PerKin法制备肉桂酸实验条件的优化.docx

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PerKin法制备肉桂酸实验条件的优化

摘要

肉桂酸的Perkin法制备中不同催化剂、催化剂的用量及反应时间等对肉桂酸产率有较大的影响。

论文主要从不同催化剂对肉桂酸产率的影响和薄层色谱（TLC）来跟踪反应时间等方面进行研究。

实验结果表明：

Perkin法制备肉桂酸的最佳工艺条件是用4.4g质量比1∶2的碳酸钾和醋酸钾混合碱作催化剂产率较高；运用薄层色谱（TLC）来跟踪其反应最佳时间是50min。

关键词:

肉桂酸催化剂Perkin法TLC

Abstract

Perkincinnamicacidpreparedbydifferentcatalysts,catalystdosageandreactiontimeontheyieldofcinnamicacidhavegreaterimpact.Thesisfromdifferentcatalyststheyieldofcinnamicacidandthinlayerchromatography（TLC）totracktheresponsetimeofaspects.Theresultsshowthat:

Perkinacidpreparedtheoptimumconditionsforthemassratioof1:

2with4.4gofpotassiumcarbonateandpotassiumacetatemixedalkaliasacatalystwithhighyield;theuseofthin-layerchromatography（TLC）totracktheresponsemostBesttimeis50min.

Keywords:

cinnamicacid;catalyst;perkinlaw;TLC

1文献综述

1.1肉硅酸的用途

肉桂酸又名桂皮酸，化学名称：

β-苯丙烯酸，英文名：

CinnamicAcid，分子式为C6H5-CH=CH-COOH，相对分子量148.17，白色单斜棱晶，微有桂皮香气。

熔点135℃，溶于乙醇、甲醇、石油醚、氯仿，易溶于苯、乙醚、丙酮、冰醋酸、二硫化碳及油类，不溶于水。

肉桂酸是一种重要的有机合成原料，主要用于医药、农药、香料、感光树脂和塑料等精细化工产品的制备[1-2]。

目前肉桂酸在日本、美国、加拿大、德国、西班牙、意大利、巴西等世界各国和地区被广泛用于香料、食品、医疗、化工、饲料、粮食等领域[3]；国内肉桂酸的市场需求量会日益扩大。

其中应用最为广泛的有以下几点：

1.1.1香精香料中的应用[4]

（1）调制苹果、樱桃，可作为苹果香精、樱桃香精、花香香精调和使用。

（2）可作为芳香混合物，用于香皂、洗衣粉、日用化妆品中。

（4）肉桂酸本身就是一种香料，具有很好的保香作用，通常作为配香原料，

肉桂酸的各种酯（如甲、乙、丙、丁等）都可用作定香剂，用于饮料、冷饮、糖果、酒类等食品。

1.1.2食品添加剂的应用[5]

（1）以肉桂酸为原料，用微生物酶法合成L-苯丙氨酸。

L-苯丙氨酸是重要的

食品添加剂——甜味阿斯巴甜（Aspartame）的主要原料。

（2）肉桂酸还是辣椒素合成酶的一个组成部分——肉桂酸水解酶，可以利用转基因培育具有高产辣椒素含量的辣椒优良品种，必将大大提高辣椒品质，从而有力推动辣椒产业化发展。

（3）利用肉桂酸的防霉防腐杀菌的功能，可应用于粮食、蔬菜、水果中的保鲜、防腐。

（4）还可用在葡萄酒中，使其色泽光鲜。

（5）肉桂酸具有很强的兴奋作用，可直接添加于食品中。

1.1.3药物合成中发展[6-7]

医药工业中，可用于合成治疗冠心病的重要药物乳酸可心定和心痛平，及合成氯苯氨丁酸和肉桂苯哌嗪，用来制造“心可安”、局部麻醉剂、杀菌剂、止血药等。

还可合成氯苯氨丁酸和肉桂苯哌嗪，用作脊锥骨骼松弛剂和镇痉剂。

主要用于脑血栓，脑动脉硬化，冠状动脉硬化等病症。

对肺腺癌细胞增殖有明显抑制作用。

1.1.4美容方面的应用

肉桂酸可应用于美容方面，酪氨基酸酶是黑色素合成关键酶，它启动了由酪氨酸转化为黑色素生物聚合体的级链反应，肉桂酸有抑制形成黑色酪氨酸酶的作用，对紫外线有一定的隔绝作用，能使褐斑变浅，甚至消失，是高级防晒霜中必不可少的成分之一。

肉桂酸显著的抗氧化功效对于减慢皱纹的出现有很好的疗效。

1.1.5保鲜剂方面的应用[8]

保鲜剂方面，我国每年因加工储存不善导致的粮食损失高达25%，水果蔬菜流通消费中的损失更是高达30-40%，因此要求有高效的防腐保鲜剂以储存和保鲜农产品。

肉桂酸作为水果蔬菜的防腐鲜剂必将有广阔的市场发展空间。

1.2肉桂酸的合成方法

目前，肉桂酸制备方法有Perkin（柏琴）法、苯乙烯-四氯化碳法、苯甲醛-丙酮法、苯甲醛-乙烯酮法及苯乙烯—一氧化碳法[9]等。

（1）Perkin法是芳香醛和酸酐在相同羧酸的碱金属盐存在下，发生类似醛醇缩合反应得到α，β-不饱和芳香酸，这个反应用于合成肉桂酸及其同系物，称为铂金醇醛缩合反应[10-11]。

Perkin法合成肉桂酸，是以苯甲醛与乙酸酐为原料,在弱碱作用下，乙酸酐的α-H被夺去，生成碳负离子,进而进攻苯甲醛，最后生成肉桂酸，其合成路线为：

（2）苯乙烯-四氯化碳法：

苯乙烯-四氯化碳法是以苯乙烯和四氯化碳为原料的新合成路线。

与Perkin法相比,苯乙烯-四氯化碳法具有原料廉价易得、反应条件温和、收率高和三废少等特点,是生产肉桂酸很有前途的方法。

因此,苯乙烯-四氯化碳法生产肉桂酸不仅为四氯化碳找到了一条理想的出路,而且提高了该法生产肉桂酸的市场竞争力。

由于四氯化碳是甲烷氯化物的一种，具有破坏臭氧层的作用，将逐步停止生产，苯乙烯-四氯化碳法亦将停止应用。

（3）苯甲醛-丙酮法：

合成路线如下：

这条合成路线曾经用于工业合成，但由于工业流程长，操作复杂，能耗大，转化率低等问题而被淘汰。

（4）苯甲醛-乙烯酮法：

苯甲醛和乙烯酮在锌盐和C6-18脂肪族羧酸催化下于100～125℃反应可以制得肉桂酸，当锌盐为2-乙基己醇时，收率可达87%[12]。

乙烯酮是剧毒气体，化学性质活泼，反应条件不易控制，副产物多，因此此法不适于工业生产。

（5）苯甲醛-醋酸法：

这是一个气相反应合成的方法，催化剂是将碱性催化剂固在于铝硅酸盐、SiO2-Al2O3或者硅胶等上制得。

将苯甲醛和60%醋酸于350℃气化，再通过装有催化剂得反应器，空速300h-1。

苯甲醛得转化率为49%，对肉桂酸得选择性73%[13]。

（6）苯乙烯—一氧化碳法：

反应式如下：

此法是由日本首先开发的一条以苯乙烯为原料的新和成路线。

该法原料价廉，产率较高，但反应条件苛刻，工艺错综复杂，所用的钯催化剂昂贵。

（7）苄叉二氯-无水醋酸钠法：

反应式如下：

该法副产物多，产率低，曾经被以苄叉二氯为副产物的厂家采用，但已趋淘汰。

2论文设计思路及实验方案

2.1设计思路

在肉桂酸的合成方法中，工业生产肉桂酸的方法主要有Perkin法和苯乙烯-四氯化碳法，在实验室主要是用Perkin法制备肉桂酸。

Perkin法制备法肉桂酸中不同催化剂、催化剂的用量及反应时间等对肉桂酸产率有较大的影响。

Perkin法制备肉桂酸所用的催化剂主要有为两类，一类为无水醋酸钾，另一类为无水碳酸钾。

用无水醋酸钾为催化剂，反应时间长（苯甲醛转化率低），水蒸气蒸馏的时间长，产率低；改用无水碳酸钾为催化剂,反应时间有所缩短，水蒸气蒸馏所用的时间需40min以上，产率低。

但实际实验时发现用无水K2CO3作催化剂，水蒸气蒸馏的时间仍长。

通过查阅资料，任碧野[14]等采用氟化钾作催化剂，加入相转移催化剂PEG-600，反应1.5h，所得肉桂酸产率达较高；李志平等[15]在研究混合固体碱催化合成肉桂酸时报道了反应时间对肉桂酸产率的影响，指出用碳酸钾和醋酸钾混合碱4.0g作催化剂，或用氟化钠和碳酸钾等混合催化剂进行催化合成肉桂酸时，得到了较好的效果。

在本实验中，用Perkin法以碳酸钾、碳酸钠、醋酸钾、醋酸钠及混合碱为催化剂制备肉桂酸，分析反应中的各种因素对产率的影响，从而为肉桂酸生产的工业化提供依据和参考。

另外，不同文献资料对同一催化剂所提供的反应时间不同，本实验采用TLC跟踪反应进程以确定不同催化剂下最佳反应时间[16-17]。

2.2实验方案

通过调查文献资料，本论文采用的实验方案为：

（1）以苯甲醛和乙酸酐为原料，固定原料摩尔比及回流温度，考察在不同的碱性环境：

如无水碳酸钾、碳酸钠、醋酸钾、醋酸钠及混合碱等催化剂对肉桂酸产率的影响，并通过综合评价确定最佳反应催化体系。

（2）用重结晶技术对产品进行分离提纯。

（3）采用TLC跟踪反应，以确定不同催化剂下的最佳反应时间。

通过实验条件优化后，得出Perkin法制备肉桂酸的最佳条件。

3实验部分

3.1化学试剂及仪器

3.1.1主要试剂

本实验所用的主要试剂（见表3.1）

表3.1主要试剂

Table3.1Importantreagents

仪器及试剂型号生产厂家

苯甲醛分析纯天津市大茂化学试剂厂

乙酸酐分析纯成都市科龙化工试剂厂

氟化钠分析纯上海试剂三厂

碳酸钾分析纯成都市科龙化工试剂厂

醋酸钾分析纯天津市科密欧化学试剂开发中心

碳酸钠分析纯成都市科龙化工试剂厂

醋酸钠分析纯成都市科龙化工试剂厂

乙酸乙酯分析纯成都市科龙化工试剂厂

石油醚分析纯成都市科龙化工试剂

3.1.2仪器设备

（1）X85-2恒温磁力搅拌器；

（2）SHⅠ-ⅡD型循环水真空泵；

（3）有机合成标准磨口仪器。

3.2实验条件优化

3.2.1实验方法

在100mL三颈烧瓶中加入3.0mL（0.03mol）新蒸馏过的苯甲醛、8mL（0.072mol）新蒸馏过的乙酸酐以及催化剂。

在恒温磁力搅拌器上加热回流。

反应一定的时间后，停止反应。

待反应物冷却后，加入适量的温水。

改为水蒸气蒸馏装置蒸馏出未反应的苯甲醛。

在将烧瓶冷却，加入适量的碳酸钾至体系为碱性，以保证所有的肉桂酸成盐而溶解。

用10mL乙酸乙酯萃取3次，冷却至室温，在搅拌下用浓盐酸酸化至酸性，析出固体肉桂酸。

抽滤，用少量的水多次的洗涤沉淀，抽干。

所得的粗产品在空气中晾干，称量。

最后用5∶1的水-乙醇重结晶。

在后处理过程中，有的文献[16-17]是用水蒸气蒸馏除去未反应的苯甲醛；本实验用水蒸气蒸馏和萃取方法结合来除去未反应的苯甲醛，用这种处理方法能减少产品肉桂酸的损失，产品肉桂酸的纯度也会提高。

3.2.2催化剂对产率的影响

取3.0mL（0.03mol）新蒸馏过的苯甲醛、8mL（0.072mol）新蒸馏过的乙酸酐，再分别取（0.032mol）的醋酸钾3.2g、碳酸钾4.4g、醋酸钠2.6g、碳酸钠3.4g。

按上述步骤进行实验，且每组实验平行做三次，实验结果如表3.2。

表3.2单个催化剂对产率的影响

Table3.2singlecatalystontheyield

催化剂醋酸钾碳酸钾醋酸钠碳酸钠

产率

（1）46%52%12%20%

产率

（2）44%49%13%17%

产率（3）48%53%10%21%

平均产率46%51%12%19%

通过表3.2可知,用Perkin法合成肉桂酸的最佳催化剂是碳酸钾，产率可达51%。

所以在制备肉桂酸选择单一催化剂时碳酸钾效果较好，产率高，且碳酸钾的价格便宜。

在反应物的量及其他条件不变的情况下，取混合碱碳酸钾和醋酸钾以及混合碱碳酸钾和氟化钠共4.4g,按质量比1∶1投料，实验结果如表3.3。

按质量比1∶2投料，实验结果如表3.4。

表3.3混合催化剂（按质量比1∶1）对产率的影响

Table3.3Mixedcatalyst（massratio1:

1）toyield

催化剂碳酸钾／醋酸钾碳酸钾／氟化钠

产率

（1）41%34%

产率

（2）36%35%

产率（3）38%37%

平均产率38%35%

表3.4混合催化剂（按质量比1∶2）对产率的影响

Table3.4Mixedcatalyst（massratio1:

2）toyield

催化剂碳酸钾／醋酸钾碳酸钾／氟化钠

产率

（1）52%46%

产率

（2）54%49%

产率（3）51%52%

平均产率52.3%49%

通过表3.3及表3.4可知,在混合催化剂中，碳酸钾和醋酸钾混合碱产率高于碳酸钾和氟化钠,且质量比按1∶2混合的产率高于质量比按1∶1混合的产率，其产率可达52.3%。

催化剂对肉桂酸产率影响实验表明：

选择单一催化剂时碳酸钾较好，产率可达51%，或选择质量比1∶2的碳酸钾和醋酸钾混合碱，产率可达52.3%，且反应过程中结块少，利于后处理。

这是由于碳酸钾的碱性较强,有利于夺取乙酸酐的α氢原子；同时，碳酸钾可以中和该反应产生的乙酸，生成的乙酸钾可以作催化剂。

有关研究表明[18],钾阳离子非常广泛地以络合物形式参与反应,有利于反应的进行。

3.2.3薄层色谱法（TLC）跟踪反应

薄层色谱法（ThinLayerChromatography,TLC）是快速分离和定性分析少量物质的一种很重要的实验技术，也用于跟踪反应进程[16]。

薄层层析法在很多方面得到了广泛的应用，如判断有机合成反应进行的程度；合成药物的质量控制及杂质检查；中草药的分离提纯；药物分析及含量测定等，本实验用薄层层析法判断有机合成反应进行的程度。

3.2.3.1薄层板的制备

取羧甲基纤维素钠8g，溶于1000ml水中，在水浴上加热搅拌使完全溶解，倒入烧杯中，在中研钵中加入一定量羧甲基纤维清夜，向其中慢慢地加入吸附剂硅胶，边加边研磨，制成均匀的稀糊，按照硅胶G薄层涂布法制备薄层，或把两块载玻片面对面结合在一起，这样每片只有一面与硅胶糊接触，使薄片浸入硅胶稀糊中，然后慢慢取出，分开二块薄片，将未粘附硅胶糊的那一面水平放在一张清洁的纸上，这样重复操作多制备薄层板，让其自然凉干，100℃下烘30分钟。

冷后于干燥器内备用。

未消耗的硅胶稀糊可贮存在广口瓶内，以供再用。

3.2.3.2点样

通常将样品溶于低沸点溶剂（丙酮、甲醇、乙醇、氯仿、苯、乙醚、四氯化碳和乙酸乙酯）配成稀溶液，用内径小于1mm管口平整的毛细管点样：

（1）先用铅笔在距薄层板一端1cm处轻轻划一横线作为起始线，然后用毛细管吸取样品，在起始线上小心点样，斑点直径一般不超过1-2mm。

（2）若因样品溶液太稀，可重复点样，但应待前次点样的溶剂挥发后方可重新点样，以防样点过大，造成拖尾、扩散等现象，而影响实验效果。

（3）若在同一板上点几个样，样点间距离应为1—1.5cm。

（4）点样要轻，不可刺破薄层。

3.2.3.3展开  

薄层色谱展开剂的选择和柱色谱一样，主要根据样品的极性、溶解度和吸附剂的活性等因素来考虑。

凡溶剂的极性越大，则对一化合物的洗脱能力也越大，即Rf值也越大（如果样品在溶剂中有一定溶解度）。

薄层色谱用的展开剂绝大多数是有机溶剂，薄层色谱的展开，在广口瓶中进行，将色谱板垂直于盛有展开剂的容器中。

展开一段时间后在紫外灯下显色。

3.2.3.4用TLC跟踪反应进程

安装好装置，投料后记录下开始加热时的反应时间T，在一块板上点上苯甲醛和反应混合物样（均需配成稀溶液），按上述方法进行展开和显色，记下原料样和反应混合物样的斑点位置，计算Rf值。

从开始时算起每隔10分钟点一次样，记下苯甲醛和反应混合物样中相应斑点的位置和大小，计算Rf值。

过20分钟后每隔5分钟点一次样，如发现反应混合液样中相应于原料斑点的位置处，无斑点或斑点变小，则说明反应已经完成或接近完成，所以依此可跟踪有机化学反应。

以碳酸钾为催化剂时，用TLC跟踪反应在25分钟前原料点无变化，无新点生成，30分钟后有新点出现，在55min后的原料点和新点的形状基本保持不变，说明反应以达平衡，该反应最佳时间为55min。

TLC跟踪反应进程如表3.5。

表3.5用碳酸钾作催化剂时TLC跟踪反应进程

Table3.5usingpotassiumcarbonateasthecatalystandreactionprocesswhentheTLC

反应时间Rf（苯甲醛）Rf（反应混合物）

100.86无

200.87无

250.87无

300.860.38

350.870.36

400.860.38

450.860.37

500.870.38

550.860.36

600.860.38

同样用TLC跟踪方法以醋酸钾作催化剂时，最佳反应时间在55分钟；以混合碱碳酸钾和醋酸钾以及混合碱碳酸钾和氟化钠作催化剂时最佳反应时间在50分钟。

4结果与讨论

用Perkin法以苯甲醛和乙酸酐为原料合成肉桂酸反应中，我们分别选用碳酸钾、醋酸钾及碳酸钾和醋酸钾混合碱等作为催化剂进行实验并采用TLC跟踪反应进程，所得结果如表4.1。

表4.1不同催化剂的产率及反应时间

Table4.1Theyieldofdifferentcatalystsandreactiontime

催化剂产率反应时间（min）

碳酸钾51%55

醋酸钾46%55

碳酸钾和醋酸钾52.3%50

碳酸钾和氟化钠49%50

通过不同催化剂对肉桂酸产率的影响及TLC跟踪反应实验得到如下结论：

（1）以苯甲醛和乙酸酐为原料用Perkin法制备肉桂酸最合适的催化剂是碳酸钾和醋酸钾混合碱（质量比1∶2），TLC跟踪其反应的最佳时间是50min，使用该混合催化剂在实验过程中结块少、后处理方便。

在实验方法上，本实验用水蒸气蒸馏和萃取方法结合来除去未反应的苯甲醛，用这种处理方法能减少肉桂酸的损失。

（2）薄层色谱（TLC）来跟踪反应时间是目前方便快捷的一种方法，可初步确定反应时间、能跟踪监测反应。

该方法容易掌握、经济、方便、灵活。

由于有机反应的复杂性，反应过程中可能发生小部分聚合等其它副反应，使得该合成的产率有很大的不稳定性，因此对每一种条件的选择及控制必须非常严格。

结合该课题前人的研究成果及本论文的研究结果，作者认为将来肉桂酸的合成制备研究应着重开展以下工作:

（1）进一步改进反应条件及后处理方法，提高产率。

（2）对肉桂酸及其衍生物性质进行系统的理论和实验研究，将结果进行分析，寻找新的更加经济的合成途径，研究开发肉桂酸及其衍生物的系列产品。

（3）进一步加强薄层色谱跟踪监测反应时间实验研究，在配合其它方法如气相色谱、液相色谱等跟踪反应，以确定反应最佳的时间。

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