乙酸乙酯實驗制備的改進

摘要： 實驗室用濃硫酸催化法合成乙酸乙酯成本高、產率低，而且綠色環保效果不好。采用硫酸氫鈉作為催化劑催化合成乙酸乙酯，通過對實驗裝置進行改進，大大提高了實驗產率。NaHSO₄#8226;H₂O無毒無害，便宜易得，且反應后處理簡單，不污染環境，不腐蝕設備，實現了化學實驗的綠色化，實驗效果良好。

關鍵詞：乙酸乙酯 催化 改進 NaHSO₄#8226;H₂O 裝置

乙酸乙酯的合成是有機化學實驗教材中的重要實驗內容之一，傳統方法是用濃硫酸催化乙酸、乙醇在一定的溫度下合成。但此方法存在一些不足，如：濃硫酸的用量多，操作步驟復雜，副反應多（如炭化作用和生成乙烯、乙醚等），催化合成產率低，對設備腐蝕嚴重，教學實驗用時長等。近年來，以雜多酸、分子篩、固體超強酸和金屬氯化物等作為該反應催化劑的研究時有報道［４］－［１６］，但這些催化劑，有的催化能力偏低，有的其自身合成比較麻煩，前期準備工作復雜，時間長，不適于教學實驗。

隨著綠色化學的興起和環保意識的加強，實驗內容也應從培養學生的環保意識出發，擯棄一些對環境污染嚴重的內容而代之以對環境友好的內容。因此從簡化重復步驟，縮短教學實驗時間，節約能源和實驗試劑，保護環境的角度出發，在實驗教學過程中，筆者探究了環境污染小，價廉易得，腐蝕性小的硫酸氫鈉代替硫酸作催化劑并在合成裝置上做了改進，取得了良好的實驗效果。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

1.1.1 儀器

MYB型調溫電熱套（天津市華北實驗儀器公司）， 2W型阿貝斯折光儀（上海精密科學儀器有限公司），SP-2100型氣相色譜儀（北京北分瑞利色譜儀器有限公司），冷凝管， 三頸燒瓶，溫度計，錐形瓶，分析天平，量筒，分餾柱。

1.1.2 試劑

冰醋酸（分析純），無水乙醇，無水氯化鈣，飽和碳酸鈉溶液，飽和食鹽水，飽和氯化鈣溶液，NaHSO₄#8226;H₂O。

1.2 硫酸氫鈉催化酯化優化反應條件

該實驗按硫酸氫鈉催化法進行，在裝有溫度計、滴液漏斗及合適高度分餾柱的三頸瓶中加入1.5g的一水合硫酸氫鈉催化劑與5.8ml的乙酸，并加入幾粒沸石，當加熱至80℃左右時，從滴液漏斗中加入11.7ml乙醇和11.6ml乙酸的混合液，開始記時，適當地控制滴加速度，前10min稍快，待有餾出液時保持滴加速度與餾出速度相等，并控制反應液溫度在92-96℃，45min內滴加完畢，繼續蒸餾，當餾出液溫度達到70℃左右時停止反應，把得到的粗產品直接用無水氯化鈣干燥1小時后蒸餾，收集74-79℃的餾分，得無色透明有水果香味的乙酸乙酯。以酯收率為參考指標，實驗結果分析得出優化條件為:醇酸摩爾比為1:1.5，催化劑用量為1.5g/（11.7ml乙醇），反應溫度為92-96℃，實驗時間為3-4學時

1.3 醇酸摩爾比的確定

固定無水乙醇用量為11.7ml，催化劑1.5g，改變冰醋酸用量，控制反應溫度92-96℃，在相同時間內邊滴加邊分餾，結果見表1：

表1中數據表明，隨著醇酸摩爾比的增加，酯的產率逐漸提高，醇酸比達到1:1.5的時，產率為86.87%，繼續增大醇酸比，酯的產率增加不大，因此采用1:1.5的醇酸比對降低實驗成本較為有利，采用乙醇過量的配比是考慮到產品后處理工藝的難易，當乙醇過量時，餾出液中除酯外還有大量的乙醇，因酯、水、醇三者之間有二元及三元共沸物，所以很難用蒸餾的方法將三者分開，當酸過量時，粗產品中殘留的酸與酯的沸點相差很大，所以通過簡單蒸餾可以將其分離，而不必有復雜的后處理工序，既減少了“三廢”的排放，又減少了對環境的污染，所以確定適宜的醇酸摩爾比為1:1.5。

1.4 催化劑用量的確定

固定冰醋酸用量為17.4ml，無水乙醇11.7ml，控制相同的條件，改變催化劑用量分別實驗，結果見表2

由表2可見，隨著催化劑用量的增加，酯收率逐漸增加，當超過1.5g時，酯的產率增加不明顯，因此催化劑的最佳用量為1.5g/(11.7ml無水乙醇)。

1.5 反應溫度的確定

實驗表明，酯化反應在達到三元共沸物時，粗酯產率有明顯的提高，繼續升高溫度酯的產率提高不大，并且反應溫度在100℃以上時，產率反而下降，因此，合成乙酸乙酯的溫度應控制在92-96℃為宜。

1.6 反應原料的確定

固定醇酸比，固定催化劑用量，利用不同的反應原料，在相同的實驗條件下比較酯的產率，結論見表3

表3實驗數據表明用無水乙醇作為原料酯的產率較高，但從降低實驗成本來考慮選用95%乙醇亦可。

2 硫酸氫鈉催化法與教材實驗提供的結果比較

2.1 酯化反應條件及其結果的比較

催化劑、反應時間、反應溫度、實驗用時和反應收率的比較見表4，從表4數據可看出NaHSO₄#8226;#8226;H₂O的催化效果比濃硫酸好。

2.2 實驗步驟及處理流程比較

實驗步驟及處理工藝流程比較見表5，很明顯，硫酸氫鈉催化法可省去后處理工序，大大節約實驗時間，降低了實驗成本，減少了“三廢”的排放，對環境起到了明顯的保護作用。材料方法一用間歇式加料的分餾裝置反應，裝置安裝稍微復雜，反應時間長；而材料方法二用半連續加料的回餾裝置反應，反應時間不算長，但要將回流裝置改換成蒸餾裝置，中間有等待冷卻的時間，所以教材所用制備方法的實驗總用時都比本實驗研究所用時多2個小時以上。

2.3 實驗裝置的比較

2.3.1 回流法:該方法是把反應原料一次性投入到反應器中，加熱回流一段時間后再蒸出產物的方法，這種方法一方面把產物及時移出反應體系；另一方面蒸餾過程中會有醇和酸餾出，給后處理工作帶來麻煩，所以產率較低。

2.3.2 邊滴加邊蒸餾法:反應過程中可以把產物及時移出反應體系，但蒸餾效果不佳，仍需后處理工作。

2.3.3 邊滴加邊分餾法:用合適高度的分餾裝置代替蒸餾裝置，邊滴加邊分餾，既可以將產物移出反應體系，又避免了高沸點物的蒸出，因而可省去洗滌等操作，大大節約了實驗時間。

3實驗結果及討論

表6列出了當醇酸摩爾比為1:1.5，催化劑用量為1.5g/11.7ml乙醇，反應溫度為92-96℃，并保持基液的量基本不變時，平行實驗3次的結果。

由表6可以看出，NaHSO₄#8226;H₂O的催化性能好，3次實驗的產率基本保持不變，平均值為86.68%，按照本方法制得的乙酸乙酯折光率為nD₂₀=1.37147-1.3732，與文獻相符，產品為無色透明液體，餾程為74-79℃，有水果香味。

4 結論

4.1 實驗工藝條件

通過實驗比較，可以確定用于合成乙酸乙酯教學實驗的最佳條件為:醇酸摩爾比為1∶1.5，催化劑用量為1.5g/11.7ml乙醇，反應溫度為92-96℃，實驗時間為3-4學時，該實驗采用邊滴加邊分餾的實驗裝置。

4.2 硫酸氫鈉催化法的優點

(1) NaHSO_#8226;4H₂O作為乙酸乙酯合成的催化劑，來源廣泛，價格低廉，容易買到，實驗準備簡單，適合教學實驗使用。

(2) NaHSO₄#8226;H2O不溶于反應體系，后處理工序簡單，省去了硫酸催化法中的洗滌程序。

(3) 降低實驗成本，減少了“三廢”的排放，增強了學生環保和節約的意識。

(4) NaHSO₄#8226;H₂O代替硫酸能減少副反應發生，也降低了后處理過程中產物因分解而造成的損失，有利于提高酯化反應產率，而且產生廢酸少，有利于樹立學生環保意識。

(5) 實驗裝置的改進及后處理工序的簡化，大大節約了實驗時間，提高了產品的質量。

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