响应面法优化微波辐射合成对硝基苯甲酸乙酯

唐建可，程帮贵，马春蕾（太原工业学院化学与化工系，山西太原030008）

响应面法优化微波辐射合成对硝基苯甲酸乙酯

唐建可，程帮贵，马春蕾
（太原工业学院化学与化工系，山西太原030008）

采用微波辐射方法，对硝基苯甲酸与乙醇作原料，三氯化铝作催化剂合成对硝基苯甲酸乙酯。研究了醇酸比、微波辐射功率、微波辐射时间、催化剂用量对产物收率的影响。在单因素实验基础上，固定微波辐射功率400W，利用响应面法优化对硝基苯甲酸乙酯合成工艺。得到最佳工艺条件：醇酸比为5.2:1、微波辐射时间为9.8min、催化剂用量为对硝基苯甲酸质量的17.4%，收率达92.08%。产品结构经红外表征。

响应面法；三氯化铝；微波辐射；对硝基苯甲酸乙酯；工艺优化

1引言

对硝基苯甲酸乙酯又名4-硝基苯甲酸乙酯，形态为淡黄色或无色结晶，在乙醇和乙醚中能完全溶解，不溶于水[1]。对硝基苯甲酸乙酯是一种重要的医药中间体，主要用于生产一些镇咳药或局部麻醉剂如盐酸普鲁卡因、苯佐卡因等[2～5]。传统的浓硫酸催化合成方法收率低，反应时间长，后续处理过程麻烦，设备易腐蚀，有废酸液排放污染环境。

微波辐射合成技术是一种物理催化过程，避免了传统加热方式易造成物料加热不均匀的问题，可使反应速度加快，改进了传统加热方式存在加热时间过长的缺点[6，7]。本研究采用微波辐射方法，以对硝基苯甲酸与乙醇为原料，三氯化铝为催化剂合成对硝基苯甲酸乙酯，其中三氯化铝为强路易斯酸，催化该酯化反应具有价格低廉、催化效率高、对设备和环境危害小的优点。本文考察醇酸比、微波辐射功率、微波辐射时间、催化剂用量对产物收率的影响，利用响应面法对合成工艺进行优化。

2实验部分

2.1仪器与试剂

仪器：WBFY-205微电脑微波化学反应器；SHZ-(Ⅲ)循环水式多用真空泵；SPECTRUN-100傅立叶变换红外光谱仪；X-4数字显微熔点测定仪。

试剂：对硝基苯甲酸、乙醇、AlCl3、Na2CO3均为分析纯。

2.2对硝基苯甲酸乙酯的合成

在150mL的圆底烧瓶中依次加入0.025mol的对硝基苯甲酸，一定量的三氯化铝、乙醇，混合均匀后，将圆底烧瓶放入微波反应器中，装上回流冷凝管，通回流冷凝水后开启微波反应器进行反应。反应一定时间后，将溶液注入到冰水中（3～5℃），搅拌，用8%Na2CO3溶液调节pH至7.5～8.0，过滤，水洗，得白色固体，干燥至恒重[8]。测定产品熔点为55.9～57.1℃（文献值57℃[9]）。红外光谱：1719cm-1(C O)，1276cm-1(C—O—C)，与标准图谱特征峰一致。

3结果分析与讨论

3.1单因素实验结果分析

3.1.1醇酸比对产物收率的影响

固定微波辐射功率400W，微波辐射时间15min，催化剂用量15%（质量比），考察醇酸比对产物收率的影响。结果如下：醇酸比为2∶1、4∶1、6∶1、8∶1、10∶1，收率分别是69.47、80.10、83.61、78.08、58.40。

可以看出当醇酸比低于6:1时，随着醇酸比的增加，产物收率呈上升趋势；当醇酸比达到6:1时收率达最大值，再增加醇酸比产物收率下降。该反应为可逆反应，增加乙醇的量可以使反应向正反应方向移动，从而增加产物收率。但当醇酸比到达一定的比值后，反应进度已到达最大值，即反应达到平衡，再增加醇酸比产物收率也无法增加。同时当醇酸比过大时，反应物对硝基苯甲酸和催化剂AlCl3的浓度也会降低，不利于反应的进行，会导致产物收率下降，适宜醇酸比为6:1。

3.1.2微波辐射功率对产物收率的影响

固定醇酸比6:1，微波辐射时间15min，催化剂用量15%（质量比），考察微波辐射功率对产物收率的影响。结果如下：微波辐射功率（/W）为80、240、400、640、800，收率（/%）分别是64.55、74.59、83.61、78.28、76.23。

可以看出当微波辐射功率低于400W时，产物收率随微波辐射功率的增加而上升，但超过400W时，增加功率值产物收率开始下降。这是因为当微波辐射功率过低时，反应体系内温度达不到支持分子活化的要求，会导致对硝基苯甲酸乙酯的收率较低。当功率较大时反应体系内反应物系易爆沸导致喷溅，造成产物损失，导致产物收率降低，故适宜微波辐射功率为400W。

3.1.3微波辐射时间对产物收率的影响

固定醇酸比6:1，微波辐射功率400W，催化剂用量15%（质量比），考察微波辐射时间对产物收率的影响。结果如下：微波辐射时间（min）分为5、10、15、20、25，收率（/%）分别是77.66、90.78、83.61、64.55、60.04。

知微波辐射时间小于10min时，产物收率随微波辐射时间的上升而增加；大于10min时，产物收率随微波辐射时间的上升而下降。当微波辐射时间超过10min，随着微波辐射时间的增加，副反应也随之增加，导致收率下降，故适宜微波辐射时间为10min。在考察催化剂用量对产物收率影响单因素实验时固定微波辐射时间10min。

3.1.4催化剂用量对产物收率的影响

固定醇酸比6:1，微波辐射功率400W，微波辐射时间10min，考察催化剂用量（三氯化铝与对硝基苯甲酸质量比）对产物收率的影响。结果如下：催化剂用量（/%）为5、10、15、20，收率（/%）分别是68.03、70.90、90.78、79.51。可以看出当催化剂用量为15%时，产物收率最高。当催化剂AlCl3用量较低时，产物收率较低。当催化剂AlCl3用量过多时，会水解产生一种胶状物，阻碍AlCl3与反应物接触，降低了其催化能力[10]，从而产物收率降低，故适宜催化剂用量为15%。

3.2响应面实验结果分析

3.2.1 Box-Behnken实验设计及结果与响应面方差分析

固定微波辐射功率400W。实验因素水平为3因素3水平，因素包括醇酸比、微波辐射时间和催化剂用量，中心点选取分别为醇酸比6:1、微波辐射时间10min及催化剂用量15%，以对硝基苯甲酸乙酯的收率作为响应值。表1为响应面设计因素水平表，表2为响应面实验设计及结果。

表1 实验因素水平表

表2 响应面实验设计及结果

将表2实验数据进行多元化回归分析，结果见表3。

表3 回归方程方差分析表

注：**表示差异水平极显著（P＜0.01）；*表示差异水平显著（P＜0.05）[11-12]。

Y =-34.31875+15.09350A+3.00985B+8.45715C +0.17425AB-0.11275AC+0.057200BC-1.43925A2-0.25078B2-0.24258C2

R2=0.9834（R2值越接近1，表示模型的预测值与实验实际值越接近），说明此模型与实际实验拟合较好，可以用该模型对产物收率进行预测。

3.2.2响应面分析

由响应面软件作出三因素两两交互作用三维响应面曲线，如下图1所示。可以看出醇酸比和催化剂用量对产物收率影响较为明显，随着醇酸比的增加产物收率先升高后降低，随着催化剂用量的增加产物收率先升高后降低，微波辐射时间对收率有同样的影响趋势。

图1 醇酸比、微波辐射时间和催化剂用量的相互作用对收率影响响应面图

由回归模型预测最优实验方案：醇酸比为5.16: 1、微波辐射时间为9.78min、催化剂用量为17.38%，收率最大值为92.81%。根据实际情况将反应条件修正为：醇酸比5.2:1、微波辐射时间9.8min、催化剂用量17.4%。在此条件下进行三次平行实验，收率平均值为92.08%，即实验实际验证结果与预测值基本一致。说明基于响应面法优化所得到的工艺参数是准确可靠的，模型具有实际应用价值。

4结论

利用响应面法优化了微波辐射三氯化铝制备对硝基苯甲酸乙酯的工艺。得到最佳工艺条件：微波辐射功率400W，醇酸比为5.2:1、微波辐射时间为9.8min、催化剂用量为对硝基苯甲酸质量的17.4%，在此条件下产物收率可达92.08%。

［1］周虹屏,于金文,杨开炳.苯磺酸催化合成对硝基苯甲酸乙酯[J].化学世界, 2001, (9): 484-485.

［2］赵志刚,邵太丽,秦国正.微波辐射下阳离子交换树脂催化合成对硝基苯甲酸乙酯[J].应用化工, 2012, 41(6): 968-974.

［3］罗士平,张明辉,郭俊,等. SiO2负载全氟磺酸树脂催化合成对硝基苯甲酸乙酯[J].化学世界, 2010, (5): 260-263.

［4］刘太泽,肖鉴谋,刘奉强,等.微波辐射活性炭固载对甲苯磺酸催化合成对硝基苯甲酸乙酯[J].南昌大学学报(工科版), 2010, 32(1): 24-27.

［5］朱海峰,黄飞隆,蔡晨光,等.酸性离子液体催化合成对硝基苯甲酸乙酯的研究[J].宁波大学学报(理工版), 2013, 26(3): 91-93.

［6］Gedye R, Smith F, Westaway K, et al. The use of microwave ovens for rapid organic synthesis[J]. Tetrahedron letters, 1986, 27(3): 279-282.

［7］Wiles C, Watts P, Haswell S J, et al. Solution phase synthesis of esters within a micro reactor[J]. Tetrahedron, 2003, 59(51): 10173-10179.

［8］刘太泽,肖鉴谋,刘奉强,等.微波辐射对甲苯磺酸催化合成对硝基苯甲酸乙酯[J].化学世界, 2009, 50(11): 678-680.

［9］章思规.精细有机化学品技术手册(下册)[M].北京:科学出版社, 1992.

［10］张熊禄,张盛泉,薛君.路易斯酸催化制乙酸乙酯的研究[J].精细石油化工进展, 2001, 2(4): 13-15.

［11］刘慧杰,王峰,马立.响应面法优化黄酒非生物浑浊的处理条件[J].酿酒, 2011, 38(2): 66-69.

［12］杜双奎,于修烛.红枣酶法提汁工艺条件响应面分析[J].农业机械学报, 2007, 38(3): 191-193.

·信息·

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（丁文）

Response surface optimization of synthesis of p-nitro-ethylbenzoate under microwave irradiation

TANG Jian-ke, CHENG Bang-gui, MA Chun-lei
(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan Shanxi 030008, China)

The p-nitro-ethylbenzoate was prepared by microwave irradiation method with p-nitrobenzoic acid and ethanol as raw materials and aluminum chlorid as catalyst. The yield of p-nitro-ethylbenzoate were influenced by the mole ratio of ethanol and p-nitrobenzoic acid, microwave irradiation power, microwave irradiation time and the amount of catalyst (the mass ratio of aluminum chlorid and p-nitrobenzoic acid). On the basis of single factor experiments, the microwave irradiation power was fixed at 400W, the synthesis process of p-nitro-ethylbenzoate was optimized by response surface methodology. The optimized process conditions were as follows: the mole ratio of ethanol and p-nitrobenzoic acid was 5.2, the microwave irradiation time was 9.8min and the mass ratio of aluminum chlorid and p-nitrobenzoic acid was 17.4%. The yield of p-nitro-ethylbenzoate can reach 92.08%. Product structure was characterized by IR.

response surface methodology; aluminum chlorid; microwave irradiation; p-nitro-ethylbenzoate; process optimization

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.005

TQ246.1+6

A

1008-1267（2016）02-0013-04

2015-09-27

太原工业学院大学生科技创新项目（2014年）

唐建可（1990—），男，助理实验师，硕士，主要从事化工、制药分离和药物中间体合成研究。