探索合成乙酸正丁酯的最佳條件

摘要：通過平行比較催化劑NaH₂PO₄、MnCl₂、SnCl₂、NaHSO₄、C12H₁₂FeN₃O及NaH₂PO₄-MnCl₂復合催化劑對合成乙酸正丁酯反應的催化效果，發(fā)現(xiàn)NaH₂PO₄-MnCl₂具有價廉、節(jié)能、耗時短、酯化率高等優(yōu)點，探索了此催化劑催化合成時的最佳反應條件。

關鍵詞：乙酸正丁酯；磷酸二氫鈉；氯化錳；酯化率；催化合成

文章編號：1005－6629(2007)05－0006－03中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

乙酸正丁酯是一種極佳的溶劑，在諸多領域有著廣泛應用。隨著我國經濟的發(fā)展，其用量也與時俱增。工業(yè)上一般采用濃硫酸作催化劑合成乙酸正丁酯[1]。雖然反應時間不長，但是濃硫酸具有強氧化性和脫水性，容易引發(fā)一系列副反應，使后期處理困難，而且嚴重腐蝕設備，排放的廢液又會嚴重污染環(huán)境，這違背了我國環(huán)境保護的基本國策。研究表明，某些有機酸、雜多酸代替濃硫酸作催化劑時效果更為顯著[2]。我們以實踐和創(chuàng)新為指導思想，以保護環(huán)境，向香料市場進軍為視野，進行了大量實驗，終于找到了用NaH₂PO₄-MnCl₂復合催化劑成功合成乙酸正丁酯，并確立了最佳反應條件，使乙酸正丁酯的酯化率高達88.06％。

1實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

儀器：電子秤、DW2套式加熱器、電動攪拌機、冷凝回流管、水分離器、三頸瓶、2W阿貝折射儀、200℃水銀溫度計、堿式滴定管、容量分析玻璃器材。

試劑：乙酸、正丁醇、乙醇、鄰苯二甲酸氫鉀、氫氧化鉀、酚酞、碳酸鈉、無水硫酸鎂、硫酸氫鈉、氯化亞錫、檸檬酸鐵銨、磷酸二氫鈉、氯化錳（以上試劑均為分析純）。

1.2乙酸正丁酯的合成[3]

向三頸瓶內加入一定摩爾配比的乙酸和正丁酯混合液，分別加入各種催化劑。加熱混合液，一定時間后，水分離器中有回流液滴出現(xiàn)，持續(xù)加熱至無回流液滴出現(xiàn)時，停止加熱。反應原理：

1.3 酯化率的測定

取三份反應前的酸醇混合液，用已知濃度的氫氧化鉀溶液標定，經過換算后得到反應前體系的酸值(酸值：體系中乙酸的質量)；用已知濃度的氫氧化鉀溶液標定反應后水層混合液，即得反應產物水中的酸值；再取三份反應后的混合溶液，分別用已知濃度的氫氧化鉀溶液滴定，經過換算得到反應產物的酸值。由公式計算出該反應在各催化劑催化下的酯化率。

1.4 酯產品的收集與測定

除去瓶內液體中的催化劑后，用蒸餾水和飽和碳酸鈉溶液反復洗滌，直到水層的pH值約為7。將有機層倒入小燒杯，加入少量無水硫酸鎂干燥。蒸餾干燥后的液體，收集123~127℃的餾分即為乙酸正丁酯。催化劑的品種對酯化率的影響見下表：

（其它條件為：催化劑占反應物的2%，酸醇摩爾比為1:2，反應時間為1.5h）。

2結果和討論

2.1對多種催化劑的實驗結果顯示：NaHSO₄作催化劑時酯化率高，但反應體系酸性很強，極易腐蝕設備，使用價值不大。復合催化劑催化時，酯化率高，反應體系呈弱酸性，反應溫度從120℃下降至108℃，較節(jié)約能源。因此，復合催化劑是合成乙酸正丁酯的最佳催化劑。

2.2 催化劑的用量對酯化率的影響

其它條件為：酸醇摩爾比為1:2，反應時間為1.5h。

數(shù)據(jù)表明，隨著催化劑的質量比增大，酯化率增加，催化劑質量比以1.∶1最佳。

2.3 酸醇比對酯化率的影響

其它條件為：催化劑占反應物的4.0%，催化劑質量比為1∶1，反應時間為1.5h。

數(shù)據(jù)表明，酸醇摩爾比為1:1.5時，酯化率為88.06%；當酸醇比1:2時，酸醇比增加了33%，但酯化率只增加了3.19%，故酸醇摩爾比以1:1.5最佳。

2.4反應時間對酯化率的影響

其它條件為：催化劑占反應物的4.0%，催化劑的質量比為1:1，酸醇摩爾比為1:1.5。

數(shù)據(jù)表明，在相同條件下，酯化率與反應時間成正比，以1.5h最佳。

2.5 綜合條件測試

其它條件為：催化劑占反應物的4%，催化劑的質量比為1∶1，酸醇摩爾比為1∶1.5，反應時間為1.5h。

數(shù)據(jù)表明，NaH₂PO₄-MnCl₂復合催化劑對酯化率有顯著提高，且成本較低。

2.6 催化劑的反復利用

其它條件為：催化劑占反應物的4%，酸醇摩爾比為1∶1.5，反應時間為1.5h。

數(shù)據(jù)表明，重復利用催化劑實驗時，酯化率仍達83％以上，有較高的再利用價值。[4]

3產品分析

3.1 乙酸正丁酯的紅外光譜的分析

紅外光譜圖在1743cm-1處為酯基的收縮振動吸收峰；在1244cm-1處為酯譜帶C-O-C的收縮振動吸收峰；在2875~2962cm-1存在飽和C-H振動吸收峰；這與乙酸異丁酯的標準光譜圖的特征吸收峰吻合，故本產品為乙酸正丁酯。[5]

3.2阿貝折射儀進行折射率的測定

用阿貝折射儀測得乙酸正丁酯的折射率為nD20=1.3950 ， 與文獻數(shù)值相符。

4 結論

用NaH₂PO₄-MnCl₂復合催化劑合成乙酸正丁酯時，操作簡便、歷時短、反應溫度較低，且復合催化劑可以重復利用，既做到了高效、環(huán)保，又易于操作，是一種環(huán)境友好型催化劑。合成乙酸正丁酯的最佳反應條件為：催化劑用量占反應物的4.0%，n(酸)∶n(醇) =1∶1.5，反應時間為1.5h，反應溫度為108℃左右，該條件下酯化率為88.06%。相同條件下，重復使用催化劑后酯化率也達到83.87%，解決了催化劑重復利用的問題。實驗表明上述反應條件為NaH₂PO₄-MnCl₂復合催化劑合成乙酸正丁酯的一種最佳條件。

5 反思與評價

環(huán)保、高效和易于操作是未來化工的發(fā)展方向，本次課題研究無論從催化劑的選擇，裝置的設計改裝，還是確定用料比，制定最佳反應溫度和反應時間，都充分考慮了環(huán)保、高效和易于操作等方面。此外，從認識發(fā)展的角度而言，對有關乙酸正丁酯合成的催化劑的研究，僅是剛剛的起步。雖然我們在這方面做了許多實驗，但是該酯的使用領域過于廣泛，研究的天地仍無限寬廣，我們的研究顯然是不夠的。這次實驗歷時逾半年之久，不僅讓學生學習了很多化學知識，還大大激發(fā)了學生學習化學的興趣，并讓學生系統(tǒng)地體會了科學研究的方法，鍛煉了學生的思維，整個研究過程對學生的成長大有幫助。

參考文獻:

[1]王保仁.有機合成(下冊)[M].北京:中國科學出版社，1985:784.

[2]周原，胡新亮等.磷鉬雜多酸催化合成醋酸正丁酯的研究[J].廣西化工，2000，29(3):3-4.

[3]曾慶樂.氯化高錫催化合成乙酸正丁酯的研究[J].化學通報，2000，(1):45-47.

[4]丁琳、仇興華、舒燕.乙酸正丁酯合成中無機鹽催化作用的研究[J].沈陽教育院學報，2000，(04):109.

[5]蔣碩健、丁有駿、李明謙.有機化學(第二版)[M]， 北京：北京大學出版社，2001:431-438.

“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”