響應(yīng)曲面法優(yōu)化PW12/SBA-15催化合成尼泊金丁酯

王少鵬，付長(zhǎng)亮，王會(huì)娜，陳鶴文，陳爽，羅佳昕，劉夢(mèng)夢(mèng)

(1.鄭州工程技術(shù)學(xué)院 化工食品學(xué)院，鄭州 450044；2.鄭州市第36中學(xué)，鄭州 450042)

尼泊金酯(對(duì)羥基苯甲酸酯)是目前國(guó)際上認(rèn)可的三大食品防腐劑之一[1-2]，具有高效、廣譜性的特點(diǎn)，同時(shí)，由于其特殊的酚羥基結(jié)構(gòu)，抑菌效果強(qiáng)于苯甲酸、山梨酸[3-4]，且在人體內(nèi)易水解，具有安全性高、用量少等優(yōu)勢(shì)[5]。目前，苯甲酸及其鹽仍為我國(guó)的主要食品防腐劑，而美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家均已將尼泊金酯列入食品防腐劑名錄。磷鎢酸(H3PW12O40·nH2O，PW12，Keggin型結(jié)構(gòu))具有良好的催化活性，在酯化、烷基化、異構(gòu)化等反應(yīng)過程中都具有良好的表現(xiàn)[6-8]，經(jīng)負(fù)載后，在催化劑回收及重復(fù)使用方面[9-10]也有較大改進(jìn)。響應(yīng)曲面法(response surface method，簡(jiǎn)稱RSM)[11]是采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)利用多元二次回歸方程對(duì)考察因素與響應(yīng)值進(jìn)行擬合，通過對(duì)回歸方程的分析，優(yōu)化工藝參數(shù)。本文利用響應(yīng)曲面法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，考察了催化劑用量、醇酸摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及其交互作用對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響，探討了最佳工藝，獲得了良好的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

分子篩SBA-15(工業(yè)品)：太原新安化工廠；磷鎢酸(PW12，Keggin型)、正丁醇(分析純)：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；對(duì)羥基苯甲酸(分析純)：天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；環(huán)己烷(分析純)：天津市永大化學(xué)試劑有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

加熱反應(yīng)設(shè)備采用河南鞏義英峪予華儀器廠的CL-2型恒溫加熱磁力攪拌器；紅外光譜采用PerkinElmer公司的Spectrum 100型紅外光譜儀(KBr壓片)測(cè)定；熔點(diǎn)采用上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司的WRR型熔點(diǎn)儀測(cè)定。

1.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，PW12的負(fù)載量固定為27%，確定醇酸摩爾比(2∶1～4∶1)、反應(yīng)時(shí)間(2～4 h)、催化劑27% PW12/SBA-15用量(2.5%～3.5%，為質(zhì)量百分比，下同)、反應(yīng)溫度(120～140 ℃)等因素對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響較大，利用中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，以上述4個(gè)因素為自變量，尼泊金丁酯產(chǎn)率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)四因素三水平共29組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼設(shè)計(jì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 The experimental factors and levels

1.3 PW12/SBA-15的制備

根據(jù)前期的研究結(jié)果，以SBA-15為載體，采用浸漬法負(fù)載PW12，當(dāng)負(fù)載量為27%時(shí)已基本負(fù)載飽和，并在載體表面形成微量的晶相，因此，本文不再對(duì)PW12負(fù)載量進(jìn)行考察，所用催化劑均為負(fù)載量27%的PW12/SBA-15催化劑，具體制備方法參照文獻(xiàn)[10]。

1.4 尼泊金丁酯的合成與鑒定

合成：將0.05 mol(約6.91 g)對(duì)羥基苯甲酸計(jì)算量的正丁醇及催化劑加入配有分水器、回流冷凝管和轉(zhuǎn)子的100 mL反應(yīng)器中，將固定量的帶水劑(環(huán)己烷)加入分水器中，開啟恒溫加熱磁力攪拌器，設(shè)定反應(yīng)溫度，達(dá)到預(yù)定反應(yīng)時(shí)間后，停止加熱及攪拌。

分離(純化)：反應(yīng)完畢，抽濾回收催化劑。用飽和NaHCO3溶液中和濾液，并經(jīng)水洗、分水、減壓蒸餾分離正丁醇。蒸餾余液轉(zhuǎn)入盛有冰水的燒杯中，有大量白色晶體析出，經(jīng)抽濾、干燥、稱重，計(jì)算產(chǎn)品產(chǎn)率。

鑒定：將干燥后的粗酯用乙醇-水(粗酯∶乙醇∶水為1∶0.5∶5)進(jìn)行重結(jié)晶，并對(duì)重結(jié)晶后的產(chǎn)品進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)定及FT-IR表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)法初探尼泊金丁酯合成工藝

利用自制催化劑(27% PW12/SBA-15)催化合成尼泊金丁酯，考察催化劑用量、反應(yīng)溫度、醇酸摩爾比、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)產(chǎn)率的影響，并在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)曲面法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，優(yōu)化合成工藝。

2.1.1 催化劑用量對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響

合成條件：對(duì)羥基苯甲酸0.05 mol，正丁醇0.1 mol，設(shè)定反應(yīng)溫度為120 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2.0 h，帶水劑環(huán)己烷適量，考察催化劑用量對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表2。

表2 催化劑用量對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響Table 2 The effect of catalyst amount on the yield of butylparaben

2.1.2 醇酸摩爾比對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響

合成條件：對(duì)羥基苯甲酸0.05 mol，催化劑用量3%，設(shè)定反應(yīng)溫度為120 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2.0 h，帶水劑環(huán)己烷適量，考察醇酸摩爾比對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表3。

表3 醇酸摩爾比對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響Table 3 The effect of molar ratio of alcohol to acid on the yield of butylparaben

2.1.3 反應(yīng)溫度對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響

合成條件：對(duì)羥基苯甲酸0.05 mol，正丁醇0.15 mol，27% PW12/SBA-15用量3%，設(shè)定反應(yīng)時(shí)間為2.0 h，帶水劑環(huán)己烷適量，考察反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表4。

表4 反應(yīng)溫度對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響Table 4 The effect of reaction temperature on the yield of butylparaben

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響

合成條件：對(duì)羥基苯甲酸0.05 mol，正丁醇0.15 mol，設(shè)定反應(yīng)溫度為150 ℃，反應(yīng)時(shí)間為3.0 h，帶水劑環(huán)己烷適量，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表5。

表5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響Table 5 The effect of reaction time on the yield of butylparaben

2.2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化尼泊金丁酯合成工藝

在單因素實(shí)驗(yàn)考察的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)曲面法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，優(yōu)化合成工藝。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的變量值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)變量值與結(jié)果Table 6 The response surface experimental design variable values and results

利用軟件Design-Expert 8.0.6對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素(醇酸摩爾比、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量、反應(yīng)溫度)的編碼值與尼泊金丁酯產(chǎn)率之間的擬合方程為：

Y=+89.6+5.11A+1.25B+1.83C+1.17D+1.2AB+2.2AC+1.68AD+1.15BC-1.05BD+0.95CD-8.09A2-3.93B2-3.63C2-9.04D2+1.65A2B。

方程中Y為尼泊金丁酯產(chǎn)率，A為醇酸摩爾比，B為反應(yīng)時(shí)間，C為催化劑用量，D為反應(yīng)溫度。

對(duì)該回歸模型進(jìn)行方差分析，根據(jù)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)得到F=43.07>F0.99(14,14)=3.72[12-13], P<0.0001(顯著)，且R2=0.9803，說明該模型顯著，該設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析見表7。

表7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 7 The variance analysis of experimental results

將編碼值轉(zhuǎn)換為實(shí)際值，則實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與尼泊金丁酯產(chǎn)率之間的二次回歸方程為：

Y=-1597.6+44.78A+42.83B+45.97C+22.87D-8.7AB+4.4AC+0.17AD+2.3BC-0.1BD+0.19CD-13.04A2-3.93B2-14.52C2-0.09D2+1.65A2B。

2.2.1 參數(shù)的影響分析

2.2.1.1 醇酸摩爾比和反應(yīng)時(shí)間及其交互作用對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響

當(dāng)催化劑用量為3%，反應(yīng)溫度為130 ℃時(shí)，考察醇酸摩爾比和反應(yīng)時(shí)間及其交互作用對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響，見圖1。

圖1 尼泊金丁酯產(chǎn)率與醇酸摩爾比和反應(yīng)時(shí)間的響應(yīng)曲面圖Fig.1 The response surface diagram of the yield of butylparaben with molar ratio of alcohol to acid and reaction time

由圖1可知，產(chǎn)品產(chǎn)率隨著醇酸摩爾比的增大及反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)均呈先增大后減少的趨勢(shì)，且醇酸摩爾比的影響較為明顯，這是由于在反應(yīng)過程中，正丁醇同時(shí)參與了酯化反應(yīng)與共沸脫水。反應(yīng)前期隨著醇量增大，產(chǎn)品產(chǎn)率不斷提升，但醇量過大，會(huì)造成對(duì)羥基苯甲酸及催化劑濃度降低，影響產(chǎn)率的提高；隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)品產(chǎn)率不斷提升，反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)副反應(yīng)增多、部分產(chǎn)品水解等現(xiàn)象，影響產(chǎn)率的進(jìn)一步提升，醇酸摩爾比與反應(yīng)時(shí)間相互交互，有一最佳值。

2.2.1.2 醇酸摩爾比和催化劑用量及其交互作用對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響

設(shè)定反應(yīng)時(shí)間為3 h，反應(yīng)溫度為130 ℃，考察醇酸摩爾比和催化劑用量及其交互作用對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響，見圖2。

圖2 尼泊金丁酯產(chǎn)率與醇酸摩爾比和催化劑用量的響應(yīng)曲面圖Fig.2 The response surface diagram of the yield of butylparaben with molar ratio of alcohol to acid and catalyst amount

由圖2可知，隨著醇酸摩爾比和催化劑用量的增加，產(chǎn)品產(chǎn)率先增大后減少，醇酸摩爾比對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響較催化劑用量更為顯著，二者相互交互，存在一最佳值。當(dāng)催化劑用量超過這一最佳值時(shí)，產(chǎn)率有所下降，這是由于當(dāng)催化劑提供的活性中心數(shù)量已能滿足反應(yīng)需要時(shí)，催化效果的提升對(duì)活性中心數(shù)量的依賴性將明顯下降，且過多的活(酸)性中心對(duì)反應(yīng)物的活性位點(diǎn)有一定的吸附及遮蔽作用，造成產(chǎn)品產(chǎn)率略有下降。

2.2.1.3 醇酸摩爾比和反應(yīng)溫度及其交互作用對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響

當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為3 h，催化劑用量為3%時(shí)，醇酸摩爾比和反應(yīng)溫度及其交互作用對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響見圖3。

圖3 尼泊金丁酯產(chǎn)率與醇酸摩爾比和反應(yīng)溫度的響應(yīng)曲面圖Fig.3 The response surface diagram of the yield of butylparaben with molar ratio of alcohol to acid and reaction temperature

由圖3可知，產(chǎn)品產(chǎn)率隨著醇酸摩爾比和反應(yīng)溫度的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且影響均較為顯著。在一定范圍內(nèi)，反應(yīng)溫度的升高有利于產(chǎn)品產(chǎn)率的提升，但溫度過高，產(chǎn)率又有所下降，這是由于高溫導(dǎo)致副反應(yīng)增加，且該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度過高不利于平衡右移，致使產(chǎn)率下降；醇酸摩爾比與反應(yīng)溫度相互交互，相互影響，使得曲面有一最佳點(diǎn)，當(dāng)二者均超過最佳點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)品的產(chǎn)率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.2.1.4 反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量及其交互作用對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響

當(dāng)醇酸摩爾比為3∶1，反應(yīng)溫度為130 ℃時(shí)，反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量及其交互作用對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響見圖4。

圖4 尼泊金丁酯產(chǎn)率與反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量的響應(yīng)曲面圖Fig.4 The response surface diagram of the yield of butylparaben with reaction time and catalyst amount

由圖4可知，產(chǎn)品產(chǎn)率隨著催化劑用量的增大和反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)均呈先增大后緩慢下降的趨勢(shì)，兩者相互交互，有一最佳值，但影響較為平緩。在達(dá)到最佳值之前，催化劑用量的增加可提供更多的催化活性中心，反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)能有效促使平衡右移，提高產(chǎn)率，超過最佳值后，過多的活(酸)性中心對(duì)反應(yīng)物的活性位點(diǎn)有一定的吸附及遮蔽作用，過長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間無益于平衡右移，且造成能耗增加及副反應(yīng)增多，不利于產(chǎn)品產(chǎn)率的提升。

2.2.1.5 反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度及其交互作用對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響

當(dāng)催化劑用量為3%，醇酸摩爾比為3∶1時(shí)，反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度及其交互作用對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響見圖5。

圖5 尼泊金丁酯產(chǎn)率與反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度的響應(yīng)曲面圖Fig.5 The response surface diagram of the yield of butylparaben with reaction time and reaction temperature

由圖5可知，產(chǎn)品產(chǎn)率隨著反應(yīng)溫度的升高先增大后減少，變化較為顯著，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)率先逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定且略有下降，變化較為平緩，兩者相互交互，在曲面上有一最佳值。在最佳值之前，隨著反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)物活性不斷提升，產(chǎn)率升高，超過最佳值后，過高的溫度致使副反應(yīng)增多，產(chǎn)品產(chǎn)率下降。

2.2.1.6 催化劑用量和反應(yīng)溫度及其交互作用對(duì)尼泊金丁酯產(chǎn)率的影響

當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為3 h，醇酸摩爾比為3∶1時(shí)，催化劑用量和反應(yīng)溫度及其交互作用對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響見圖6。

圖6 尼泊金丁酯產(chǎn)率與催化劑用量和反應(yīng)溫度的響應(yīng)曲面圖Fig.6 The response surface diagram of the yield of butylparaben with catalyst amount and reaction temperature

由圖6可知，產(chǎn)品產(chǎn)率隨著反應(yīng)溫度的升高先增加后下降，隨著催化劑用量的增加，呈現(xiàn)先增加，而后趨于平穩(wěn)并略有下降的趨勢(shì)，兩者相互交互，有一最佳值。這是由于在最佳值之前，反應(yīng)溫度的升高和催化劑用量的增加均有利于產(chǎn)品產(chǎn)率的提升，在最佳值之后，高溫副反應(yīng)及反應(yīng)熱效應(yīng)逐步凸顯，致使產(chǎn)品產(chǎn)率下降。

2.2.2 參數(shù)優(yōu)化及模型驗(yàn)證

根據(jù)模型預(yù)測(cè)，尼泊金丁酯的最大產(chǎn)率可達(dá)91.4%，最佳工藝條件為：醇酸摩爾比為3.41∶1，反應(yīng)時(shí)間為3.34 h，催化劑用量為3.22%，反應(yīng)溫度為131.07 ℃。

為便于操作，將模型預(yù)測(cè)的最佳工藝條件略微調(diào)整：醇酸摩爾比為3.4∶1，反應(yīng)時(shí)間為3.3 h，催化劑用量為3.2%，反應(yīng)溫度為131 ℃，在該條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，尼泊金丁酯產(chǎn)率分別為91.2%、91.0%、91.4%，實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值基本吻合。因此，確定在使用自制催化劑27% PW12/SBA-15的條件下，尼泊金丁酯合成的最佳工藝條件為：醇酸摩爾比為3.4∶1，反應(yīng)時(shí)間為3.3 h，催化劑用量為3.2%，反應(yīng)溫度為131 ℃。

2.2.3 產(chǎn)品的純化及鑒定

按照設(shè)計(jì)的純化方案對(duì)合成的粗酯進(jìn)行重結(jié)晶，得到精制尼泊金丁酯。首先利用熔點(diǎn)儀測(cè)得精制尼泊金丁酯熔點(diǎn)為67～71 ℃，與文獻(xiàn)[14]的報(bào)道基本一致，其次對(duì)精制尼泊金丁酯進(jìn)行FT-IR分析，其紅外光譜圖見圖7。

圖7 產(chǎn)品的紅外光譜圖Fig.7 The infrared spectrogram of the product

3 結(jié)論

尼泊金丁酯合成方案經(jīng)過單因素法初選，響應(yīng)曲面法優(yōu)化，得到最佳工藝條件為：醇酸摩爾比為3.4∶1，反應(yīng)時(shí)間為3.3 h，催化劑27% PW12/SBA-15用量為3.2%，反應(yīng)溫度為131 ℃。在此條件下，產(chǎn)品最高產(chǎn)率可達(dá)91.4%左右，催化劑具有制備簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、可重復(fù)使用等優(yōu)勢(shì)，具有極佳的工業(yè)應(yīng)用前景。