对甲苯磺酸催化合成类辣椒素的工艺研究

雍达明，金党琴，罗志臣，杨瑞洪，袁书婷，韩晓军

(1.哈尔滨工业大学 化工与化学学院，哈尔滨 150006；2.扬州工业职业技术学院 化工学院，江苏 扬州 225127)

辣椒素亦称辣椒碱或辣素，是辣椒中引起辛辣味的主要物质，有“软黄金”之称[1-2]。天然辣椒素具有抗肿瘤、消炎镇痛、抗疲劳和良好的抗病菌作用[3-5]，在食品、医药、农药、轻工等行业具有广阔的市场应用前景。在食品中可作为添加剂和防腐剂，也可用于辣椒酱、辣椒油等的生产[6]；作为特种涂料添加剂，也可防止海洋生物对船体的附着、腐蚀[7-8]；同时，辣椒素作为食品添加剂，可以有效控制食品的辣度以及人体对辣椒素的充分吸收和利用。

目前，辣椒素提取方法主要包括有机溶剂萃取、酸碱法提取、酶法提取、超临界萃取、超声波或微波辅助提取等[9-13]。但由于天然辣椒素资源有限，产品分离纯化困难，所以，合成辣椒素及其类似物逐渐成为研究的热点。N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺及其聚合物具有与天然辣椒素相同的抑菌作用，其合成方法是以N-羟甲基丙烯酰胺分子中的羟基与邻苯二酚的芳环发生Friedel-Crafts烷基化反应来制备[14]。在Friedel-Crafts烷基化反应中以醇为烷基化试剂时，常用HF、H2SO4、H3PO4等质子酸为催化剂[15]。吴晓静等[16]以浓H2SO4为催化剂，考察该反应机理，并对过渡态、中间体和产物进行了结构确认。张智嘉等分别以AlCl3和H2SO4为催化剂，合成N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺单体，并对其抑菌性能进行了考察。由于H2SO4和AlCl3具有腐蚀设备、污染环境等缺点，本文选用与硫酸酸性相当的对甲苯磺酸(p-toluene sulfonic acid，简称PTSA)为合成催化剂，与硫酸相比不具有氧化性和对设备的腐蚀性，是一种可以替代硫酸的催化性能良好的酸性催化剂，反应式如下：

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

邻苯二酚(分析纯)：阿拉丁试剂有限公司；N-羟甲基丙烯酰胺、无水乙醇(分析纯)：成都艾科达化学试剂有限公司；对甲苯磺酸(分析纯)：上海国药集团。

DF-1型集热式磁力加热搅拌器 上海红星仪器有限公司；Avance III 400M 核磁共振波谱仪 瑞士Bruker公司；670-IR+610-IR型傅里叶变换红外吸收光谱仪 美国Varian公司。

1.2 类辣椒碱N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺的合成

分别称取11.0 g邻苯二酚和25.3 g N-羟甲基丙烯酰胺于100 mL四口烧瓶中，加无水乙醇溶解，再加入0.5 g对甲苯磺酸催化剂，安装回流冷凝管、温度计。将四口烧瓶置于磁力加热搅拌器油浴中，开动搅拌，加热至35～40 ℃，体系中逐渐有白色固体产生，反应10～15 d后，停止加热，搅拌下冷却至15 ℃以下。减压过滤，无水乙醇洗涤3次，固体经压干、真空干燥得白色固体，即为目标产物类辣椒碱N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺。

1.3 产物的表征

将1.2所制得的粗产物用体积分数为25%的乙醇水溶液重结晶2次，得到白色固体，并对其进行物性测试及结构表征。

2 结果与分析

2.1 不同催化剂对产品收率的影响

为了提高产物的收率，需要对实验条件进行优化。考察了5种催化剂对产物收率的影响，5种催化剂分别为浓硫酸、无水三氯化铝、硫酸氢钾、对甲苯磺酸、氨基磺酸，鉴于浓硫酸的氧化性、腐蚀性以及对环境的污染，选择了与硫酸酸性相接近的对甲苯磺酸、氨基磺酸两种常用的酸性催化剂进行实验，以考察不同催化剂对产品收率的影响。操作条件同1.2，实验结果见表1。

表1 不同催化剂对产品收率的影响Table 1 Effect of different catalysts on the product yield

由表1可知，所选的5种催化剂中，AlCl3催化性能最低，产物的产率为50.6%，这是由于AlCl3与反应物邻苯二酚发生了反应，形成了加成物而降低了其催化性能。NH2SO3H、KHSO4和H2SO4作为催化剂，产物的产率没有明显差别，分别为74.5%、72.2%和71.5%，NH2SO3H和KHSO4比H2SO4催化性能略高。在所用的5种催化剂中，PTSA作为催化剂产物的收率最高，为75.6%，可见在此体系中使用PTSA作为催化剂催化性能最好、产品收率最高，并且PTSA与其他几种催化剂比较，腐蚀性非常小，所以，选择PTSA为本实验的催化剂。

2.2 反应物摩尔比对产品收率的影响

除了考察催化剂对产物收率的影响，本实验还考察了反应原料的摩尔比对产物收率的影响。固定反应物邻苯二酚11.0 g(0.1 mol)，PTSA催化剂0.4 g，通过调整N-羟甲基丙烯酰胺的用量使n(N-羟甲基丙烯酰胺)∶n(邻苯二酚)为2∶1、2.05∶1、2.1∶1、2.15∶1、2.2∶1、2.25∶1、2.3∶1、2.35∶1和2.4∶1时，对所制备的产物收率进行比较。催化剂选用PTSA，其他操作同1.2，考察反应物摩尔比对产品收率的影响，实验结果见图1。

图1 反应物摩尔比对产品收率的影响Fig.1 Effect of molar ratio of reactants on the product yield

由图1可知，随着N-羟甲基丙烯酰胺加入量的增加，即n(N-羟甲基丙烯酰胺)与n(邻苯二酚)的比值增大，所得产物的收率明显提高，当比值为2.3∶1时，收率达到最大，当摩尔比超过2.3∶1之后，产物收率不再发生明显变化，与2.3∶1产物收率基本一致，基于此，本体系选择n(N-羟甲基丙烯酰胺)与n(邻苯二酚)的最佳摩尔比为2.3∶1。

2.3 催化剂用量对产品收率的影响

催化剂的用量是影响产物收率的重要指标之一，通过改变催化剂的用量，对比所得产物的收率，来确定本体系最佳催化剂的用量。在一定的反应条件下，邻苯二酚为11.0 g(0.1 mol)，N-羟甲基丙烯酰胺为23.2 g(0.23 mol)，反应温度为40 ℃，反应时间为15 d，改变催化剂PTSA用量，催化剂的用量分别为0.15，0.20，0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60 g，其他操作同1.2。考察催化剂用量对产物收率的影响，实验结果见图2。

图2 PTSA用量对产品收率的影响Fig.2 Effect of the amount of PTSA on the product yield

由图2可知，PTSA对本反应体系具有良好的催化活性，随着催化剂加入量的增加，产品收率得到了大幅度提高，当催化剂用量超过0.5 g后，继续增加催化剂的用量，产物收率提高幅度不大，与0.5 g得到的收率基本持平。因此，根据催化剂使用原则，本体系选择的催化剂最佳用量为0.5 g(约为邻苯二酚质量的4.55%)。

2.4 反应温度对产品收率的影响

反应温度对有机化学反应的进行具有决定性的影响，温度过低，反应不能进行；温度过高，虽然能加速反应的进行，但同时也会加快副反应的进行，降低目标产物的收率。为考察反应温度对产品收率的影响，在一定的反应条件下，固定邻苯二酚为11.0 g(0.1 mol)，n(N-羟甲基丙烯酰胺)∶n(邻苯二酚)为2.3∶1，催化剂PTSA用量为0.5 g，反应时间为15 d，其他操作同1.2。通过改变反应温度，分别设置20，25，30，35，40，45 ℃，考察不同反应温度对产品收率的影响，实验结果见表2。

表2 反应温度对产品收率的影响Table 2 Effect of reaction temperature on the product yield

由表2可知，随着反应温度逐渐升高，产品收率明显增加，但当温度超过40 ℃后，收率随着温度的升高反而下降，这是由于提高反应温度，不仅提高了主反应的速率，而且也增加了副反应的速率。通过实验发现，当反应温度超过45 ℃以后，产物的颜色逐渐变深，可见副反应随着反应温度的升高而加重。对比反应温度为35 ℃和40 ℃，产物收率相近，分别为76.1%和76.7%，但在温度达到40 ℃时，产物的颜色已经略有黄色，故本体系选择的最佳反应温度为35 ℃。

2.5 反应时间对产品收率的影响

反应时间作为化学反应的一个主要条件，对反应产物的收率也会产生一定的影响。本实验考察了反应时间对产物收率的影响。反应条件：邻苯二酚11.0 g(0.1 mol)，n(N-羟甲基丙烯酰胺)∶n(邻苯二酚)为2.3∶1，催化剂PTSA用量0.5 g，反应温度35 ℃，改变反应时间，时间分别设定为2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12 d，其他操作同1.2。考察反应时间对产品收率的影响，实验结果见图3。

图3 反应时间对产品收率的影响Fig.3 Effect of reaction time on the product yield

由图3可知，随着反应时间的延长，产品收率不断增加，但当超过10 d以后，收率提高不显著，从节约能源和时间角度考虑，选取最佳反应时间为10 d。

2.6 最佳工艺条件验证

根据上述实验结果可知，PTSA催化下由邻苯二酚与N-羟甲基丙烯酰胺制备类辣椒素N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺的最佳工艺条件：邻苯二酚用量为11.0 g(0.1 mol)，n(邻苯二酚)∶n(N-羟甲基丙烯酰胺)为1∶2.3，催化剂PTSA用量为邻苯二酚质量的4.55%，最佳反应温度为35 ℃，最佳反应时间为10 d。为验证此工艺条件，进行5次平行实验，结果见表3。

表3 优化条件下的重复性实验结果Table 3 Repeatability experimental results under optimized conditions

由表3中5次平行实验所得数据可知，最佳工艺条件具有良好的重复性和可靠性，产品5次平均收率为76.2%，超过76%。

2.7 产物的物性测试及结构表征

产品结构表征采用KBr压片法，由670-IR+610-IR型傅里叶变换红外吸收光谱仪进行测定，结果见图4。由图4可知，3412.13 cm-1是羟基vO-H伸缩振动吸收峰，3287.62 cm-1为vN-H伸缩振动吸收峰，3001.34 cm-1为烯烃δCC-H弯曲振动吸收峰，1656.65 cm-1为酰胺vCO伸缩振动吸收峰，1608.76，1560.71，1529.34，1459.06 cm-1为苯环骨架vC C伸缩振动吸收峰，1290.55 cm-1为酚羟基vC-O伸缩振动吸收峰，967.18 cm-1为端烯烃特征吸收峰。

图4 产品的IR谱图Fig.4 The IR spectrum of the product

产品的核磁共振氢谱数据测定(DMSO-d6为溶剂，600 Hz，TMS)如下：δ8.81(1H，s，酚羟基的O-H)，8.41～8.42(1H，t，酰胺基N-H)，6.63(1H，s，Ph-H)，6.24～6.27(1H，q，=CH-)，6.10～6.13(1H，q，=C-H)，5.59～5.61(1H，q，=C-H)，4.21～4.22(2H，d，-CH2-)。

结合反应物原料的结构式、产品的IR与1H NMR谱图结果，数据符合N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺的结构特征。

3 结论

以无水乙醇为溶剂，对以甲苯磺酸为催化剂，以邻苯二酚和N-羟甲基丙烯酰胺为原料合成类辣椒素N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺的最佳工艺条件：邻苯二酚为11.0 g(0.1 mol)，n(邻苯二酚)∶n(N-羟甲基丙烯酰胺)为1∶2.3，对甲苯磺酸用量为邻苯二酚质量的4.55%，35 ℃下反应10 d，产品收率达到76%以上。

对甲苯磺酸的酸性与浓硫酸相当，在催化邻苯二酚与N-羟甲基丙烯酰胺反应中具有良好的催化活性，且对设备无腐蚀，对原料及产品无氧化、碳化作用，环境友好，适用于工业化生产。