乙酸正丁酯合成方法比较

关键词：乙酸正丁酯；催化剂；合成；比较
乙酸正丁酯是无色带香味的液体，是一种重要的化工原料，是良好的芳香矫味剂、萃取剂、着香剂、有机溶剂、色谱分析溶剂。天然品存在于苹果、香蕉、樱桃、葡萄、番茄、白兰地、可可豆等中，是允许使用的天然等同食用香料。大量用于配制香蕉、梨、菠萝、杏、桃及草莓、浆果等型香精。。其分子式为C6H10O2，分子量111.16，比重0.8824，折光率1.3964（15℃），沸点126.5℃。
虽然目前工业上仍主要使用浓硫酸作为催化剂，但是，其中的弊端已经逐渐显现出来：腐蚀设备、副产品多、后处理繁琐、容易污染环境、产率低等。进入21世纪后，在新的形势下，由于对绿色、环保、节能化剂在现代工业化大生产中有着非常重要的作用，一种合适的催化剂会影响到一整个行业。因此，可以预见，各种新型催化剂将会很快应用到工业生产中。
参考文献：
[1]杜志伦，刘传芳.无机盐催化合成乙酸正丁酯的研究.合肥师范学院学报.2008.26.3
[2]卢泽楷,朱万仁.固体超强酸催化剂制备及催化合成乙酸正丁酯的研究[J ] .有机化学, 2000 , 20 (5)
[3]黄科林，黄焕生．无机盐催化合成乙酸正丁酯的研究[J]．化学工业与工程技术，2002，23(2)：3—5
目前工业上通常以浓硫酸作催化剂，由乙酸与正丁醇直接酯化来合成乙酸正丁酯。硫酸虽然活性较高、价廉，但以其为催化剂合成酯，但存在以下缺点：(1)在酯化反应条件下，硫酸同时具有酯化、脱水和氧化作用，导致一系列副反应的发生，使反应生成的混合物中含有少量醚、硫酸酯、不饱和化合物和羰基化合物等，给产品精制和回收带来困难，且对于必须符合卫生标准的食用香料是非常不利的；(2)作为催化剂的硫酸要经过碱中和、水洗除去，工艺复杂，产品和未反应原料损失，并产生大量的废液，污染环境；(3)硫酸腐蚀设备，产率低等。随着人们环保意识的提高，现在已经逐渐开发出一些更加安全环保及高效的催化剂，下面就课堂实验以及一些其他催化剂下的反应情况做简单的比较。
综上所述，乙酸正丁酯的催化合成已经研发出很多种绿色清洁高效的催化剂，虽然各种催化剂仍需一定的改善，如制备固体超强酸的工艺有待进一步简化，杂多酸均相催化导致催化剂回收困难，有些无机盐重复性较差等缺点,但多数催化剂可解决传统催化剂浓硫酸所引起的弊端,而且多数催化剂可使转化率达到90%以上，为工业化应用提供极有价值的参考依据。
3、实验结果
实验测得最终产物为9.89g，产率为68%，换算到20°C下折光率为1.3940.可见反应得到的产物纯度尚可，但产率并不高，对于工业应用该产率偏低，且在大规模反应时，加入的浓硫酸也增多，则致使副反应发生的几率更大。因此寻求其他合适的催化剂便非常重要，对其基本要求即绿色安全且高效。
（2）无机盐催化剂
(1)浓硫酸催化剂
在课堂实验中，使用少量浓硫酸做催化剂。以此为例。
1、仪器及试剂
圆底烧瓶、球形冷凝管、温度计、分液漏斗、锥形瓶、梨形瓶、蒸馏头、阿贝折光仪；冰醋酸、正丁醇、浓硫酸、10%碳酸钠、无水硫酸镁。
2、实验步骤
在干燥50ml原地烧瓶中，加入11.5ml正丁醇和7.5ml冰醋酸（两者物质的量皆为0.125mol），再加入3-4滴浓硫酸，混合均匀后投入沸石安装好反应装置，在分水器中加入适量的水，加热回流反应，一段时间后分去一段水，保持原有高度，反应40min后记录出水量，分水器中加水将油层排入反应瓶，再都倒入分液漏斗中，用10ml水洗涤，分去水层后，脂层用10ml 10%碳酸钠洗涤直至呈微碱性，分去水层后用10ml水洗涤至中性，干燥脂层。再将干燥后的产物倒入梨形瓶，加入沸石，加热蒸馏，收集124°C-125°C的馏分。再用阿贝折光仪测定其折光率。
1、固体超强酸催化剂
固体超强酸催化剂已成为近年来研究的热点,酸性比100 %硫酸强,具有耐高温、用量少、重复性好、易再生、后处理简单、不腐蚀设备、不污染环境等优点,是一种具有良好工业应用前景的催化剂。该类催化剂主要成分以无定形状态存在,比表面积较大,其活性位可能是一种含Fe、Zr、Si、SO42 -成分的复合结构。催化合成乙酸丁酯的最佳反应条件为:0. 125 mol正丁醇与0. 125 mol乙酸反应,带水剂苯10 mL ,反应温度93℃,催化剂用量1 g ,回流2 h ,乙酸转化率98. 17 % ,酯收率94. 28 % ,酯选择性96. 04 %。此外还有多种此类固体酸，反应时间短，催化效率高是其共同优点。但目前固体酸的制备工艺稍显复杂，仍有待简化。
在酯化反应中,杂多酸已表现出优异的催化性能,由于是均相反应,催化剂回收困难,能耗较高,杂多酸损失较大。因此,将杂多酸负载于载体上,实现反应多相化,解决催化剂回收问题。以负载12 -钨磷酸为催化剂,丁烯- 1和乙酸为原料合成乙酸丁酯,结果表明催化剂具有良好的选择性和催化活性。目前主要的问题还是解决该类催化剂回收利用，否则一次性使用过于耗费资源。
（3）一些其他催化剂
随着人们充分利用资源、简化工艺流程、提高经济效益、保护生存环境的意识不断增强和环保法规的日益完善,用环境友好催化剂替代浓硫酸催化合成酯类化合物已成为探索方向。因此,发现了许多有效的酯化催化剂,其中一些催化剂具有良好的工业化应用前景。除了上述的无机盐催化剂，还有很多种新型催化剂已经面世。以下就简述两种类型催化剂，固体超强酸催化剂和杂多酸催化。
[4]俞善信，许东芳，李曙东．氯化铁催化合成己二酸二丁酯[J]．精细石油化工，1997，3(3)：39—4
[5]何节玉,廖德仲,毛立新. 乙酸丁酯催化合成研究.精细石油化工进展
[6]宁满霞，结晶三氯化铝催化合成乙酸正丁酯的研究，东莞理工学院学报，2002，10（1）：26-29；.
[7]王俏，刘晓岭·精细石油化工进展[M]·北京：高等教育出版社,2005,49-50
3、实验结果
用中和滴定法分别分析有机相中乙酸含量，并计算酯化率，为确定在无机盐的催化下是否有副反应发生，在反应结束后从有机相中取出一部分，经气相色谱仪定性分析，除含水、乙酸、正丁醇和乙酸正丁酯外，未检出其它副产物。收集到的无色透明的乙酸正丁酯液体折光率1.3943，与文献值相符合(文献值为1．3941)。以0．1mol冰乙酸和0．15mol正丁醇作为反应体系(n醇：n酸=1．5：1)保持回流时间为2．Oh，考察不同催化剂用量对乙酸正丁酯产率的影响，如表1（引自参考文献1）所列。
2、杂多酸催化
杂多酸是由两种以上无机含氧酸缩合而成的多元酸。不仅具有多元酸和多电子还原能力,而且其酸性和氢化还原性可通过改变组成元素在较宽的范围内系统地调节。对许多反应具有较高的催化活性和选择性,并且具有不挥发、对热稳定和污染小等优点,对设备无腐蚀,三废排放少,再生速度快。磷钼杂多酸催化合成乙酸丁酯时,催化活性高,反应时间短,不腐蚀设备,三废排放少,对实际生产具有一定的指导意义。其最佳反应条件为:醇/酸摩尔比1∶1. 3 ,乙酸用量0. 125 mol ,催化剂用量1. 0 g ,反应时间2 h ,带水剂甲苯7 mL ,酯收率97. 9 %。
乙酸正丁酯的催化合成比较
摘要：课堂实验中采用浓硫酸做催化剂，使用分水装置，本人实验产率为68%，一般在68%-76%，综合产率并不高。且在工业生产应用中，倘若用浓硫酸做催化剂，酯化时常伴有氧化、碳化等一系列副反应发生,造成产品纯度低,并且浓硫酸对设备腐蚀严重,还会产生大量的含硫酸废水导致环境污染。查阅文献，比较不同催化剂的催化效果，并与课堂中实验对比。
查阅该酯化反应使用无机盐催化剂相关文献得：
1、仪器与试剂
标准磨口有机制备仪器一套(半微量有机制备仪，天长市千秋玻璃仪器厂)，阿贝折光仪，调温电热套(ZDHw型100ml郑州长城科工贸有限公司)，红外光谱仪，超级恒温水浴槽，温度计，滴定管。正丁醇(分析纯淮南市化学试剂厂)，冰乙酸(分析纯开封化学试剂总厂)，FeC1.6H2O、Fe(SO)3·7H2O、CuCl2.2H2O、NaHSO4.H2O、TiSO4、AlCl3.6H 2O、FeSO4·7H2O、ZnSO4 · 7H2O、SnCl4·5H2O、CuSO4·5H2O、MgSO (以上试剂均为分析纯)，乙醇K0H溶液，酚酞。
2、实验步骤
在装有温度计、回流冷凝管及带分水器的三口烧瓶中按一定比例加入冰乙酸、正丁醇、沸石及一定量的无机盐催化剂，反应温度控制在102℃～11O℃加热回流，在分水器中出现水滴时开始记时。回流反应至分水器中水量不再增加时即为反应完毕，停止加热。酯化率的测定按GB1668—81的方法进行。在反应前后各吸取反应液0．5mL于100mL的锥形瓶中，用蒸馏水稀释至约10mL，加入2～3滴2的酚酞指示剂，用已标定的0．1mol／L氢氧化钾一乙醇溶液滴定至刚出现粉红色并半分钟内不褪色为终点，记录所消耗的氢氧化钾的体积，并按下式计算丁酸的酯化率。酯化率=(Vo-V )／Vo×100%式中，V。为反应前滴定消耗KOH乙醇溶液的体积，V为反应后滴定消耗KOH乙醇溶液的体积。将反应后的混合物滤去催化剂，滤液用饱和Na2CO3。溶液洗涤至中性，依次用饱和氯化钠水溶液，饱和氯化钙水溶液洗涤分液，用无水硫酸镁干燥，蒸馏收集120～126℃范围内的馏分，即得到无色透明的乙酸正丁酯液体。
由表1数据表明，有些催化剂较小的用量时即可得到较高的酯化率，但催化剂用量过高时酯化率反而下降。原因可能是副反应随催化剂用量增多而加剧，故酯化率降低，也有一些是随催化剂用量增加酯化率增加，但增加不再明显。但可看出基本上催化效率都比较高，转化率可达到90%以上，且副反应不明显，得到产物较好，生产工艺简单，无毒副产品生成，催化效率高。