季姍姍　邵建群　石晨　何深知　張　楓*

(1.首都醫(yī)科大學(xué)化學(xué)生物學(xué)與藥學(xué)院實驗教學(xué)中心，北京 100069；2.首都醫(yī)科大學(xué)化學(xué)生物學(xué)與藥學(xué)院2011級藥學(xué)專業(yè)本科生， 北京 100069)

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催化合成乙酸正丁酯實驗條件的優(yōu)化研究

季姍姍1,2邵建群1石晨1何深知1張楓1*

(1.首都醫(yī)科大學(xué)化學(xué)生物學(xué)與藥學(xué)院實驗教學(xué)中心，北京 100069；2.首都醫(yī)科大學(xué)化學(xué)生物學(xué)與藥學(xué)院2011級藥學(xué)專業(yè)本科生， 北京 100069)

乙酸正丁酯是重要的有機化合物，作為添加劑、原料、溶劑廣泛應(yīng)用于食品、制藥、化工、科學(xué)研究等多方面。乙酸正丁酯的傳統(tǒng)制備方法是采用濃硫酸為催化劑，通過乙酸和正丁醇酯化反應(yīng)而制得[1-2]。由于作為催化劑的濃硫酸有很強的腐蝕性，不僅危險性大，對設(shè)備腐蝕，而且廢酸對環(huán)境也造成污染。所以選用何種催化劑以及最佳實驗條件的選擇是酯合成反應(yīng)的重要研究方向，近年來有很多這方面的研究[3-10]報道，如無機鹽類[3-4]、雜多酸[5-6]、固體超強酸[7-8]、離子液體[9-10]等均可作為酯化反應(yīng)的優(yōu)良催化劑。

其中屬于無機鹽類的十二水合硫酸鐵銨是此類酯化反應(yīng)提倡使用的綠色環(huán)保型催化劑，優(yōu)點是本身價廉易得，可溶于水，不溶于有機酸及醇，且反應(yīng)完成后可成固體析出，非常易于分離。本文就是采用十二水合硫酸鐵銨為催化劑合成乙酸正丁酯，并采用氣相色譜進行檢測，根據(jù)峰面積歸一化法定量測定的結(jié)果，從催化劑的用量、酸醇物質(zhì)的量比、反應(yīng)時間幾個方面對酯化反應(yīng)的影響進行了探討，選擇出了最優(yōu)的合成乙酸正丁酯的反應(yīng)條件。

1材料和方法

1.1試劑與儀器

正丁醇、冰醋酸、十二水合硫酸鐵銨、碳酸鈉、無水硫酸鈉，均為市售分析純試劑。

賽多利斯電子天平、Agilent-6890N氣相色譜儀，Agilent-7683自動進樣器，天津泰斯特儀器有限公司的98-1-B型電子調(diào)溫加熱套。

1.2方法

1.2.1乙酸正丁酯的合成

將正丁醇、乙酸和催化劑十二水合硫酸鐵銨加入圓底燒瓶中，混合均勻，投入沸石，然后安裝好帶有分水器的回流冷凝裝置，進行加熱回流反應(yīng)。反應(yīng)完成后，把反應(yīng)液與分水器中上層的油層合并在1個100 mL錐形瓶，并冷卻錐形瓶。然后轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，先用10 mL水洗滌，分離出有機相層。有機相層每次用10 mL 10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))碳酸鈉洗滌，并用石蕊試紙檢驗顯示蘭色為止。將有機相層再用10 mL水洗滌1次，分去水層。然后將有機相層倒入小錐形瓶中，加10 g無水硫酸鈉干燥。過濾后，將有機相層用氣相色譜儀測定乙酸正丁酯的含量。

1.2.2氣相色譜條件

色譜柱為HP-5，30 m×0.32 mm×0.25 μm ；采用氫焰離子化檢測器(FID)；進樣口溫度是250 ℃，檢測器溫度是250 ℃；載氣：N2, 25 mL/min；H2，30 mL/min；空氣：300 mL/min；柱流量為1.0 mL/min；柱溫：起始溫度為80 ℃，然后以5 ℃/min升溫到 90 ℃，之后又以20 ℃/ min升溫到150 ℃；進樣量：10 μL；分流比：100∶1。

在上述色譜條件下，分離色譜圖見圖1。產(chǎn)物乙酸正丁酯的保留時間t=2.409 min，雜質(zhì)正丁醇的保留時間t=1.892 min。

在實驗條件恒定時，峰面積與組分的含量成正比，可以采用峰面積歸一化法測定合成乙酸正丁酯的含量。由于使用氫焰離子化檢測器，故采用正庚烷為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[11]。在本實驗條件下分別測定出乙酸正丁

圖1　乙酸正丁酯的氣相色譜圖

酯的相對質(zhì)量校正因子為f乙酸正丁酯=1.67，正丁醇為f正丁醇=1.43。氣相色譜儀檢測到乙酸正丁酯的色譜峰面積用A乙酸正丁酯表示，檢測到正丁醇的色譜峰面積用A正丁醇表示，所以合成得到的乙酸正丁酯含量計算公式為：

2結(jié)果

2.1催化劑用量對反應(yīng)的影響

固定正丁醇用量22.8mL(0.25 moL)，冰醋酸用量14.3 mL(0.25 moL)，反應(yīng)時間為70min，改變催化劑十二水合硫酸鐵銨的用量進行實驗，結(jié)果見圖2。

圖2　催化劑用量對反應(yīng)的影響

2.2酸醇物質(zhì)的量比對反應(yīng)的影響

由于酯化反應(yīng)是可逆的，當(dāng)增加反應(yīng)物中某個組分時，平衡會有利于反應(yīng)向產(chǎn)物方向移動。固定催化劑用量為1.5g，反應(yīng)時間為70min，改變酸醇物質(zhì)的量比進行實驗，反應(yīng)結(jié)果見圖3。

2.3反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響

固定正丁醇用量為22.8mL(0.25 mol)，冰醋酸用量為14.3 mL(0.25 mol)，催化劑為1.5g的條件下，改變反應(yīng)時間進行實驗，反應(yīng)結(jié)果見圖4。

2.4最佳反應(yīng)條件的驗證

根據(jù)實驗結(jié)果，合成乙酸正丁酯最佳反應(yīng)條件是：酸醇物質(zhì)的量比為1.4，如正丁醇22.8mL(0.25 moL)，冰醋酸20mL(0.35 moL)，加入催化劑十二水合硫酸鐵銨為1.5g，并使酯化反應(yīng)60 min，按此方法合成酯的含量結(jié)果見表1。

圖3　酸醇物質(zhì)的量比對反應(yīng)的影響

圖4　反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響

表1　最佳反應(yīng)條件下合成乙酸正丁酯的含量

3討論

催化劑的用量會對反應(yīng)產(chǎn)生影響，隨著催化劑十二水合硫酸鐵銨用量的增加，合成得到酯的含量也在增加。但當(dāng)催化劑用量進一步增大時，酯含量并沒有顯著增加，考慮到實驗成本等因素，實驗可采用1.5g為催化劑的用量(圖2)。

對于可逆反應(yīng)，增加反應(yīng)物之一的酸的用量有利于生成酯的反應(yīng)，但增大到一定程度后酯含量趨于平穩(wěn)，酯含量相對較高的酸醇物質(zhì)的量比為1.4(圖3)。

在合成乙酸正丁酯的反應(yīng)時，隨著反應(yīng)時間的增加，生成酯的含量也逐漸增加。反應(yīng)時間為60min時，酯的含量最高。而反應(yīng)時間為70min時，酯的含量卻略有降低，這可能是由于增加反應(yīng)時間的同時，引起了副反應(yīng)的發(fā)生，所以最佳反應(yīng)時間為60min(圖4)。

因此根據(jù)實驗結(jié)果得到的最佳反應(yīng)條件是：催化劑用量為1.5g，酸醇物質(zhì)的量比為1.4，反應(yīng)時間為60min。在此實驗條件下，合成乙酸正丁酯的含量可達99.7%(表1)。

醇和酸反應(yīng)可以生成酯，酯化反應(yīng)是典型的可逆反應(yīng)，為了使反應(yīng)盡可能多的合成目標(biāo)化合物，實驗采用了分水器，除去反應(yīng)混合物中的水分，使平衡反應(yīng)向酯化反應(yīng)方向進行。由于催化劑的加入，可以加快反應(yīng)進程，經(jīng)典的酯化反應(yīng)采用硫酸作催化劑，缺點是危險性大，后處理復(fù)雜。本實驗所研究的催化劑十二水合硫酸鐵銨，克服了使用硫酸作為催化的一些缺點，并且綠色環(huán)保，對實驗條件的優(yōu)化研究結(jié)果既可用于工業(yè)化生產(chǎn)，也可用于科研、教學(xué)中對于酯類合成反應(yīng)的實驗研究。

致謝：在本論文完成過程中，得到了"首都醫(yī)科大學(xué)國家級基礎(chǔ)與專業(yè)藥學(xué)實驗教學(xué)示范中心"和"首都醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)化學(xué)與藥學(xué)示范性校內(nèi)創(chuàng)新實踐基地"兩大平臺的支持。

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編輯慕萌

基金項目：中央支持地方專項-藥學(xué)實驗室建設(shè)(PXM2015_014226_000142)，首都醫(yī)科大學(xué)2015年校長基金(2015JYY28)。This study was supported by the Central Government to Support Local Units for the Development of Pharmaceutical Laboratory(PXM2015_014226_000142), 2015 Principal Fund of Capital Medical University (2015JYY28).

*Corresponding author， E-mail：zhangf@ccmu.edu.cn

[doi：10.3969/j.issn.1006-7795.2016.03.030]

(收稿日期：2015-12-08)

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-06-0719∶00網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3662.r.20160607.1900.034.html

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