苯甲酸正丁酯制備的教學實驗研究

刁開盛

(廣西民族大學化學與生態(tài)工程學院，廣西 南寧 530006)

苯甲酸正丁酯制備的教學實驗研究

刁開盛

(廣西民族大學化學與生態(tài)工程學院，廣西 南寧 530006)

考察由苯甲酸與正丁醇進行酯化的反應用于有機實驗教學案例的可行性，探討了催化劑用量、原料配比和反應時間對產品收率的影響，同時對工藝條件的重現(xiàn)性和催化劑的反復使用性能進行考察，結果表明，該實驗方案時間短且操作簡單，滿足有機化學實驗教學的要求，完全可用于代替苯甲酸乙酯的制備實驗。

苯甲酸正丁酯；制備；教學實驗

有機化學實驗課本中，將苯甲酸乙酯列為酯化反應中的一個教學實驗案例。在實際教學過程中發(fā)現(xiàn)，該實驗時間偏長，已經不適合目前精減教學時數(shù)的大趨勢要求，有必要找一個反應時間較短而又能達到同樣實驗教學要求的替代實驗案例。另一方面，實驗課本的制備方法是在濃硫酸存在下由苯甲酸和乙醇酯化而成，雖然該法工藝路線成熟，但所用濃硫酸對設備腐蝕嚴重，而且副反應多，后處理麻煩，易造成環(huán)境污染。

將強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂用于催化苯甲酸正丁酯的酯化反應,取得很好的效果，由于該催化劑與反應體系易分離，便宜易得，又能反復利用，簡化了后處理工藝，消除了對設備的腐蝕以及對環(huán)境的污染，具有良好研究意義和應用前景。所用的市售強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂價格低廉，容易購買，對酯化反應有較好的催化效果，不用進行復雜的制備處理過程，而且反應時間較實驗課本中苯甲酸乙酯制備時間縮短一半以上，完全達到教學實驗的操作訓練效果，適合用于代替酯化反應中苯甲酸乙酯制備的教學實驗案例。

1 實驗

1.1 主要試劑與儀器

ZWAJ型阿貝折射儀，Magua Nicolet 550(II)型傅立葉變換紅外光譜儀，SXCL-3型數(shù)顯加熱磁力攪拌器、標準磨口有機合成制備玻璃儀器，分水器

苯甲酸（AR），正丁醇（AR），強酸性苯乙烯系陽離子樹脂，10%碳酸鈉溶液，無水硫酸鎂

1.2 實驗安排及結果分析

實驗按4因子3水平正交法進行（因子水平安排及結果見表 1）。用酸化后的強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂為催化劑，在150mL圓底燒瓶中，加入6.1g（0.05mol）苯甲酸和相應比例的正丁醇，裝上回流冷凝分水裝置（分水器中預先裝滿正丁醇），加熱磁攪拌回流反應一定時間。冷卻后，簡單過濾回收陽離子樹脂催化劑，濾液倒入分液漏斗，用適

量10%碳酸鈉溶液洗滌2～3次，直至有機相對PH試紙呈堿性為止，以除盡未完全反應的苯甲酸，然后用蒸餾水洗滌至中性，所得有機層轉移入干燥的錐形瓶，用無水硫酸鎂干燥。將干燥后的粗產物濾入50mL蒸餾瓶中，在140℃以下蒸餾除去正丁醇等低沸點物質得到苯甲酸正丁酯，然后再蒸餾收集240-242℃/100.7KPa的餾分進行產品測定。

表1 正交實驗結果直觀分析表

從表1的直觀分析結果來看，三因素對反應產率影響程度為：C>A>B，即反應時間對產率影響最顯著，而醇酸比和催化劑用量影響相對小些。正交試驗得到的優(yōu)化條件為A1B1C3。按酯收率為考察指標，正交實驗結果分析得出優(yōu)化條件為n（正丁醇）∶n（苯甲酸酸）=2∶1，強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 7g，反應時間90min。

將實驗結果進行方差分析（見表 2），結果表明時間對反應指標影響顯著，而醇酸比和催化劑用量的影響不顯著，方差分析所得的因子影響顯著性結論與正交實驗的直觀分析結果（見表 1）一致。根據(jù)實驗結果，由顯著因子效應算得優(yōu)化條件下的最優(yōu)工程平均為Υ優(yōu)=89.16，變動半徑d0.05=5.34。而按最優(yōu)工程條件實驗，理論上變動范圍為Υ優(yōu)±d，所以，實驗最優(yōu)條件變動范圍Y(1-0.05%)在83.82～94.50之間，實驗結果落在本變動范圍之內皆算正常值。

表2 正交實驗結果的方差分析

2 結果與討論

2.1 反應時間的確定

為了確定對反應指標有顯著影響的反應時間，根據(jù)正交實驗得到的優(yōu)化條件，先固定影響不顯著因子醇酸比和催化劑用量。按1.2步驟進行酯化反應，結果如表3，時間單項實驗發(fā)現(xiàn)反應60min所得到的酯產率已達80%以上，由于時間短反應不完全，時間太長附反應產物增多，所以用于有機教學實驗選60min反應時間為宜。總反應時間比教材苯甲酸乙酯制備實驗減少60min鐘以上。

表3 反應時間對酯化產率的影響

2.2 酸醇配比確定

改變苯甲酸和正丁醇的摩爾配比進行單項實驗，按 1.2步驟進行酯化反應所得的結果如表 4，表明等量的醇酸配比所得的酯產率最低，當正丁醇對苯甲酸過量1.5～2倍時產率最高，所以選取 n（正丁醇）∶n（苯甲酸）的物質的量比為 1.5～2∶1 mol。

表4 正丁醇和苯甲酸不同配比對酯化產率的影響

2.3 強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂用量的確定

為了確定強酸性陽離子樹脂最佳用量，將前面系列試驗確定的最佳苯甲酸和正丁醇配比（1∶1.5）、反應時間60min不變，改變強酸性苯乙烯系陽離子樹脂用量，按1.2步驟進行酯化反應，結果如表 5。強酸性陽離子交換樹脂催化劑用量超過3g后，反應產率已經達到80%以上，再增加催化劑用量對提高酯產率已經不那么明顯。從經濟環(huán)保的角度考慮，選取陽離子樹脂催化劑的教學實驗案例最佳量為3g。

表5 樹脂催化劑用量對酯化產率的影響

2.4 反應工藝條件重現(xiàn)性實驗及催化劑反復多次使用性能考察

為了考察工藝條件的重現(xiàn)性和催化劑反復使用性能，前面系列試驗確定的最佳工藝條件不變，反應完成后將過濾出來的強酸性苯乙烯系陽離子樹脂用少量乙醚洗滌，稍干燥后加入反應裝置再次進行催化酯化反應，如此多次反復利用，所得結果如表6。所得的苯甲酸正丁酯的平均產率為83.93%，多次重復實驗結果都落在實驗最優(yōu)條件變動范圍Y(1-0.05%)=83.82～94.50之間，說明所確定的反應工藝條件具有重現(xiàn)性，而催化劑多次反復利用進行酯化反應所得的產率并沒有明顯降低，表明催化劑可以多次重復使用。

表6 反應工藝條件重現(xiàn)性實驗結果

3 產品的鑒定

合成的苯甲酸正丁酯為澄清透明的油狀液體，微帶水果香味。測定沸點為240~244℃(與文獻[6]值241.5℃)。測定折射率n20

D1.4970~1.4993(與文獻[1]值n20D1.4980)。紅外光譜IR (KBr)顯示下列主要吸收峰(cm-1)：碳氫鍵3 050，2941，酯羰基1720，1610，1471，酯中C—O—C鍵1270，1120，芳環(huán)上的碳碳鍵690，無羥基吸收峰，紅外測試結果與標準譜圖基本相符，說明產品純度較高。

4 結論

實驗確定強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂催化苯甲酸和正丁醇進行酯化反應，實驗的最佳工藝條件為：強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂催化劑用量3g，反應物的物質的量比n（正丁醇）∶n（苯甲酸）=1.5～2∶1 mol，反應時間 60min，平均產率80%以上。反應的重現(xiàn)性和催化劑的重復利用率都很好，說明合成工藝條件成熟，適合教學實驗的要求。

制備實驗所用反應時間比實驗教材中苯甲酸乙酯的教學實驗案例大為縮短，同樣使用回流分水反應裝置，對實驗操作方法和技術的要求與苯甲酸乙酯的教學實驗案例一致，完全滿足教學實驗的操作訓練效果，適合用于代替酯化反應中苯甲酸乙酯制備的教學實驗案例。

實驗采用空氣冷凝管進行蒸餾，結合前面所學普通蒸餾常用直型冷凝管，將使學生對不同沸點范圍的液體蒸餾裝置有更加直觀的認識，通過實驗學生能掌握高沸點液體的蒸餾方法。加熱采用砂浴加熱，使學生在實驗中能掌握一種高溫間接加熱的方法。這兩個操作是苯甲酸乙酯制備的教學實驗案例中所沒有的，豐富了學生的實驗操作技術。

制備實驗不用濃硫酸，能減少副反應發(fā)生，也降低了后處理過程產物分解損失，有利于提高酯化反應產率。所用的陽離子樹脂催化劑價格低廉，容易買到，反應條件溫和，反應時間短，產率高。催化劑和反應產物易分離，并可反復使用，是催化酯化制備苯甲酸正丁酯的良好催化劑。這些特點使得該實驗更加適合用于教學實驗。

[1] 王清廉,沈鳳嘉.有機化學實驗(第二版) [J].北京:高等教育出版社,1994:166-167.

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[3] 董鏡華,羅婷,楊水金.SnO 催化合成苯甲酸正丁酯[J].精細石油化工進展,2002,3(12):39-41

[4] 黃泳權,鐘立鋒,唐渝等.Keggin型P-Mo-V型雜多酸催化合成苯甲酸正丁酯[J].精細化工,2003,20(8): 478-480.

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Study on the teaching preparation experiment of n-butyl Benzoate

Diao Kai-sheng
(College of Chemistry and Ecological Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530008, China)

This paper describes a preparation experiment of n-butyl benzoate from benzoic acid and n-butanol, and its feasibility using in organic teaching experiment. The effect of factors on the reaction was examined and the optimized condition was established. The experimental reproducibility of process conditions and the reutilization of catalysis involved were tested. Optimum conditions are as follows: n(n-butanol):n(benzoic acid)=1.5～2:1; the optimal dosages of strong-acid-type cation-exchange-resin of styrene, 3g; the reaction time, 60 min; and its average yield, over 80%. This preparation experiment meets the organic teaching experiment and can completely replace the preparation experiment of ethyl benzoate because its shorter reaction time and easy operation.

n-butyl benzoate; preparation；teaching experiment

G642.423

A

1008-1151(2011)08-0199-02

2011-05-11

廣西壯族自治區(qū)基礎化學實驗教學示范中心建設項目教改專項課題（NO：Y17）

刁開盛（1968－），男，廣西玉林人，廣西民族大學化學與生態(tài)工程學院副教授，研究方向為化學教學與天然有機合成。