第27卷增刊 林 产 化 学 与 工 业 Vo1.27 Supplement 2007年10月 Chemistry and Industyr of Forest Products 0ct.2007 酸功能化离子液体磺烷基咪唑磷酸盐催化合成 乙酸松油酯的研究 刘仕伟 .-,于世涛 ,刘福胜 ,解从霞 ,季开慧 (1.中国林业科学研究院林产化学工业研究所;国家林业局林产化学工程重点开放性实验室, 江苏南京210042;2.青岛科技大学化工学院,山东青岛266042; 3.青岛科技大学化学与分子工程学院,山东青岛266042) 摘要: 制备、表征了酸功能化离子液体1一(3-磺酸)丙基一3一甲基咪唑磷酸二氢盐((HSO,一 UU Shi.wei pmim)H:PO ),并用于催化合成乙酸松油酯的反应研究,考察了反应时间、反应温度、原料配比、催化 荆用量等因素对反应的影响。在松油醇5.1 g、rt(松油醇):rt(乙酸酐)1:1.5、离子液体1.5 g、反应温度40℃、反应时 间8 h的工艺条件下,松油醇转化率为100%,乙酸松油酯的选择性为87.2%;并对离子液体(HSO3-pmim)H:PO 的重 复使用性能进行了考察,离子液体在不经处理直接重复使用6次后,松油醇的转化率为99.4%,乙酸松油酯的选择性为 88.6%,具有较好的重复使用性能。 关键词:松节油;酸功能化离子液体;乙酸松油酯;酯化 中图分类号:TQ655 文献标识码:A 文章编号:0253—2417(2007)SO一0033—04 Synthesis of Terpinyl Acetate Catalyzed by Acidic Functional Ionic Liquid Sulfonic Alkylimidazole Phosphate LIU Shi.wei ’ ,YU Shi.tao ,LIU Fu.sheng ,XIE Cong.xia ,JI Kai—hui (1.Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF;Key and Open tab.on Forest Chemical Engineering,SFA,Nanjing 210042,China;2.College of Chemical Engineering,Qingdao University of Science nad Technology,Qingdao 266042,China; 3.College of Chemistyr and Molecular Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042,China) Abstract:An acidic functional ionic liquid 1-(3-sulofnic group)propyl-3一methylimidazole dihydrogen phosphate((HSO3-pmim) H2PO4)was synthesized and used to catlayze the esteriifcation of terpineol with acetic anhydride.The influences of reaction condition,such as reaction temperature,reaction time,n(terpineo1):n(acetic anhydride)and amount of acidic functional ionic liquid were examined.The optimum condition for esteriifcation Was obtained as follows:rt(terpineo1):n(acetic anhydride) 1:1.5,terpineol 5.1 g,ionic liquid 1.5 g,reaction temperature 40 oc and reaction time 8 h.Under the above condition,the conversion of terpineol Was 100%and the selectivity of terpinyl acetate Was 87.2%.The recyclability of the ionic liquid Was laso investigated.When the ionic liquid Was repeatedly used for six times,the conversion of terpineol was 99.4%,and the selectivity of terpinyl acetate Was 88.6%.The catalyst for this synthesis has advantages of high yield.simple experimental operation and product isolation,and easy reusability of the catalyst which could be expected to realize an clean and environment— firendly strategy for the production of terpinyl acetate. Key words:turpentine;acidic functional ionic liquid;terpinyl acetate;esterification 乙酸松油酯是广泛使用的一种通用型合成香料,有似香柠檬、熏衣草、橙叶和乙酸方樟酯气息,香气 硬而不飘,可用于香皂及食用香精的配制。目前,工业上多采用液体质子酸为催化剂…制备乙酸松油 酯,此法存在催化剂不能重复使用、后处理过程复杂、设备腐蚀和环境污染严重等缺点。此外,以固体超 收稿日期:2007—05—08 基金项目:国家自然科学基金资助项目(30571463);山东省自然科学基金资助项目(Y2005B07) 作者简介:刘仕伟(1978一),男,山东泰安人,博士生,主要从事林产化工及精细化工方面的研究 通讯作者:于世涛,教授,博士生导师,主要从事催化、精细化工及林产化工方面的研究;E.mail:yushitaoqust@126.com。 维普资讯 http://www.cqvip.com 林产化学与工业 第27卷 强酸 为催化剂催化合成乙酸松油酯已有文献报道,但它们存在诸如相对活性低、表面易积炭、酸性 位密度低和酸强度分布不均等缺陷,从而了它们的应用。因具有传统分子溶剂和熔盐的双重特性, 室温离子液体作为一类环境友好的绿色溶剂或催化剂已广泛用于诸多反应 ,作者曾将离子液体与 磷酸构成的复合酸性催化体系用于催化合成乙酸松油酯的研究 ,虽然该酸性复合体系的催化活性较 高,但在重复使用过程中,却存在因磷酸流失而导致催化剂失活。近几年酸功能化离子液体成为研究的 新热点,其优点:离子液体本身的酸性可调变,且更容易、更精细,从而更有利于催化机理的研究和催化 剂的筛选;酸性位密度高和酸强度分布均匀,且酸性不易流失,从而更有利于离子液体的循环使用。因 此用于代替常规质子酸或Lewis酸催化剂,作为一类环境友好的可重复使用的催化剂应用于酯化 、 Mannich反应 】引、Bechmann重排¨ 等反应,获得了理想的结果。为此,作者将含有共价键连接的烷 基磺酸酸功能化离子液体l一(3一磺酸)丙基一3一甲基咪唑磷酸二氢盐((HSO,一pmim)H:PO )用于催化 松油醇酯化的反应进行了研究,以期既能解决现有工艺存在的问题,又能避免因催化活性组分流失而导 致催化剂重复使用过程中的失活问题。 1 实验 1.1材料与仪器 材料:松油醇( 一松油醇质量分数82%)CP级;乙酸酐、磷酸、l,3一丙烷磺内酯、乙酸乙酯等均为 AR;N一甲基咪唑(质量分数I>99%),工业品,浙江临海凯乐化工厂。 仪器:Nicolet一510P型傅立叶变换红外光谱仪;Bruker一500MHz型核磁共振仪;GC-122型气相色谱仪。 1.2离子液体的合成 将1,3一丙烷磺内酯溶于乙酸乙酯中,55℃下滴加等物质的量的N一甲基咪唑,滴加完毕后保温反 应2 h,将反应液过滤,滤饼用乙酸乙酯洗涤3次,100℃下烘干2 h,得到白色固体1一(3一磺酸)丙基一3一 甲基咪唑(MIM—PS)。将MIM—PS溶于水中,常温下滴加等物质的量的磷酸,加完后升温至9O℃反应 2 h,真空脱水,得到浅黄色黏稠液体1一(3一磺酸)丙基一3~甲基咪唑磷酸二氢盐((HSO3--pmim) H PO )。反应式为: n 厂 n ] /同+ 一。凸 一/ ~ 3 fL/ 、一, 3 J 1.3乙酸松油酯的合成 在装有搅拌器、温度计、冷凝管和滴液漏斗的反应瓶中加入乙酸酐5.1 g、离子液体1.5 g,在搅拌下 滴加松油醇5.1 g,保持4O℃反应8 h。反应结束后,降温、沉降,下层为酸功能化离子液体,将上层反应 液倾出,并减压蒸馏回收其中的乙酸酐及副产物乙酸,余物用水洗涤至中性,加入无水硫酸镁干燥后,用 气相色谱法进行分析。 2结果与讨论 2.1 酸功能化离子液体(HSO -pmim)H:PO 的表征 采用KBr压片法,对(HSO,一pmim)H:PO 进行兀1一IR结构测定,谱图数据如下(cm ):3157(分子 内螯合一0H伸缩),31l7(不饱和c—H伸缩),1576(C=N伸缩),1466(c—H变形),l174(S=O; P--O4 ̄缩),992(C=C伸缩),746(一(CH:),一面内摇摆),487(P一0伸缩)。以D:O为溶剂,对 (HSO3--pmim)H2PO4结构进行了IH NMR ̄IJ定: 8.51(s,lH,NCHN)、7.29(m,1H,NCHCHN)、7.23 (m,lH,NCHCHN)、4.14(t,2H,NCH2CH2)、3.67(m,3H,CH3N)、2.69(t,2H,CH2CH2S)、2.10(t,2H, CH2CH2); 3C NMR测定:6 134.71、123.30、122.13、47.72、46.89、35.27、24.71,使目标产物的结构得 到证实。 维普资讯 http://www.cqvip.com 增刊 刘仕伟,等:酸功能化离子液体磺烷基咪唑磷酸盐催化合成乙酸松油酯的研究 35 2.2反应时间的影响 表1给出的结果为乙酸酐5.1 g、离子液体1.5 g、松油醇5.1 g、反应温度40℃条件下,反应时间对 反应影响的结果。由表1可见,当反应时间达8 h时,松油醇全部转化。且反应时间的继续延长,松油 酯的选择性降低,对酯化反应不利。因此,反应时间确立为8 h。 2.3反应温度的影响 反应时间为8 h,改变反应温度,其他条件不变,考察反应温度对反应影响的结果亦列于表1。由表 1可见,反应温度对松油醇酯化反应有显著的影响。反应温度较低时,反应速率较慢,松油醇转化率较 低;反应温度升至40℃时,在规定的时间内,松油醇可全部转化,且松油酯选择性最高。继续升高反应 温度,乙酸松油酯的选择性降低,对酯化反应不利。因此,合适的反应温度为40℃。 2.4酸功能化离子液体用量的影响 在乙酸酐5.1 g、松油醇5.1 g、反应温度40℃,反应时间8 h的条件下,考察了离子液体用量的影 响,实验结果同样见表1。由表1可见,随着离子液体用量的增加,松油醇的转化率和乙酸松油酯的选 择性增加;当离子液体用量为1.5 g时,两者达到最大值。因此,离子液体用量应为1.5 g。 2.5松油醇与乙酸酐配比的影响 表1还列出了反应温度40℃,改变醇酐物质的量之比,其他条件不变的条件下,n(松油醇):n(乙 酸酐)对反应影响的结果。由表1看出,随乙酸酐用量的增加,松油醇转化率和松油酯选择性均增大; 当n(松油醇):n(乙酸酐)1:1.5时,在规定的时间内,松油醇即能全部转化,且松油酯选择性也为最大 值。因此,n(松油醇):n(乙酸酐)1:1.5较合适。 2.6离子液体重复使用实验 在n(松油醇):n(乙酸酐)1:1.5、松油醇5.1 g、离子液体1.5 g、反应温度40℃、反应时间8 h的较 佳实验条件下,酸功能化离子液体重复使用的实验结果亦列于表1。从表1可见,离子液体重复使用6 次时,松油醇的转化率为99.4%,乙酸松油酯的选择性88.6%,具有较好的重复使用性。这可能是因 表1反应条件对酯化反应的影响 Table 1 Eflfects of reaction conditions on esteriifcation 维普资讯 http://www.cqvip.com 36 林产化学与工业 第27卷 为起催化作用的是烷基磺酸,且烷基磺酸以共价键的键型连接在咪唑环上,在使用过程中不易引起流 失,因此该酸功能化离子液体具有较好的重复使用性能。 3结论 3.1合成酸功能化离子液体1一(3一磺酸)丙基一3一甲基咪唑磷酸二氢盐((HSO3-pmim)H PO ),用 FYr—IR、 H NMR、 ℃NMR对其结构进行了表征。结果表明:所合成的化合物正是要制备的目标离子液 体。 3.2酸功能化离子液体(HSO 一pmim)H PO 催化合成乙酸松油酯的较佳工艺条件为:松油醇5.1 g, n(松油醇):n(乙酸酐)1:1.5,离子液体1.5 g,反应温度40℃,反应时间8 h,在该条件下,松油醇的转 化率为100%,产物乙酸松油酯的选择性为87.2%。 3.3酸功能化离子液体(HSO 一pmim)H PO 用于催化合成乙酸松油酯,其明显优势在于离子液体的 酸性不易流失;目标产物不溶于离子液体,使得分离容易;离子液体可不经处理直接使用,并具有很好的 重复使用性。 参考文献 [1]程芝.天然树脂生产工艺学[M].北京:中国林产出版社,1996:349-350. 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