探索合成乙酸正丁酯的最佳条件

摘要：通过平行比较催化剂NaH2PO4、MnCl2、SnCl2、NaHSO4、C12H12FeN3O及NaH2PO4-MnCl2复合催化剂对合成乙酸正丁酯反应的催化效果，发现NaH2PO4-MnCl2具有价廉、节能、耗时短、酯化率高等优点，探索了此催化剂催化合成时的最佳反应条件。

关键词：乙酸正丁酯；磷酸二氢钠；氯化锰；酯化率；催化合成

文章编号：1005－6629(2007)05－0006－03中图分类号：G633.8 文献标识码：C

乙酸正丁酯是一种极佳的溶剂，在诸多领域有着广泛应用。随着我国经济的发展，其用量也与时俱增。工业上一般采用浓硫酸作催化剂合成乙酸正丁酯[1]。虽然反应时间不长，但是浓硫酸具有强氧化性和脱水性，容易引发一系列副反应，使后期处理困难，而且严重腐蚀设备，排放的废液又会严重污染环境，这违背了我国环境保护的基本国策。研究表明，某些有机酸、杂多酸代替浓硫酸作催化剂时效果更为显著[2]。我们以实践和创新为指导思想，以保护环境，向香料市场进军为视野，进行了大量实验，终于找到了用NaH2PO4-MnCl2复合催化剂成功合成乙酸正丁酯，并确立了最佳反应条件，使乙酸正丁酯的酯化率高达88.06％。

1实验部分

1.1 实验仪器与试剂

仪器：电子秤、DW2套式加热器、电动搅拌机、冷凝回流管、水分离器、三颈瓶、2W阿贝折射仪、200℃水银温度计、碱式滴定管、容量分析玻璃器材。

试剂：乙酸、正丁醇、乙醇、邻苯二甲酸氢钾、氢氧化钾、酚酞、碳酸钠、无水硫酸镁、硫酸氢钠、氯化亚锡、柠檬酸铁铵、磷酸二氢钠、氯化锰（以上试剂均为分析纯）。

1.2乙酸正丁酯的合成[3]

向三颈瓶内加入一定摩尔配比的乙酸和正丁酯混合液，分别加入各种催化剂。加热混合液，一定时间后，水分离器中有回流液滴出现，持续加热至无回流液滴出现时，停止加热。反应原理：

1.3 酯化率的测定

取三份反应前的酸醇混合液，用已知浓度的氢氧化钾溶液标定，经过换算后得到反应前体系的酸值(酸值：体系中乙酸的质量)；用已知浓度的氢氧化钾溶液标定反应后水层混合液，即得反应产物水中的酸值；再取三份反应后的混合溶液，分别用已知浓度的氢氧化钾溶液滴定，经过换算得到反应产物的酸值。由公式计算出该反应在各催化剂催化下的酯化率。

1.4 酯产品的收集与测定

除去瓶内液体中的催化剂后，用蒸馏水和饱和碳酸钠溶液反复洗涤，直到水层的pH值约为7。将有机层倒入小烧杯，加入少量无水硫酸镁干燥。蒸馏干燥后的液体，收集123~127℃的馏分即为乙酸正丁酯。催化剂的品种对酯化率的影响见下表：

（其它条件为：催化剂占反应物的2%，酸醇摩尔比为1:2，反应时间为1.5h）。

2结果和讨论

2.1对多种催化剂的实验结果显示：NaHSO4作催化剂时酯化率高，但反应体系酸性很强，极易腐蚀设备，使用价值不大。复合催化剂催化时，酯化率高，反应体系呈弱酸性，反应温度从120℃下降至108℃，较节约能源。因此，复合催化剂是合成乙酸正丁酯的最佳催化剂。

2.2 催化剂的用量对酯化率的影响

其它条件为：酸醇摩尔比为1:2，反应时间为1.5h。

数据表明，随着催化剂的质量比增大，酯化率增加，催化剂质量比以1.∶1最佳。

2.3 酸醇比对酯化率的影响

其它条件为：催化剂占反应物的4.0%，催化剂质量比为1∶1，反应时间为1.5h。

数据表明，酸醇摩尔比为1:1.5时，酯化率为88.06%；当酸醇比1:2时，酸醇比增加了33%，但酯化率只增加了3.19%，故酸醇摩尔比以1:1.5最佳。

2.4反应时间对酯化率的影响

其它条件为：催化剂占反应物的4.0%，催化剂的质量比为1:1，酸醇摩尔比为1:1.5。

数据表明，在相同条件下，酯化率与反应时间成正比，以1.5h最佳。

2.5 综合条件测试

其它条件为：催化剂占反应物的4%，催化剂的质量比为1∶1，酸醇摩尔比为1∶1.5，反应时间为1.5h。

数据表明，NaH2PO4-MnCl2复合催化剂对酯化率有显著提高，且成本较低。

2.6 催化剂的反复利用

其它条件为：催化剂占反应物的4%，酸醇摩尔比为1∶1.5，反应时间为1.5h。

数据表明，重复利用催化剂实验时，酯化率仍达83％以上，有较高的再利用价值。[4]

3产品分析

3.1 乙酸正丁酯的红外光谱的分析

红外光谱图在1743cm-1处为酯基的收缩振动吸收峰；在1244cm-1处为酯谱带C-O-C的收缩振动吸收峰；在2875~2962cm-1存在饱和C-H振动吸收峰；这与乙酸异丁酯的标准光谱图的特征吸收峰吻合，故本产品为乙酸正丁酯。[5]

3.2阿贝折射仪进行折射率的测定

用阿贝折射仪测得乙酸正丁酯的折射率为nD20=1.3950 , 与文献数值相符。

4 结论

用NaH2PO4-MnCl2复合催化剂合成乙酸正丁酯时，操作简便、历时短、反应温度较低，且复合催化剂可以重复利用，既做到了高效、环保，又易于操作，是一种环境友好型催化剂。合成乙酸正丁酯的最佳反应条件为：催化剂用量占反应物的4.0%，n(酸)∶n(醇) =1∶1.5，反应时间为1.5h，反应温度为108℃左右，该条件下酯化率为88.06%。相同条件下，重复使用催化剂后酯化率也达到83.87%，解决了催化剂重复利用的问题。实验表明上述反应条件为NaH2PO4-MnCl2复合催化剂合成乙酸正丁酯的一种最佳条件。

5 反思与评价

环保、高效和易于操作是未来化工的发展方向，本次课题研究无论从催化剂的选择，装置的设计改装，还是确定用料比，制定最佳反应温度和反应时间，都充分考虑了环保、高效和易于操作等方面。此外，从认识发展的角度而言，对有关乙酸正丁酯合成的催化剂的研究，仅是刚刚的起步。虽然我们在这方面做了许多实验，但是该酯的使用领域过于广泛，研究的天地仍无限宽广，我们的研究显然是不够的。这次实验历时逾半年之久，不仅让学生学习了很多化学知识，还大大激发了学生学习化学的兴趣，并让学生系统地体会了科学研究的方法，锻炼了学生的思维，整个研究过程对学生的成长大有帮助。

参考文献:

[1]王保仁.有机合成(下册)[M].北京:中国科学出版社,1985:784.

[2]周原,胡新亮等.磷钼杂多酸催化合成醋酸正丁酯的研究[J].广西化工,2000,29(3):3-4.

[3]曾庆乐.氯化高锡催化合成乙酸正丁酯的研究[J].化学通报，2000，(1):45-47.

[4]丁琳、仇兴华、舒燕.乙酸正丁酯合成中无机盐催化作用的研究[J].沈阳教育院学报，2000，(04):109.

[5]蒋硕健、丁有骏、李明谦.有机化学(第二版)[M], 北京：北京大学出版社，2001:431-438.

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