“黑面包”實驗廢棄物催化乙酸乙酯合成的探究

陽志高 易富饒 隆坤明 聶忠平 尹篤林

（湖南長沙寧鄉縣第一高級中學湖南寧鄉410660）

“黑面包”實驗廢棄物催化乙酸乙酯合成的探究

陽志高 易富饒 隆坤明 聶忠平 尹篤林

（湖南長沙寧鄉縣第一高級中學湖南寧鄉410660）

利用化學必修1“黑面包”實驗廢棄物制得炭固體磺酸，將其應用于乙酸乙酯的合成實驗中，結果表明，該催化劑具有良好的催化效果和穩定的催化性能；中學實驗廢棄物重新利用不但能夠啟發學生的創造力，在中學化學實驗教學上更具有開拓性的意義。

黑面包；炭固體磺酸；酯化反應；催化

在有機化學實驗中，乙酸乙酯的制備是一個重要的代表，它也是中學化學的經典實驗之一［1]，在人教《實驗化學》［2]的教材中還特別圍繞這個問題做了專門的探究，可見這個實驗在中學化學教學中占了很重要的地位。乙酸乙酯合成方法是以乙酸和乙醇為原料，在濃硫酸催化下進行。但使用濃硫酸作為催化劑存在一系列的不穩定因素：①濃硫酸的強氧化性和脫水性能導致一系列副反應，產物中混有少量醚、烯烴等；②反應條件不易控制，乙酸乙酯的收率較低；③濃硫酸對工業鐵質設備腐蝕嚴重，工業酯化反應不合適大規模生產。所以在中學化學教育類期刊上發表了一系列關于乙酸乙酯制備實驗方法改進方面的文章；筆者通過調查發現，暫時還沒有利用中學化學必修1“黑面包”實驗產物作為固體酸催化劑催化合成乙酸乙酯的報道。

湖南師范大學化學化工學院尹篤林教授科研課題組在其國家自然科學基金項目《生物質固體炭磺酸的制備》［3-5]中，詳細介紹了各種生物質炭磺酸的制備方法，催化原理，催化性能，社會能源效益等。為本論文提供了理論依據。筆者曾為該課題組的一員，根據中學化學實驗實際，利用“黑面包”實驗廢棄物，經過處理得到炭固體磺酸，指導學生實驗將其應用于乙酸乙酯的合成中(圖1)，

圖1 乙酸乙酯的合成

取得了很好的效果，不但激發學生的求知欲望和學習期望，特別培養了學生實驗能力，創造能力；通過認識和解決未知化學問題，感悟到科學研究的魅力。

一、實驗部分

1.實驗準備

實驗藥品：乙醇、冰醋酸、濃硫酸、無水硫酸鎂均為分析純，飽和氯化鈉，碳酸鈉溶液。

實驗儀器：電子天平，阿貝折光儀，試管，長導管，酒精燈，鐵架臺。

2.實驗步驟

圖2 探究濃硫酸的脫水性—“黑面包”實驗

(1)“黑面包”實驗產物的處理：按圖2流程制得“黑面包”，后處理按照徐瓊、陽志高［6-8]等人的方法進行：用去離子水反復洗滌直到洗滌液中檢測不到硫酸根離子，將黑色產品裝入圓底燒瓶中，接上回流管，加熱回流10h，中間過程需不停換水，確保產品中不存在游離的硫酸。100℃下干燥12h，備用。

(2)乙酸乙酯的制備：實驗過程依照人教實驗版教科書實驗3-4進行；在一支試管中加入3mL乙醇，2mL乙酸和一定量干燥好的炭固體磺酸，用酒精燈緩慢加熱；餾出液先后用10%碳酸鈉溶液的中和、飽和氯化鈉溶液的洗滌，然后用無水硫酸鎂干燥，蒸餾收集73℃～78℃餾分。用阿貝折光儀檢驗餾分產物的折光率與文獻值相符合［9]，為1.732。最后稱量餾分產物，計算產率。

二、結果與討論

1.不同催化劑對乙酸乙酯合成中的影響

為了考察該催化劑的催化效果，在反應相同的時間內(30min)，考察了不同催化劑用量對乙酸乙酯產率的影響，同時與其它幾種酸催化劑的催化效果做了比較。結果列入表1。從表中數據可以看出，隨著催化劑用量的增加，乙酸乙酯的產率也增加，但是當炭固體磺酸用量達到2.0g時，產率變化不明顯；在與其它催化劑對比中，炭固體磺酸也收到比較好的效果，其催化效果僅次于已商業化的磺酸樹脂，比傳統的液體酸催化劑效果都要好，結果表明，炭固體磺酸對酯化反應是一種有效的催化劑。

表1 催化劑用量，不同催化劑對乙酸乙酯產率的影響

2.催化劑重復使用考察

為了考察該催化劑的穩定性，在上述最優條件下，將催化劑做重復性考察實驗，實驗結果列于表2，結果表明，連續使用4次過程中，催化性能并沒有明顯的變化，表明在乙醇和乙酸等有機溶劑中，炭磺酸催化劑能夠比較好的保持穩定性。

表2 催化劑穩定性考察

三、結論

結果表明，在乙酸乙酯合成過程中，可以采用“黑面包”實驗廢棄物作為有效且合理的催化劑；同時，該實驗充分利用中學實驗廢棄物，尤其是在現階段我國大部分高中實驗室沒有“三廢”處理設施前提下，開展廢棄物重新利用在中學化學教學上具有開拓性意義；指導學生實驗和觀察，把酯化反應和濃硫酸的性質結合成一個有機整體，通過對未知化學問題進行探索的實驗方案的設計，加強學生對科學研究的積極性和創造性。

［1]郭書好.有機化學實驗（第2版）［M].武漢:華中科技大學出版社，2006

［2]宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書·化學·實驗化學（選修）［M].北京:人民教育出版社，2006:27-28

［3]尹篤林，徐瓊，毛麗秋等.中國發明專利［P].ZL2006 1 0032187.9

［4]陽志高，張峰，徐瓊，尹篤林.竹炭基磺酸無溶劑催化合成查爾酮及其衍生物有機化學，2007，27增刊，335

［5]Zhigao Yang，Qiong Xu，Dulin Yin.Three-component coupling Mannich reaction catalyzed by sucrose char sulfonic acid.9th International Symposium on Green Chemistry in China.2008，136

［6]左傳鵬，陽志高，尹篤林等.椰殼炭磺酸催化劑制備及其對杯［4]芧烴合成反應的催化作用［J].應用化學，2010，27［2]:237-239

［7]Qiong，X.，Y.Zhigao，Y.Dulin.One-pot three-component Mannich reaction catalyzed by sucrose char sulfonic acid［J].Frontiers of Chemical Engineering in China.2009

［8]Qiong，X.，Y.Zhigao，Y.Dulin，Zh.Feng.Synthesis of chalcones catalyzed by a novel solid sulfonic acid from bamboo［J].Catal.Commun.2008，9:1579-1582

［9]蘭州大學，復旦大學化學系有機化學教研室編.有機化學實驗第2版［M].北京:高等教育出版社，1990

1008-0546（2011）01-0072-02

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2011.01.032