三聚磷酸鋁催化合成阿司匹林的熱力學分析

謝威,王,黃增尉,韋冬萍,袁愛群Δ,馬少妹

(1.廣西工業職業技術學院，廣西 南寧 530001；2.廣西民族大學 化學與生態工程學院，廣西 南寧 530006)

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三聚磷酸鋁催化合成阿司匹林的熱力學分析

謝威1,王2,黃增尉2,韋冬萍2,袁愛群2Δ,馬少妹2

(1.廣西工業職業技術學院，廣西 南寧 530001；2.廣西民族大學 化學與生態工程學院，廣西 南寧 530006)

目的 探索三聚磷酸鋁替代硫酸催化合成阿司匹林的可行性。方法 采用Benson基團貢獻法、Joback基團貢獻法，估算水楊酸與乙酸酐的反應體系的熱力學函數，分析了該反應的焓變、熵變和吉布斯自由能隨溫度的變化，以及反應物酐酸摩爾比對平衡轉化率的影響。結果 在298.15 K～358.15 K的溫度區間，該反應的焓變小于零，為放熱反應，升溫不利反應進行；在計算溫度范圍內提高反應的酐酸比，有利于增大平衡的轉化率，當酐酸比為3時，理論轉化率可達99.58%。結論 從熱力學角度考慮該催化合成反應是可行的。

熱力學分析；三聚磷酸鋁；阿司匹林；水楊酸；乙酸酐

阿司匹林(aspirin ，ASP)又名乙酰水楊酸，是一種解熱鎮痛藥，此外對防治心血管疾病和結腸癌也有很好療效，市場需求量日益增加[1]。藥劑工作者的首要任務就是設計開發出無毒、高效的基因治療載體[2]。阿司匹林經典制備方法是使用乙酸酐或乙酰氯在濃硫酸催化下對水楊酸酰化制得。該生產工藝成熟，產率在60%左右，但是使用硫酸作催化劑不僅副反應多使產品色澤深，不利于提純，而且對設備腐蝕嚴重，廢酸液排放更會對環境帶來嚴重污染[3]。

目前有關用三聚磷酸鋁代替濃硫酸催化合成阿司匹林的熱力學計算與分析尚未見報道。本文以Benson基團貢獻法、Joback基團貢獻法[4-5]為主，結合其他基團加和法[6]，通過熱力學分析和估算，以期對該催化合成反應的工藝條件進行預測，更好地指導合成工藝。

1 材料與方法

1.1 主要儀器 MAGNA-IR型傅立葉變換紅外光譜儀(美國 Nicolet公司)。

1.2 藥品與試劑 ATP/載硫硅藻土(自制)；水楊酸和乙酸酐(AP，天津市科密歐化工試劑有限公司)。

1.3 方法 水楊酸和乙酸酐合成阿司匹林的反應計量方程如下：

1.3.1 反應焓、絕對熵和熱容的估算

(1)

(2)

式中ni為對應的基團數量；δ為對稱數，其中水楊酸的δ=3，乙酸酐的δ=1，乙酸的δ=9，阿司匹林的δ=3；θ為光學異構體數，由于水楊酸、乙酸酐、乙酸和阿司匹林均無光學異構體，故θ=1。

1.3.2 液態條件各組分生成焓的估算：由于采用Benson計算的焓值均為氣態值，而反應的體系為液態，故需要進行氣液換算，采用公式:

(3)

(4)

其中n為基團數目，ε為汽化能，1 cal≈4.1868 J，

1.3.3 各溫度下液態反應體系各物質熱容的計算：水楊酸液態熱容的計算采用Rùzicka-Domalski基團貢獻法進行估算，計算公式為：

(5)

其中R=8.314 J/(mol-1·K)，A=∑niai，B=∑niai，D=∑nidi

2 結果

采用公式(1)計算得各物質的焓值和熵值見表1。

表1 在298.15 K下各物質反應中的熱力學數據Tab. 1 The thermodynamic data of substances in the reaction under 298.15 K

*為根據對應狀態法(CSGC法)公式估算的結果(L)=1.4×Cp(L)[11]

合成阿司匹林反應的各物質的基團拆分以及對熱力學函數的貢獻值結果見表2。

表2 各物質含基團數和各種基團對和CP,m的貢獻值[12-16]Tab. 2 Contribution value of substance containing group number and various groups contribution to and CP,m

2.2 液態反應體系焓值的估算

各物質拆分后費多斯基團貢獻值見表3。

表3 各物質的費多斯基團貢獻值Tab. 3 Contribution values of Fedors’ groups in substances

根據公式(5)計算得各物質的氣化焓，由此根據公式(4)計算出各物質的估算焓值并與文獻測定值比較見表4。表4結果表明，各物質的熱力學函數估算值與文獻值誤差均小于2%，說明本次的估算結果具有較高的準確性和可靠性。

表4 各物質的氣化焓及估算焓值、熵值與文獻值的比較Tab.4 Comparison of some vaporization enthalpy and enthalpy, entropy estimation with literature values

2.3 各溫度下液態反應體系各物質熱容的估算 乙酸酐熱容采用Missenard基團法進行估算，其所有基團貢獻值見表5。

表5 液態乙酸酐各基團熱容貢獻值[10]Tab.5 Heat capacity contribution values of liquid acetic anhydride groups

根據多項式擬合得到乙酸酐熱容與溫度的關系式公式：

CP,m=170.1-0.0282×T+0.0004×T2

(6)

水楊酸液態熱容的計算采用Rùzicka-Domalski基團貢獻法進行估算，計算公式為：

(7)

其中R=8.314 J/(mol·K)，A=∑niai，B=∑nibi，D=∑nidi水楊酸各基團值。

根據此數據計算出公式(6)中的a、b、d值，得到水楊酸熱容與溫度的關系式，即：

(8)

乙酸熱容估算采用Rozicka-Domalski法進行估算其公式為：

CP=8.314×[∑niai+(∑nibi)T+(∑nidi)T2]

(9)

根據文獻查得水楊酸和乙酸各基團值見表6。

表6 液態水楊酸和乙酸各基團熱容貢獻值[10]Tab. 6 Heat capacity contribution value of liquid salicylic acid and acetic groups

將表6中的數據代入公式(9)可得出的乙酸熱容與溫度的關系式，即公式：

=45.762+0.2429T+4×10-5T2

(10)

由于阿司匹林個別基團的熱容貢獻值查找不完整，故只好引用文獻[10]的公式：

CP，m=176.65+90.192X-5.2548X2+15.951X3+19.086X4

(11)

根據以上公式計算出反應物和產物的熱容隨溫度變化數值見表7。

表7 反應中各物質在不同溫度下的熱容數據Tab. 7 Reaction heat capacity data of different substances in different temperature

2.4 酯化反應的熱力學計算

2.4.1 反應焓變和吉布斯自由能的計算：水楊酸與乙酸酐合成阿司匹林反應的焓變和熵變的計算過程如下：

(12)

(13)

由于無法估算水楊酸的熵值，則采用文獻值進行計算，根據表4的數據結果計算得到該合成反應的反應焓變和熵變：

該反應的熱容ΔCp,m為：

ΔCp,m=∑niCp,m,i

(14)

再根據以下公式計算:

(15)

(16)

(17)

Kθ=exp(-ΔG/RT)

(18)

得該反應的焓變、熵變和吉布斯自由能變結果見表8。

表8 反應的焓變、熵變及吉布斯自由能變隨溫度變化表Tab. 8 The reaction enthalpy, entropy and Gibbs free energy change with the change of temperature meter

2.4.2 反應平衡常數和轉化率的計算：現假設反應物水楊酸和乙酸酐的摩爾比(酐酸比)為r，阿司匹林的轉化率為η，根據平衡關系可得到：

(19)

根據(18)(19)兩式計算得到本反應平衡常數和平衡時轉化率隨溫度變化，見表9。由表9可知：隨著反應溫度的升高，反應的平衡常數和轉化率逐漸減小，與提高溫度不利于放熱反應進行的結論一致。表10可知：當增加酐酸比時，平衡時的反應轉化率增大，在酐酸比為2和3時轉化率的提升特別明顯；在酐酸比為1和2以及3和4之間時轉化率增加較為緩慢；說明：當反應的酐酸比達到3以后，繼續增加酐酸比，轉化率提高得不明顯，而造成生產成本增加。因此，選取酐酸比為3較適宜。

表9 平衡常數隨溫度變化表Tab.9 Equilibrium constants with temperature change table

表10 轉化率隨酐酸比變化表Tab. 10 Conversion rate with anhydride acid ratio change table

3 結論

以Benson基團貢獻法、Joback基團貢獻法為主，其他基團貢獻為輔，估算三聚磷酸鋁催化水楊酸與乙酸酐進行酯化反應生成阿司匹林的相關熱力學數據，結果表明：在298.15～358.15 K的溫度區間，該反應的焓變小于零，為放熱反應，溫度的升高不利于反應的進行。

在計算溫度范圍內提高反應的酐酸比，有利于增大平衡的轉化率，當酐酸比為3時，理論轉化率可達99.58%，如果酐酸比到達一定程度后，繼續增大酐酸比對反應的轉化率影響不大，反而會增加成本。

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(編校：王冬梅)

Thermodynamic analysis for synthesis of aspirin catalyzed by aluminum tripolyphosphate

XIE Wei1,WANG Jing2,HUANG Zeng-wei2,WEI Dong-ping2,YUAN Ai-qun2Δ,MA Shao-mei2

(1.Guangxi Vocational & Technical Institute of Industry, Nanning 530001, China; 2.College of Chemistry and Ecological Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China)

ObjectiveTo explore the feasibility using aluminum tripolyphosphate as the synthesis of aspirin model instead of sulfuric acid catalyst.MethodsThe thermodynamic functions of the reaction system of salicylic acid and acetic anhydride were calculated according to the Benson group contribution method and Joback group contribution method. The enthalpy change，entropy and Gibbs free energy along with the change of temperature as well as the influence of the molar rate of reactants on the equilibrium conversation rate were also studied.ResultsIn the temperature range of 298.15 K to 358.15 K，the reaction enthalpy was less than zero，and was exothermic reaction，and increase of temperature was not conducive to the reaction. The improvement of mole ratio of salicylic acid and acetic anhydride was helpful to improve the equilibrium conversation rate. The theoretical conversion rate could reach 99.58% when the mole ratio of salicylic acid and acetic anhydride was 3.ConclusionFrom the viewpoint of thermodynamics, the reaction is practical and feasible.

thermodynamic analysis;aluminum tripolyphosphate;aspirin;salicylic; acetic anhydride

廣西教育廳科研項目基金(2013YB105，200103YB041)，廣西工業院科研項目基金(2014056005)

謝威，男，本科，副教授，研究方向：天然產物化學的教學和科學研究；E-mail：gxgyxyxw@sina.com；袁愛群，通訊作者，女，博士，教授，研究方向：材料化學的研究，E-mail：aiqunyuan1999@sina.com。

TQ35

A

1005-1678(2015)03-0169-03