乙酰乙酸乙酯制备实验的改进

郑祖彪，韩冰冰，张东东

（黄山学院 化学化工学院，安徽 黄山 245041）

1 引 言

乙酰乙酸乙酯是重要的有机合成原料，在医农药合成、食品及化妆品工业中都有着非常广泛的应用。[1-3]因此乙酰乙酸乙酯的制备无论在理论上还是实际应用中都具有极其重要的价值。鉴于此，乙酰乙酸乙酯的制备成为高等学校有机化学实验教学中的一个重要的实验内容和教学环节。

在目前使用的各种《有机化学实验》教材[4-6]中，乙酰乙酸乙酯的制备方法均为乙酸乙酯的分子间Claisen酯缩合法，即在金属钠与乙酸乙酯中痕量的乙醇反应生成的乙醇钠的催化作用下，乙酸乙酯分子间缩合法。教学实践证明，在按有机实验教材方法进行实验时，具有实验操作过程繁琐、安全性差、反应条件不易控制的缺点，并且一般只能获得20%（以钠计）左右的收率（教材中收率为49%），且失败率高。其中，影响乙酰乙酸乙酯收率的因素主要为钠砂的制备不符合要求和蒸馏过程中产物损失过大[7]。目前，各有机实验教材都基本使用甲苯或二甲苯为溶剂制作钠砂，学生在密封条件下摇钠时，不仅会由于摇震不够充分，导致制备的钠砂不易符合要求，也出现过钠珠冲出或爆炸的事故，造成了不可挽回的损失。以上问题在很大程度上降低了学生对有机实验的积极性，影响了教学效果。汪庆华等改进后以二甲苯为溶剂，将冷凝管和圆底烧瓶一起形成摇震的敞开体系[8]，降低了圆底烧瓶爆裂的风险，但由于钠的熔点较高（98℃），学生仍有烫伤的可能。吴禄勇等借助磁力搅拌器的机械作用在常压下制备钠砂，提高了实验安全系数，但乙酰乙酸乙酯的收率仅为28-31%[9]；黄晓等以苯为反应溶剂，将乙酰乙酸乙酯的收率提高至56.2%[10]，然而苯、甲苯或二甲苯等芳烃类有机溶剂由于毒性较大，不宜作为学生实验的反应介质，易伤害学生身体和造成环境污染，不符合有机实验绿色化的要求[7]。因此，周淑晶等用KOH为催化剂，同时使用相转移催化剂TEBA催化乙酸乙酯缩合制备了乙酰乙酸乙酯，避免了钠砂制作过程中的安全性问题，操作简便，但乙酰乙酸乙酯的收率仅为23.7%[11]。喻国贞等以KF-Al2O3为催化剂[12]，在室温条件下以68%的收率获得了乙酰乙酸乙酯，但该催化剂的成本较高。

本文在对《有机化学实验》教材叙述的乙酰乙酸乙酯的制备方法进行分析的基础上，对实验过程进行适当的改进，以获得操作简便、容易控制、安全性好且收率较高的适合学生的实验方法。

2 乙酰乙酸乙酯的制备方法分析

教材中叙述的乙酰乙酸乙酯的制备方法是通过含α-活泼氢的乙酸乙酯在强碱性试剂Na存在的条件下，与另一分子乙酸乙酯发生Claisen酯缩合反应，生成β-羰基酸酯[4]。虽然反应中使用金属钠作缩合试剂, 但真正的催化剂是钠与乙酸乙酯中残留的少量乙醇作用产生的乙醇钠。

制取乙酰乙酸乙酯反应机理为：

1.酸碱交换

首先，从以上反应机理可知，乙酸乙酯必须要严格无水，且应有一定量的乙醇存在，否则Claisen酯缩合反应不能发生；

第二，酯缩合反应中真正起到催化作用的为钠与痕量乙醇反应生成的乙醇钠，因此钠砂的质量决定了反应的速率；取钠、摇钠和反应过程中产生的H2使反应存在着安全隐患；

第三，实验中使用苯、甲苯或二甲苯作为反应介质，很容易造成身体伤害和环境污染；

第四，由于乙酰乙酸乙酯分子中亚甲基上的氢比乙醇的酸性强很多（PKa=10.65），反应后实际得到的为乙酰乙酸乙酯的钠化物，且为不可逆反应，后处理时必须用酸（如醋酸）酸化，才能将乙酰乙酸乙酯游离出来。

第五，乙酰乙酸乙酯进一步提纯时采用减压蒸馏的方法。学生在实验的最后阶段减压蒸馏得到的产品常比教材给出的数据低，沸程长，且大部分学生达不到教材规定的产率[10]。

3 实验部分

3.1 实验试剂与仪器

乙酸乙酯：分析纯，未经进一步纯化；

甲醇钠、乙醇钠、叔丁醇钠：市售分析纯；

FTIR仪：VECTOR-22Bruker公司；

气相色谱仪：GC2014，岛津公司；

旋转蒸发器：RE-52AA，上海亚荣生化仪器厂。

3.2 实验步骤

称取醇钠（甲醇钠、乙醇钠或叔丁醇钠）0.22mol加入250mL三颈瓶中，加入乙酸乙酯88g（98mL，1mol），搭好回流装置，在设定温度下反应2h，稍冷后，在搅拌条件下滴加50%的醋酸溶液至体系呈弱酸性；将溶液转移至分液漏斗中，分去水层，有机层用饱和食盐水洗涤3次，无水硫酸钠干燥，过滤，水浴40℃旋转蒸发器减压旋除乙酸乙酯，水泵减压蒸馏，收集产物。称量，计算产率。产品进行气相色谱和红外色谱检测分析。

4 实验结果与讨论

4.1 催化剂的类型对反应的影响

针对以上实验中存在的问题，我们首先改变催化剂的种类，直接以醇钠为催化剂。因此乙酰乙酸乙酯的制备实验可简化为两个步骤：第一步，称取一定量的市售醇钠为催化剂，制备乙酰乙酸乙酯；第二步，减压蒸馏，收集产品。

首先，考察了乙醇钠为催化剂对反应的影响（见表1，编号1）。乙醇钠代替钠为催化剂，在反应体系微沸的条件下（76-78℃）反应2h，经减压蒸馏后，以69%的收率获得了乙酰乙酸乙酯，优于有机化学实验教材中49%的收率。这可能是由于粉末状乙醇钠固体有着比粒状钠砂更大的比表面积，因此与乙酸乙酯的接触更充分，使得反应也更完全。在此基础上，进一步考察其它类醇钠对乙酸乙酯的酯缩合反应的影响，实验结果见表1。由表1可知，催化剂醇钠的碱性大小对该反应有很大的影响，在相同的条件下，以碱性较弱的甲醇钠为催化剂时，乙酰乙酸乙酯的收率由69%降为55%，但仍高于教材中的收率（49%）；选用强碱叔丁醇钠为催化剂时，乙酰乙酸乙酯的收率由69%升到73%，可能是由于叔丁氧负离子有较大的位阻，因此，对乙酰乙酸乙酯的收率影响不大。

表1 催化剂的类型对反应的影响

4.2 反应温度对反应的影响

在有机化学实验教材中乙酰乙酸乙酯的制备实验，反应温度多为乙酸乙酯的回流温度(77℃)。由于乙酰乙酸乙酯在较高的温度加热时，会分解产生去水乙酸，导致收率降低。因此，反应温度对反应的影响也被进一步考察，结果见表2。分别以甲醇钠、乙醇钠或叔丁钠为催化剂，当反应温度为40℃时，乙酰乙酸乙酯的收率均较低，分别为28%、37%和49%；当升高反应温度至60℃时，乙酰乙酸乙酯的收率均上升，分别达到了55%、69%和74%；继续升高反应温度至70℃时，其收率没有明显变化。因此，以钠醇为催化剂，催化乙酸乙酯进行Claisen缩合制备乙酰乙酸乙酯较优的反应温度为60℃。

表2 反应温度对反应的影响

4.3 蒸馏方法的改进

在此反应中，影响乙酰乙酸乙酯收率的另一个重要因素是减压蒸馏。由于乙酰乙酸乙酯常压蒸馏时很容易分解而使收率降低, 故常采用减压蒸馏的方法进一步提纯。在多年的教学实践中，发现学生最后减压蒸馏收集产品的沸点低、沸程长、收率低（相比教材）。究其原因，乙酰乙酸乙酯在常温或减压蒸馏温度下不是一个纯的物质，而是酮式（bp：41℃/266Pa）与烯醇式(bp：33℃/266Pa)的平衡混合物（图1）[4]，且沸点相差较小。因此，减压蒸馏时同时获得了两者的混合物，具有沸点低、沸程长的特点[8]。也正因如此，学生很容易收集较多的前馏分，导致收率偏低。另外，乙酰乙酸乙酯放置的时间较长或蒸馏时加热过久都会使其分解产生去水乙酸[4]，降低产量。因此，在本实验中，减压条件下使用旋转蒸发器，在较低的温度（40℃）下先充分除去未反应的乙酸乙酯，然后进行减压蒸馏，收集产品。该方法不仅可以缩短除去乙酸乙酯的时间, 而且还能将其基本除尽，从而减少在沸水中常压除溶剂时产生的副产物，减少前馏分，为进一步减压蒸馏获得较纯的乙酰乙酸乙酯创造了有利的条件。

图1 乙酰乙酸乙酯的互变异构

4.4 产物的气相色谱分析

对实验所得的产物进行了气相色谱分析,得到气相色谱图，如图2。在t=3.921和4.553min两气相色谱峰分别对应的产物乙酰乙酸乙酯的烯醇式和酮式，其GC含量如表3。

图2 产物的气相色谱图

表3 产物的气相色谱数据

4.5 产物的红外光谱分析

图3 乙酰乙酰乙酯样品的红外谱图

图3红外谱图中2984cm-1为甲基中νC-H吸收峰；1738cm-1和1711cm-1，酮式乙酰乙酸乙酯的酯νC=O和酮νC=O最强峰；1647cm-1，烯醇式乙酰乙酸乙酯的νC=C吸收峰；烯醇式乙酰乙酸乙酯的νC=O吸收峰，由于烯醇式形成的分子内氢键[13]，向低波数位移至 1620cm-1处，而且强度明显减弱[14-15]；1240cm-1和1148cm-1分别为烯醇式和酮式δC-O-C吸收峰。

5 实验结论

本文对大学有机化学实验中乙酰乙酸乙酯的制备方法进行改进，直接以醇钠代替钠为催化剂和改变蒸馏方式，避免了诸多问题如钠容易氧化、产率低、实验的安全性等。实验证明在相对较温和的条件下，分别选择甲醇钠、乙醇钠及叔丁醇钠作为催化剂，并改进后处理的方法，乙酰乙酸乙酯的收率均优于教材的实验结果，其中以叔丁钠为催化剂时，产率可达到74%，明显地提高了反应收率和实验的安全系数。在实验中，学生可分组选择不同类型的催化剂进行实验，并进行比较，加深对Claisen酯缩合反应的理解，从而有效地提高实验课的教学效果。

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