优化分馏柱在有机合成中的应用

王陆瑶，李 璐，张炳森，郑婷婷

（首都师范大学化学系，北京 100048）

优化分馏柱在有机合成中的应用

王陆瑶，李 璐，张炳森，郑婷婷

（首都师范大学化学系，北京 100048）

有机合成中副反应、副产物对反应收率有很大影响，减少副反应、副产物是提高产率的重要方法。该文设计制作了一种优化分馏柱，制作简便，分离效率高，可将沸点接近的产物／副产物从反应体系中分离，推动平衡正向进行，提高产率。将优化分馏柱用于5－羟甲基糠醛和乙酸乙酯的合成中，与普通合成方法对比，结果表明，优化分馏柱降低了能耗，有效分离了副产物，提高了产品纯度，增加了产率。

优化分馏柱；5－羟甲基糠醛；乙酸乙酯；有机合成

有机合成中，常伴有副反应的发生、副产物的生成。随着副反应、副产物的生成，妨碍了化学平衡的正向进行，导致反应不完全。另外，某些反应中产物在副产物中不断分解，生成其他副产物，给后续的分离纯化带来困扰［1－3］。为解决上述问题，生产中通常采用以下方法来提高产率：（1）控制反应条件，改变投料顺序，减少副反应；（2）使用催化剂，降低活化能，增加反应专一性；（3）从体系中分出产物／副产物，促进反应向正向移动。其中方法1和方法2的生产流程变动较大，成本增加。方法3从体系中分出产物／副产物，与现有设备兼容性强，成本低廉，是最常用的方法［4－6］。分离产物／副产物的方法包括蒸馏法、分馏法、分水法等，通常情况下都能取得较好效果。但若产物／副产物与溶剂沸点接近（≤30℃），或有共溶共沸现象，上述方法就不能有效分离产物／副产物，给工业生产造成很大困扰。为此，我们设计了一种优化分馏柱，以直形冷凝管为模板，管壁内填充惰性填料，增加气液平衡表面积，提高分离效率，有效分离体系中的反应物、产物／副产物和溶剂，促进平衡正向移动，提高产率。本文将此优化分馏柱用于“5－羟甲基糠醛的合成”和“乙酸乙酯的合成”实验中，并与常规方法比照，结果表明，该法降低了能耗，有效分离了副产物，提高了产品纯度，增加了产率。

1 5－羟甲基糖醛及乙酸乙酯的合成

5－羟甲基糠醛（又名5－羟甲基－2－呋喃甲醛，简称5－HMF）是一种暗黄色针状结晶，具有甘菊花味，易吸湿，易液化，需避光低温密封保存。5－HMF可通过生物质发酵的下游产品，如纤维素、果糖、葡萄糖等制备，原料储备丰富，价格低廉。且5－HMF含有醛基和羟基，性质活泼，可发生氧化、酯化、聚合等多种反应，是一个良好的合成平台，可用于高分子材料、医药中间体、聚合树脂等多种化工产品的生成加工［7－9］。目前较常用的合成工艺，通过果糖、葡萄糖等在二甲亚砜（DMSO）作用下加热脱水关环制备5－HMF。反应中不仅生成了5－HMF，也生成副产物水。5－HMF可在水中继续反应，分解成乙酰丙酸和甲酸，随着反应时间的增加，副产物、副反应增多，产物复杂，产率低下。所以，5－HMF虽有广阔的应用前景，但低下的生产效率、昂贵的价格成为它发展的瓶颈［10－11］。寻找便捷高效、产率提高，适合大规模工业生产的工艺引起了人们的广泛关注［12］。5－HMF的合成及分解路线见图1。

图1 5－HMF的合成路线及副产物的生成

分析上述路线发现，反应体系中包括果糖、二甲亚砜（DMSO）、5－HMF和水等物质。DMSO沸点189℃，H2O沸点100℃，DMSO和H2O互溶不共沸。H2O在反应体系中沸点最低，若能将副产物水及时从体系中分离，则可减少5－HMF在水中的分解，减少副反应、副产物。此外，分出副产物（水）可促进平衡正向进行，提高果糖转化率，提高目标化合物产率。但DMSO和水互溶，普通的分馏难以达到预期效果。本文拟将优化分馏柱用于5－HMF的合成中，准确分离副产物水，提高反应收率。

本文还拟将优化分馏柱用于乙酸乙酯的合成中。酯化法是合成乙酸乙酯最为经典的方法，也是高等院校化学化工专业实验课的重要教学内容。酯化法以乙醇和冰醋酸为原料，浓硫酸为催化剂，加热脱水生成产物［13］。合成路线如下：

若反应温度过高，则存在如下副反应：

酯化和水解是可逆反应。可通过使用过量乙醇（投料比约为2∶1）；或在过程中不断蒸出乙酸乙酯－水共沸物，促使平衡正向进行，提高产率［14］。教学实验中乙酸乙酯的产率较低，多为30%～40%。主要因为体系存在大量硫酸、升温快、控温难，蒸出乙酸乙酯－水共沸物（70～71℃）的同时，也带出了部分反应物乙醇（沸点78℃）和乙酸（沸点117℃），致使反应不完全，产率下降。“乙酸乙酯的合成”实验改进方法较多［1518］，本文中使用了优化分馏柱，准确分离乙酸乙酯－水共沸物，将反应物乙酸和乙醇留在体系中，提高产率。

2 仪器设备

日本岛津气相色谱－质谱联用仪GCMS－QP2010 Plus，LC－10ADvp泵，PTV－2010进样器，Rtx－5ms毛细管色谱柱（0．25mm～30m）。柱温：80℃，进样口温度：250℃，离子源温度：230℃，接口温度：280℃。另有：Mercury 600MH核磁共振仪，Tensor 27红外光谱仪，申光牌WYA阿贝折射仪，德天佑DTY－10B超级恒温循环水浴，中兴伟业HJ－6型电热套。

3 优化分馏柱结构与原理

优化分馏柱（见图2）以直形冷凝管为模板，在冷凝管内填充惰性填料（玻璃珠等），增加气液两相交换表面积，玻璃夹层中通入循环热水作为保温热源，降低能耗，减少混合物气相组分上升散失的热能。增加保温热源后，反应无需过度加热，就能够把乙酸乙酯－水共沸物蒸出体系，促进平衡正向进行。循环热水由超级恒温水浴提供，水温根据需要调节，一般低于馏出物沸点10℃左右。“5－HMF的合成”中，使用循环热水的温度为90℃，“乙酸乙酯合成”中使用65℃的循环热水。循环热水的使用降低了反应能耗，确保在较低反应温度下，气相组分能够经过多次气液平衡，到达蒸馏头顶部，实现不同沸点化合物的分离。若无循环热水，或循环水温度较低，则需要较高反应温度，给体系带来不可预期的副反应，副产物，减低产率。

4 实验

4．1 5－HMF的合成

图2 优化分馏柱

用优化分馏柱法（方法1）和回流加热法（方法2）分别制备5－HMF，然后通过核磁共振和红外光谱仪对产品结构进行确证。三颈瓶中加入18g果糖和200 mL DMSO，三颈瓶一侧接优化分馏柱（方法1），回流冷凝管（方法2）一侧插入温度计检测反应温度，中间安装机械搅拌装置，逐步升温到160℃，分馏柱（方法1）中不断有液体蒸出，回流管（方法2）中出现回流现象。4h后停止反应，减压除溶剂，剩余物用乙酸乙酯20mL提取3次，合并提取液，无水硫酸镁干燥，蒸除乙酸乙酯后残余固体用无水乙醚重结晶，真空干燥得5－HMF，测得熔点为32～34℃。测得红外谱：3 349 cm－1处为OH的伸缩振动，3 100～3 000cm－1处为C＝C—H的伸缩振动，2 921cm－1处为和2 853cm－1处为—CHO的CH振动，1 676cm－1处为—CHO的伸缩振动，1 032cm－1处为酯环醚C—O—C振动，IR谱图与标准图谱一致。测得核磁共振谱（CDCl3）得到化学位移δ：9．50（s，1H，羟基氢），7．16（d，1H，呋喃环氢），6．47（s，呋喃环氢），4．66（s，2H，亚甲基氢），3．65（s，1H，醛基氢）；MS：126（M＋）。

4．2 乙酸乙酯的合成

用优化分馏柱法（方法1），韦氏分馏柱法（方法2）和经典蒸馏法（方法3）分别制备乙酸乙酯，然后通过气质联用和阿贝折射仪对粗产品纯度、产品纯度和产品产率进行考察。三颈瓶中加入5mL乙醇，晃动下慢慢加入6mL浓硫酸并加入几粒沸石。三颈瓶的一侧插入温度计，一侧接优化分馏柱（方法1）、韦氏分馏柱（方法2）和蒸馏装置（方法3），中间安装滴液漏斗，内放6．5mL乙醇和6mL冰醋酸混合物，滴入混合液1．5～2mL后，升温到110～120℃，滴加余下液体。加热15min升温至115～125℃，不再有液体馏出时停止反应。粗产品用气质联用检测各组分含量，之后依次用饱和碳酸钠溶液、饱和氯化钠溶液、饱和氯化钙溶液洗涤，有机相用无水硫酸镁干燥。蒸馏粗产品，收集73～78℃后得到最终产品，用阿贝折射仪测折光与标准品比对，确定产品纯度。

5 结果与讨论

5．1 5－HMF的产率

5－HMF合成中，产率见表1。如表1所示，方法1的产率（65%）高于方法2的产率（38%），说明优化分馏柱在提高反应收率中发挥了一定作用。优化分馏柱的作用体现在2个方面：（1）及时蒸出副产物水，减少5－HMF的分解，副反应减少，产率提高；（2）提高反应温度，果糖脱水是吸热反应，高温利于反应正向进行。方法1中及时分出了副产物水，提高了高沸点化合物DMSO的浓度，可达到150℃的反应温度；方法2中DMSO吸收了副产物水，浓度降低，沸点降低，反应温度只能达到135℃。持续高温也是提高反应收率的重要原因。

表1 5－HMF合成实验的反应温度和产率

5．2 乙酸乙酯的产率

乙酸乙酯的合成中，反应温度、产品折光率nD（nD为20℃下测得）及产率见表2。如表2所示，方法1的产率最高（75%），产品折光率为1．371 4，与乙酸乙酯标准品（德国Merck公司出品，光谱纯）1．372 7最接近，说明纯度最高。方法2反应温度（115～125℃）高于方法1和方法3，这是因为方法2中韦氏分馏柱保温差，气相组分上升中能耗大，需要较高温度才能使气相组分到达分馏柱顶部。体系过热，副反应增加，未参加反应的乙酸也被蒸出，产率降低。方法3使用普通蒸馏装置，能耗小，但分离效果较差，产品纯度较低。粗产品的组分分析见表3，表3中t表示保留时间，c表示组分的摩尔百分数。

表2 乙酸乙酯合成实验的反应温度、折光率及产率一览表

表3 各组实验粗产品组分含量分析

通过气质联用对反应粗产品（馏出液）进行分析，得到3组粗产物中都含有乙酸乙酯、水和乙酸，方法1的粗产品中乙酸含量为5．65%，说明体系中94%以上的乙酸发生了酯化反应，反应收率最高（75%）。方法2粗产品中乙酸含量最高28．61%，由于韦氏分馏柱能耗高，导致反应温度升高，乙酸被不断蒸出，收率降低（48%）。方法3中没有使用分馏柱，部分乙酸被蒸出（22．50%），收率降低（55%）。从表3可推断，乙酸乙酯的收率取决于参加酯化反应的乙酸质量。

6 结束语

本文设计制作了一种优化分馏柱，能够准确分离产物／副产物，促进反应平衡正向进行，提高反应收率；通过改变循环水温度，调节填充材质，应用于不同反应类型。该优化分馏柱不仅适用于“5－羟甲基糠醛的合成”和“乙酸乙酯的合成”中，还适用于其他有机可逆合成的生产实践中。为降低有机化工原料的生成成本、提高反应的收率，提供了一条成本低廉、简便有效的思路和方法。

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Application of modified fractionating column in organic synthesis

Wang Luyao，Li Lu，Zhang Bingsen，Zheng Tingting
（Department of Chemistry，Capital Normal University，Beijing 100048，China）

Side reactions and by－products have a great influence on the yield in organic synthesis．A modified fractionating column is designed and made．The column can separate the by－products from the synthesis system efficiently，promote the reaction and improve the yield．The modified fractionating column is used in the synthesis of ethyl acetate and 5－HMF．Both reactions get higher yield with the simpler purified procedure．

modified fractionating column；5－HMF；ethyl acetate；organic synthesis

06－33

B

1002－4956（2015）3－0053－04

2014－07－07

北京市中青年骨干教师项目（2010）；首都师范大学实验室开放基金项目

王陆瑶（1971—），女，河北滦南，博士，副教授，研究方向为有机化学及教学．

E－mail：xdwly＠163．com