乙酰水杨酸催化合成条件的研究

2014-12-01黄飞屈飞强任晓琼姚兵孙金余王溪溪黄山学院化学化工学院安徽黄山245041

长江大学学报(自科版) 2014年28期

黄飞，屈飞强，任晓琼，姚兵，孙金余，王溪溪（黄山学院化学化工学院，安徽黄山245041）

乙酰水杨酸，俗称阿司匹林，化学名为2－乙酰氧基苯甲酸，是常用的镇痛、解热、消炎药物，广泛用于治疗伤风、感冒、头痛等。研究表明，乙酰水杨酸可以预防和治疗皮肤粘膜淋巴结综合症、消化道肿瘤等疾病［1］，还可以治疗突发性耳聋、结膜炎、胆道蛔虫等疾病［2］。近年来有关研究发现，乙酰水杨酸和其他非甾体抗炎药对防治老年痴呆症以及肝癌、肺癌、结肠癌、皮肤癌等有较好的效果［3］。在农业上，乙酰水杨酸可以提高农作物的发芽率、减少落花落果、增强抗旱能力、增加产量、延长保鲜期等特殊作用［4］。

乙酰水杨酸经典合成方法是以水杨酸和醋酸酐为原料，在浓硫酸催化下经过O－酰化合成制得。该工艺比较成熟，产率在50%～65%左右，以浓硫酸作为催化剂，不仅副反应多，不利于产品提纯，而且浓硫酸具有强氧化性和强脱水性，对实验设备腐蚀严重，废酸液的排放造成环境严重污染。因此，科研工作者开发了 H6P2W18O62／高岭土［5－6］、WO3／ZrO3固体超强酸［7］、氨基酸离子液体［8］、L－组氨酸［9］、三氟甲磺酸［10］、对甲苯磺酸铝［11］、三氯稀土［12］等一系列新型催化剂和超声波辅助法［13］、微波辐射法［14］等一些新催化合成方法。下面，笔者通过单因素试验法和正交试验法，探究了合成乙酰水杨酸的最佳催化合成反应条件。

1 试验部分

1.1 仪器和试剂

1）仪器 NICOLET－380傅里叶变换红外光谱仪（美国尼高力公司）；WRS－1B显微熔点测定仪（上海精密科学仪器有限公司）；DF－101D集热式恒温加热磁力搅拌器（河南巩义市予华仪器有限公司）；SHZ－DⅢ真空循环抽滤泵（河南巩义市予华仪器有限责任公司）。

2）试剂乙酸酐，水杨酸，草酸，维生素C，三氯化铁，无水乙酸钠，无水碳酸钠，碳酸氢钠，无水乙醇等均为分析纯。

1.2 试验原理

在催化剂的作用下，乙酸酐对水杨酸进行酰化反应合成乙酰水杨酸，其化学反应方程式如下：

1.3 试验方法

称取一定物质的量比的水杨酸和新蒸馏的乙酸酐，与一定量的催化剂一起加入干燥的100ml圆底烧瓶中，置于恒温水浴锅中，反应一段时间，观察试验现象。反应结束后，缓慢冷却至室温，加入适量蒸馏水充分搅拌，使之完全结晶。减压抽滤，用少量蒸馏水洗涤滤渣数次，加入饱和碳酸氢钠溶液至无气体放出，搅拌，过滤除去催化剂等副产物，干燥后得到乙酰水杨酸粗产品。将粗产品用乙醇－水溶液进行重结晶提纯，经干燥后得到白色晶体。称量计算产率，测定其熔点及红外光谱等［15］。

2 单因素试验结果与讨论

2.1 催化剂种类对乙酰水杨酸产率的影响

保持反应温度为70℃，反应时间为60min，水杨酸与乙酸酐的物质的量比为1∶3，分别称取质量相同的无水乙酸钠、草酸、无水碳酸钠、维生素C 4种催化剂进行反应。考察催化剂种类对乙酰水杨酸产率的影响，其结果见表1。由表1可知，催化剂种类对乙酰水杨酸的产率有显著影响，其中草酸的催化效率最高，催化合成乙酰水杨酸的产率最高可达66.7%，无水乙酸钠催化效率最低，无水碳酸钠和维生素C催化效率稍高于无水乙酸钠。4种催化剂相比，草酸作为催化剂时后处理较为简单，且环保无污染，因此笔者选用草酸作为催化剂合成乙酰水杨酸。

表1 催化剂种类对乙酰水杨酸产率的影响

2.2 反应温度对乙酰水杨酸产率的影响

以草酸作为催化剂，保持反应时间为60min，水杨酸与乙酸酐的物质的量比为1∶3，改变反应温度，考察反应温度对乙酰水杨酸产率的影响，结果见表2。由表2可知，反应温度对乙酰水杨酸的产率影响较大，反应温度为70℃时，乙酰水杨酸的产率最高可达87.5%。反应温度在70℃以下时，乙酰水杨酸的产率随着反应温度升高而升高，但是超过70℃时，乙酰水杨酸的产率下降，且反应物中有黄色的副产物。这是因为反应温度较低时，不利于打开分子内的氢键，反应物没有完全参加反应；反应温度较高时，易于发生分子间的缩合反应，导致反应的副产物增多。由此可见，反应温度过高、过低均不利提高乙酰水杨酸的产率。

表2 反应温度对乙酰水杨酸产率的影响

2.3 反应时间对乙酰水杨酸产率的影响

以草酸作为催化剂，保持反应温度为70℃，水杨酸与乙酸酐的物质的量比为1∶3，改变反应时间，考察反应时间对乙酰水杨酸产率的影响，结果见表3。由表3可知，随着反应时间逐渐增加，乙酰水杨酸的产率逐渐升高，当反应时间为60min时，产率达到最高为87.3%。随着反应时间的继续增加，乙酰水杨酸产率反而降低，其原因可能是反应时间过长，导致产物分子间的聚合物增多，致使乙酰水杨酸产率降低。

表3 反应时间对乙酰水杨酸产率的影响

2.4 反应物物质的量比对乙酰水杨酸产率的影响

以草酸作为催化剂，保持反应温度为70℃，反应时间为60min，改变水杨酸和乙酸酐物质的量比，考察水杨酸和乙酸酐物质的量比对乙酰水杨酸产率的影响（见表4）。由表4可知，随着水杨酸和乙酸酐物质的量比的增加，乙酰水杨酸的产率逐渐升高，当水杨酸和乙酸酐物质的量比为1∶3时，乙酰水杨酸的产率达到最高为88.2%。继续增加水杨酸和乙酸酐物质的量比，乙酰水杨酸的产率呈现下降趋势，其原因可能是部分产品溶解于乙酸酐中，造成乙酰水杨酸产率降低。

表4 反应物物质的量比对乙酰水杨酸产率的影响

3 正交试验结果与讨论

根据单因素试验结果，考察催化剂种类、反应温度、反应时间、水杨酸与乙酸酐的物质的量比4种因素对乙酰水杨酸产率的影响。其影响因素和水平表见表5。

为了提高乙酰水杨酸的产量，考察各反应因素对试验的影响情况，设计了4因素3水平的L9（34）正交试验［16］，其正交试验表及结果见表6。

表5 正交试验因素和水平表

3.1 极差分析

表6中的R为各试验因素的极差值，该极差值越大，说明该试验因素对乙酰水杨酸产率的影响越大。由表6极差分析结果可以看出，以合成乙酰水杨酸的产率为考察指标，4种试验因素对合成乙酰水杨酸的影响程度顺序依次为：反应温度（B）＞水杨酸和乙酸酐物质的量比（D）＞催化剂种类（A）＞反应时间（C）。其正交试验最佳合成条件为B2D2A1C2，即反应温度为70℃，水杨酸和乙酸酐物质的量比为1∶3，草酸为催化剂，反应时间为60min，乙酰水杨酸的产率为88.2%。

表6 L9（34）正交试验表及结果

3.2 方差分析

方差分析是用于2个及2个以上样本均数差别的显著性检验。由表7方差分析可得出，反应温度和水杨酸与乙酸酐物质的量比对试验结果影响非常显著；催化剂种类和反应时间对试验结果影响不显著。各因素对试验结果的影响显著性次序为：因素B （反应温度）＞因素D （水杨酸与乙酸酐物质的量比）＞因素A （催化剂种类）＞因素C （反应时间）。由极差和方差分析可以得出，反应温度对催化合成乙酰水杨酸的影响最大，当反应温度为70℃时产率最高；水杨酸与乙酸酐物质的量比对催化合成乙酰水杨酸次于反应温度的影响；催化剂种类和反应时间对催化合成乙酰水杨酸也有影响，但影响不显著；随着反应温度和水杨酸与乙酸酐物质的量比的增加，乙酰水杨酸的产率逐渐增加。

表7 方差分析表

4 产品分析

将氯化铁溶液（质量分数1%）加入提纯后的乙酰水杨酸产品中，无蓝紫色现象出现，说明该产品纯度较高。所得产品经熔点仪进行熔点测试，其熔点为135.4～136.2℃，与乙酰水杨酸的熔点文献值一致［15］。将所得乙酰水杨酸产品用KBr压片法测试其红外光谱，其红外光谱图如图1所示。

从图1可看出，3000～2500cm－1为—COOH特征峰，1755.50cm－1为酯基＝C O伸缩振动峰，1689.48cm－1为羧基＝C O伸缩振动峰，1605.79、1483.73cm－1为苯环＝C C吸收峰，1305.64、1187.46cm－1为羧酸和酯的C—O吸收峰，755.59cm－1为苯环的邻位取代基吸收峰，与乙酰水杨酸标准图谱的吸收峰位置和强度基本一致［15］，由此可以确定合成的白色晶体为乙酰水杨酸。