王陸瑤，李 璐，張炳森，鄭婷婷

（首都師范大學(xué)化學(xué)系，北京 100048）

優(yōu)化分餾柱在有機合成中的應(yīng)用

王陸瑤，李 璐，張炳森，鄭婷婷

（首都師范大學(xué)化學(xué)系，北京 100048）

有機合成中副反應(yīng)、副產(chǎn)物對反應(yīng)收率有很大影響，減少副反應(yīng)、副產(chǎn)物是提高產(chǎn)率的重要方法。該文設(shè)計制作了一種優(yōu)化分餾柱，制作簡便，分離效率高，可將沸點接近的產(chǎn)物／副產(chǎn)物從反應(yīng)體系中分離，推動平衡正向進行，提高產(chǎn)率。將優(yōu)化分餾柱用于5－羥甲基糠醛和乙酸乙酯的合成中，與普通合成方法對比，結(jié)果表明，優(yōu)化分餾柱降低了能耗，有效分離了副產(chǎn)物，提高了產(chǎn)品純度，增加了產(chǎn)率。

優(yōu)化分餾柱；5－羥甲基糠醛；乙酸乙酯；有機合成

有機合成中，常伴有副反應(yīng)的發(fā)生、副產(chǎn)物的生成。隨著副反應(yīng)、副產(chǎn)物的生成，妨礙了化學(xué)平衡的正向進行，導(dǎo)致反應(yīng)不完全。另外，某些反應(yīng)中產(chǎn)物在副產(chǎn)物中不斷分解，生成其他副產(chǎn)物，給后續(xù)的分離純化帶來困擾［1－3］。為解決上述問題，生產(chǎn)中通常采用以下方法來提高產(chǎn)率：（1）控制反應(yīng)條件，改變投料順序，減少副反應(yīng)；（2）使用催化劑，降低活化能，增加反應(yīng)專一性；（3）從體系中分出產(chǎn)物／副產(chǎn)物，促進反應(yīng)向正向移動。其中方法1和方法2的生產(chǎn)流程變動較大，成本增加。方法3從體系中分出產(chǎn)物／副產(chǎn)物，與現(xiàn)有設(shè)備兼容性強，成本低廉，是最常用的方法［4－6］。分離產(chǎn)物／副產(chǎn)物的方法包括蒸餾法、分餾法、分水法等，通常情況下都能取得較好效果。但若產(chǎn)物／副產(chǎn)物與溶劑沸點接近（≤30℃），或有共溶共沸現(xiàn)象，上述方法就不能有效分離產(chǎn)物／副產(chǎn)物，給工業(yè)生產(chǎn)造成很大困擾。為此，我們設(shè)計了一種優(yōu)化分餾柱，以直形冷凝管為模板，管壁內(nèi)填充惰性填料，增加氣液平衡表面積，提高分離效率，有效分離體系中的反應(yīng)物、產(chǎn)物／副產(chǎn)物和溶劑，促進平衡正向移動，提高產(chǎn)率。本文將此優(yōu)化分餾柱用于“5－羥甲基糠醛的合成”和“乙酸乙酯的合成”實驗中，并與常規(guī)方法比照，結(jié)果表明，該法降低了能耗，有效分離了副產(chǎn)物，提高了產(chǎn)品純度，增加了產(chǎn)率。

1 5－羥甲基糖醛及乙酸乙酯的合成

5－羥甲基糠醛（又名5－羥甲基－2－呋喃甲醛，簡稱5－HMF）是一種暗黃色針狀結(jié)晶，具有甘菊花味，易吸濕，易液化，需避光低溫密封保存。5－HMF可通過生物質(zhì)發(fā)酵的下游產(chǎn)品，如纖維素、果糖、葡萄糖等制備，原料儲備豐富，價格低廉。且5－HMF含有醛基和羥基，性質(zhì)活潑，可發(fā)生氧化、酯化、聚合等多種反應(yīng)，是一個良好的合成平臺，可用于高分子材料、醫(yī)藥中間體、聚合樹脂等多種化工產(chǎn)品的生成加工［7－9］。目前較常用的合成工藝，通過果糖、葡萄糖等在二甲亞砜（DMSO）作用下加熱脫水關(guān)環(huán)制備5－HMF。反應(yīng)中不僅生成了5－HMF，也生成副產(chǎn)物水。5－HMF可在水中繼續(xù)反應(yīng)，分解成乙酰丙酸和甲酸，隨著反應(yīng)時間的增加，副產(chǎn)物、副反應(yīng)增多，產(chǎn)物復(fù)雜，產(chǎn)率低下。所以，5－HMF雖有廣闊的應(yīng)用前景，但低下的生產(chǎn)效率、昂貴的價格成為它發(fā)展的瓶頸［10－11］。尋找便捷高效、產(chǎn)率提高，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的工藝引起了人們的廣泛關(guān)注［12］。5－HMF的合成及分解路線見圖1。

圖1 5－HMF的合成路線及副產(chǎn)物的生成

分析上述路線發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)體系中包括果糖、二甲亞砜（DMSO）、5－HMF和水等物質(zhì)。DMSO沸點189℃，H2O沸點100℃，DMSO和H2O互溶不共沸。H2O在反應(yīng)體系中沸點最低，若能將副產(chǎn)物水及時從體系中分離，則可減少5－HMF在水中的分解，減少副反應(yīng)、副產(chǎn)物。此外，分出副產(chǎn)物（水）可促進平衡正向進行，提高果糖轉(zhuǎn)化率，提高目標(biāo)化合物產(chǎn)率。但DMSO和水互溶，普通的分餾難以達到預(yù)期效果。本文擬將優(yōu)化分餾柱用于5－HMF的合成中，準(zhǔn)確分離副產(chǎn)物水，提高反應(yīng)收率。

本文還擬將優(yōu)化分餾柱用于乙酸乙酯的合成中。酯化法是合成乙酸乙酯最為經(jīng)典的方法，也是高等院?；瘜W(xué)化工專業(yè)實驗課的重要教學(xué)內(nèi)容。酯化法以乙醇和冰醋酸為原料，濃硫酸為催化劑，加熱脫水生成產(chǎn)物［13］。合成路線如下：

若反應(yīng)溫度過高，則存在如下副反應(yīng)：

酯化和水解是可逆反應(yīng)?？赏ㄟ^使用過量乙醇（投料比約為2∶1）；或在過程中不斷蒸出乙酸乙酯－水共沸物，促使平衡正向進行，提高產(chǎn)率［14］。教學(xué)實驗中乙酸乙酯的產(chǎn)率較低，多為30%～40%。主要因為體系存在大量硫酸、升溫快、控溫難，蒸出乙酸乙酯－水共沸物（70～71℃）的同時，也帶出了部分反應(yīng)物乙醇（沸點78℃）和乙酸（沸點117℃），致使反應(yīng)不完全，產(chǎn)率下降?！耙宜嵋阴サ暮铣伞睂嶒灨倪M方法較多［1518］，本文中使用了優(yōu)化分餾柱，準(zhǔn)確分離乙酸乙酯－水共沸物，將反應(yīng)物乙酸和乙醇留在體系中，提高產(chǎn)率。

2 儀器設(shè)備

日本島津氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀GCMS－QP2010 Plus，LC－10ADvp泵，PTV－2010進樣器，Rtx－5ms毛細(xì)管色譜柱（0．25mm～30m）。柱溫：80℃，進樣口溫度：250℃，離子源溫度：230℃，接口溫度：280℃。另有：Mercury 600MH核磁共振儀，Tensor 27紅外光譜儀，申光牌WYA阿貝折射儀，德天佑DTY－10B超級恒溫循環(huán)水浴，中興偉業(yè)HJ－6型電熱套。

3 優(yōu)化分餾柱結(jié)構(gòu)與原理

優(yōu)化分餾柱（見圖2）以直形冷凝管為模板，在冷凝管內(nèi)填充惰性填料（玻璃珠等），增加氣液兩相交換表面積，玻璃夾層中通入循環(huán)熱水作為保溫?zé)嵩矗档湍芎?，減少混合物氣相組分上升散失的熱能。增加保溫?zé)嵩春?，反?yīng)無需過度加熱，就能夠把乙酸乙酯－水共沸物蒸出體系，促進平衡正向進行。循環(huán)熱水由超級恒溫水浴提供，水溫根據(jù)需要調(diào)節(jié)，一般低于餾出物沸點10℃左右?！?－HMF的合成”中，使用循環(huán)熱水的溫度為90℃，“乙酸乙酯合成”中使用65℃的循環(huán)熱水。循環(huán)熱水的使用降低了反應(yīng)能耗，確保在較低反應(yīng)溫度下，氣相組分能夠經(jīng)過多次氣液平衡，到達蒸餾頭頂部，實現(xiàn)不同沸點化合物的分離。若無循環(huán)熱水，或循環(huán)水溫度較低，則需要較高反應(yīng)溫度，給體系帶來不可預(yù)期的副反應(yīng)，副產(chǎn)物，減低產(chǎn)率。

4 實驗

4．1 5－HMF的合成

圖2 優(yōu)化分餾柱

用優(yōu)化分餾柱法（方法1）和回流加熱法（方法2）分別制備5－HMF，然后通過核磁共振和紅外光譜儀對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行確證。三頸瓶中加入18g果糖和200 mL DMSO，三頸瓶一側(cè)接優(yōu)化分餾柱（方法1），回流冷凝管（方法2）一側(cè)插入溫度計檢測反應(yīng)溫度，中間安裝機械攪拌裝置，逐步升溫到160℃，分餾柱（方法1）中不斷有液體蒸出，回流管（方法2）中出現(xiàn)回流現(xiàn)象。4h后停止反應(yīng)，減壓除溶劑，剩余物用乙酸乙酯20mL提取3次，合并提取液，無水硫酸鎂干燥，蒸除乙酸乙酯后殘余固體用無水乙醚重結(jié)晶，真空干燥得5－HMF，測得熔點為32～34℃。測得紅外譜：3 349 cm－1處為OH的伸縮振動，3 100～3 000cm－1處為C＝C—H的伸縮振動，2 921cm－1處為和2 853cm－1處為—CHO的CH振動，1 676cm－1處為—CHO的伸縮振動，1 032cm－1處為酯環(huán)醚C—O—C振動，IR譜圖與標(biāo)準(zhǔn)圖譜一致。測得核磁共振譜（CDCl3）得到化學(xué)位移δ：9．50（s，1H，羥基氫），7．16（d，1H，呋喃環(huán)氫），6．47（s，呋喃環(huán)氫），4．66（s，2H，亞甲基氫），3．65（s，1H，醛基氫）；MS：126（M＋）。

4．2 乙酸乙酯的合成

用優(yōu)化分餾柱法（方法1），韋氏分餾柱法（方法2）和經(jīng)典蒸餾法（方法3）分別制備乙酸乙酯，然后通過氣質(zhì)聯(lián)用和阿貝折射儀對粗產(chǎn)品純度、產(chǎn)品純度和產(chǎn)品產(chǎn)率進行考察。三頸瓶中加入5mL乙醇，晃動下慢慢加入6mL濃硫酸并加入幾粒沸石。三頸瓶的一側(cè)插入溫度計，一側(cè)接優(yōu)化分餾柱（方法1）、韋氏分餾柱（方法2）和蒸餾裝置（方法3），中間安裝滴液漏斗，內(nèi)放6．5mL乙醇和6mL冰醋酸混合物，滴入混合液1．5～2mL后，升溫到110～120℃，滴加余下液體。加熱15min升溫至115～125℃，不再有液體餾出時停止反應(yīng)。粗產(chǎn)品用氣質(zhì)聯(lián)用檢測各組分含量，之后依次用飽和碳酸鈉溶液、飽和氯化鈉溶液、飽和氯化鈣溶液洗滌，有機相用無水硫酸鎂干燥。蒸餾粗產(chǎn)品，收集73～78℃后得到最終產(chǎn)品，用阿貝折射儀測折光與標(biāo)準(zhǔn)品比對，確定產(chǎn)品純度。

5 結(jié)果與討論

5．1 5－HMF的產(chǎn)率

5－HMF合成中，產(chǎn)率見表1。如表1所示，方法1的產(chǎn)率（65%）高于方法2的產(chǎn)率（38%），說明優(yōu)化分餾柱在提高反應(yīng)收率中發(fā)揮了一定作用。優(yōu)化分餾柱的作用體現(xiàn)在2個方面：（1）及時蒸出副產(chǎn)物水，減少5－HMF的分解，副反應(yīng)減少，產(chǎn)率提高；（2）提高反應(yīng)溫度，果糖脫水是吸熱反應(yīng)，高溫利于反應(yīng)正向進行。方法1中及時分出了副產(chǎn)物水，提高了高沸點化合物DMSO的濃度，可達到150℃的反應(yīng)溫度；方法2中DMSO吸收了副產(chǎn)物水，濃度降低，沸點降低，反應(yīng)溫度只能達到135℃。持續(xù)高溫也是提高反應(yīng)收率的重要原因。

表1 5－HMF合成實驗的反應(yīng)溫度和產(chǎn)率

5．2 乙酸乙酯的產(chǎn)率

乙酸乙酯的合成中，反應(yīng)溫度、產(chǎn)品折光率nD（nD為20℃下測得）及產(chǎn)率見表2。如表2所示，方法1的產(chǎn)率最高（75%），產(chǎn)品折光率為1．371 4，與乙酸乙酯標(biāo)準(zhǔn)品（德國Merck公司出品，光譜純）1．372 7最接近，說明純度最高。方法2反應(yīng)溫度（115～125℃）高于方法1和方法3，這是因為方法2中韋氏分餾柱保溫差，氣相組分上升中能耗大，需要較高溫度才能使氣相組分到達分餾柱頂部。體系過熱，副反應(yīng)增加，未參加反應(yīng)的乙酸也被蒸出，產(chǎn)率降低。方法3使用普通蒸餾裝置，能耗小，但分離效果較差，產(chǎn)品純度較低。粗產(chǎn)品的組分分析見表3，表3中t表示保留時間，c表示組分的摩爾百分?jǐn)?shù)。

表2 乙酸乙酯合成實驗的反應(yīng)溫度、折光率及產(chǎn)率一覽表

表3 各組實驗粗產(chǎn)品組分含量分析

通過氣質(zhì)聯(lián)用對反應(yīng)粗產(chǎn)品（餾出液）進行分析，得到3組粗產(chǎn)物中都含有乙酸乙酯、水和乙酸，方法1的粗產(chǎn)品中乙酸含量為5．65%，說明體系中94%以上的乙酸發(fā)生了酯化反應(yīng)，反應(yīng)收率最高（75%）。方法2粗產(chǎn)品中乙酸含量最高28．61%，由于韋氏分餾柱能耗高，導(dǎo)致反應(yīng)溫度升高，乙酸被不斷蒸出，收率降低（48%）。方法3中沒有使用分餾柱，部分乙酸被蒸出（22．50%），收率降低（55%）。從表3可推斷，乙酸乙酯的收率取決于參加酯化反應(yīng)的乙酸質(zhì)量。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計制作了一種優(yōu)化分餾柱，能夠準(zhǔn)確分離產(chǎn)物／副產(chǎn)物，促進反應(yīng)平衡正向進行，提高反應(yīng)收率；通過改變循環(huán)水溫度，調(diào)節(jié)填充材質(zhì)，應(yīng)用于不同反應(yīng)類型。該優(yōu)化分餾柱不僅適用于“5－羥甲基糠醛的合成”和“乙酸乙酯的合成”中，還適用于其他有機可逆合成的生產(chǎn)實踐中。為降低有機化工原料的生成成本、提高反應(yīng)的收率，提供了一條成本低廉、簡便有效的思路和方法。

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Application of modified fractionating column in organic synthesis

Wang Luyao，Li Lu，Zhang Bingsen，Zheng Tingting
（Department of Chemistry，Capital Normal University，Beijing 100048，China）

Side reactions and by－products have a great influence on the yield in organic synthesis．A modified fractionating column is designed and made．The column can separate the by－products from the synthesis system efficiently，promote the reaction and improve the yield．The modified fractionating column is used in the synthesis of ethyl acetate and 5－HMF．Both reactions get higher yield with the simpler purified procedure．

modified fractionating column；5－HMF；ethyl acetate；organic synthesis

06－33

B

1002－4956（2015）3－0053－04

2014－07－07

北京市中青年骨干教師項目（2010）；首都師范大學(xué)實驗室開放基金項目

王陸瑤（1971—），女，河北灤南，博士，副教授，研究方向為有機化學(xué)及教學(xué)．

E－mail：xdwly＠163．com