乙酸正丁酯的合成

关键词：乙酸正丁酯；催化剂；浓硫酸。
1.前言
乙酸正丁酯是一种重要的化工产品,也是重要的有机合成中间体,广泛用于有机合成、塑 料、涂料等工业。它是化工、军工、医药等行业的主要溶剂,特别是清漆、人造革、塑料等 物质的良好溶剂【1】。在合成乙酸乙酯过程中，有多种催化剂可以实现反应。传统上羧酸酯 类的合成都是用浓硫酸作催化剂，但存在诸如设备易腐蚀、副反应多、废酸排放污染环境等 弊端【6】。但随着环保法规对环境的要求不断提高，可开发取代硫酸的新型催化剂已成为现 在工业生产种普遍关心的问题【7，9】。近几年来，国内外广泛开发了一系列新型的酯化反 应放入催化剂【2，4】。与硫酸催化剂相比，这类催化剂具有易分离、无废液排放等优点， 在催化剂领域日益受到人们的关注【5】。例如采用固体催化剂在间歇反应釜中进行乙酸和正 丁醇催化酯化反应，可以得到较好结果【3，8】。因此人们不断寻求更优良的催化剂来代替 硫酸。 1.1 简介
常州轻工职业技术学院
专业综合实践
题
目： 乙酸正丁酯
系
别： 轻化工工程系
专
业： 精细化学品生产技术
班
级：
姓
名：
＿
学
号：
指 导 教 师：
乙酸正丁酯合成
刘蕊
（常州轻工职业技术学院 常州 213164）
摘要：以乙酸和正丁醇为原料,分别以浓硫酸、三氯化铁为催化剂合成乙酸正丁酯。利用列表比较,探讨了催 化剂种类、醇酸摩尔配比和酯化时间及它们之间的交互作用对酯的收率的影响。实验结果表明较好的酯化 条件是:n(醇):n(酸)为 1.8：1.0 催化剂为 3.6%的浓硫酸;酯化时间为 2。0h。其酯的收率可达 83.3%。 随着经 济的发展和人民生活水平的提高，对乙酸正丁酯的需求量也越来越大。目前，工业上大多数采用浓硫酸催 化酯化乙酸正丁酯。
阿贝折光仪
3.2 折光率检测方法 用探镜纸试干蒸馏水，恒温后，将试样 1—2 滴均匀地滴在磨砂面棱镜上，关紧棱镜。
调节反光镜使目镜内现场明亮，转动棱镜调节旋钮或消色散手轮，使视野明暗界线恰巧通过 “十”字交叉点。记录读数与温度，重复 2—3 次，取其平均值，得样品折光率实验读数值。 2.7 实验步骤 1) 在 250ml 的圆底烧瓶中加入 63.0ml 正丁醇、 37.0ml 冰醋酸和 2.4g 硫酸氢钾混合均匀 后加入 1-2 粒沸石。 2) 按试验装置图安装好仪器。 3) 在分水器中加入计量过的水，使水面稍低于分水器回流支管的下岩。打开冷凝水，反应 瓶在磁力搅拌器上，小火加热回流。 4) 反应过程中，不断有水分出，并进入分水器的下部，通过分水器下部的开关将水分出， 注意水层与油层的界面，不要将油层放掉。 5) 反应约 50min 后，此时停止加热冷却。 6) 过滤分离出催化剂，将分水器中液体倒入分液漏斗，分出水层。 7) 用 40ml 饱和碳酸钠溶液洗涤至中性，再依次用 40ml 饱和氯化钠溶液洗涤一次，饱和氯 化钙溶液洗涤两次，分出酯层。 8) 将分离出来的上层油层倒入一干燥的小锥形瓶中，加入无水硫酸镁干燥，直至液体澄清。 9) 干燥后的液体，用少量棉花通过三角漏斗过滤至干燥的 250ml 蒸馏烧瓶中，加入沸石， 安装蒸馏装置，磁力搅拌器加热，收集 117-124℃的馏分。 10) 称量，计算产率，并测定产品的折光率。 2.8 实验记录
1）第一组实验：酸醇摩尔比为 1.8:1.0，醇：23ml,酸：26ml,浓硫酸：0.1ml,反应时间：2h，
温度控制在 100-105 摄氏度。
现象：9:46 开始加热，9:54 微沸，9:55 暴沸，温度为 100 摄氏度。9:56 回流，沸腾有间歇，
温度时高时低，11:36 停止加热。
蒸馏时收集了 124-126 的馏分，称得收集的重量为 23.605g,产率为 81.3%，折光率为 1.3945
颜色和形态
溶解度
丁醇 74.12
-89.53 117.7 1.3993
0.809 有特殊气味的无 微溶于水，能
8
色液体。
与乙醇、乙醚
混溶。
乙酸
60.05
16.7
乙酸正 111.16 丁酯
-77.9
2.4 实验装置图
118 126.5
1.3718
1.3964 （15℃）
1.049
0.88 24
无色澄清液体， 溶于水、乙
分子式：C6H12O2 。 分子量：116.16 。 FEMA：2174 。 CAS：123-86-4 。 密度：0.8764 熔点（℃）：-77.9 沸点（℃）：126.1 闪点（℃）：22（闭杯） 折射率：1.3907（19℃） 色状：无色液体。 溶解情况： 溶于醇、醚、醛等有机溶剂，溶于 180 份水。 稳定性：在弱酸性介质中较稳定。
有刺激气味。 醇、乙醚等
有水果香味的无 微溶于水，溶
色液体。
于乙醇、乙醚
和苯。
制备装置
蒸馏装置 2.5 实验方法
在三颈烧瓶中依次加入冰乙酸和正丁醇, 再安装温度计, 搅拌器和分水器, 并在分水 器上接上回流冷凝管, 通水冷却。然后加热回流, 约经 5 分钟, 分水器中出现水层,继续回 流, 直到水层不在增加为止, 停止反应, 冷却室温, 倾出液层, 经水洗, 稀碳酸钠中和, 饱 和食盐水洗涤, 干燥, 蒸馏收集 125℃的馏分即为产品。 2.6 产品检测 2.6.1 检测原理 1）折光率
乙酸丁酯，又名乙酸-2-甲基丙脂，英文名 isobutyl acetate，无色有果香气味的液体，分子 式为 C6H12O2，相对分子量 111.16，沸点（101.3kPa）126.114℃，熔点-73.5℃，相对密度 0.8807， 折光率为 1.3941，燃点为 421℃，乙酸丁酯微溶于水，能与醇、醚等一般有机溶剂混溶，在 酸或碱的作用下，水解生成乙酸和丁醇。 1.2 性质
为了促使反应向右进行，通常采用增加酸或醇的浓度或连续地移去产物（酯和水）的方
式来达到的。在实验过程中二者兼用。至于是用过量的醇还是用过量的酸，取决于原料来源
的难易和操作上是否方便等诸因素。提高温度可以加快反应速度。
2.3.1 物理常数（见表 2-3-1） 名称 分子量 熔点/℃
表 2-3-1 药品物理常数 沸点/℃ 折光率/n20 比重
2.9 实验数据
1）酸醇比对产率的影响（浓硫酸 3.6%时间两小时）
表 2-9-1 酸醇比对产率的影响
酸 醇 比 1.4：1.0
1.6:1.0
1.8:1.0
2.0:1.0
2.2:1.0
MOL
产率%
80.2
80.7
83.3
83.0
82.5
2）催化剂用量对生产率的影响(酸醇比 1.8:1.0，时间 2h)
反应时间
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
产率
68.0
81.3
83.3
83.7
84.0
表 2-9-3 随着浓硫酸用量的增加, 其酯化率先增加, 到 3. 6% 有最大酯化率, 随之又减小
从上图中醇酸摩尔比对酯化率的影响结果可见，1∶1 的醇酸摩尔比就可实现 68%的酯 化率，随着醇酸摩尔比继续增加，酯化率也逐渐增加，到 1． 8∶1 时，酯化率达到 81.3%， 随后基本保持不变。可见，较高的醇酸摩尔比可提高酯化率，这是因为醇过量有助于酯化反 应平衡右移。因此，1 8∶1 的醇酸摩尔比即可实现最高的酯化率。
表 2-9-2 催化剂用量对生产率的影响
浓硫酸(wt%) 2.4
3.6
4.8
6.0
8.0
产率%
80.7 83.3 83.0 75.0 74.8
3）反应时间对产率的影响（醇酸比 1.8:1.0，浓硫酸为 3.6%）
表 2-9-3 反应时间对产率的影响
反应时间 1.0
1.5
2.0
2.5
产率
68.0
81.3
3）第三组实验：酸醇摩尔比为 1.8:1.0，醇：23ml,酸：26ml,浓硫酸：0.1ml,反应时间：1.5h，
温度控制在 100-105 摄氏度。
现象：1:00 开始加热，1:05 微沸，1:06 暴沸，温度为 100 摄氏度。1:15 回流，2:30 停止加
热。
蒸馏时收集了 124-126 的馏分，称得收集的重量为 23.134g,产率为 80.0%，折光率为 1.3939
4）第四组实验：酸醇摩尔比为 1.8:1.0，醇：23ml,酸：26ml,浓硫酸：1.6ml,反应时间：2h，
温度控制在 100-105 摄氏度。
现象：9:46 开始加热，9:54 微沸，9:55 暴沸，温度为 100 摄氏度。9:56 回流，沸腾有间歇，
温度时高时低，11:36 停止加热。
蒸馏时收集了 124-126 的馏分，称得收集的重量为 21.780g,产率为 75.0%，折光率为 1.3943
1.3 用途 常用有机溶剂。检定铊、锡和钨。测定钼和铼。抗生素萃取剂。用扩硝化纤维及漆类的溶剂。 常用作果实的香精，主要配制香蕉、树莓、草莓和奶油等型香精。 1.4 安全储藏 贮于低温通风处，远离火种、热源。与氧化剂、酸碱类等分储分运。禁止使用易产生火花的 工具。 灭火：抗溶性泡沫、二氧化碳、干粉、砂土。
2）第二组实验：酸醇摩尔比为 2.0:1.0，醇：23ml,酸：29ml,浓硫酸：0.1ml,反应时间：2h，
温度控制在 100-105 摄氏度。
现象：1:30 开始加热，1:36 微沸，1:37 暴沸，温度为 100 摄氏度。1:45 回流，沸腾无间歇，，
3:30 停止加热。
蒸馏时收集了 124-126 的馏分，称得收集的重量为 22.813g,产率为 79%，折光率为 1.3942
反应时间对酯化率的影响。从图中可见，反应 1h 时，酯化率达到 68%，随着反应时间 延长，酯化率迅速增加，到 1．5h 时，酯化率达到 81.3%; 随后酯化率增加缓慢，到 3h 时， 酯化率达到最高 84% ，随后反应时间再增加，酯化率基本不变。因此，2.0h 的反应时间已 经可以使反应进行彻底。
表 2-9-2 催化剂用量对生产率的影响(酸醇比 1.8:1.0，时间 2h)
浓硫酸(wt%) 2.4
3.6
4.8
6.0
8.0
产率%
80.7
83.3
83.0
75.0
74.8
表 2-9-2 随着浓硫酸用量的增加, 其酯化率先增加, 到 3. 6% 有最大酯化率, 随之又减小
表 2-9-3 反应时间对产率的影响（醇酸比 1.8:1.0，浓硫酸(wt%)为 3.6%）
2.3 实验原理
反应：
浓H 2SO4
CH3COOH + CH3CH2CH2CH2OH
CH3COOCH2CH2CH2CH3 + H2O
副反应： 2CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2CH2OH
浓H 2SO4 浓H 2SO4
CH3CH2CH2CH2OCH2CH2CH2CH3 + H2O CH3CH2CH=CH2 + H2O
2.实验过程
2.1 实验仪器与药品
表 2-1 实验仪器与药品
实验仪器
实验药品
量筒
乙酸（AR）
电热套
正丁醇（AR）
分水器
浓硫酸（AR）
三口烧瓶
碳酸钠
温度计
硫酸镁
冷凝管
三氯化铁
蒸馏烧瓶
电子分析天平
阿贝折光仪
铁架台
2.2 实验目的
1）掌握共沸蒸馏分水法原理和油水分离器的使用；
2）掌握液Байду номын сангаас化合物的分离提纯方法。
83.3
83.7
2.9.1 实验结果讨论
表 2-9-1 醇比对产率的影响（浓硫酸 3.6%小时）
酸醇比 MOL 1.4：1.0
1.6:1.0
1.8:1.0
2.0:1.0
3.0 84.0
2.2:1.0
产率%
80.2
80.7
83.3
83.0
82.5
表 2-9-1 随着酸醇比的增加, 其酯化率随之增大, 酸醇比为 1. 8:10 时有最大的酯化率
结论：最佳酸醇摩尔比为 1.8:1.0，最佳反应时间 2.0 小时，催化剂的最佳用量质量分数 3.6% 产率为 83.3% 2.9.2 检测数据
样品
第一次样品
第二次样品
第三次样品
第四次样品
折光率
1.3945
1.3942
1.3939
1.3943
2.9.3 检测结果
液体有机物的重要的物理常数之一。它是衡量液体有机物纯度的标志之一，是定性鉴定 的一种手段。折光率比沸点更为可靠，利用折光率不仅可以鉴定未知物，而且可以确定沸点 相近、结构相似的液体混合物的组成。
2）阿贝折光仪 阿贝折光仪的工作原理就是基于光的折射现象和临界角的基本原理设计而成的。在一定
的外界(如温度、压力等)条件下，波长一定的单色光从介质 A 斜射入介质 B 时，要发生折 射现象(如图 1)。根据折射定律，其入射角α与折射角β的正弦之比是一个常数，并且与这两 个介质的折光率 nA(介质 A)、nB(介质 B)成反比。