实验室合成乙酸乙酯的新探索

2010-08-20闻质红

郑州铁路职业技术学院学报 2010年2期

闻质红张岩

(1郑州铁路职业技术学院河南郑州 450052)(2华北水利水电学院河南郑州 450008)

乙酸乙酯是一种重要的有机化合物,可作为溶剂和香料。乙酸乙酯的制备实验是高校有机化学实验的重要内容之一,并且在实验教材中目前仍然采用硫酸催化酯化法来合成。操作步骤复杂,教学实验用时长,此实验后的废液酸性太强,易引起腐蚀。并且硫酸易引起炭化,反应瓶不易洗涤。在实验教学中,我们从绿色环保、简化实验步骤缩短教学实验时间、节约能源和实验试剂的角度出发,采取改装实验仪器和加入无机化合物做催化剂来合成乙酸乙酯,取得了较好的效果。

1 实验

1.1 实验原理

乙酸酯化法是传统的乙酸乙酯生产方法,在催化剂浓硫酸的存在下,由乙酸和乙醇发生酯化反应而得。

反应除去生成水,可得到高收率。该法生产乙酸乙酯属于传统的方法。

1.2 实验方法

1.2.1 用硫酸作催化剂合成乙酸乙酯的实验方法及装置

用硫酸做催化剂的装置见图 1。在 250ml干燥三口瓶里加入 15m l95%C2H5OH,将蒸馏瓶置于冷水中,一边振摇一边分批加入 15m l浓 H2SO4,混合均匀,加入几粒沸石。在三口烧瓶的侧口放一支 200℃温度计,滴液漏斗中放入 15m lC2H5OH和14.3ml冰HAc,混合均匀后装入三口烧瓶中口。温度计水银球和滴液漏斗末端必须浸入到液面下距瓶底 0.5—1cm处,另一侧口连接回流冷凝管、接液管和锥形瓶。由滴液漏斗中滴入瓶内约 3—4m l后将蒸馏瓶隔石棉网小火空气浴加热,使瓶中温度控制在110℃—125℃。当蒸馏瓶口有液体蒸出时再从滴液漏斗中慢慢滴入其混合液,调节加料速度,使蒸出酯的速度大致相等,时间约需 90min。反应温度维持在110℃—125℃之间。滴加完毕,继续加热数分钟,直到反应液的温度升到 130℃时不再有液体馏出为止。得粗乙酸乙酯。加入饱和碳酸钠溶液并不断振荡,直至无二氧化碳气体产生,放置片刻。然后,转入分液漏斗中,放出水层,再经饱和食盐水、饱和氯化钙溶液各洗一次。有机层经无水硫酸钠干燥后进行蒸馏,73℃—78℃收集后得精酯。

图 1 用硫酸做催化剂装置

1.2.2 用硫氢酸钠作催化剂合成乙酸乙酯的实验方法及装置

反应方程式:

用硫酸氢钠做催化剂的装置见图 2。在图 2中100ml圆底烧瓶中分别加入 25ml乙酸、25ml乙醇,1.91g硫酸氢钠,加热回流 60min,冷却后在水浴上加热蒸馏,直至无馏出物馏出为止,得粗乙酸乙酯。然后洗涤、干燥、蒸馏制得精乙酸乙酯。发现其最后产物的产率也可达 80%以上,与 H2SO4作催化剂一样能产生较好的效果。

图 2 用硫酸氢钠做催化剂装置

2 结果讨论

2.1 仪器改进

在实验中制取乙酸乙酯用浓 H2SO4作催化剂,发现存在如下缺点:(1)加料速度要慢,否则易使体系的温度升高,使乙醇挥发,产率降低,使实验时间延长。(2)由于浓硫酸同时具有酯化、氧化、脱水等作用,酯化的同时易导致乙醚、乙烯、二氧化硫、乙醛等副产物产生。另外,若局部过热,硫酸还可使有机溶剂局部碳化,不仅使产率降低,也给产品精制带来许多麻烦。(3)因浓硫酸有强腐蚀性,学生操作不慎易被烧伤,安全性较差。(4)装置使用的是三口烧瓶、滴液漏斗、冷凝管、温度计、仪器较麻烦。(5)加料时间约 90m in。在实验中,由于学生操作水平的原因,滴加较快时,反应体系温度降低,滴加的乙醇来不及参加反应就被蒸了出来,造成乙醇转化率降低,使产率偏低;滴加较慢时,反应温度升高,副反应增加,反应液由棕色变为黑色。温度的控制与滴加速度控制较难统一,造成反应的不稳定,而使反应物转化率低。

改进后的实验是圆底烧瓶上直接连接冷凝管,装置简单,节省时间,水浴上回流 0.5h即可改为蒸馏装置。安全性提高,较改进前节约时间 2小时。整个装置防止了硫酸的碳化,另外先回流后蒸馏有利于反应平衡向产物方向移动,回流装置改为蒸馏装置后,随着粗产物乙酸乙酯的不断蒸出,其反应混合物中的乙醇和乙酸还要进行酯化反应,促使反应继续向平衡右移,使乙酸基本上完全转化,防止了反应物来不及反应而被蒸出。此法存在的缺点是:(1)反应瓶中无温度计,在加热过程中反应物温度的波动不能直观观察;(2)由于是一次性加入反应物,在加热状况下有较多的乙醇处于蒸汽状态下,乙醇的转化率可能降低。

2.2 催化剂的改进

由于目前有机化学实验教材中,反应的硫酸用量普遍偏多,达到乙醇用量的 20—25%,在实验中大量出现乙醇被氧化、碳化的现象。文献上也有许多有关乙酸乙酯合成实验改进的报道,但用无水四氯化锡、二水氯化亚锡、六水三氯化铁等做催化剂,前期准备工作复杂,时间长,也不适于教学实验。综合与查阅文献上的有关资料后,我们认为在实验室中学生乙酸乙酯合成实验的催化剂改用硫酸氢钠能产生较好的催化效果。由于硫酸氢钠是强电解质,硫酸氢根可以电离出来氢离子而使体系显酸性。在反应体系中,硫酸氢钠自身的结晶水能够在催化剂表面电离出氢离子来催化反应,反应生成的水又能使硫酸氢钠电离出更多的氢离子,从而有利于酯化反应的进行。硫酸氢钠价廉易得,使用方便,后处理简单,易分离,减少了设备的腐蚀和环境污染。通过实验,在乙酸乙酯的合成反应中,发现其最后产物的产率也可达 80%以上,与 H2SO4作催化剂一样能产生较好的效果。

表 1是两种催化剂合成乙酸乙酯的实验对比。从表中可看出改进仪器和催化剂后乙酸乙酯合成时间缩短50min,产量虽然减小而产率的转化并没有减少。