催化效率、反应时间、催化剂用量之间的交互作用对反应收率的影响。采用四因素三水平L₉（3⁴）正交表进行正交实验。四因素为催化剂H⁺ 浓度、催化剂用量、反应时间、陈化温度等，在催化剂在制备过程中催化剂H⁺ 浓度对催化效果可能会有一定的影响，也将作为一因素而考虑。因素水平的确定见表1，实验结果见表2。

    

    表1 正交因素水平表
    Table 1 Orthogonal factor level

    

    表2 正交设计实验及结果L9(43)
    Table 2 Orthogonal design experiment and result L9(43)

    由表2 可知，各因素对酯化反应的影响顺序为：催化剂用量＞ 陈化温度＞催化剂H⁺ 浓度＞反应时间；优化的工艺条件为：A₂B₃C₁D₂，即催化剂H⁺浓度为1.0 mol/L，催化剂用量为7.5 g，反应时间5 h，催化剂陈化温度为-10℃，酸醇质量体积比为1 ∶ 4.3；在该条件下重复进行了两次验证实验，结果产品收率分别达到88.61%、89.04%。熔点分别为202.3 ～ 203.6℃、200.1 ～ 200.7℃。

  • 2.3 产品的表征与测试

    液相色谱分析：色谱柱：安捷伦TC-C18 反相色谱柱(4.6 mm×250 mm, 5μm)，流动相： 20%甲醇，70% 水，10%pH=3 磷酸溶液；梯度洗脱至流动相为40% 甲醇，50% 水，10%pH=3 磷酸溶液；检测波长274 nm；流速0.8 mL/min；柱温30℃。结果如图5：产品纯度达到99% 以上。

    

    图5 产品的液相色谱图
    Fig.5 Liquid chromatography of products

    

    图6 没食子酸甲酯的红外光谱图
    Fig.6 Methyl gallate infrared spectra

    熔点测定：WRS-1B 数字熔点仪，测定产品的熔点，产品的熔程为201.1 ～ 203 ℃ ( 文献值，没食子酸甲酯熔程为201.0 ～ 203.6℃ )。

    红外光谱分析：AVA3000，美国热电傅立叶红外光谱仪，利用溴化钾压片测定产品的红外光谱。结果如图6 所示：1 677.55（共扼的―C―OCH₃ 的ν_C=O），3 053.04（芳环的ν _C―H）；2 262.39，1 204.22，2 036.44（芳香酯类的ν_c―o）；2 956.10（ ―OCH³ 的νs）；3 410.67―3 326.53（ν_O―H）：1 205.31（ 酚的ν_c―o）；1 613.17，1 524.06，1 464.02（ 芳环的，ν_c―c）；879.58，806.74，773.40，752.14（取代芳环的δ_c―H，面外）。通过以上光谱分析可知，产品中含有没食子酸所有的苯环、羰基和羟基官能团。此外，产品的谱图中还含有（O=C-O-C）的吸收峰，说明，产品谱图呈现明显的酯特征峰，与没食子酸甲酯红外光谱图吻合。

• 3 结论与讨论

  (1) 各因素对酯化反应的影响顺序为：催化剂用量＞ 催化剂的陈化温度＞催化剂H⁺ 浓度＞反应时间；

  (2) 甲酯化反应的优化工艺条件是：催化剂H⁺浓度为1.0 mol/L，催化剂用量为7.5 g，反应时间5 h，催化剂陈化温度为-10℃，酸醇摩尔比为1 ∶ 20，其平均产品收率达88.80%，合成的没食子酸甲酯为白色晶体。

  (3) 产品经液相色谱、红外和熔点检测分析，纯度达≥ 99%，其红外光谱图中呈现明显的酯特征峰，熔点在200.1℃ -203.6℃范围内，符合没食子酸甲酯的质量标准。

  (4) 固体酸催化剂较常用的硫酸催化剂有以下优势：对设备没有腐蚀性，对没食子酸没有氧化性，与产品分离容易，分离出未为反应甲醇经脱水后可继续使用，结晶产品的晶型漂亮，质量好。是一类环境友好的绿色催化剂。

  (5) 从催化活性看固体超强酸催化剂的催化活性略低于浓硫酸，浓硫酸的催化效率虽高，但对设备腐蚀很严重，对反应试剂没食子酸的氧化性强，后期处理复杂。低温陈化处理改性SO₄^2-/ZrO₂型固体超强酸催化剂不仅催化活性高，且具有不腐蚀反应设备、无三废污染、可再生重复使用、催化剂与产物分离简单、产品结晶晶型好等优点，因此固体超强酸催化剂具有明显的优势和良好的综合性能^[1,14]。我们将进一步改善SO₄^2-/ZrO₂ 型固体超强酸催化剂的制备方法，采用活性炭等负载剂负载增大催化剂与反应产物的接触面，减少催化剂的用量，使催化剂的催化效果达到最大化的利用，从而降低成本，提高催化效果。

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