酸化膨潤土催化合成阿司匹林

酸化膨潤土催化合成阿司匹林

膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的陰離子礦產(chǎn)資源。它的結(jié)構(gòu)是由兩個硅四面體和一個硅八面體組成的2:1晶體結(jié)構(gòu)。由于蒙脫石晶胞帶有負(fù)電荷,具有吸附陽離子的能力,所以在蒙脫石晶胞形成的層狀結(jié)構(gòu)間存在Ca2+、Mg2+、Na+、K+等陽離子。另外認(rèn)為,Ca2+、Mg2+、Na+、K+等陽離子與蒙脫石晶胞間僅存在靜電作用,很不牢固,易被其它陽離子所交換。因此,膨潤土具備二維通道和大孔分子篩的性質(zhì),常被用作催化劑載體或用有關(guān)試劑處理成固體催化劑使用。阿司匹林(Aspirin)是一種具有止痛、退熱、抗炎及軟化心腦血管等多種功效的藥物。有關(guān)該化合物的合成,目前仍以直接反應(yīng)法和濃硫酸催化法為主;也有用固體酸或固體氫氧化鈉作催化劑以及用微波輻射合成的嘗試。但使用酸化膨潤土催化合成阿司匹林的研究,則很少見報道。基于上述情況,我們選取信陽上天梯礦鈣基膨潤土為基質(zhì),通過鹽酸酸化制得了酸化膨潤土;并以此為催化劑催化合成了阿司匹林,具體反應(yīng)如下:探討了不同濃度鹽酸處理得到的酸化膨潤土性能和酸化膨潤土用量、反應(yīng)時間、重復(fù)使用次數(shù)等因素對反應(yīng)收率的影響。1實(shí)驗(yàn)部分1.1儀器與設(shè)備水楊酸,乙酸酐,碳酸鈉,鹽酸,乙酸乙酯等均為A.R.級;膨潤土(取自信陽上天梯膨潤土礦)。STA409PC熱分析儀(德國耐馳公司),XT4-100顯微熔點(diǎn)測定儀(北京電光科學(xué)儀器廠),2K82B真空干燥箱(上海實(shí)驗(yàn)儀器廠),ZKB99型循環(huán)水多用真空泵(上海伊利儀器制造有限公司),85-2恒溫磁力攪拌器(上海南匯電訊器材廠)等。1.2膨潤土含鈣基膨潤土的制備取一定量膨潤土原礦粉碎后置于崩解槽,加水配制成濃度為10%的懸濁液,粗濾除去泥沙等雜質(zhì);靜置5～6h后分出沉降部分,經(jīng)100～110℃干燥,得鈣基膨潤土;將其轉(zhuǎn)入酸化槽,用一定濃度的鹽酸浸泡15h以上,過濾除去酸液,脫水、烘干,即完成膨潤土酸化;取樣進(jìn)行TG分析。1.3阿斯匹林的粗品、小分子在250mL錐形瓶中加入10g水楊酸、25mL乙酸酐和一定量酸化膨潤土;加熱并控溫在85～90℃時,攪拌反應(yīng)一定時間;熱過濾分出酸化膨潤土,濾液冷至室溫后置冰水浴中析出產(chǎn)物晶體;加入50mL水,繼續(xù)冷卻至產(chǎn)物結(jié)晶完全,經(jīng)減壓過濾即得阿司匹林粗品。將粗產(chǎn)物置于500mL燒杯中,加入125mL飽和NaCO3溶液,攪拌至無CO2氣泡產(chǎn)生時,轉(zhuǎn)入由20～25mL濃HCl和50mLH2O配成的酸液中;以冰水浴冷卻析出產(chǎn)物晶體;以10～15mL乙酸乙酯重結(jié)晶后,經(jīng)減壓過濾即得產(chǎn)物阿司匹林。稱重,計算收率。2結(jié)果與討論2.1h+與ca2+、mg2+的交換取不同濃度鹽酸酸化得到的酸化膨潤土進(jìn)行TG分析(升溫速度:5℃·min-1;最高升溫:600℃),計算90～150℃范圍內(nèi)各試樣失重量,結(jié)果見表1。由表1可知,隨著HCl濃度的增大,酸化膨潤土在90～150℃區(qū)間內(nèi)的失重量也增大。由于H+體積較Ca2+、Mg2+小,加之1mol·L-1的HCl不可能完全浸出層間所有的Ca2+、Mg2+。所以,H+與部分Ca2+、Mg2+的交換無法改變膨潤土層間距,只能相對地增大其層間空隙;而相對空隙的增大,必然導(dǎo)致體系中有更多的水分子以偶極水或水化水的形式進(jìn)入層間。由此我們認(rèn)為:酸化膨潤土在90～150℃區(qū)間的失重,是層間吸附水受熱釋出所致;失重量的大小,不僅標(biāo)志著酸性膨潤土層間吸附水的數(shù)量,而且也間接表征著H+的交換量。另外,從示出的4～6號試樣TG圖(見圖1)還可看出,酸化膨潤土在產(chǎn)生第一失重后,不存在其它明顯的失重區(qū)間,說明該土的結(jié)構(gòu)及性能對熱比較穩(wěn)定。綜合上述分析,認(rèn)為6號酸化膨潤土H+含量最高,故選其作為阿司匹林合成的催化劑使用。2.2與文獻(xiàn)值比較取1.3法制得的阿司匹林晶體測其熔點(diǎn),結(jié)果為:134.7～135.9℃,與文獻(xiàn)值135℃非常接近;按藥典方法對產(chǎn)物進(jìn)行定性鑒別,在加入FeCl3試劑后,體系立即顯紫堇色,表明產(chǎn)物確系阿司匹林。2.3反應(yīng)時間的優(yōu)化依照1.3方法,設(shè)定酸化膨潤土加入量為1g,考察反應(yīng)時間對產(chǎn)物收率的影響,結(jié)果見表2。由表2可以看出,在酸化膨潤土催化下,水楊酸與乙酸酐的反應(yīng)在0.5～1.0h間基本達(dá)到平衡;之后,隨著反應(yīng)時間的延長,產(chǎn)物收率開始緩慢下降。對于這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如果單純從水楊酸乙酰化反應(yīng)分析,則屬不正?，F(xiàn)象;但如果考慮整個反應(yīng)體系可能發(fā)生的變化,那么我們認(rèn)為該現(xiàn)象亦可予以解釋。即在反應(yīng)體系中,不僅存在著水楊酸與乙酸酐生成乙酰水楊酸的反應(yīng),而且還存在著水楊酸分子間的縮合反應(yīng)。并且隨著時間的延長,縮合反應(yīng)程度可能會加大,結(jié)果導(dǎo)致乙?；磻?yīng)逆向移動,從而使產(chǎn)物收率下降。如此,以酸化膨潤土催化合成阿司匹林的反應(yīng)時間以0.5～1.0h為宜。2.4催化氧化膨潤土同樣方法,設(shè)定反應(yīng)時間為1h,考察酸化膨潤土用量對產(chǎn)物收率的影響,結(jié)果見表3。我們知道,催化劑的作用是通過降低反應(yīng)活化能來加快反應(yīng)速度,縮短反應(yīng)達(dá)到平衡的時間;催化劑的存在一般不會改變平衡反應(yīng)的平衡點(diǎn),即催化劑加入量的多少應(yīng)該不影響產(chǎn)物收率。但表2數(shù)據(jù)明確顯示出,隨酸化膨潤土加入量的增加,產(chǎn)物收率呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。糾其原因認(rèn)為,酸化膨潤土加入量大,則水楊酸與乙酸酐的反應(yīng)達(dá)到平衡所需的時間就短;而水楊酸發(fā)生縮合反應(yīng)的時間卻得到相對延長。結(jié)果在一定程度上促進(jìn)了乙酰化反應(yīng)逆向移動,造成了產(chǎn)物收率減小。由此認(rèn)定,酸化膨潤土催化阿司匹林合成的最佳用量為0.5～1.0g。2.5膨潤土重復(fù)使用次數(shù)對產(chǎn)品收率的影響在酸化膨潤土加入量為1g,反應(yīng)時間為1h情況下,按照1.3法制備阿司匹林;每次制備分出的酸化膨潤土經(jīng)干燥后重復(fù)使用,考察催化劑使用次數(shù)與產(chǎn)物收率的關(guān)系,結(jié)果見表4。通過表4可以發(fā)現(xiàn),隨酸化膨潤土重復(fù)使用次數(shù)增多,其催化活性和催化效果明顯降低。我們認(rèn)為這一現(xiàn)象主要緣于膨潤土的強(qiáng)吸附性和離子交換特征;即在使用和分離過程中,酸化膨潤土一方面會吸附環(huán)境中的雜質(zhì),造成自身慢性中毒;另一方面,會與遇到的陽離子發(fā)生交換反應(yīng),導(dǎo)致催化性H+數(shù)減少。兩種作用的結(jié)果均使其逐漸喪失催化活性。因此,若需要重復(fù)使用酸化膨潤土,則必須經(jīng)常對其進(jìn)行凈化與活化處理。2.6原理2:脂肪酸濃度對運(yùn)輸效果的影響在酸化膨潤土加入量為1g,反應(yīng)時間等于1h及1.3條件下,用1.2法制得的6個酸化膨潤土為催化劑,考察各酸化膨潤土的催化活性,結(jié)果見表5。從表5可以看出,用于酸化處理鈣基膨潤土的鹽酸濃度越大,所得到的酸化膨潤土的催化活性越強(qiáng)。其中以6號酸化膨潤土作催化劑時,產(chǎn)物收率最大,達(dá)到90.44%。3最佳反應(yīng)條件與收率(1)室溫下,用1.0mol·L-1鹽酸浸泡一定量鈣基膨潤土15h,得到的酸化膨潤土可有效催化阿司匹林的合成。最佳反應(yīng)條