H-732陽離子交換樹脂催化酯化反應(yīng)

趙志剛，邵太麗，秦國正，陳靠山,2

（1皖南醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系，安徽 蕪湖 241002；2山東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

研究開發(fā)

H-732陽離子交換樹脂催化酯化反應(yīng)

趙志剛1，邵太麗1，秦國正1，陳靠山1,2

（1皖南醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系，安徽 蕪湖 241002；2山東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

以H-732陽離子交換樹脂為催化劑進(jìn)行了酯化反應(yīng)研究，合成了丁二酸單乙酯和乙酰水楊酸，通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了反應(yīng)工藝。單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：催化劑用量為丁二酸酐質(zhì)量的20%、乙醇與丁二酸酐的摩爾比1.8∶1、反應(yīng)時間2 h、反應(yīng)溫度90 ℃時，丁二酸單乙酯產(chǎn)率最高為68.76%；在丁二酸單乙酯的合成體系中加入分離出的副產(chǎn)物丁二酸二乙酯可以抑制副反應(yīng)的發(fā)生，大大提高單酯的產(chǎn)率（90.79%）。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：乙酸酐與水楊酸的摩爾比為3∶1，催化劑用量為水楊酸質(zhì)量的14.50%，反應(yīng)時間2 h、反應(yīng)溫度60 ℃時，乙酰水楊酸產(chǎn)率最高為77.57%；催化劑連續(xù)使用5次時，催化能力才有明顯下降，對連續(xù)使用過5次的催化劑重新活化后催化能力無明顯降低。

陽離子交換樹脂；酯化；催化；產(chǎn)率

酯類物質(zhì)作為一類重要的精細(xì)化工產(chǎn)品，主要用來做溶劑、香料、添加劑、有機(jī)合成的原料和中間體等[1]。酯化反應(yīng)是獲得酯類產(chǎn)品的主要途徑[2]，該類反應(yīng)通常需要在催化劑的作用下才能較好發(fā)生，目前對酯化反應(yīng)的研究也主要集中在催化劑方面。酯化反應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用濃硫酸作催化劑。作為一種傳統(tǒng)的均相催化劑，濃硫酸具有價格低廉、催化效果較好的巨大優(yōu)勢，但也有一定的缺陷：副反應(yīng)多、催化劑無法回收再利用、腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境等。近年來，研究者們在尋找可代替硫酸的新型酯化反應(yīng)催化劑方面做了大量工作，開發(fā)出了一系列新的酯化反應(yīng)催化劑：例如固體超強(qiáng)酸[3-4]、雜多酸 [5-6]、離子液體[7-8] 、分子篩[9-10]等。強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂作為新型的酯化反應(yīng)催化劑不僅催化效果好，對環(huán)境污染小，還可以分離后重復(fù)使用，簡化了產(chǎn)品的提純分離過程[11-12]，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型催化劑。本研究采用H-732強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂作為催化劑合成了丁二酸單乙酯和乙酰水楊酸，在合成過程中對催化劑的催化性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

GC-MS氣質(zhì)聯(lián)用儀（美國Finnigan公司），X-4A型顯微熔點(diǎn)測定儀（北京福凱儀器有限公司），Nicolet380智能傅里葉紅外光譜儀（Thermo公司），RE6000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（鄭州南北儀器設(shè)備有限公司），真空泵（上海帕特真空泵廠），DF-101S集熱式恒溫加熱攪拌器（上海石英儀器有限公司）。

H-732強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂（工業(yè)品），丁二酸酐（分析純），水楊酸（分析純），乙酸酐（分析純），無水乙醇（分析純），95%乙醇（分析純），HCl（分析純），碳酸氫鈉（分析純）。

1.2 催化劑活化處理

將離子交換樹脂用95%乙醇浸泡并攪拌8 h，真空抽濾，水洗去樹脂中的乙醇，用2 mol/L的HCl浸泡24 h，抽濾，再用2 mol/L的HCl浸泡12 h，蒸餾水洗滌樹脂至中性，40 ℃真空烘干。

2 丁二酸單乙酯的合成

丁二酸單乙酯（monoethyl ester of succinic acid，MESA）為無色油狀液體，分子式為C6H10O4，是丁二酸一個羧基被酯化的產(chǎn)物，作為一種常見的藥物中間體，目前主要用于成藥的合成。 在酯化反應(yīng)的過程中，由于生成的丁二酸單乙酯可以與乙醇發(fā)生進(jìn)一步的酯化反應(yīng)而生成丁二酸二乙酯，這樣勢必降低單酯的產(chǎn)率，給單酯的純化帶來較大的困難，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)單酯和二酯的沸點(diǎn)不同[丁二酸單乙酯的沸點(diǎn)146～149 ℃（2.27 kPa），丁二酸二乙酯的沸點(diǎn)105 ℃（2.00 kPa）]，采用減壓分餾的方法可以將單酯很好地純化。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)反應(yīng)方程式如式（1）所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

在配有攪拌器、溫度計、回流冷凝管的干燥三口燒瓶中加入若干丁二酸酐、無水乙醇及離子交換樹脂攪拌加熱，恒溫反應(yīng)一定時間，停止反應(yīng)。趁熱過濾出樹脂，得無色透明濾液（丁二酸單乙酯、丁二酸二乙酯、過量乙醇以及反應(yīng)生成水的混合物），靜置至室溫，過濾出析出的白色固體（丁二酸酐），濾液在70 ℃用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出水和乙醇，得丁二酸單乙酯與丁二酸二乙酯的混合物，在真空度為2.27 kPa下分餾出沸點(diǎn)為146～149 ℃的餾分即為丁二酸單乙酯，稱重，以丁二酸酐為基準(zhǔn)計算產(chǎn)品產(chǎn)率。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 GC-MS表征

采用GS-MS 氣質(zhì)聯(lián)用儀對產(chǎn)物進(jìn)行定性與定量分析，質(zhì)譜峰對應(yīng)碎片基團(tuán)(m/z)分析如下：128（C2H5OOCCH2CH2CO+）、101（HOOCCH2CH2CO+）、73（HOOCCH2CH2+）、55（CH3CH2CO+）、45（COOH+）、29（CH3CH2+）。分析結(jié)果與質(zhì)譜圖庫對照可以直接定性產(chǎn)品為丁二酸單乙酯，氣相色譜結(jié)果顯示產(chǎn)品純度為99.3%。

2.3.2 合成工藝優(yōu)化

為了得到合成丁二酸單乙酯的最佳反應(yīng)條件，實(shí)驗(yàn)過程中采用單因素實(shí)驗(yàn)依次探討了催化劑用量、反應(yīng)物料比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響，結(jié)果如圖1～圖4所示。

由圖1～圖4優(yōu)化出了強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂催化合成丁二酸單乙酯的最佳工藝：催化劑用量為丁二酸酐質(zhì)量的 20%，乙醇與丁二酸酐的摩爾比1.8∶1，反應(yīng)溫度90 ℃，反應(yīng)時間2 h；反應(yīng)最高產(chǎn)率為68.76%。

2.3.3 加入二酯提高單酯產(chǎn)率的工業(yè)化模擬實(shí)驗(yàn)

由 2.3.2節(jié)知，盡管對合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化，但丁二酸單乙酯的產(chǎn)率依然較低，只有68.76%，究其主要原因是副反應(yīng)的影響，即產(chǎn)物丁二酸單乙酯可以與乙醇進(jìn)一步酯化生成丁二酸二乙酯。該反應(yīng)高度可逆；為了抑制副反應(yīng)的發(fā)生，提高單酯的產(chǎn)率，在實(shí)驗(yàn)過程中將分離出的丁二酸二乙酯重新加入反應(yīng)體系中以抑制二酯的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)如下：以1 kg丁二酸酐與乙醇進(jìn)行了工業(yè)化模擬實(shí)驗(yàn)，將每次純化過程中分離出的丁二酸二乙酯加入到下一反應(yīng)體系當(dāng)中循環(huán)使用，實(shí)驗(yàn)結(jié)束以丁二酸酐為基準(zhǔn)計算丁二酸單乙酯的產(chǎn)率，4次工業(yè)化模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，取其平均產(chǎn)率為90.79%。

圖1 催化劑用量對MESA產(chǎn)率的影響

圖2 反應(yīng)物摩爾比對MESA產(chǎn)率的影響

圖3 反應(yīng)溫度對MESA產(chǎn)率的影響

圖4 反應(yīng)時間對MESA產(chǎn)率的影響

表1 工業(yè)化模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 乙酰水楊酸的合成

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

乙酰水楊酸合成反應(yīng)如式（2）所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

在配有攪拌器、溫度計、回流冷凝管的干燥三口燒瓶中，加入水楊酸2.76g、乙酸酐若干、陽離子交換樹脂若干，開動攪拌，水浴加熱到設(shè)定溫度后反應(yīng)若干時間，過濾出催化劑，濾液冷卻至室溫，攪拌狀態(tài)下慢慢向其加入15 m L水，靜置析晶、抽濾得粗品；將粗品移至燒杯中，攪拌狀態(tài)下加入飽和碳酸氫鈉溶液40 m L，攪拌至不再有氣泡逸出，濾除不溶的副產(chǎn)物，將濾液慢慢倒入20 m L 6mol/L的鹽酸中，析出沉淀，抽濾、冰水洗滌濾餅、干燥，得目標(biāo)產(chǎn)品。

3.3 結(jié)果與討論

3.3.1 產(chǎn)品IR表征

采用Nicolet380智能傅里葉紅外光譜儀對產(chǎn)品進(jìn)行紅外吸收光譜測定，結(jié)果如下，3429～3340 cm－1為O—H的伸縮振動峰，3083 cm－1、3058 cm－1、3029 cm－1為芳烴C—H的伸縮振動峰，1777 cm－1為酯 C=O的伸縮振動峰，1681 cm－1為羧酸C=O的伸縮振動峰，1592 cm－1、1572 cm－1、1492 cm－1為C=C的伸縮振動峰，1444 cm－1、1383 cm－1為CH3中C—H的彎曲振動峰，1264 cm－1、1210 cm－1為C—O的伸縮振動峰，755 cm－1為苯環(huán)的鄰位取代所產(chǎn)生的峰。綜合以上分析可以判斷產(chǎn)物為乙酰水楊酸。

3.3.2 合成工藝優(yōu)化

為了研究各反應(yīng)條件對乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響，得到最佳的反應(yīng)條件，進(jìn)行了L9(34)正交實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)因素水平和結(jié)果如表2、表3所示。

由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得以下結(jié)論。

（1）對反應(yīng)產(chǎn)率的影響因素大小排序?yàn)椋悍磻?yīng)溫度＞酸酐摩爾比＞催化劑用量＞反應(yīng)時間，即反應(yīng)溫度對反應(yīng)產(chǎn)率的影響最大，其它因素次之。

（2）正交實(shí)驗(yàn)得出的最佳反應(yīng)條件組合是A2B2C3D2，即反應(yīng)原料摩爾比（乙酸酐∶水楊酸）為 3∶1、催化劑用量為水楊酸質(zhì)量的 14.50%、反應(yīng)時間 2 h、反應(yīng)溫度 60 ℃時乙酰水楊酸的產(chǎn)率最高。

采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出的最佳反應(yīng)條件A2B2C3D2重復(fù)6次實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)率如表4所示，取平均值為77.57%。

3.3.3 催化劑重復(fù)使用效果

本實(shí)驗(yàn)還采用 3.3.2節(jié)的正交實(shí)驗(yàn)最佳反應(yīng)條件A2B2C3D2對催化劑多次連續(xù)使用后的催化性能進(jìn)行了研究，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，催化劑連續(xù)使用5次時，催化能力才有明顯下降；對連續(xù)使用過5次的催化劑采用1.2節(jié)的方法重新活化后催化能力無明顯降低。

表2 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表3 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表4 重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 催化劑重復(fù)使用的效果

4 結(jié) 論

采用H-732強(qiáng)酸性苯乙烯陽離子交換樹脂催化合成出了丁二酸單乙酯和乙酰水楊酸，并采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)分別優(yōu)化了反應(yīng)工藝。

（1）催化劑用量為丁二酸酐質(zhì)量的 20%、乙醇與丁二酸酐的摩爾比1.8∶1、反應(yīng)時間2 h、反應(yīng)溫度90 ℃時，丁二酸單乙酯產(chǎn)率最高為68.76%；在丁二酸單乙酯的合成體系中加入分離出的副產(chǎn)物丁二酸二乙酯可以抑制副反應(yīng)的發(fā)生，大大提高單酯的產(chǎn)率，工業(yè)化模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明丁二酸單乙酯的產(chǎn)率為90.79%。

（2）乙酸酐與水楊酸的摩爾比為 3∶1，催化劑用量為水楊酸質(zhì)量的14.50%、反應(yīng)時間2 h、反應(yīng)溫度60 ℃時，乙酰水楊酸產(chǎn)率最高為77.57%；催化劑連續(xù)使用5次時，催化能力才有明顯下降，對連續(xù)使用過5次的催化劑重新活化后催化能力無明顯降低。

綜上研究表明：H-732強(qiáng)酸性苯乙烯陽離子交換樹脂是一種良好的酯化反應(yīng)催化劑，不但具備催化效果好、副反應(yīng)少、對環(huán)境污染小、能重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，還能簡化產(chǎn)品的純化分離、降低能耗和生產(chǎn)成本，值得大力推廣。

[1] 陳潔，蔣劍春，徐俊明．催化酯化反應(yīng)中固體酸催化劑研究進(jìn)展[J]．精細(xì)石油化工進(jìn)展，2009，10（3）：32-36.

[2] 顏鶴．在Ti-β沸石催化劑上羧酸酯化反應(yīng)[J]．南昌大學(xué)學(xué)報：理科版，2010，34（4）：365-367.

[3] Wang Sainan，Matsumum Shuichi，Toshima Kazunobu，et al．Sulfated zirconia（SO42－/ZrO+）as a reusable solid acid catalyst for the Mannich-type reaction between ketene silyl aeetal and aldimines[J]．Tetrahedron Letters，2007，48（37）：6449-6452.

[4] 張搏．固體酸催化劑催化脂肪酸甲酯化反應(yīng)[J]．化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2010，26（1）：88-91.

[5] Abiney L Cardoso，Rodinei Augusti，Ma′rcio J Da Silva. Investigation on the esterification of fatty acids catalyzed by the H3PW12O40heteropolyacid [J]．Journal of the American Oil Chemists’Society，2008，85（6）：555-560.

[6] 柳艷修，宋華，張鐵晶，等．微波促進(jìn)的磷鉬酸對酯化反應(yīng)的催化性能[J]．化工進(jìn)展，2010，29（4）：670-672.

[7] 勞錫寮，方巖雄，周蓓蕾，等．溶膠-凝膠法負(fù)載離子液體[hnmp]HSO4催化劑在酯化反應(yīng)中的應(yīng)用[J]．化工進(jìn)展，2009，28（11）：1941-1945.

[8] Zhao Yingwei，Li Zhen，Xia Chungu．A lkyl sulfonate functionalized ionic liquids：Synthesis，properties，and their application in esterification [J]．Chinese Journal of Catalysis，2011，27（4）：664-668.

[9] Wang Hui，Niu Xiaodi，Zhao M in，et al．Solvent-free synthesis of flavanone over new hybrid mesoporous base catalysts [J]．Chemical Research in Chinese Universities，2011，27（4）：664-668.

[10] 姜建清，潘華，孫國金，等．過渡金屬/分子篩催化劑上選擇性催化還原氮氧化物的研究進(jìn)展[J]．化工進(jìn)展，2012，31（1）：98-106.

[11] 馮耀輝，何本橋，李建新．陽離子交換樹脂填充固定床連續(xù)催化酯化制備生物柴油[J]．化工進(jìn)展，2010，29（s1）：712-713.

[12] Brehelin M，F(xiàn)orner F，Rouzinea D，et a1．Production of n-propyl acetate by reactive distillation——Experimental and theoretical study [J]．Transactions of the Institution of Chemical Engineers Part A：Chemical Engineering Research & Design，2007，85（A1）：109-117.

Ability of cation exchange resin H-732 as cataiyst for esterification

ZHAO Zhigang1，SHAO Taili1，QIN Guozheng1，CHEN Kaoshan1,2
（1Department of Pharmacy，Southern Anhui Medical College，Wuhu 241002，Anhui，China；2School of Life Science，Shandong University，Jinan 250100，Shandong，China）

Catalytic ability of cation exchange resin H-732 for esterification reaction was investigated，and monoethyl ester of succinic acid and acetylsalicylic acid were synthesized by esterification reaction，and the optimum experimental conditions were optim ized by single factor experiment and orthogonal experiment. The results of single factor experiment showed that under the follow ing condition：the quantity of the resin ：20% of succinic anhydride，n（ethanol）∶n（succinic anhydride）= 1.8∶1，reaction time 2 h，reaction temperature 90 ℃，the yield was 68.67%;. The yield of monoethyl ester of succinic acid was greatly improved by adding diethyl ester of succinate acid (side product) ，and the yield was 90.79%. The results of orthogonal experiment show that under the follow ing condition：n（acetic anhydride）∶n（salicylic acid）= 3∶1， the quantity of the resin is 14.50% of salicylic acid，reaction time 2 h，reaction temperature 60℃，the yield was 77.57%. The catalyst lost its activity after reuse 5 times and its activity could be restored by re-activation.

cation exchange resin；esterification；catalysis；yield

TQ 203.2

A

1000–6613（2012）07–1592–05

2012-03-16；修改稿日期：2012-04-05。

國家863計劃項(xiàng)目（2007AA10Z334）。

及聯(lián)系人：趙志剛（1981—），男，助教，碩士。E-mail zhaozhigang81@163.com。