乙酸正丙酯制备条件的优化研究

常越凡，和 婧

（山西工程职业学院，山西 太原 030009）

0 引言

乙酸正丙酯是一种重要的环保型有机化合物，广泛应用于食品添加剂、药物、化工溶剂、农药、油漆、日用品、食用香料和生物燃料等领域。乙酸正丙酯对多种合成树脂有优良的溶解能力，如乙基纤维素、硝基纤维素、苯乙烯、甲基丙烯酸树酯等，因此其还可以作为许多合成树脂的有效溶剂。由于各行各业对环保要求不断提高,大部分高端产品行业越来越限制使用含苯类产品，因此乙酸正丙酯市场需求越来越大[1-2]。

在乙酸正丙酯的制备方法中，羧酸和醇的酯化反应是工业中非常重要的一类有机反应，利用酯化反应合成乙酸正丙酯也是有机合成实验中常见的实验项目之一。目前，实验室采用不同催化剂合成乙酸正丙酯，但是制备得到产品的产率和纯度较低[3-9]。本文探讨了乙酸正丙酯的合成中，催化剂用量、反应温度以及酯化反应时间3 个条件对其产率和纯度的影响，并优化上述3 个条件，得到了产率较高的乙酸正丙酯。

1 实验原理

在加热条件下，乙酸和正丙醇在浓硫酸的催化下发生酯化反应生成乙酸正丙酯，反应方程式下如式（1）：

在乙酸正丙酯生成的过程中，正丙醇在浓硫酸的催化下发生分子间脱水和分子内脱水的副反应，生成副产物己醚和丙烯，副反应的发生，影响了乙酸正丙酯的产率和纯度。

用气相色谱测定制备所得乙酸正丙酯的纯度，具体采用内标工作曲线法。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

正丙醇、冰乙酸、无水乙醇、浓硫酸、无水Na2CO3、NaCl、无水CaCl2、无水MgSO4，以上试剂均为分析纯；乙酸正丙酯、乙酸正丁酯，以上试剂为色谱纯。

ES-224DS 型电子分析天平；98-II-BN 型电热套；HF－901 型气相色谱仪。

2.2 乙酸正丙酯的制备

反应在配有温度计的三口烧瓶中进行。在恒压长颈滴液漏斗中加入一定量的乙酸和正丙醇并混匀，在100 mL 三口瓶中加入适量浓硫酸及少量正丙醇，混匀后加入磁力搅拌子。为提高乙酸的转化率，加入的正丙醇的量稍多于乙酸。当三口瓶中溶液温度达到80 ℃时滴加乙酸和正丙醇的混合液，反应结束后，停止加热，收集粗产品。在不断摇动下向粗产品中缓慢加入饱和Na2CO3溶液至不再有气泡产生，用pH 试纸测定有机相，试纸呈中性即可。将产品转入分液漏斗中振荡静置分层，分出水层，先后用饱和NaCl 溶液和饱和CaCl2溶液洗涤产品，最后用无水MgSO4干燥。将粗制的乙酸正丙酯倒入100 mL 圆底烧瓶中，加热蒸馏收集92～101 ℃馏分。实验装置如图1 所示。

图1 乙酸正丙酯的反应装置（左）及精馏装置（右）示意图

蒸馏结束后，称量精制乙酸正丙酯的质量，根据称取乙酸的量计算理论产量，计算产率[式（1）]。

2.3 产品中乙酸正丙酯纯度的测定

以无水乙醇为溶剂，配制乙酸正丙酯及内标物乙酸正丁酯的标准溶液。取不同体积的乙酸正丙酯标准溶液于容量瓶中，再分别加入一定体积的乙酸正丁酯的标准溶液，用无水乙醇稀释至刻度，摇匀，得到标准系列溶液。再称取一定质量所制备的乙酸正丙酯样品，加入相同体积的内标物溶液，用无水乙醇稀释至刻度，摇匀，得到产品的待测溶液。

合成的产物乙酸正丙酯用气相色谱进行测定，采用内标标准曲线法对精制的产品中乙酸正丙酯的含量进行定量分析，以保留时间确定乙酸正丙酯和内标物乙酸正丁酯，以乙酸正丙酯的峰面积（Ai）与内标物的峰面积（As）比值（表1）为纵坐标（Ai/As），乙酸正丙酯标准系列质量浓度ρ 为横坐标作图，得到工作曲线，如图2 所示。

表1 乙酸正丙酯标准系列浓度及相应的峰面积比值

用相同的方法测得待测溶液中乙酸正丙酯与内标物的峰面积，由工作曲线得到产品中乙酸正丙酯的质量，再除以称取产品的质量即为产品的纯度[式（2）]。

2.4 乙酸正丙酯精制收率的计算

乙酸正丙酯精制收率的计算公式如式（3）：

3 结果与讨论

取15.0 g 乙酸、19.0 g 正丙醇为反应物，分别改变催化剂用量、反应温度、反应时间3 个因素，得到实验结果如下。

3.1 催化剂用量对乙酸正丙酯产率及纯度的影响

反应温度为100 ℃，酯化时间为70 min，改变催化剂浓硫酸的用量，得到制得的乙酸正丙酯的产率与纯度如表2 所示。

表2 催化剂用量对合成乙酸正丙酯产率及纯度的影响

由表2 可知，催化剂用量对合成乙酸正丙酯的产率和纯度影响较大。在反应温度和时间不变的前提下，催化剂的用量越大产率及纯度越高，当催化剂用量为1.5 mL 时产率达到最高为96.54%，纯度最高为91.75%。继续增加催化剂的用量产率反而下降。这是由于浓硫酸可以吸收产生的水，使得酯化反应平衡向右移动，乙酸的转化率提高，但浓硫酸过多时，酯化反应的副反应进行的程度增大。因此，催化剂最佳用量为1.5 mL。

3.2 酯化时间对合成乙酸正丙酯产率及纯度的影响

取1.5 mL 浓硫酸，反应温度为100 ℃，改变酯化时间，得到制得的乙酸正丙酯的产率与纯度如表3所示。

表3 不同酯化时间对合成乙酸正丙酯产率及纯度的影响

由表3 可知，反应30 min 时，产率及纯度都较低，随着反应的进行，产率及纯度迅速增加，50 min 后二者增加变缓，说明反应接近终点，所以50 min 的反应时间已经基本可以使反应进行得完全。

3.3 反应温度对合成乙酸正丙酯产率及纯度的影响

取1.5 mL 浓硫酸，反应时间为70 min，改变反应温度，得到制得的乙酸正丙酯的产率与纯度如表4所示。

表4 反应温度对催化合成乙酸正丙酯产率及纯度的影响

由表4 可知，反随着反应温度升高，产率和纯度迅速增加，到100 ℃时达到最高，继续升高温度反而下降。这是由于随着温度升高，酯化反应平衡向右移动，有利于酯的生成，但当温度进一步升高时，副反应明显，导致产率及纯度下降。因此，反应最优温度为100 ℃。

3.4 最佳实验条件验证

取15.0 g 乙酸、19.0 g 正丙醇、1.5 mL 浓硫酸，在100 ℃条件下反应50 min，重复4 次实验，其产率和纯度如表5 所示。

由表5 可知，在最佳的实验条件下合成的乙酸正丙酯产率高，重现性好，乙酸正丙酯的产率均在96%以上，纯度可稳定在91.5%，精制收率为87.8%。

4 结论

通过考察催化剂用量、酯化时间以及反应温度3 个因素对制备乙酸正丙酯产率及纯度的影响，得到了合成乙酸正丙酯的最优条件。实验结果表明，向反应体系中加入1.5 mL 浓硫酸，在100 ℃下，反应50 min，乙酸正丙酯的精制收率可达87.8%。在一定程度上提高了试剂的利用率，为实验室制备乙酸正丙酯提供了一定的参考。