生物基增塑剂2,5-呋喃二甲酸正丁酯的合成及其优化

刘志春，陆贻超，马中森，张亚杰*，王 邃

(1.中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315201；2.宁波大学材料科学与化学工程学院，浙江 宁波 315211)

0 前言

增塑剂是应用于高分子材料尤其是聚氯乙烯(PVC)中的重要助剂之一[1]，可改善PVC的加工性、拉伸性、柔韧性、可塑性等[2]。随着增塑剂的不断研究发展，目前主要的增塑剂包括邻苯二甲酸酯类、烃类、羧酸酯、醚类、磷酸酯、卤代烷烃、聚乙二醇以及环氧化合物等[3-6]。其中，邻苯二甲酸酯类因其具有良好的性能以及较低的生产成本成为了全世界范围内用量最广的增塑剂(占市场份额的80 %)[7-10]。然而，随着邻苯二甲酸酯增塑剂对人体健康及环境危害的报道日益增多[11-14]，使得全球对增塑剂的安全性以及卫生问题提高了要求，甚至许多国家限制了该类增塑剂的使用[15-17]。

目前，各种生物基增塑剂被研究、开发、利用，如柠檬酸酯类增塑剂[18]、环氧类增塑剂[19]等。呋喃类衍生物2,5 - 呋喃二甲酸(FDCA)因其可通过可再生资源制备获得[20-21]，并且与邻苯二甲酸、对苯二甲酸有类似的结构，被认为是石油基单体邻苯二甲酸的理想替代品，其具有广阔的应用前景。研究表明，FDCA的衍生物2,5 - 呋喃二甲酸酯作为增塑剂对PVC拥有比邻苯类酯增塑剂更好的增塑性能[22],[23]1 367，并且呋喃化合物能在Krebs循环过程中被代谢掉，因此2,5 - 呋喃二甲酸酯有望成为一种环保、健康的新型生物基增塑剂。然而，2,5 - 呋喃二甲酸酯还处于研发阶段，其中Yu等[23]1 367以离子液体为催化剂合成了DBF，但因离子液体昂贵，且不易回收，考虑到经济问题，此方法不适用于工业化生产。因此，开发高效、经济的DBF合成路线是目前推动DBF产业发展的关键问题。碱催化酯交换反应法因反应条件温和、催化剂成本低、反应速率快、对设备要求低，在生物柴油[24]、糖酯[25]等制备过程中得到了很好的应用。本文以碳酸钾为催化剂，催化DMF与正丁醇的酯交换反应，并在单因素影响实验的基础上，利用响应面分析法进行了实验设计和模拟，确定了反应温度、反应时间和催化剂用量相互之间对DBF产率的影响关系，得到了最佳反应条件，实现了DBF的产率最优化。

1 实验部分

1.1 主要原料

正丁醇、碳酸钾，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

DMF，工业级，质量纯度≥99.5 %，宁波贝欧斯生物科技有限公司。

1.2 主要设备及仪器

高效液相色谱(配备紫外可变波长检测器)，Agilent 1260，美国Agilent Technologies有限公司；

色谱柱，ZORBAX SB-C18， 150 mm×4.6 mm，5 μm，美国Agilent Technologies有限公司；

傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，Nicolet 6700，美国Nicolet公司；

核磁共振谱仪(NMR)，AVANCE III 400 MHz，美国布鲁克公司。

1.3 样品制备

DBF的制备：采用单因素试验法将25 mL正丁醇与2.5 g DMF置于50 mL圆底烧瓶中，加入碳酸钾作为催化剂，在600 r/min的搅拌速度下进行减压反应(0.02 MPa)，分别考察了催化剂用量(1 %～4 %)、反应温度(40～100 ℃)和反应时间(20～120 min)对DBF产率的影响，每组实验设计3个平行组，产率取平均值；其合成路线如图1所示；

响应面法优化DBF的制备：根据单因素实验结果，选择最佳水平，采用 Design Expert 8.0进行响应面实验。

图1 DBF的合成路线Fig.1 Transesterificatios of DMF with 1-butanol

1.4 性能测试与结构表征

NMR表征：将15 mg样品溶于氘代二甲基亚砜(DMSO)溶剂中制备成溶液，进行1H和13C的分析；1H谱采用zg30脉冲程序，恒温24.85 ℃测试，脉冲宽度为8 223 Hz，射频中心频率为2 471 Hz，采样时间为3.98 s，弛豫时间为1 s，采样次数为16次，空扫2次；13C谱采用zgpg30脉冲程序，恒温22.85 ℃测试，脉冲宽度为24 038 Hz，射频中心频率为2 471 Hz，采样时间为1.36 s，弛豫时间为2 s，采样次数为2 048次，空扫4次；

FTIR表征：将1.5 mg的DBF样品与200 mg烘干研磨后的溴化钾均匀混合，压片制样，扫描范围为4 000～400 cm-1，分辨率为2 cm-1；

DBF产率的测定：利用高效液相色谱法测定DBF的浓度，检测波长为278 nm，柱温为30 ℃，流动相为甲醇、三氟乙酸混合液，以甲醇∶5 ‰三氟乙酸=5∶95(体积比)为初始流动相进行梯度洗脱，其流动速率为1 mL/min，洗脱20 min后流动相为100 %的甲醇；其中DBF的产率按式(1)进行计算：

(1)

式中Y——DBF的产率， %

V1——反应溶液的体积，L

c——DBF的浓度，g/L

M1——DBF的摩尔质量，g/moL

M2——DMF的摩尔质量, g/moL

m1——DMF的质量，g

2 结果与讨论

2.1 DBF的表征

将反应温度为90 ℃，催化剂用量为4 %，反应时间为80 min条件下得到的DBF溶液静置于4 ℃的冰箱中使DBF结晶，过滤后于正丁醇中进行重结晶，-40 ℃冷冻干燥24 h，得到白色的DBF晶体。取少量样品用于FTIR表征和NMR表征。

2.1.1 FTIR分析

(a)1H-NMR谱图 (b)13C-NMR谱图图3 DBF的1H-NMR谱和13C-NMR谱图Fig.3 1H-NMR and13C-NMR spectrums of DBF

图2 DBF的FTIR谱图Fig.2 FTIR spectrum of DBF

2.1.2 1H-NMR和13C-NMR谱图分析

2.2 单因素控制变量实验法2.2.1 反应温度

图4 反应温度对DBF产率的影响Fig.4 The effect of temperature on the yield of DBF

在催化剂用量为4 %，反应时间为90 min的条件下，研究了反应温度对DBF产率的影响。结果表明(图4)，在实验条件内，DBF的产率与反应温度呈正相关关系。温度较低时(<50 ℃)，酯交换反应速度慢，DBF产率低，其原因可能是DMF在正丁醇中的溶解度较低，DMF呈固体状态在反应瓶底部沉积，使之不能与正丁醇充分接触，不利于反应的进行；当温度升高后(50～90 ℃)，DBF的产率随着温度的升高而增大，这可能是因为温度的升高使DMF在正丁醇中的溶解度增大，DMF逐渐与正丁醇形成混合溶液并在搅拌作用下开始反应；由于溶解和酯交换反应可能是同时进行的，溶液中酯交换反应不断地消耗DMF，从而使DMF的溶解加速增大，使酯化反应速率增大，最终表现为DBF的产率快速增大。当温度高于90 ℃时，DBF的产率有所下降，这可能是因为温度过高时，正丁醇被蒸出，反应不完全，使产率降低，且体系内的碱性也相对增加，发生了副反应，不利于产物的积累。因此，最佳的反应温度为90 ℃。

2.2.2 催化剂用量

图5 催化剂用量对DBF产率的影响Fig.5 The effect of catalyst dosage on the yield of DBF

在反应温度为90 ℃，反应时间为90 min的条件下，研究了催化剂用量对DBF产率的影响。结果表明(图5)，随着催化剂用量的增加，DBF的产率不断提高，当催化剂用量约为2 %时，DBF的产率接近最大，继续增加催化剂用量至4 %时，DBF的产率增加平缓，基本保持不变。因此，催化剂的用量并非越多越好。化学反应受反应动力学和反应热力学的共同限制，而催化剂则可改变反应历程，降低反应活化能，提高反应速率。但若在某一时刻或某一时间段内，反应接近平衡，化学反应将主要受到热力学控制，此时增加催化剂用量对提高产率无明显效果，反而会增加成本，且过多的催化剂有可能促使副反应的发生，不利于产物的累积。因此，在此条件下，最佳的催化剂用量为2 %。

2.2.3 反应时间

在反应温度为90 ℃，催化剂用量为4 %的条件下，观察了反应时间对DBF产率的影响。结果表明(图6)，当反应时间在20～90 min时，随着反应时间的延长，DBF的产率不断提高；继续延长反应时间，DBF的产率趋于平稳，说明反应已达到最大程度。在反应初期，反应物的浓度较高，反应速率快；随着反应的进行，反应物的浓度逐渐变小，反应速率不断降低，产率增幅相应变小，直到反应接近化学平衡，产率几乎不再变化。综合考虑能耗、高产率等问题，选择最佳的反应时间为90 min。

图6 反应时间对DBF产率的影响Fig.6 The effect of reaction time on the yield of DBF

2.3 响应面法优化酯化工艺

为了研究反应温度、反应时间和催化剂用量之间的相互作用对DBF产率的影响，根据控制单因素变量实验的结果，设计适宜的影响因素变量范围，采用 Design Expert 8.0分析软件，Box-Behnken设计原理(见表1)，以DBF的产率为响应值，催化剂用量、反应温度和反应时间为自变量，对DBF的酯交换工艺过程进行了3因素3水平的响应面优化试验(表2)。

表1 试验因素水平Tab.1 Test factor level

表2 Box-Behnken试验设计及结果Tab.2 Test design and results with Box-Behnken design

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

2.3.1 因素间的交互作用对DBF产率的影响

由图7(a)可知，当反应时间为90 min时，随着催化剂用量与反应温度的增加，DBF的产率不断增大，当催化剂用量与反应温度均为最大值时，DBF的产率最大。当反应温度不变时，随着催化剂用量的增加，DBF的产率不断增大；当催化剂用量不变时，随着反应温度的提高，DBF的产率逐渐增大，并互相促进。

由图7(b)可知，当反应温度为90 ℃，且反应时间一定时，DBF的产率随着催化剂用量的增加而增大；当反应时间达到最大值时，DBF的产率随着催化剂用量的增加变化不明显，这一结果与二次多项回归方程中反应时间的相关项系数较小的结果一致。当催化剂用量较大时，随着反应时间的延长，DBF的产率先增大后减小。

由图7(c)可知，当催化剂用量为4 %，且反应温度一定时，随着反应时间的延长，DBF产率的变化呈抛物面状，并且当反应时间在75～85 min内时达到最大值；当反应时间一定时，随着反应温度的升高，DBF的产率逐渐增大，且反应温度的曲面坡度较陡，表明温度的变化对DBF产率的影响显著，主导因子作用明显。

(a)催化剂用量与反应温度的交互作用，反应时间为90 min (b)催化剂用量与反应时间的交互作用，反应温度为90 ℃(c)反应温度与反应时间的交互作用，催化剂用量为4 %图7 催化剂用量、反应温度、反应时间的交互作用对DBF产率的影响的三维响应曲面图Fig.7 3D response surface of the effects of catalyst dosage,reaction temperature and reaction time on DBF yield

2.3.2 模型优化及实验验证

软件模拟分析表明，催化剂用量为4 %，反应温度为90 ℃和反应时间为76.05 min时，模型预测DBF的产率为96.41 %。为了验证响应面分析法实验中得到的模型在最优条件下预测的DBF产率值的可信度，按照上述最

佳反应条件，进行3次重复实验验证。结果表明，3次平行实验所得到的DBF的平均产率为96.47 %(见表4)，与理论值接近，且相对误差仅为0.06 %，说明模型预测的结果具有很高的准确度，说明响应面分析法适用于DMF与正丁醇的酯交换反应的实验研究和工艺评估。

表4 DBF实验模拟及验证结果Tab.4 Experimental simulation and verification results of DBF

3 结论

(1)随着反应温度的升高，DBF的产率不断增大，当反应温度达到90 ℃时，DBF的产率达到最大；DBF的产率随着催化剂用量的增加而增大，当催化剂用量为2 %时，DBF的产率接近最大；随着反应时间的延长，DBF的产率不断增大，当反应90 min后，DBF的产率达到最大；

(2)利用响应面优化法结合实验设计建立了DBF的生产模型，拟合二次多项回归方程得到了DBF的最优生产条件为：反应温度为90 ℃，催化剂用量为4 %，反应时间为76.05 min，通过实验验证，表明模型预测具有很高的准确度，且在最佳生产条件下DBF的产率为96.41 %。

[1] ERYTHROPEL H C, MARIC M, NICELL J A, et al. Leaching of the Plasticizer Di(2-ethylhexyl) Phthalate(DEHP) from Plastic Containers and the Question of Human Exposure[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2014, 98(24):9 967-9 981.

[2] CHOI J S, PARK W H. Effect of Biodegradable Plasticizers on Thermal and Mechanical Properties of Poly(3-hydroxybutyrate)[J]. Polymer Testing, 2004, 23(4):455-460.

[3] YANF L, MILUTINOVIC P S, BROSNAN R J, et al. The Plasticizer Di(2-ethylhexyl) Phthalate Modulates Gamma-aminobutyric Acid Type A and Glycine Receptor Function[J]. Anesth Analg, 2007,105(2):393-396.

[4] WINGBORG N, ELDSATAR C. 2,2-Dinitro-1,3-bis-nitrooxy-propane(NPN):A New Energetic Plasticizer[J]. Propellants Explosives Pyrotechnics, 2002, 27(6):314-319.

[5] SOTHOMVIT R, KROCHTA J M. Plasticizer Effect on Mechanical Properties of β-lactoglobulin Films[J]. Journal of Food Engineering, 2001, 50:149-155.

[6] MARCILLA A, GARCIA S, GARCIA-QUESADA J C, et al. Migrability of PVC Plasticizers[J]. Polym Test, 2008, 27(2):221-233.

[7] CHOI J S, PARK W H. Effect of Biodegradable Plasticizers on Thermal and Mechanical Properties of Poly(3-hydroxybutyrate)[J]. Polym Test, 2004, 23(4):455.

[8] VIEIRA M G A, SILVA M A D, SANTOS L O D, et al. Natural-based Plasticizers and Biopolymer Films: A Review[J]. European Polymer Journal, 2011, 47(3):254-263.

[9] VADUKUMPULLY S, PAUL J, MAHANTA N, et al. Flexible Conductive Graphene/Poly(vinyl chloride) Composite Thin Films with High Mechanical Strength and Thermal Stability[J]. Carbon, 2011, 49(1):198-205.

[10] ZHOU Y, YANG N, HU S. Industrial Metabolism of PVC in China:A Dynamic Material Flow Analysis[J]. Resources Conservation and Recycling, 2013, 73:33-40.

[11] SAMPSON J, DEKORTE D. DEHP-plasticised PVC: Relevance to Blood Services[J]. Transfusion Medicine, 2011, 21(2):73-83.

[12] LITHNER D, LARSSONA, DAVE G. Environmental and Health Hazard Ranking and Assessment of Plastic Polymers Based on Chemical Composition[J]. Science of the Total Environment, 2011, 409(18):3 309-3 324.

[13] CHIELLINI F, FERRI M, MORELLI A, et al. Perspectives on Alternatives to Phthalate Plasticized Poly(vinyl chloride) in Medical Devices Applications[J]. Progress in Polymer Science, 2013, 38(7):1 067-1 088.

[14] HORN O, NALLI S, COOPER D, et al. Plasticizer Metabolites in the Environment[J]. Water Res, 2004, 38(17):3 693-3 698.

[15] 石万聪.增塑剂的毒性及相关限制法规[J].塑料助剂, 2010(3):6-10.

SHI W C. Toxicity and Related Restricted Laws and Regulations for Plasticizers[J]. Plastics Additives, 2010(3):6-10.

[16] 郭永梅.有关邻苯二甲酸酯类增塑剂在食品包装材料中应用的法规[J].塑料助剂, 2012(4):18-20.

GUO Y M. Related Regulations and Laws for Application of Plasticizer Phthalates in Food Packing Materials[J]. Plastics Additives, 2012(4):18-20.

[17] 郭永梅.邻苯二甲酸酯的毒性及相关限制法规[J].广州化学, 2012, 37(2):75-79.

GUO Y M. Toxicity and Related Restricted Laws and Regulations for Phthalate Esters[J]. Guangzhou Chemistry, 2012, 37(2):75-79.

[18] PARK H M, MISRA M, DRZAL L T, et al. “Green” Nanocomposites from Cellulose Acetate Bioplastic and Clay:Effect of Eco-friendly Triethyl Citrate Plasticizer[J]. Biomacromolecules, 2004, 5(6):2 281-2 288.

[19] NIHUL P G, MHASKE S T, SHERTUKDE V V. Epoxidized Rice Bran Oil(ERBO) as a Plasticizer for Poly(vinyl chloride)(PVC)[J]. Iranian Polymer Journal, 2014, 23(8):599-608.

[20] ROMAN-LESHKOV Y, CHHEDA J N, DUMESIC J A, et al. Phase Modifiers Promote Efficient Production of Hydroxymethylfurfural from Fructose[J]. Science, 2006, 9(4):342-350.

[21] CASANOVA O, IBORRA S, CORMA A. Biomass into Chemicals:Aerobic Oxidation of 5-Hydroxymethyl-2-furfural into 2,5-Furandicarboxylic Acid with Gold Nano-particle Catalysts[J]. Chem Sus Chem, 2009, 2(12):1 138-1 144.

[22] SANDERSON R D, SCHNEIDER D F, SCHREUDER I, et al. Synthesis and Evaluation of Dialkyl Furan-2,5-dicarboxylates as Plasticizers for PVC[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1994, 53(13):1 785-1 793.

[23] YU Z, ZHI U J, ZHANG J, et al. Evaluating Effects of Biobased 2,5-Furandicarboxylate Esters as Plasticizers on the Thermal and Mechanical Properties of Poly(vinyl chloride)[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2014, 131(20).

[24] ALCANTARA R, AMORES J, CANOIRA L, et al. Catalytic Production of Biodiesel from Soy-bean Oil, Used Frying Oil and Tallow[J]. Biomass&Bioenergy, 2000, 18(6):515-527.

[25] ZHAO R, CHANG Z, JIN Q, et al. Heterogeneous Base Catalytic Transesterification Synthesis of Sucrose Ester and Parallel Reaction Control[J]. International Journal of Food and Technology, 2014, 49(3):854-860.