微波辐射合成乙酸异戊酯的工艺研究

陈 湘， 冯 巧， 胡继勇

（河南城建学院 化学与材料工程学院，河南 平顶山 467036）



微波辐射合成乙酸异戊酯的工艺研究

陈 湘， 冯 巧， 胡继勇

（河南城建学院 化学与材料工程学院，河南 平顶山 467036）

摘 要：微波辐射下以乙酸与异戊醇为原料，硫酸为催化剂合成出乙酸异戊酯，经红外光谱等表征产物是乙酸异戊酯。考察了微波作用时间、异戊醇和乙酸的摩尔比和微波功率对反应产率的影响；还通过L9(34)正交试验，确定合成乙酸异戊酯的最佳条件是异戊醇和乙酸的摩尔比为1∶3.0、微波作用时间14 min、微波功率500 W；在最优条件下的重复实验，平均产量92.6%，实验重复性好，收率较高。

关键词：乙酸异戊酯；微波辐射；正交实验；产率

乙酸异戊酯（isoamyl acetate）具有香蕉和梨的香气，可用作无烟火药、喷漆、橡胶等的溶剂[1-3]，也可用于配制香蕉、梨、苹果、草莓、葡萄、菠萝等多种香型食品香精，配制香皂、洗涤剂等所用的日化香精及烟用香精；还用于香料和青霉素的提取、织物染色处理等。在合成乙酸异戊酯的过程中，传统的加热方式使反应时间较长，且加热不均匀，影响产品的产率。

近年来，人们都在不断地改进合成方法；微波辐射是有机合成的一项新技术，与传统的加热方式相比，微波辐射对酯化反应具有加热快，受热均匀等显著特点[4-5]，且能明显提高产品的产率。本文采用微波辐射取代传统的外加热的方式，研究合成乙酸异戊酯的最优条件。考察了微波作用时间、异戊醇和乙酸的摩尔比和微波功率对反应产率的影响，再通过L9(34)正交试验，确定合成乙酸异戊酯的最佳条件，最后重复验证最优条件。

1 实验

1.1 试剂与仪器

乙酸（36 %）为国产化学纯试剂，无水碳酸氢钠、浓硫酸、氯化钙、氢氧化钠、饱和氯化钠溶液、无水硫酸镁、异戊醇（99.5%）均为国产分析纯试剂，沸石。

XH-100A型带回流装置电脑微波催化/合成萃取仪，北京祥鹄科技发展有限公司；电子天平，分度值0.1 mg，上海天平仪器厂；WRS-IA数字熔点测定仪，上海物理光学仪器厂；WZS-1阿贝折射仪；Bruker Tensor 27 IR 红外光谱仪。

1.2 实验方法

在干燥的100 mL圆底烧瓶中加入适量异戊醇和乙酸，振摇下缓慢加入催化剂和少许沸石。安装带有搅拌器的回流装置，置于微波炉内（如图1所示）。在一定的微波功率下，不断搅拌反应一段时间后，冷却，蒸馏出粗产品。将粗产品转入分液漏斗中，依次水洗、10% NaHCO3洗两次和饱和NaCl洗涤。洗涤后的产物放于锥形瓶中用无水MgSO4干燥，静置。将干燥后的产物蒸馏，收集137～143℃馏分产品，计算产率。用阿贝折射仪和红外光谱定性分析。

图1 带回流的微波反应装置

2 结果与讨论

2.1 合成的乙酸异戊酯的表征

合成的乙酸异戊酯为无色透明的液体，有浓郁水果气味，测定的折光率为，与文献值[6]相符。

对合成的乙酸异戊酯进行红外光谱分析，结果如图2所示。由图2可知， 2960.70 cm-1是烃基C-H伸缩振动峰，1743.02 cm-1是酯羰基C=O的伸缩振动峰，1242.48 cm-1是乙酸酯基中C-O伸缩振动峰，1388.62 cm-1和1367.66 cm-1是异丙基伸缩振动峰，图中无羟基吸收峰。其谱图与红外光谱仪随机谱库中乙酸异戊酯的标准谱图一致。

图2 乙酸异戊酯红外光谱图

图3 微波时间对产率的影响

2.2 单因素试验条件对产率的影响

2.2.1微波作用时间对产率的影响

乙酸和异戊醇的醇酸摩尔比为1∶3.0，浓硫酸用量0.23 mmol/L，变化微波作用反应时间，得到微波作用反应时间对产率的影响，结果如图3所示。由图3可知，随着反应时间的不断增加，产率先增大后减少。这是由于反应初期，反应物浓度较大，随着反应的不断进行，产率不断增大，但时间过长，副反应逐渐增加，产率会有所下降。所以选定微波的最佳时间为12 min。

2.2.2醇酸摩尔比对产率的影响

浓硫酸用量0.23 mmol/L，微波作用反应时间12 min，变化乙酸和异戊醇的醇酸摩尔比，得到醇酸摩尔比对产率的影响，结果如图4所示。由图4可知，随着反应醇酸摩尔比的增大，产率先增大后减小，当醇酸摩尔比升高到1∶3.0时，产率达到最大84.2% 。主要原因是酯化反应是可逆反应，逐渐加大反应物乙酸的量，使反应不断向生成酯的方向进行，当酸的量过大时，酯在酸性条件下发生水解，反应逆向进行加快，同时，醇的浓度也被稀释了，所以产率会降低，所以反应的最醇佳酸摩尔比为1∶3.0。

图4 醇酸摩尔对产率的影响

图5 微波辐射功率对产率的影响

2.2.3微波辐射功率对产率的影响

乙酸和异戊醇的醇酸摩尔比为1∶3.0，浓硫酸用量0.23 mmol/L，微波作用反应时间12 min，改变微波辐射功率，得到微波功率改变对产率的影响，结果如图5所示。由图5可知，随着微波辐射功率增大，反应速率加快，产率前增加后减少。这是由于物料用量一定，辐射功率过大时，容易使反应混合物炭化而降低产物的产率。所以，微波辐射功率选为600 W。

2.3 正交试验考察最佳合成条件

在上述单因素试验的基础上，选定醇酸摩尔比（A）、微波时间（B）和微波功率（C）为考察因素，按照L9(34)设计实验，以乙酸异戊酯酯产率为指标进行实验，确定最佳的合成工艺条件，因素水平如表1所示，结果如表2所示。

由表2可看出，合成乙酸异戊酯的最佳工艺条件是A2B3C1，即醇酸摩尔比为1∶3.0、微波时间14 min、微波功率500 W，由正交实验的极差R分析可看出，条件对合成乙酸异戊酯影响的主次顺序为A＞B＞C，即醇酸摩尔比＞微波时间＞微波功率。

表1 试验因素与水平表

表2 正交L9(34)试验结果

将实验结果进行方差分析，得到表3。从表3可以看出，料液比对乙酸异戊酯的合成有显著性影响，微波时间和微波功率影响不显著。

表3 方差分析表

2.4 优化条件验证实验

在此优化条件下重复实验5次，结果如表4所示。

由表4可知，实验重复性好，结果稳定，平均产率92.6 %，产率较高，说明实验所得的优化条件是可靠的。

3 结论

1）在无溶剂条件下，以硫酸为催化剂微波加热可以大大加快酯化反应的速率，且该方法反应时间短、操作简便，避免了使用带水剂等造成的一系列负面影响，是一个环境友好、经济的方法。

2）通过正交试验，确定在微波作用下，合成乙酸异戊酯的最佳工艺条件为醇酸摩尔比＝1∶3.0、反应时间为14 min、微波功率为500 W。

3）在最佳条件下的重复实验，实验重复性好，收率较高，平均产量92.6%。

参考文献：

[1] 孙宝国, 何坚. 香料化学与工艺学[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004.

[2] 侯金松. 微波辐射催化合成乙酸异戊酯[J]. 应用化工, 2013, 42(4): 677-682.

[3] 马世昌. 有机化合物辞典[M]. 西安: 陕西科学技术出版社, 1988.

[4] 金钦汉. 微波化学[M]. 北京: 科学出版社, 1999.

[5] 兰翠玲, 杨汉雁, 吴天元. 微波辐射下乙酸异戊酯合成条件研究[J]. 广西科学, 2004, 11(3): 230-232.

[6] 周公度. 化学辞典[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004.

Study on Synthesis of Isoamyl Acetate under Microwave Irradiation

CHEN Xiang, FENG Qiao, HU Ji-yong
（School of Chemistry and Materials Engineering, Henan University of Urban Construction, Pingdingshan 467036, China）

Abstract:Under microwave irradiation isoamyl acetate was synthesized with acetic and isoamylol as raw materials, sulfuric acid as the catalyst. According to the single-factor experiment, the method of orthogonal design (L9(34)) was adopted to determine the optimum conditions. The optimum conditions were as follows: the mole ratio of isoamylol and acetic was 1∶3.0, microwave time was 14 min, microwave power was 500 W. The experiments were repeated under the optimum conditions, it was showed that the experiment had good reproducibility and high yield, and the average yield was 85.0%. The product was characterized by IR.

Key words:isoamyl acetate; microwave irradiation; orthogonal test; yield

作者简介：陈 湘（1980~），女，讲师，硕士；主要从事物质合成、天然物提取分离的研究。hncjcx@163.com

基金项目：河南省高等学校青年骨干教师资助项目（2013GGJS-175）。

收稿日期：2015-10-26

文章编号：1009-220X(2016)01-0020-05

DOI:10.16560/j.cnki.gzhx.20160101

中图分类号：TQ 225.1

文献标识码：A