有机合成实验的“与时俱进”性探讨—固体酸催化剂的应用*

马祥梅，王　斌

(安徽理工大学化学工程学院，安徽　淮南　232001)



有机合成实验的“与时俱进”性探讨—固体酸催化剂的应用*

马祥梅，王斌

(安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南232001)

与时俱进是高校实验教学改革的一个重要切入点，就是要随着时代和实践的不断发展而调整自身的实验内容、方法和手段等。固体酸具有不产生环境污染、绿色环保、反应时间短、产品收率高以及可在较宽的温度范围内使用等优点，在酸性催化剂领域具有广阔的应用前景，在高校有机化学合成实验中加以应用，能够培养学生良好的思维品质和创新能力，同时也可促进化学实验教学水平的提高。

固体酸；催化剂；有机合成实验；与时俱进

催化剂在化学工业中占有极其重要的地位，化学工业上的重大变革和技术进步大多都是因为新的催化材料或催化技术的应用。催化剂在有机合成实验中有着广泛使用，在有机化合物的开发与利用，环境保护与提高经济效益都有极大的发展前景，尤其是绿色化学的提出，促使化学工作者对新型催化剂的研究更加重视。高校有责任和义务做化学化工行业“责任关怀”理念的先行者。结合创新型化学实验平台建设的需要，在高校的有机化学实验中应注重新型催化剂的应用。有利于激发学生学习化学的积极性，培养学生良好的思维品质和创新思维能力。

有机化学实验是化学、化工、材料、环境、医药等专业的一门重要基础课程，随着有机化学研究和应用的发展，相关课程内容的更新对有机化学实验提出了新的要求。目前，一些高等学校的有机化学实验普遍存在着教学内容老化、实验内容更新较慢，部分合成实验反应时间较长，试剂污染严重，反应原料消耗大等一些问题，这与我们日益增强的环保意识相违背，因此，提高有机合成实验的产率和实验的绿色化是有机化学实验与时俱进的重要突破点。

无机强酸或强碱是有机化学实验经常使用的催化剂，这些催化剂共同的缺点是对设备存在腐蚀性，对人身安全存在危害性，同时易产生废弃物污染环境。固体酸克服了液体酸催化的很多缺点，是酸催化研究的重大转折。它具有良好的选择性催化、与产品分离简单易操作、较低的腐蚀性、优越的回收循环使用等优点。在有机合成的酯化反应、硝化反应、酰基化反应和醇羟基的保护反应中都能够起到很好的催化作用，是一类环境友好型催化剂，实现了反应的绿色化，但在目前的高校有机实验教材中却鲜有应用。

1　固体酸简介

2　固体酸催化剂在有机合成实验中的应用

2.1在酰基化反应中的应用

传统的酰基化合成反应由于液体酸催化剂的强腐蚀性和剧毒性，以及反应产生的大量废渣难以处理而污染环境，实际生产中绝大多数此类装置都已停产。乙酰水杨酸又称阿司匹林(Aspirin)的制备是高校有机化学的一个重要实验内容。其经典的合成方法是以水杨酸和乙酸酐为原料在硫酸催化下经酰化反应制备[1]。此法虽然工艺成熟，但副反应多，产率在60%左右且产品品质不好，设备腐蚀严重，同时产生大量废液污染环境。因而利用固体酸催化合成阿司匹林的绿色工艺路线受到了广泛重视。其中适合实验室和工业化生产的温和条件是以水杨酸和乙酸酐为原料，用碳基固体酸催化合成，反应的最佳条件为：n(乙酸酐):n(水杨酸)=1.5:1，催化剂用量为水杨酸质量的5.8%，控制加热温度为76～80 ℃，反应25 min，收率可达82.1%，催化剂重复使用5次，收率仍高达78.2%[2]。而同样的原料，以负载型杂多固体酸为催化剂，只需反应15 min，产率就可达94.2%[3]。又如重要的医药中间体2-乙酰噻吩的合成，传统的制备方法是以噻吩与乙酸酐为原料，在85%磷酸催化下反应，同样存在磷酸腐蚀设备、污染环境等问题。而以CT-175树脂固体酸为催化剂，在80 ℃，n(乙酸酐):n(噻吩)=3:1的条件下，产率接近100%[4]。显然，固体酸催化在发展对环境友好的绿色化学学科中起到了关键的作用。

2.2在硝化反应中的应用

2.3在酯化反应中的应用

以无机酸作为催化剂使用最多的是酯化反应，由于是可逆反应，产率较低。但同样条件下，使用固体酸ZrO2/SiO2作为催化剂，在催化乙酸与异丁酯的酯化反应中，Zr/Si摩尔比=0.18，1.5%的催化剂作用下反应2.5 h时，酯化率达到90%以上[6]。同样复合固体酸催化剂合成丁酸异戊酯，当异戊醇/丁酸摩尔比=1.2，反应2.5 h，酯化率更是高达99.5%。而以固体酸Ti(SO4)2/硅藻土催化催化合成己酸正丙酯[7]。n(正丙醇):n(己酸)=1.75，反应2 h，己酸正丙酯的酯化率达到99.6%[8]。

2.4在醇羟基保护反应中的应用

3　结　语

高校教育的与时俱进是一个系统工程，通过实践环节的创新和改进,有利于培养学生对化学实验探究的兴趣，是当代教育教学的需要，促使学生从多角度、多渠道地寻求解决问题的方法。

[1]李娅生，刘大勇，王九,等.合成乙酰水杨酸的反应条件的探讨[J].广东化工,2012,39(7):50-51.

[2]占昌朝，曹小华，严平,等.碳基固体酸催化合成乙酰水杨酸[J].化工进展,2012,31(5):1121-1125.

[3]周卫国，戎姗姗，莫清,等.阿司匹林合成催化剂研究进展[J]．化工生产与技术,2009,16(6):40-43．

[4]徐新，罗国华，李鑫.固体酸催化合成2-乙酰噻吩[J].精细石油化工,2006,23(5):42-45.

[5]杨利利,唐元.固体酸催化甲苯选择性硝化研究进展[J].广东化工,2012,39(1):62-63.

[6]周从山,杨涛,任邵.二氧化硅负载氧化锆固体酸催化合成乙酸异丁酯[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2008，21(1):49-51.

[7]梅允福,班丽娜,梅文杰. 复合固体酸催化合成丁酸异戊酯[J].广东化工,2008,36(4):38-39.

[8]闫鹏,郭海福,陈志胜,等. 固体酸Ti(SO4)2/硅藻土催化合成香料己酸正丙酯[J].食品工业,2015(2):48-50.

[9]韩新超.固体酸在缩醛缩酮合成中的催化应用研究[D].曲阜:曲阜师范大学研究生学位论文,2011.

Exploration of Solid Acids for Organic Synthesis Experiments Advancing in Same Pace with Age*

MAXiang-mei,WANGBin

(Institute of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan 232001, China)

Keep pace with age is an important cut-in point of the college teaching reform in Organic Chemistry experiment, it should be adjusted with its contents, methods, means, and so on. Solid acid catalyst has potentially broad application in the fields of environmental-friendly catalyst, because of the advantages of no-pollution, going green, shorter reaction time, high yield and remains active within a wide range of temperature. If it can be applied in Organic Synthesis experiments, it can improve thinking ability, foster the innovation consciousness of students and promote the raising of experiments teaching level.

solid acid catalyst; organic synthesis experiments；keep pace with age

安徽省教育厅自然科学基金重点项目(KJ2016A196)；安徽理工大学博士基金(No.11110)；安徽理工大学2015校级教研项目(高校基础化学实验的绿色化研究)。

马祥梅(1971-)，女，副教授，研究方向：环境化学。

王斌(1973-)，男，硕士，副教授。研究方向：高分子复合材料。

G642

A

1001-9677(2016)015-0176-02