乙酸丁酯的合成與精制實驗方案

1、乙酸正丁酯的合成與精制專業(yè)實驗預(yù)習(xí)報告實驗名稱： 乙酸正丁酯的合成及精制實驗 姓 名： 學(xué) 號： 聯(lián)系方式： 組 員： 專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 乙酸正丁酯的合成與精制一、實驗?zāi)康模?）初步了解和掌握化工產(chǎn)品開發(fā)的研究思路和實驗研究方法。（2）學(xué)會組織全流程實驗，并獲得高純度的產(chǎn)品。（3）學(xué)會分析實驗流程及實驗結(jié)果，提出實驗改進方案。二、實驗原理乙酸正丁酯是一種無色的液體。具有比乙酸戊酯略小的水果香味。它可與醇，酮，酯和大多數(shù)常用的有機溶劑混溶。特別是當(dāng)它預(yù)先與活性溶劑或是惰性溶液混和時是硝化纖維素和纖維素醚的一種溶劑。天然品存在于蘋果、香蕉、櫻桃、葡萄等植物中，易揮發(fā)，難溶于水，能溶解油脂莘

2、腦，樹膠，松香等，有麻醉作用，有刺激性1。乙酸正丁酯是一種重要的化工產(chǎn)品，也是一種重要的有機合成中間體，廣泛用于涂料、制革、制藥等工業(yè)。它是化工、醫(yī)藥等行業(yè)的主要溶劑之一，是清漆、人造革等的良好溶劑，還可用于部分化妝品、添加劑、防腐防霉劑等合成中，用以調(diào)配食用香精，也可用做日化香精及酒用香精。因此，乙酸正丁酯具有廣泛的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。現(xiàn)代工業(yè)中多采用間歇法，以濃硫酸作為催化劑生產(chǎn)，但此法存在著以下缺點：1) 由于濃硫酸有強脫水性和氧化性，可能產(chǎn)生乙醚、乙烯等副產(chǎn)物，同時可能由于局部過熱出現(xiàn)碳化，影響產(chǎn)品的分離；2) 硫酸腐蝕性強，對設(shè)備的要求比較高；3) 反應(yīng)后的產(chǎn)品要經(jīng)過多次堿洗、水洗才

3、能出去硫酸等雜質(zhì)，后處理復(fù)雜，產(chǎn)生的廢水多，污染環(huán)境，給環(huán)境保護帶來很大的壓力。隨著人們充分利用資源、簡化工藝流程、提高經(jīng)濟效益、保護生存環(huán)境的意識不斷增強和環(huán)保法規(guī)的日益完善，用環(huán)境友好催化劑替代濃硫酸催化合成酯類化合物已成為探索方向。對于乙酸正丁酯合成實驗方案的改進中，絕大多數(shù)還是以酸、醇為原料的，只是所采用的催化劑不同而已，但是大多數(shù)均為固體酸。先將所查到的文獻(xiàn)的部分方案簡要敘述如下：蔡新安2等人利用廉價易得的硫酸氫鉀催化劑來制備乙酸正丁酯，酯化產(chǎn)率較高，催化劑可重復(fù)使用，后處理簡單，效果良好。硫酸氫鉀是一種廉價、易得、穩(wěn)定的無機酸性晶體，能夠催化合成乙酸正丁酯。由于它難溶于有機反應(yīng)體系

4、，因而對設(shè)備的腐蝕性小，酯化率高，能夠重復(fù)使用，是替代硫酸催化合成乙酸正丁酯的良好催化劑，適合工業(yè)化生產(chǎn)。研究得出的最佳條件為：正丁醇的用量為0.25mol，醇酸摩爾比為1:1.3，催化劑用量為反應(yīng)物總質(zhì)量的3%，在此條件下最高產(chǎn)率為86.83%。柳艷修3等人在微波輻射的作用下研究了HZSM-5分子篩催化劑的多相催化酯化法合成乙酸正丁酯的反應(yīng)，探討了催化劑用量、微波輻射的功率、微波輻射的時間、和吸水劑用量對反應(yīng)的影響。結(jié)果表明：在酸醇體積比為1.6時，HZMS-5分子篩催化劑為0.094g/ml（以乙酸計），微波輻射功率為640W，微波輻射時間為30min吸水機（氯化鈣）為0.375g/ml（

5、以乙酸計），酯的收率可以達(dá)到98.7%。馮桂榮4等以乙酸和正丁醇為原料，分別以濃硫酸、三氯化鐵和固體超強酸SO4/Fe2O3為催化劑合成乙酸正丁酯。利用正交設(shè)計法，通過極差分析，探討了催化劑種類、醇酸摩爾比和酯化時間及它們之間的交互作用對酯的收率的影響。實驗結(jié)果表明較好的催化條件是：醇酸物質(zhì)的量比為2時，催化劑為固體超強酸SO4/Fe2O3，酯化時間為2h，其酯的收率可達(dá)93.5%。尹彥冰5等人研究了以乙酸和正丁酯為原料，磷鉬釩雜多酸為催化劑合成乙酸正丁酯的反應(yīng)，考察了原料醇酸物質(zhì)的量比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、等因素對酯化反應(yīng)的影響，經(jīng)過試驗確定了合成乙酸正丁酯的較佳工藝條件，醇酸物質(zhì)的量比為1

6、.2:1，磷鉬釩雜多酸催化劑用量為反應(yīng)總量的0.6，反應(yīng)時間為85min，反應(yīng)溫度為115，在此條件下，乙酸正丁酯的收率為93%95%。關(guān)于乙酸正丁酯的合成，方案遠(yuǎn)不止這些，還有催化精餾合成乙酸正丁酯、以硫酸改性煤基活性碳為催化劑、以離子液體、PVC-PP吸附金屬離子催化合成乙酸正丁酯等。我們小組決定采用如下方法合成與精制：以乙酸、丁醇為原料，采用硫酸氫鉀作催化劑，在油浴加熱的情況下合成乙酸正丁酯。 該反應(yīng)是可逆反應(yīng)，為使平衡向生成酯的方向移動，可以使反應(yīng)物（酸或醇）之一過量，或?qū)⑸晌铮セ蛩姆磻?yīng)體系中及時除去，或者兩者兼用。若使酸（醇）過量，雖然醇（酸）轉(zhuǎn)化率提高，但是酸（醇）轉(zhuǎn)化率會

7、降低，因此這種方法可以根據(jù)原料的經(jīng)濟性選擇哪一種原料過量，因乙酸比丁醇便宜，同時考慮精制時乙酸較好被除去，故在此選用酸醇配比約為1.3:1。因為酯化反應(yīng)要生成產(chǎn)物水，水對反應(yīng)的進行程度有很大的影響，故在反應(yīng)的同時要除掉水。在此用分水器將生成的水通過共沸混合物初步除去，這樣可以移走反應(yīng)產(chǎn)生的水增大反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。精制原理：合成反應(yīng)得到的粗酯產(chǎn)品中，除了大量含有產(chǎn)物乙酸正丁酯外，還有少量的水、正丁醇、乙酸、可能的副反應(yīng)產(chǎn)物和反應(yīng)雜質(zhì)。需要進一步分離提純。通過飽和碳酸鈉溶液洗滌除去乙酸，再用飽和食鹽水洗滌降低丁醇在酯中的溶解度，然后用無水硫酸鎂除去可見水，最后通過蒸餾來得到較純的產(chǎn)品。本實驗由于目標(biāo)產(chǎn)

8、物乙酸正丁酯的沸點高于體系中其他所有物質(zhì)，因此可以用蒸餾的分離方法得到純度更高的乙酸正丁酯。表1為我國乙酸正丁酯的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB3728-91）6表1 我國乙酸正丁酯的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB3728-91）指標(biāo)名稱優(yōu)等品一等品合格品色度（鉑-鈷），號 101020密度，（20），g/cm30.878-0.8830.878-0.8830.820-0.883乙酸正丁酯含量，% 99.298.096.0水分，% 0.100.200.40酸度（以CH3COOH計），% 0.0040.0050.010蒸發(fā)殘渣，% 0.0020.0050.010主要物理性質(zhì)：1）主要反應(yīng)物、產(chǎn)物的物理常數(shù)7表2 各物質(zhì)性質(zhì)表名稱

9、密度/(g/ml)熔點/沸點/折光率分子量/(g/mol)性質(zhì)乙酸1.049216.6117.91.371560.15無色透明，刺激性酸臭正丁醇0.81-88.9117.51.399174.12微溶于水，溶于乙醇 、醚多數(shù)有機溶劑乙酸正丁酯0.882-73.5126.11.3941116.16微溶于水，溶于醇、醚等多數(shù)有機溶劑硫酸氫鉀2.245197分解136.17白片狀或粒狀結(jié)晶，易吸濕，低毒2）正丁醇、乙酸正丁酯和水形成的幾種恒沸化合物：表3 恒沸化合物一覽表恒沸化合物沸點/組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%乙酸正丁酯正丁醇水二元乙酸正丁酯-水90.772.927.1正丁醇-水93.055.544.5乙酸

10、正丁酯-正丁醇117.632.867.2三元乙酸正丁酯-正丁醇-水90.763.08.029.0三、實驗所需的儀器與藥品1. 實驗藥品：正丁醇，冰醋酸，硫酸氫鉀，碳酸鈉，無水硫酸鎂，氯化鈉，棉花，pH試紙，去離子水，乙酸正丁酯。2. 實驗儀器：磁力攪拌加熱套 1臺（攪拌子），三口圓底燒瓶（250ml），分水器，球形冷凝管，溫度計，玻璃棒，玻璃漏斗，分液漏斗，直形冷凝管，接引管，錐形瓶（100ml一個） ，量筒（100ml一只），燒杯（250ml兩個，50ml兩個），分析天平，氣相色譜儀。四、實驗流程圖、實驗裝置圖設(shè)計流程框圖如下：圖1. 乙酸正丁酯工藝流程框圖設(shè)計實驗裝置圖如下： 圖2. 反應(yīng)

11、裝置圖 圖3. 蒸餾實驗裝置圖五、實驗擬定方案1. 實驗步驟1) 準(zhǔn)備實驗藥品，檢查藥品是否有變質(zhì)的情況；2) 檢查儀器是否齊全，連接好實驗裝置；3) 量取乙酸45ml，丁醇55ml，硫酸氫鉀催化劑2.8g，加入到250ml燒瓶中，同時加入幾粒沸石；4) 在分水器中加入計量過的水（在分水器上做好標(biāo)記），使水面稍低于分水器回流支管的下巖。打開冷凝水，反應(yīng)瓶在磁力攪拌器上，小火加熱回流。 5) 反應(yīng)過程中，不斷有水生成，并通過回流進入分水器，通過分水器下部的開關(guān)將水分出（計量分水器中分出的水），注意水層與油層的界面，不要將油層放掉。 6) 反應(yīng)至不再有水產(chǎn)生時，此時停止加熱，移走熱源，冷卻。 7)

12、 過濾分離出催化劑，將分水器中酯層液體倒入分液漏斗，分出水層。 8) 用40ml飽和碳酸鈉溶液洗滌至中性，再依次用40ml飽和氯化鈉溶液洗滌，分出酯層。 9) 將分離出來的上層油層倒入一干燥稱重的小錐形瓶中，加入無水硫酸鎂干燥，直至液體澄清。 10) 干燥后的液體，用少量棉花通過三角漏斗過濾至干燥的250ml蒸餾燒瓶中，加入沸石，安裝蒸餾裝置，磁力攪拌器加熱，收集118-124的餾分。 11) 稱量，計算產(chǎn)率，配制標(biāo)液，用氣相色譜法測定乙酸正丁酯的純度（后附氣相色譜儀使用方法）。12) 停止加熱，移走熱源。待裝置冷卻后，按照步驟拆卸、整理裝置。13) 打掃實驗室。2. 取樣分析方法：1) 氣相

13、色譜測法測定待分析試樣的組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；氣象色譜法簡介：選擇分離柱：空心柱載體：硅藻土載氣：純N2固定液：甲基聚硅氧烷。結(jié)構(gòu)式如下：圖4. 甲基聚硅氧烷結(jié)構(gòu)式檢測器：FID 火焰離子化檢測器氣相色譜法流程裝置圖如圖5圖5. 氣相色譜法流程裝置圖計算組分的方法：歸一法。先用標(biāo)液測定計算校正因子。因組分?jǐn)?shù)較少故采用歸一化法。計算公式：式中：為試樣組分i的百分含量；為組分i的校正因子；為組分i的峰面積（cm2）；附：氣相色譜儀使用方法8：一、儀器運轉(zhuǎn)1、打開氮氣鋼瓶高壓閥，調(diào)節(jié)輸出氣體壓力。2、打開氣相色譜儀電腦。3、取下導(dǎo)熱池出口兩個堵頭。用皂膜流量計測量兩出口的氣體流速，調(diào)節(jié)為一致或基本近似。

14、4、通氣15-20min后，打開氣相色譜儀主機電源開關(guān)和加熱開關(guān)。5.由面板鍵設(shè)置柱箱溫度200，保持10min，導(dǎo)熱池溫度230、導(dǎo)熱池電流65mA、極性為負(fù)，注樣溫度220，并開始加熱升溫。6、導(dǎo)熱池升溫完成后，打開主機小面板右面的紅色開關(guān)。7、點擊打開數(shù)據(jù)采集工作界面，數(shù)據(jù)采集工作界面選擇A/B，采樣分析時間設(shè)為8min。啟動氣相色譜儀主機的數(shù)據(jù)采集，等待基線平穩(wěn)后，點擊氣相色譜圖采集停止圖標(biāo)停止數(shù)據(jù)采集，氣相色譜儀面板上準(zhǔn)備燈亮?xí)r，即可以進樣。二、定性、定量分析1、用微量注射器吸取1uL分析純的乙酸快速注入進樣器內(nèi)，同步按單列的數(shù)據(jù)采集按鍵，開始色譜分析，當(dāng)分析完成后，讀出色譜峰出現(xiàn)最

15、高點時的時間，即為乙酸的保留時間，用同樣的方法測出水、正丁醇、乙酸正丁酯的保留時間。2、取乙酸、水、正丁醇、乙酸正丁酯的混合物1uL，注入進樣器內(nèi)，同步按單列的數(shù)據(jù)采集按鍵，開始色譜分析。讀出各峰的保留時間，再與上述各已知物的保留時間對照，即可判斷樣品代表那種物質(zhì)，并測出各峰的峰面積，用作定量計算。3、取標(biāo)液的混合物1uL，注入進樣器內(nèi)，同步按單列的數(shù)據(jù)采集按鍵，開始色譜分析。由所得到的色譜圖數(shù)據(jù)可以求得組分的相對重量校正因子（fi）。三、測量完畢關(guān)色譜儀過程1、關(guān)閉主機小面板右面的紅色開關(guān)。2、分別順序按導(dǎo)熱池按鍵、顯示鍵和清除鍵；注樣器按鍵、顯示鍵和清除鍵；柱箱按鍵、顯示鍵和清除鍵。中止對導(dǎo)熱池檢測器、氣化器還填充柱的溫度加熱。3、關(guān)閉數(shù)據(jù)工作界面，關(guān)閉計算機。4、當(dāng)氣化器和檢測器的溫度降至90度以下時，關(guān)閉色譜儀主機電源開關(guān)和加熱開關(guān)。5、安裝上導(dǎo)熱池出口兩個堵頭。6、關(guān)閉氮氣鋼瓶的減壓閥和高壓閥。六、參考文獻(xiàn)1 白秀麗,李曉莉. 乙酸正丁酯的合成與應(yīng)用J. 長春師范學(xué)院學(xué)報,2002,02:13-14.2 蔡新安,陳列喜,章慧芳,汪鈴,王凱凱.硫酸氫鉀催化合成乙酸正丁酯J.景德鎮(zhèn)高專學(xué)報,2012,03:37-38.3 柳艷修，李麗榮，張鐵晶，張文超. 微波輻射-多相催化合成