全 文 ：第 34 卷第 6 期
2014 年 12 月
林 产 化 学 与 工 业
Chemistry and Industry of Forest Products
Vol． 34 No． 6
Dec． 2014
doi:10． 3969 / j． issn． 0253-2417． 2014． 06． 020
响应面法优化羟基香茅醛 1，2-丙二醇缩醛的合成
收稿日期:2013-11-05
基金项目:国家林业公益性行业科研专项经费项目(201304602) ;江西省主要学科学术和技术带头人培养计划(20133BCB22004) ;
江西省科技支撑计划项目(20132BBF60057)
作者简介:蔡美萍(1987—)，女，江西鄱阳人，硕士生，研究方向为植物资源化学利用
* 通讯作者:王宗德，教授，博士，博士生导师，从事林产化工教学和科研工作;E-mail:zongdewang@ 163． com。
CAI Mei-ping
蔡美萍1，2，范国荣1，陈尚钘1，陈金珠1，王宗德1
*
(1．江西农业大学林学院，江西 南昌 330045;2．正邦集团江西新世纪民星
动物保健品有限公司，江西 南昌 330096)
摘 要: 通过单因素试验，确定对目标产物产率影响最显著的 3 个因素分别为羟基香茅醛与 1，2-
丙二醇物质的量比、反应温度和反应时间。根据 Central Composite Design 试验设计原理，采用 3 因
素 3 水平的响应面法，以目标产物产率为响应值，分析各个因素的显著性和交互作用，结果表明最
佳合成条件为羟基香茅醛与 1，2-丙二醇物质的量比为 1 ∶ 3． 5，反应温度为 38 ℃，反应时间 4． 4 h，羟基香茅醛与甲苯物
质的量比 1 ∶ 2～1 ∶ 2． 5，此条件下目标产物产率为 89． 76 %。
关键词: 羟基香茅醛 1，2-丙二醇缩醛;合成;响应面法
中图分类号:TQ351 文献标识码:A 文章编号:0253-2417(2014)06-0124-05
Optimization of Synthesis of Hydroxyl Citronella Aldehyde-1，2-propanediol
Acetal Using Ｒesponse Surface Method
CAI Mei-ping1，2，FAN Guo-rong1，CHEN Shang-xing1，CHEN Jin-zhu1，WANG Zong-de1
(1． College of Forestry，Jiangxi Agricultural University，Nanchang 330045，China;2． Zhengbang Group
Jiangxi New Century Minxing Animal Health Products Co． Ltd．，Nanchang 330096，China)
Abstract:On the basis of single factor experiments，the synthesis conditions of hydroxyl citronella aldehyde-1，2-propanediol
acetal from hydroxycitronellal and 1，2-propylene glycol were optimized using response surface method (ＲSM)． The results of the
single factor experiments showed that the most significant factors were the substance ratio of hydroxycitronellal to 1，2-propylene
glycol，the reaction temperature and the reaction time． According to the experiment design principle of Central Composite Design，
the response surface method of three factors with three levels were employed，and the yield of target compound in the reaction
system were taken as the response value to analyze the significance and interaction of the various factors． The optimal synthesis
conditions were substance ratio of hydroxycitronellal to 1，2-propylene glycol 1 ∶ 3． 5，reaction temperature 38 ℃，reaction time
4. 4 h，and substance ratio of hydroxycitronellal to toluene 1 ∶ 2 － 1 ∶ 2． 5． Under the optimal conditions，the yield of target
compound was 89． 76 % ．
Key words:hydroxyl citronella aldehyde-1，2-propanediol acetal;synthesis;response surface method
羟基香茅醛(7-羟基-3，7-二甲基辛醛)为无色黏稠液体，是一种良好的香料。它具甜美铃兰香气，
是制备铃兰型香料的主要组分，并能起调和作用［1］。羟基香茅醛及其缩醛类衍生物主要用作香料，在
驱避活性方面的研究与应用较少［2］。Masetti等报道羟基香茅醛对白纹伊蚊(Aedes albopictus)有一定的
驱避活性［3］，也有报道羟基香茅醛二甲缩醛对埃及伊蚊(Aedes aegypti)、四斑按蚊(Anopheles
quadrimaculatus)具有驱避活性［4－6］。有研究者报道了羟基香茅醛缩醛类衍生物的合成及对蚊虫的驱避
活性，并筛选到具有良好应用前景的羟基香茅醛 1，2-丙二醇缩醛［7－8］。羟基香茅醛 1，2-丙二醇缩醛属
于植物源驱避剂，与其他萜类驱避化合物类似，具有芳香气味，毒性小，使用安全的优点［9］。在中性或
第 6 期 蔡美萍，等:响应面法优化羟基香茅醛 1，2-丙二醇缩醛的合成 125
碱性条件下稳定，酸性条件下不稳定，易分解，在乙醇、甘油等醇类溶剂中有较好的溶解性能，属微毒类
农药，大鼠急性经口半致死量(LD50)雌性为 5 840 mg /kg(95 %可信限 4 300～7 940) ，雄性为 6 810 mg /
kg。质量分数为 20 %时对白纹伊蚊的驱避时间 5～6 h，质量分数为 10 %和 20 %时对中华按蚊的驱避
时间分别为 4． 5～5 h和 5～6 h，均超过 B级国家标准［10－11］。羟基香茅醛 1，2-丙二醇缩醛的市场推广需
进行工业化生产，应尽可能提高产率。响应面分析法(Ｒesponse Surface Methodology)可以优化反应，将
试验中因素与水平之间的相互关系用多项式进行拟合，然后对函数进行响应面分析，可准确地描述因素
与响应值之间的关系，具有所得回归方程精确度高、能得到几种因素间交互作用等优点［12］。本研究以
羟基香茅醛和 1，2-丙二醇为原料，甲苯为溶剂，氨基磺酸作催化剂，利用响应面分析法，在单因素试验
的基础上对其合成工艺进行优化，以期为工业化生产提供一种思路。
1 实 验
1． 1 试剂与仪器
羟基香茅醛(GC含量为 93 %) ;饱和食盐水(实验室自制) ;1，2-丙二醇、甲苯、氨基磺酸、碳酸氢钠
和无水硫酸钠等均为市售分析纯化学试剂。
福立 GC9790 气相色谱仪，SE-54 弹性石英毛细管柱，50 × 0． 25 mm，氢火焰检测器;Bruker AVANCE
400 型核磁共振仪(13C NMＲ 观察频率为 100 MHz，1H NMＲ 观察频率为 400 MHz) ，以 TMS 为内标，
CDCl3 为溶剂;Nicolet Protage 460 红外光谱仪，液膜法。
1． 2 合成方法
在三口烧瓶中加入 0． 5 mol的羟基香茅醛(115 g) ，1，2-丙二醇，甲苯和少量的氨基磺酸，在磁力搅
拌器上搅拌加热，温度控制在 35～45 ℃，反应 3～5 h。
反应结束后，停止搅拌，将反应液倒入分液漏斗中，加
适量的甲苯萃取，依次加入饱和碳酸氢钠溶液、饱和食
盐水洗涤至水层显中性，加无水硫酸钠干燥有机层，将
有机层物进行气相色谱分析，合成反应方程见右图。
1． 3 单因素试验
反应物羟基香茅醛质量不变，为 115 g，催化剂用量不变，通过单因素试验分别考察羟基香茅醛与
1，2-丙二醇的物料比、羟基香茅醛与甲苯溶剂的物料比、反应温度、反应时间对目标产物产率的影响。
1． 4 响应面试验
通过单因素试验，确定对目标产物产率影响最显著的 3 个因素，以 A、B、C 为自变量，采用 Design
7. 0． 0 数学软件 Box-Behnken方法对产物的合成条件进行响应曲面设计，共 15 个试验点。通过响应面
分析和修正确定最佳反应条件。
2 结果与分析
2． 1 单因素试验结果分析
2． 1． 1 羟基香茅醛与 1，2-丙二醇的物质的量比的影响 在羟基香茅醛0． 5 mol，羟基香茅醛与甲苯的
物质的量比 1 ∶ 2． 5，反应温度 40 ℃，反应时间 4 h 的条件下，考察醛与醇的物质的量比分别为 1 ∶ 1、
1 ∶ 2、1 ∶ 3、1 ∶ 4 和 1 ∶ 5 时对目标产物产率的影响，结果见表 1。从表 1 可知，当羟基香茅醛与 1，2-丙二
醇的比例从 1 ∶ 1 变化至 1 ∶ 5 时，目标产物呈先增长后降低的趋势。这是因为 1，2-丙二醇的稍微过量可
使化学反应平衡向右移动，增加反应产物，但若丙二醇的量过多，会导致生成副产物，因此醛醇比为
1 ∶ 2 ～1 ∶ 4 为宜。
2． 1． 2 羟基香茅醛与甲苯的物质的量比的影响 原料醛醇物质的量比为1 ∶ 3，其他条件同上，考察羟
基香茅醛与甲苯的物质的量比分别为 1 ∶ 1． 5、1 ∶ 2、1 ∶ 2. 5、1 ∶ 3 和 1 ∶ 3． 5 时对目标产物产率的影响，结
126 林 产 化 学 与 工 业 第 34 卷
果见表 1。从表 1 可知，当甲苯用量为 1． 5 倍时，目标产物的产率相对较低，且随着溶剂甲苯的用量升
高，目标产物的产率变化不大。因为甲苯将产物从反应体系中萃取出来，使反应平衡向右移，反应产率
增加，但溶剂用量过多也没必要，综合考虑，甲苯用量为醛的 2～2． 5 倍。
2． 1． 3 反应温度的影响 在原料醛醇物质的量比为 1 ∶ 3，醛与甲苯物质的量比 1 ∶ 2． 5，反应时间 4 h的
条件下，改变缩醛反应温度分别为 25、30、35、40 和 45 ℃，结果见表 1。从表 1 可知，温度偏高偏低都不
好。温度过低，反应速率慢，温度过高，产物复杂化，所以温度在 30～40 ℃之间较好。
2． 1． 4 反应时间的影响 在醛醇物质的量比为 1 ∶ 3，醛与甲苯物质的量比 1 ∶ 2． 5，反应温度 40 ℃条件
下，改变缩醛反应时间，分别为 2、3、4、5 和 6 h，结果见表 1。从表 1 可知，随着反应时间增长，目标产物
产率一般越高，因为反应时间短，反应不完全。但反应时间过长，目标产物产率会下降，因为副产物随着
时间的增长，生成量越大，所以反应在 3～5 h内完成最佳。
表 1 各因素对目标产物含量的影响
Table 1 The influence of factors on the content of target compound
因素
factors
水平
levels
目标产物产率 /%
the yield of target
compound
n(羟基香茅醛)∶ n(1，2-丙二醇)
n(hydroxycitronellal)∶ n(1，2-propyleneglycol)
1 ∶ 1 76． 68
1 ∶ 2 85． 35
1 ∶ 3 86． 32
1 ∶ 4 86． 27
1 ∶ 5 80． 35
n(羟基香茅醛)∶ n(甲苯)
n(hydroxycitronellal)∶ n(toluene)
1 ∶ 1． 5 83． 17
1 ∶ 2 86． 65
1 ∶ 2． 5 86． 27
1 ∶ 3 86． 35
1 ∶ 3． 5 86． 19
反应温度 /℃
temp．
25 80． 03
30 86． 56
35 87． 12
40 86． 69
45 80． 22
反应时间 /h
time
2 79． 66
3 84． 63
4 85． 97
5 86． 25
6 81． 07
2． 2 响应曲面法复配试验结果分析
2． 2． 1 模型的建立 根据单因素试验，以反应物料醛醇物质的量比、反应温度和反应时间 3 个显著因
素进行响应面试验设计，响应面分析因素水平表如表 2。
2． 2． 2 响应面分析方案及结果 试验设计结果如表 3，其中序号 1～12 是析因试验，13～15 为中心试验。
利用 Design Expert 7． 0． 0 软件对表 2 进行回归分析及方差分析结果(表 3)。
通过 Design Expert 7． 0． 0 软件对试验结果进行多元回归分析，得到各因素与目标产物之间的二次
多项回归模型:Y = 89． 22 + 5． 07X1 + 3． 16X2 + 3． 01X3 － 0． 31X1X2 + 1． 11X1X3 － 0． 96X2X3 － 5． 33X
2
1 －
1. 87X22 － 3． 94X
2
3。模型的 F值是 17． 91，说明模型是显著的。“P ＞ F”的值小于 0． 05 表明模型项是显
著的，从表 3 可知，X1、X2、X3、X
2
1、X
2
3 对产物的合成是显著的。
决定系数 Ｒ2 = 0． 969 9，说明该模型与实际情况拟合程度很好，试验误差小。模型的校正决定系数
Ｒ2adJ = 0． 915 7，说明该模型能解释 91． 57%的响应值变化。信噪比 11． 529，信噪比大于 4，说明此模型可
以很好的响应信号，用此模型分析和预测目标产物的含量［11］。
第 6 期 蔡美萍，等:响应面法优化羟基香茅醛 1，2-丙二醇缩醛的合成 127
表 2 响应面设计的试验设计及结果
Table 2 Experimental design and results of Ｒesponse surface design
序号
No．
X1
n(羟基香茅醛)∶ n(1，2-丙二醇)
n(hydroxycitronellal)∶
n(1，2-propylene glycol)
X2
反应温度 /℃
temperature
X3
反应时间 /h
time
目标产物产率(Y)/%
the yield of target
compound
1 1 ∶ 2 30 4 73． 76
2 1 ∶ 4 30 4 84． 29
3 1 ∶ 2 40 4 80． 36
4 1 ∶ 4 40 4 89． 67
5 1 ∶ 2 35 3 74． 24
6 1 ∶ 4 35 3 82． 38
7 1 ∶ 2 35 5 75． 31
8 1 ∶ 4 35 5 87． 88
9 1 ∶ 3 30 3 74． 75
10 1 ∶ 3 40 3 83． 32
11 1 ∶ 3 30 5 85． 43
12 1 ∶ 3 40 5 90． 17
13 1 ∶ 3 35 4 89． 91
14 1 ∶ 3 35 4 88． 56
15 1 ∶ 3 35 4 89． 19
表 3 回归方程的方差分析
Table 3 The variance analysis of the regression equation
方差来源
sources of variance
平方和
sum of square
自由度
degree of freedom
均方
mean square
F
value prob ＞ F
模型 Model 523． 60 9 58． 18 17． 91 0． 0027
X1 205． 54 1 205． 54 63． 27 0． 0005
X2 79． 95 1 79． 95 24． 61 0． 0042
X3 72． 6 1 72． 60 22． 35 0． 0052
X1X2 0． 37 1 0． 37 0． 11 0． 7488
X1X3 4． 91 1 4． 91 1． 51 0． 2738
X2X3 3． 67 1 3． 67 1． 13 0． 3366
X21 104． 99 1 104． 99 32． 32 0． 0023
X22 12． 88 1 12． 88 3． 96 0． 1031
X23 57． 17 1 57． 17 17． 60 0． 0085
残差 residual 16． 24 5 3． 25
失拟项 lack of fit 15． 33 3 5． 11 11． 20 0． 0831
绝对误差 pure error 0． 91 2 0． 46
总和 cor total 539． 84 14
2． 2． 3 因素交互作用 为了更直接的反应各因素间的相互作用对目标产物含量的影响，分别将物料
比、反应温度、反应时间以两两为自变量做出 3D图，如图 1(a)～图 1(c)。
图 1 响应曲面图
Fig． 1 Ｒesponse surfale plots
128 林 产 化 学 与 工 业 第 34 卷
由图 1(a)可见，当 X2(反应温度)不变时，随着 X1(原料醛醇比)的升高，目标产物的产率呈现先增
加后降低的趋势，当 X1 约等于 0． 5 时达到最大。当物料比不变时，反应温度越高，产率一般越高，所以
适当的提高温度对反应是有力的。
由图 1(b)可见，当 X3(反应时间)不变时，随着 X1 的增加，产率先上升后下降，当 X1 在 0． 5 左右时
最大。当 X1 不变时，随着 X3 的增大，产率先增大后减小，当 X3 在 0． 5～1． 0 间最大。
由图 1(c)可见，当 X3 不变时，随着 X2 增大，产率一般是呈上升趋势。同理，X3(反应时间)值不能
太大，与单因素试验分析是吻合的。
2． 2． 4 最佳合成条件及验证 为得到产物的最佳合成条件，对回归方程取一阶偏导为零，换算成试验
条件为羟基香茅醛与 1，2-丙二醇物质的量比为 1 ∶ 3． 523，反应温度为 38． 5 ℃，反应时间 4． 37 h。考虑
到试验的可操作性，对优化条件进行适当修正，修正后条件为:羟基香茅醛与 1，2-丙二醇物质的量比为
1 ∶ 3． 5，反应温度为 38 ℃，反应时间 4． 4 h，羟基香茅醛与甲苯物质的量比 1 ∶ 2～1 ∶ 2． 5，修正条件下目标
产物产率预测值为 89． 82 %。在此条件下，重复 3 次验证试验，得到目标产物的平均产率达 89． 76 %，
预测值与实际值之间能很好的吻合，利用响应面优化的参考准确可靠，具有实用价值。
3 结 论
在单因素试验的基础上，应用响应面试验设计对其合成工艺条件进行优化，得出最佳合成条件为:
羟基香茅醛与 1，2-丙二醇物质的量比为 1 ∶ 3． 5，反应温度为 38 ℃，反应时间 4． 4 h，羟基香茅醛与甲苯
物质的量比 1 ∶ 2～1 ∶ 2． 5，在此条件下反应得目标产物的产率为 89． 76 %。回归分析和验证性试验表明
了优化效果较好，试验结果可以为羟基香茅醛 1，2-丙二醇缩醛合成提供理论依据。
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