尼泊金丁酯又名对羟基苯甲酸丁酯，是尼泊金酯类中的抗菌作用最强的化合物，并具有高效、低毒等优点，被广泛应用于食品^[1]、化妆品^[2]、医药^[3]和工业防腐等^[4]领域。尼泊金丁酯现有的制备方法已有较多报道。如郑学忠等以浓硫酸为催化剂，正丁醇为带水剂，制备尼泊金丁酯，收率可达98.4%，但使用的催化剂浓硫酸具有强酸性，易腐蚀设备^[5]。徐斌等以活性炭负载Keggin型杂多酸盐为催化剂，在超声波辐射下合成尼泊金丁酯，与传统浓硫酸催化剂相比，此方法用时短，具有一定应用前景，但催化剂成本较高^[6]。以硫酸盐复合催化剂催化合成尼泊金丁酯，酯收率为93.3%，该法减轻了对设备的腐蚀和环境污染，但是反应时间较长，不利于工业化应用^[7]。

介孔分子筛SBA-15是利用三嵌段共聚物合成的大孔径的介孔分子筛^[8]，其表面存在大量的硅羟基。与分子筛MCM-41相比，介孔分子筛SBA-15具有孔径大、孔壁厚和水热稳定性高等优点，是良好的催化剂载体。Lewis酸具有价廉、低毒及高催化活性的优点，被广泛应用于催化多种有机反应(如Friedel-Crafts^[9]、Knoevenagel^[10]、Michael^[11]和Diels-Alder^[12]等)。但Lewis酸具有价格昂贵、易吸水变质导致催化活性下降、副反应较多及后处理过程复杂且造成污染等缺点，因此开发具有可重复使用、稳定性好、后处理简单无毒等优点的负载型Lewis酸对发展高效、绿色有机化学反应具有重要意义。本研究将Lewis酸负载在介孔分子筛SBA-15上，制备SBA-15负载的Lewis酸催化剂，并考察该组催化剂对尼泊金丁酯合成反应的催化性能。

1 实验部分 1.1 仪器与试剂

X-6型显微熔点测量仪，北京泰克仪器有限公司；AVANCEIII型400 MHz核磁共振仪，德国布鲁克生物有限公司；IS5型傅里叶变换红外光谱仪，美国赛默飞公司，溴化钾压片；ZF-I型三用紫外分析仪，上海隆拓仪器设备有限公司。

对甲苯磺酸，科密欧化工试剂有限公司；磷酸，金山化学试剂有限公司；醋酸，江川化工有限公司；无水乙醇、盐酸、硫酸，科龙化工试剂厂；P123，西格玛有限公司；正硅酸四乙酯，分析纯，阿拉丁化学试剂有限公司；其余试剂均为分析纯，实验所用水为蒸馏水。

1.2 介孔分子筛负载Lewis酸的制备^[13]

以AlCl₃/SBA-15的制备为例:将4 g P123加入到114 mL的HCl溶液中(93 mL水，21 mL浓盐酸)，30 ℃搅拌4 h至无色透明。缓慢加入9.6 mL正硅酸四乙酯，40 ℃下搅拌24 h得到乳白液体。将其转移至100 ℃聚四氟乙烯反应釜中晶化24 h，水洗过滤干燥后，置于马弗炉中以5 ℃/min的升温速率升至550 ℃焙烧5 h，除去模板剂得到介孔分子筛SBA-15粉末^[12]。将0.15 g的AlCl₃和1.00 g介孔分子筛SBA-15粉末溶于10 mL无水乙醇中，60 ℃搅拌3 h，然后放入100 ℃烘箱中干燥12 h，移入马弗炉中以5 ℃/min的升温速率升至550 ℃焙烧5 h得到介孔分子筛AlCl₃/SBA-15固体粉末。

类似方法制备SBA-15负载氯化锌(ZnCl₂/SBA-15)、SBA-15负载氯化镍(NiCl₂/SBA-15)、SBA-15负载氯化铁(FeCl₃/SBA-15)和SBA-15负载碘(I₂/SBA-15)。

1.3 尼泊金丁酯的合成

合成路线如图 1所示。将2.5 mmol(0.345 0 g)对羟基苯甲酸和7.5 mmol(0.556 0 g)的正丁醇及催化剂加入装有分水器、回流冷凝管和磁子的50 mL三口烧瓶中，在135 ℃下加热回流3 h。反应结束后过滤出催化剂，将滤液倒入盛有冰水的烧杯中，析出晶体抽滤干燥得到尼泊金丁酯粗产品。粗酯用乙醇-水重结晶，得到精制尼泊金丁酯2.4 mmol(0.470 0 g)，产率96.8%。

1.4 产物表征

尼泊金丁酯:白色固体，收率96.8%，m.p. 67~69 ℃; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 0.972 (d, 3H, —CH₃), 1.480 (m, 2H, —CH₂), 1.707(m, 2H, —CH₂), 4.290(t, 2H, —CH₂), 6.753(s, H, —OH), 6.884(d, 2H, —ArH), 7.944(d, 2H, —ArH)。

IR:772和852 cm^-1对应于苯环的二取代吸收峰；1 162和1 283 cm^-1对应于C—O—C的伸缩振动吸收峰1 510和1 587 cm^-1对应于苯环的吸收峰；1 679 cm^-1对应于C=O的吸收峰；2 873 cm^-1对应于亚甲基中C—H的吸收峰；2 954 cm^-1对应于甲基中C—H的吸收峰；3 384 cm^-1对应酚羟基吸收峰，由IR光谱图分析可知各官能团的特征吸收峰与理论值一致(见图 2)，结合氢谱可确认目标产物。

2 结果与讨论 2.1 SBA-15和AlCl₃/SBA-15的表征

使用IR、BET、TG、DTG对介孔分子筛SBA-15和AlCl₃/SBA-15表征，结果如图 3所示。

图 3a)和图 3b)分别给出介孔分子筛SBA-15和AlCl₃/SBA-15的TG、DTG曲线变化趋势。由图 3a)和图 3b)可以看出AlCl₃进入介孔分子筛SBA-15孔道之后，介孔分子筛AlCl₃/SBA-15比SBA-15在40~600 ℃之间失量稍慢，AlCl₃/SBA-15表面的物理吸附水量减少；由TG、DTG曲线得知AlCl₃/SBA-15比SBA-15表面含水量更少、热稳定性更好。

图 3c)显示了介孔分子筛SBA-15和AlCl₃/SBA-15的N₂吸附-脱附等温线。曲线为典型的Ⅳ型且有H1型的滞后环，H1型滞后环说明材料具有均匀的孔道结构。该样品结构曲线呈陡峭升降的趋势，说明实验所合成的样品是典型的介孔材料。AlCl₃加入之后H1型滞后环越来越小表明随着AlCl₃的增加，金属分子的存在导致含金属的AlCl₃/SBA-15样品比表面积相应减小。这是由于介孔分子筛SBA-15对AlCl₃的空间限制作用，从而进一步说明催化剂进入了SBA-15的孔道结构中。

从图 3d)介孔分子筛SBA-15的红外图可以得出其骨架特征峰的位置归属。808 cm^-1是骨架Si—O—Si的对称振动吸收峰；1 084 cm^-1是表面Si—OH振动吸收峰；1 639 cm^-1是O—H的振动吸收峰，3 435 cm^-1是表面吸附水分子，由此表明介孔分子筛SBA-15骨架的存在。因此960 cm^-1处的红外波段被指定为Si—O—M(M=Al)振动，被用来判断金属是否进入分子筛骨架结构的依据^[14]。由图 3d) AlCl₃/SBA-15的红外图可以看出，样品在958 cm^-1有1个尖峰存在，可以归属于Si—O—M(M=Al)振动，并且该尖峰发生稍许红移意味着该官能团能量受到SBA-15的限阈作用而稍有下降。结合表 1数据可知，SBA-15比表面积为845 m²·g^-1，SBA-15/AlCl₃的比表面积为544 m²·g^-1。AlCl₃/SBA-15比SBA-15比表面积小，这是由于SBA-15对AlCl₃的限制作用，从而进一步说明AlCl₃进入了SBA-15的介孔孔道内。

2.2 催化剂及酸添加剂种类对产率的影响

以SBA-15固载的Lewis酸为催化剂催化尼泊金丁酯的合成。在介孔分子筛SBA-15/Lewis酸用量取对羟基苯甲酸物质的量的8%，n(醇):n(酸)为5:1的条件下，考察SBA-15固载Lewis酸及酸添加剂种类对尼泊金丁酯产率的影响(表 2)。实验结果表明:单独使用介孔分子筛SBA-15固载Lewis酸为催化剂时产率都比较低(序号1~5)，最高产率为负载AlCl₃时的3.8%。推测原因为SBA-15固载Lewis酸的酸性不足以催化该酯化反应的进行。为了提高产率，加入了多种酸添加剂，并考察其对产率的影响。当无机强酸(浓硫酸和浓盐酸)为酸添加剂时，产率均不高，分别为48.6%和38.3%(序号8和9)，选用无机中强酸磷酸时产率最低，仅为26.5%(序号10)。有机酸醋酸和对甲苯磺酸(TsOH)效果明显优于无机酸，产率分别为68.7%和81.2%(序号11和12)。为了判断SBA-15固载Lewis酸和酸添加剂在反应中的作用，单独使用TsOH催化该反应，产率为46.7% (序号13)，低于协同催化的产率。推测原因为AlCl₃/SBA-15单独催化时，不能提供反应所需的酸度；而AlCl₃/SBA-15和TsOH协同催化时，SBA-15较大的比表面积为催化反应的进行提供了较大的反应场所选择，TsOH提供了反应所必需的酸性条件，Lewis酸AlCl₃则提高了反应的速率，选用AlCl₃/SBA-15作为较优催化剂，TsOH作为酸添加剂。

2.3 催化剂、酸添加剂用量及物质的量之比对产率的影响

酯化反应中投入一定量的催化剂能降低反应活化能，加快化学反应速率，提高反应转化率。若催化剂用量不当，亦会对产率产生不良影响。在n(醇):n(酸)为5:1，添加n(TsOH):n(AlCl₃/SBA-15)为1 :1，125 ℃下反应3 h时，考察催化剂用量及其物质的量之比对产率的影响，结果列于表 3。

如表 3所示，序号1~4为催化剂用量对产率的影响，实验结果表明:当催化剂用量为8%时，产率最高(81.2%，序号2)，可以看出适量的催化剂可以加快反应速率，当催化剂过量时，由于吸附作用及对甲苯磺酸与醇的副反应，转化率降低。序号5和序号6为催化剂与酸添加剂比例对产率的影响，当n(AlCl₃/SBA-15):n(TsOH)为1 :2时，产率为71.3% (序号5)，n(AlCl₃/SBA-15):n(TsOH)为2 :1时产率为85.7% (序号6)，推测AlCl₃/SBA-15在催化过程中起主要作用。

2.4 原料物质的量之比对产率的影响

合成尼泊金丁酯的反应是一个可逆反应，过量的酸或醇都会对产率产生影响，因而对物质的量之比的筛选有利于提高尼泊金丁酯的产率。在催化剂用量为8%，n(AlCl₃/SBA-15):n(TsOH)为2:1，125 ℃下反应3 h的条件下，考察n(醇):n(酸)对产率的影响，结果列于表 4。

由表 4可见，在n(醇):n(酸)较低时，随着n(醇):n(酸)的增加，产率亦增加(序号1~3)。当n(醇):n(酸)为3 :1时，产率达到最高，为88.3% (序号3)；继续增加醇的用量并不能提高产率，反而引起产率小幅度下降(序号3~5)。依据绿色合成的理念，应尽量减少原材料、能量的浪费及复杂的后处理过程，因此选用原料物质的量之比为3 :1为最适宜物质的量之比。

2.5 反应时间、温度、催化剂循环次数对产率的影响

确定了反应原料比后，对反应时间和反应温度对产率的影响进一步考察，结果列于表 5。

由表 5可知，当反应时间为3 h时，产率达到最高(88.3%，序号2)；由于酯化反应的可逆性，继续延长反应时间产率反而下降(序号3~4)。在对反应温度进行考查时(序号5~7)，当温度为135 ℃时，产率最高(96.8%，序号6)。推测原因为温度过低导致反应进行不彻底，而温度过高则导致副反应发生，二者均导致产率降低。最适宜条件下将催化剂趁热过滤回收并烘干，用于下一次反应，考察催化剂循环使用次数对产率的影响。结果表明:尼泊金丁酯的产率随着催化剂重复使用次数的增加而稍有降低，重复使用1~5次后收率分别为96.8%、93.6%、90.2%、89.7%和87.4%(序号8~12)，收率下降可能是由于后处理过程中，未进入介孔分子筛SBA-15孔道内的AlCl₃的损失导致催化活性降低引起产率下降。随着催化剂重复使用次数的增加产率下降幅度趋于平缓，重复使用5次后产率仍可达到87.4% (序号12)，由此可见AlCl₃/SBA-15具有良好的循环使用性能。

2.6 反应机理推测

推测该反应按机理图 4进行:在介孔分子筛AlCl₃/SBA-15和TsOH的共同作用下，催化剂将质子转移至对羟基苯甲酸2的羰基氧上形成了中间体Ⅰ，负载在SBA-15上的AlCl₃作为Lewis酸可活化Ⅰ的共振结构Ⅱ形成具有高亲电活性的中间体Ⅲ，在亲核试剂正丁醇(羟基氧上有孤对电子)的进攻下形成中间体Ⅳ，Ⅳ消除水得到尼泊金丁酯并回收催化剂。

3 结论

合成了SBA-15负载Lewis酸催化剂，通过TG、DTG、BET、IR及比表面积测试对催化剂物性进行了表征。综合表征结果显示:AlCl₃进入SBA-15骨架内，并未破坏载体介孔分子筛SBA-15的介孔结构，减少了其物理吸附水量并提高了热稳定性。将合成的介孔分子筛AlCl₃/SBA-15催化剂用于尼泊金丁酯的合成，并利用单因素法对反应条件进行了优化。最适宜条件下，酯收率为96.8%。该催化剂具有较好的循环能力。