安從俊，徐　帥，劉　東

(1.武漢大學化學與分子科學學院，湖北 武漢430072；2.武漢東湖學院，湖北 武漢430212；3.武漢工程大學 國家新型反應器與綠色化學工藝重點實驗室，湖北 武漢 430073)

乙酰水楊酸是解熱鎮(zhèn)痛藥復方阿司匹林(APC)的主要組成成分。目前實驗室制備乙酰水楊酸的方法主要有兩種：(1)直接法，水楊酸與乙酸類衍生物在一定的反應時間、溫度、酸度、反應物用量的條件下通過親核取代反應生成乙酰水楊酸。其主要反應機理是：乙酸類衍生物接受親核試劑水楊酸酚羥基上孤對電子的進攻，經(jīng)過加成消去歷程生成乙酰水楊酸。(2)輻射法，在一定頻率的外加輻射作用下引發(fā)水楊酸與乙酸類衍生物的反應。主要反應機理是：外加輻射激發(fā)酚羥基上的孤對電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，進而進攻乙酸類衍生物中的親電碳原子，從而引發(fā)反應生成乙酰水楊酸。文獻[1-3]報道微波輻射法制備乙酰水楊酸的產(chǎn)品收率、純度明顯高于直接法。但對于反應過程中各因素對反應的影響以及表觀反應動力學模型的研究，國內(nèi)外文獻報道較少。

作者利用控制變量法研究反應時間、輻射功率、pH值、反應底物比(水楊酸與乙酸類衍生物的物質(zhì)的量比，下同)等因素對反應過程的影響，確定最佳反應條件，并分析建立了宏觀反應動力學方程。

1　實驗

1.1　試劑與儀器

水楊酸、乙酸酐、飽和碳酸氫鈉溶液、1%氯化鐵溶液、磷酸(85%)，分析純，天津化學試劑三廠。

XH-100A型微波合成儀，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司；阿貝折光儀，上海精密儀器廠；紫外濃度檢測儀，日本島津公司；AVATAR 370型智能型紅外光譜儀，美國Thermo Nicokt公司。

1.2　合成

在微波合成儀中加入一定量的水楊酸和乙酸酐，滴加2～3滴85%磷酸?？刂埔欢ǖ妮椛涔β?、反應時間得產(chǎn)物粗品。將粗品轉(zhuǎn)移至冰水浴中15 min，冷卻結(jié)晶，使晶體完全析出。然后以1∶4乙醇水溶液為淋洗劑、氧化鋁為吸附劑柱層析分離3次得產(chǎn)物。產(chǎn)物經(jīng)紅外光譜表征。

1.3　表觀反應動力學研究

采用控制變量法考察反應時間、輻射功率、pH值、反應底物比等因素對反應的影響。并通過檢測不同時刻反應速率，確定反應動力學曲線。

2　結(jié)果與討論

2.1　產(chǎn)物表征

所得產(chǎn)物為白色晶體粉末，折光率為1.54(37 ℃)，與試劑手冊[4]對比相符，可初步判斷為乙酰水楊酸。

由紅外光譜(圖1)可知，產(chǎn)物的主要特征吸收峰：3 300～2 500 cm-1處為-COOH的特征寬帶吸收峰，1 753.91 cm-1處為-COOH中C=O伸縮振動吸收峰，1 693.12 cm-1處為-OCOCH3中C=O吸收峰，1 600～1 450 cm-1處為苯環(huán)中C=C的伸縮振動吸收峰，1 307.95 cm-1、1 187.58 cm-1處分別為羧酸和酯的C=O伸縮振動吸收峰，這些表明了苯環(huán)、羧基和酯基的存在，與文獻[4]報道的乙酰水楊酸的紅外光譜相符。確證合成產(chǎn)物為乙酰水楊酸。

圖1　產(chǎn)物的紅外光譜

2.2　反應條件的優(yōu)化

2.2.1反應時間對反應的影響

在輻射功率為400 W、反應底物比為1∶1、pH=6、催化劑為85%磷酸的條件下，考察反應時間對反應的影響，結(jié)果見圖2。

圖2　反應時間對反應的影響

由圖2可知，在反應時間為50～70 s時，乙酰水楊酸的收率隨反應時間的延長而升高，超過70 s后，乙酰水楊酸的收率反而下降。這可能是因為，反應時間過長生成了分子量較大的水楊酸分子間酯化產(chǎn)物，導致收率下降。因此，選擇適宜的反應時間為70 s。

2.2.2輻射功率對反應的影響

在反應時間為70 s、反應底物比為1∶1、pH=6、催化劑為85%磷酸的條件下，考察輻射功率對反應的影響，結(jié)果見圖3。

圖3　輻射功率對反應的影響

由圖3可知，乙酰水楊酸收率隨輻射功率的增大先升高后降低，在輻射功率為450 W時達到最高。這可能是因為，輻射功率較低時，無法充分激發(fā)水楊酸酚羥基上的孤對電子引發(fā)反應，造成水楊酸收率低；而輻射功率太高時，羧基上的孤對電子激發(fā)，與乙酸類衍生物反應生成副產(chǎn)物，同時，引發(fā)水楊酸間的酯化反應，造成收率下降。因此，選擇適宜的輻射功率為450 W。

2.2.3pH值對反應的影響

在輻射功率為450 W、反應底物比為1∶1、反應時間為70 s、催化劑為85%磷酸的條件下，考察pH值對反應的影響，結(jié)果見圖4。

圖4　pH值對反應的影響

由圖4可知，乙酰水楊酸收率隨pH值的增大先升高后降低，在pH值為5.4時，乙酰水楊酸的收率達到最高。因此，選擇適宜的pH值為5.4。

2.2.4反應底物比對反應的影響

在反應時間為70 s、輻射功率為450 W、pH=5.4、催化劑為85 %磷酸的條件下，考察反應底物比對反應的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，乙酰水楊酸收率隨底物比減小先升高后降低，在反應底物比為1∶2時，乙酰水楊酸收率達到最高。因此，確定適宜的反應底物比為1∶2。

圖5　反應底物比對反應的影響

綜上，確定最適反應條件為：反應時間70 s、輻射功率450 W、pH=5.4、催化劑為85%磷酸、反應底物比1∶2。

2.3　反應動力學研究

2.3.1乙酸類衍生物的動力學分級數(shù)的確定

在反應時間為70 s、輻射功率為450 W(80 ℃)、pH=5.4、催化劑為85%磷酸、n(水楊酸)∶n(乙酸類衍生物)=1∶20的條件下，研究乙酸類衍生物的動力學曲線，結(jié)果見圖6。

圖6　乙酸類衍生物的動力學曲線

由圖6可知，lnY與反應時間t呈直線，可確定乙酸類衍生物對反應的影響符合動力學一級反應的特征，參照質(zhì)量作用定律Y=K1[乙酸類衍生物]x，可確定x=1,K1=0.03409 s-1,乙酸類衍生物的表觀動力學分級數(shù)為1。

2.3.2水楊酸的動力學分級數(shù)的確定

在反應時間為70 s、輻射功率為450 W(80 ℃)、pH=5.4、催化劑為85%磷酸、n(水楊酸)∶n(乙酸類衍生物)=20∶1的條件下，研究水楊酸的動力學曲線，結(jié)果見圖7。

由圖7可知，水楊酸濃度(c)與反應時間(t)呈直線關(guān)系，可確定水楊酸的表觀動力學分級數(shù)為0。理想狀態(tài)下曲線應過原點，但由于所得產(chǎn)物存在少量的雜質(zhì)，造成了實際動力學曲線的偏離。

圖7　水楊酸的動力學曲線

2.3.3宏觀動力學模型

宏觀動力學是研究總包反應速率的影響因素及控制的科學[5]。通過綜合分析乙酸類衍生物和水楊酸的動力學分級數(shù)可知，輻射法制備乙酰水楊酸的宏觀反應動力學方程為：r=k[C4H6O3]，總反應動力學級數(shù)為1級，反應速率常數(shù)為0.03409 s-1(353 K),總包反應半衰期為20.33 s。在一定的輻射功率下，反應速率隨乙酸類衍生物濃度的增大而增大，因此，控制反應過程中乙酸類衍生物的濃度對控制反應的進行和反應的快慢有重要的作用。微波輻射與化學激光存在部分相似的特性[6]，其中最重要的一點是微波輻射引發(fā)的反應在達到反應所需的特定能級速率較快，使生成激發(fā)態(tài)粒子不致由于自發(fā)輻射衰減或分子間碰撞傳能而消耗掉，這樣保證達到上、下能級粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)(粒子在高能級上發(fā)生積累)，實現(xiàn)了輻射能轉(zhuǎn)化為化學能[7-9]。根據(jù)微波輻射的這一特性，作者推測乙酸類衍生物在一定溫度范圍內(nèi)與反應速率呈一級反應特征的原因在于：粒子在水楊酸酚羥基孤對電子的激發(fā)態(tài)上累積，而乙酸類衍生物依靠籠效應將單個水楊酸分子包圍起來易于受到高能級激發(fā)態(tài)上電子的進攻，因此在宏觀上乙酸類衍生物動力學分級數(shù)表現(xiàn)為一級。

2.3.4表觀反應活化能的確定[6,10-13]

根據(jù)動力學模型和不同輻射功率(溫度)下的動力學特征，依下式可確定該反應的表觀反應活化能：

k=A×exp(-Ea/RT)

(1)

ln(k1/k2)=(Ea/R)×(1/T2-1/T1)

(2)

Ea=Rln(k1/k2)÷(1/T2-1/T1)

(3)

式中：k為反應速率常數(shù)，s-1;A為指前因子(與溫度無關(guān));Ea為表觀反應活化能,kJ·mol-1。

輻射功率為450 W(80 ℃)時，k1=0.03049 s-1;輻射功率為540 W(90 ℃)時做同等實驗和動力學分析，得k2=0.0612 s-1。根據(jù)式(3)計算表觀反應活化能為75.60 kJ·mol-1。

3　結(jié)論

微波輻射作用下合成了乙酰水楊酸，考察了反應時間、輻射功率、pH值、反應底物比(水楊酸與乙酸類衍生物的物質(zhì)的量比)等因素對反應的影響，并研究了反應動力學。確定最佳反應條件為：反應時間70 s、輻射功率450 W、pH值5.4、反應底物比1∶2。推算了宏觀反應動力學方程并計算得到表觀反應活化能為75.60 kJ·mol-1。

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