超聲波及微波在合成工藝中的研究

魏濤 蘇瑞

摘 要 在超聲波、微波輻射下，本文較系統地研究了催化劑用量、反應溫度、微波功率、超聲波功率、超聲輻射時間諸因素對酯（乙酸甲酯[1]和苯甲酸乙酯[2]的合成）收率的影響，并比與熱常規反應結果進行了比較。實驗結果表明：微波功率600W、超聲波功率1200W，催化劑用量，反應溫度65℃，酯化率分別可達60%，80%，比熱常規反應提高了10%。

關鍵詞 微波;酯化;乙酸乙酯;苯甲酸乙酯;乙酸甲酯;超聲

乙酸甲酯，乙酸乙酯和苯甲酸乙酯均是重要的醫藥化工中間體，用于生產局部麻醉劑苯佐卡因，丁卡因鹽酸鹽及鎮咳藥等的醫藥中間體。此外，它還是制備對氨基苯甲酸乙酯的主要原料。目前工業上大多采用濃硫酸催化合成。用濃硫酸作催化劑，雖價格低廉，催化活性高。但反應復雜，副產物多，后續處理麻煩，產品色澤較深，對設備腐蝕嚴重，有廢酸排放造成環境污染。超聲在有機合成中的應用較早，研究成果也很多。超聲能加速有機反應速率、提高產率、降低反應條件、縮短反應時間、改變反應歷程等。微波合成法雖然能克服這一方法的缺點，但是難以實現工業化生產。

本研究是在微波[3]、超聲波輻射下[4-5]，以濃H2SO4為催化劑，由乙酸和苯甲酸與甲醇、乙醇合成乙酸甲酯，乙酸乙酯和苯甲酸乙酯，取得較為滿意的結果。

1實驗研究

1.1 乙酸甲酯的制備

實驗方案

【反應式】

在濃硫酸催化下，乙酸和甲醇生成乙酸甲酯：

CH3COOH+CH3OH===CH3COOCH3+H2O

【實驗方法】

微波催化方法：在微波催化合成萃取儀中裝上250mL三頸瓶，分別向瓶中加入10g冰醋酸、11.4g甲醇，微波功率700W，65℃下攪拌回流5分鐘，反應中滴加濃硫酸。然后換到蒸餾裝置進行蒸餾，至100℃時不再有餾出物為止，得粗乙酸甲酯。粗品搖動下加入飽和碳酸鈉水溶液，至不產生氣泡，PH試紙檢驗呈中性為止，液體移入分液漏斗中，分液分去水相后，有機相用10mL飽和食鹽水洗滌，分去下層，再用10mL飽和氯化鈣洗滌兩次，分去下層。脂層轉入干燥錐形瓶用無水硫酸鈉干燥過夜。抽濾，蒸餾，收集55℃～57℃餾分，產率50%～60%。

【適宜催化劑的選擇】

固定條件：冰醋酸10g，甲醇11.4g，微波功率700W，65℃下輻射8min，濃H2SO4為催化劑，結果可知，催化劑用量為10mL時，酯化率比較高，所以本實驗催化劑用量為4.6mL。

【溫度的選擇】

固定條件：冰醋酸10g，甲醇11.4g，微波功率700W下輻射8min，65℃下輻射8min，濃H2SO4為催化劑，可知，酯化率隨溫度變化不大，但由于反應溫度過高時會導致反應過于劇烈，反應難控制，致使氣體從反應裝置上部沖出，所以反應溫度選擇65℃。

結果與討論

常規與微波反應對比

通過對比熱常規反應與微波反應發現：隨著時間的延長，熱常規反應的酯化率會緩慢升高，但變化不大;微波反應可以在短時間內達到很高的酯化率，但是隨時間延長酯化率降低。

1.2 苯甲酸乙酯的合成

實驗方案

【反應式】

在濃硫酸催化下，苯甲酸和無水乙醇生成苯甲酸乙酯：

【實驗方法】

微波催化方法：在電腦微波超聲波組合催化合成萃取儀中裝上500mL三頸瓶，分別加入16g苯甲酸，50mL無水乙醇和6mL濃硫酸，90℃下攪拌回流10分鐘。將反應液倒入盛有120mL冷水的燒杯中，在攪拌下分批加入碳酸鈉粉末至無二氧化碳氣體產生，PH試紙檢驗呈中性。用分液漏斗分出有機相后，水層用20mL*3乙醚萃取3次。合并有機相，用無水氯化鈣干燥過夜。抽濾，用旋轉薄膜蒸發器蒸去乙醚，減壓蒸餾，收集101～102℃/20mmHg餾分苯甲酸乙酯，產率70%～80%。

結果與討論

熱反應固定條件：苯甲酸16g，無水乙醇50mL，催化劑濃硫酸6mL，反應溫度90℃

微波反應固定條件：苯甲酸16g，無水乙醇50mL，催化劑濃硫酸6mL，微波功率600W，反應溫度90℃

2結束語

本文在微波、超聲波輻射下，較系統地研究了催化劑用量、反應溫度、微波功率、超聲波功率、超聲輻射時間諸因素對酯（乙酸甲酯和苯甲酸乙酯的合成）收率的影響規律，并比與熱常規反應結果進行了比較。實驗結果表明： 微波功率600W、超聲波功率1200W，催化劑用量，反應溫度65℃，酯化率分別可達60%，80%，比熱常規反應提高了反應速度和收率。

參考文獻

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