微波辐射对甲苯磺酸催化合成

经过比较，得出乙酸仲丁酯的最佳条件为冰乙酸和仲丁醇的物质 的量比为 1.5∶1.0,反应时间 18min,催化剂用量为 0.7ｇ(在仲丁醇为 0.15mol 情况下)。在此条件下进行反应,重复试验三次，结果见表 2
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表 3 最佳工艺条件下乙酸仲丁酯的酯化率
实验号
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以 乙 酸 和 仲 丁 醇 为 原 料 催 化 合 成 乙 酸 仲 丁 酯 。 反 应 条 件 温 和 ,时 间 短 , 收率高,产品后处理简单。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂 微 波 炉 AM-C23C，阿 贝 折射 仪 ，三 颈 烧瓶 ，回 流 冷凝 管 ，蒸 馏 烧 瓶，接受器，温度计，电热套，碱式滴定管,三角瓶，尾接管，分 液漏斗，蒸馏头,移液管(10ml,5ml, 2ml ,1ml)； 冰乙酸，仲丁醇，对甲苯磺酸，无水氯化钙，酚酞指示剂，氢氧 化钠固体以上试剂均为分析纯。
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微波辐射对甲苯磺酸催化合成 乙酸仲丁酯
王振江 指导教师：邵丽君
（ 河北 科技 师范 学院 化 学系 应用 化学 0201 班 ） 摘 要 ：研 究 了 微 波 辐 射 条 件 下 ，以 对 甲 苯 磺 酸 为 催 化 剂 ，以 乙 酸 和 仲 丁 醇 为 原 料 催 化 合 成 乙 酸 仲 丁 酯 的 工 艺 条 件 ，并 探 讨 了 醇 酸 物 质 的 量 比 、催 化 剂 用 量 、微 波 辐 射 时 间 以 及 微 波 辐 射 功 率 对 产 品 酯 化 率 的 影 响。结 果表 明 ：醇 酸摩 尔比 为 1.0∶1.5，催 化剂 用量 为 0.7g(仲 丁醇 的 物质 的量 固定 为 0.15mol)， 辐射 时间 为 18min， 辐射 功率 为 300W 时 ，酯 化率 最高 可达 95.6%。 关 键 词 ： 微 波 ;乙 酸 仲 丁 酯 ;对 苯 甲 磺 酸 ;催 化 合 成
由 表 1 可 以 看出 ，当 微 波功 率 为 300W 时 ,产 品 酯化 率 有 一 个最 大 值。随微波功率增加，其转化率逐渐升高，大于 300W，随着微波功 率的增加,产品收率略有下降。这可能是由于小于 300W 时，因功率太 低加热比较慢达不到酯化所需要的热，而当辐射功率过大时，会因为 产生的热量远远超出所需要的热，而使乙酸仲丁酯碳化导致酯化率降 低，由此，可以确定，此条件下的最佳微波辐射功率为 300W。 2.6 选择最佳工艺条件
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目录
摘 要……………………………………………………………………2 关键词……………………………………………………………………2 引言……………………………………………………………………2 1 实验部分………………………………………………………………2 1.1 仪器及试剂…………… …………………… …………………… …3 1.2 实验过程……………………………………………………………3 2 结果与讨论……………………………………………………………4 2.1 正交实验………………………………………………………4 2.2 醇酸比对产品酯化率的影响……………………………………… 4 2.3 辐射时间对产品酯化率的影响……………………………………5 2.4 催化剂用量 对产品收率的影响…………… …………………… …6 2.5 微波功率对 产品酯化率的影响…………… …………………… …6 2.6 选择最佳工 艺条件…………… …………………… ………………6 2.7 产品的性能………………… ……………………………… …7 3 结论……………………………………………………………………7 致谢………………………………………………………………………8 参考文献 …………………………………………………………………8 英文摘要 ………………………………………………………………9 英文关键词 ……………………………………………………………9
由表 1 可以看出,在相同条件下反应,酯化率随着催化剂用量的增 加而增加,当催化剂用量为 0.7ｇ时,产品的酯化率最高,继续增加催化 剂的用量时,酯化率反而变小,其原因可解释为，催化剂用量存在一个 最佳值，当增加催化剂的用量时，活性中心数也不断增加，越来越多 的反应物有机会和活性中心作用，乙酸仲丁酯的酯化率不断增加，直 到催化剂用量达到一定值时催化剂提供的活性中心刚好为所与反应物 提供作用场所，当再增加催化剂的量时，酯化率降低，这是因为活性 中心太多，会导致每个活性中心上的反应物浓度有所下降，反应速率 变 慢，并 且 提高 了 生 产 成本 [11]。因 此 从酯 化 率 和 反应 成 本 这 两 方面 综 合考虑,催化剂用量以 0.7ｇ较为适宜。 2.5 微波功率对产品酯化率的影响
1.2 实验过程
将 一 定量 的 对 甲 苯磺 酸 ，乙 酸 和 0.15mol（ 约 13.85ml）的 仲 丁醇 加入到一个三颈烧瓶中，混合均匀后，置于微波炉中，在一定的微波 功率下辐射一段时间，在反应一段时间后停止，取出三颈瓶，冷却。
向 混 合液 中 加 入 1~2 滴 酚 酞，用 氢 氧化 钠 的 标 准溶 液 滴 定 该 混合 液测定酸值，并由此计算酯化率：
0.7
9
150
1∶ 1.8
0.9
12
750
1∶ 2.0
0.1
18
300
1∶ 2.0
0.3
6
150
1∶ 2.0
0.5
9
750
1∶ 2.0
0.7
12
600
1∶ 2.0
0.9
15
450
酯 化率 /%
31.6 57.0 61.4 66.4 63.4 54.2 61.6 67.1 67.4 63.2 68.2 77.0 89.6 94.0 89.2 62.8 81.2 70.8 78.6 84.8 78.0 74.6 71.4 72.0 66.3
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表 2 正交实验数据处理
K1
279.8
294.8
334.2
332.2
K2
313.5
351.4
350.4
344.6
K3
418.0
360.3
348.0
357.1
K4
378.2
378.4
339.6
366.0
K5
362.3
366.9
379.6
35Байду номын сангаас.9
k1
56.0
59.0
乙酸仲丁酯，为无色、易燃、具有果香味的液体，是重要的有机 化工原 料，用途广泛[1]。乙酸 仲丁酯 对许多物质具 有良好溶解 性，因 此可以做溶剂，还可用作印刷油墨中的挥发性溶剂和感光材料的快干 剂 ,也 可 用 于 医 药，由 于 其 挥 发度 适 中 ，具 有 良 好 的皮 肤 渗 透 性 ，可 用 作药物吸收促进组分，也可用作果实味香精，还可以用作金属清洗剂 组 分 ，清 除 金 属 表面 的 涂 料 等 等 。其 常 用 的 合成 方 法 为 无 机 酸(如 盐 酸 、 硫 酸)催 化酯 化 法[2],如 浓硫 酸 法催 化酯 化 法， 虽 然酯 化 率可 达 80%以 上，但是由于副反应多(如磺化、氧化、加成、碳化等)而影响产品的 酯 化 率 ,同 时 后 处理 麻 烦 ,设 备 腐 蚀严 重 。因 此 ,国 内 外 都在 探 索 代 替 浓 硫 酸 的 新 型催 化 剂 [3]。近 年 来 的 研究 表 明 ,微 波 技 术 应用 于 催 化 领 域 具 有 特 殊 的 优 越 性 [4～6]。 在 微 波 作 用 下 反 应 速 率 比 传 统 的 实 验 技 术 快 数 百 倍 乃 至 数 千 倍 [7]。 微 波 加 热 具 有 均 匀 快 速 等 特 点 而 倍 受 人 们 重 视 [8～ 10] 。本 实 验 ，在 常 压 、微 波 辐 射 催 化 作 用 下 ，以 对 甲 苯 磺 酸 为 催 化 剂 ，
表 1 正交实验结果
醇酸物质的量之 催化剂的 辐射时间 辐射功率
比 /mol:mol
用 量/g
/min
/W
1.0∶ 1
0.1
6
750
1.0∶ 1
0.3
9
600
1.0∶ 1
0.5
12
450
1.0∶ 1
0.7
15
300
1.0∶ 1
0.9
18
150
1∶ 1.2
0.1
9
450
1∶ 1.2
0.3
12
300
1∶ 1.2
随着反应时间的延长,酯化率提高 ,如果再延长反应时间,酯化率
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继 续 增加 ,这 可 能是 由 于 反 应开 始 时 因 辐 射时 间 短，微 波 产生 的 热 不 能 使 反 应物 完 全 酯 化，酯 化 率比 较 低 ，随 着 辐射 时 间 的 延长 酯 化 率 增 加， 但是超过一定时间，过量的热可能使所得的乙酸仲丁酯发生逆反应， 致使酯化率降低，因此在此设计条件下的最佳的反应时间为 18min。 此时,产品酯化率达到最大值。 2.4 催化剂用量对产品收率的影响
2 结果与讨论
2.1 正交实验 根据影响酯化反应的因素—酸醇物质的量比、催化剂用量、微波
辐射时间、微波辐射功率，作正交实验（表 1）
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试验号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
酯化率=
其中，V1,V2,V3 分别是反应前、反应后以及过量的酸所消耗的碱 的体积。