酸醇比对乙酸正丁酯产率影响的探究

有机化学研究简报ChineseJournalofOrganicChemistry醇酸配比对乙酸正丁酯合成的影响的研究李思蓉朱东阳黄冠王书哲邵奇璇张帅宫思远刘嘉良张亚敏张蓉蓉孙尚聪彭一格宋倩倩黄勇王雨阳彭岩(天津大学求是学部化工材料二班综合化学实验第一组)摘要：传统有机实验乙酸正丁酯制备实验中由于醇的过量，乙酸正丁酯与正丁醇形成共沸物造成了产物不易完全分离，因此重新设计了实验来探究酸过量与醇过量对于实验产率的影响。实验设置了不同的原料配比，最终得出了酸稍过量是较好的配比论文。最后提出了可以在实际中进一步改进的方法与设想，希望能更好的改进这个实验。关键词：乙酸正丁酯合成原料配比改进Theeffectofdifferentmaterialratiosontheyieldsofsynthesisofthen-butylacetate-butanolLi,SirongZhu,DongyangHuang,GuanWang,ShuzheShao,QixuanZhang,ShuaiGong,SiyuanLiu,JialiangZhang,YaminZhang,RongrongSun,ShangcongPeng,YigeSong,QianqianHuang,YongWang,YuyangPeng,Yan(TianjinUniversityQiushiAcademyChemistryandMaterialEngineeringSpecialtyClass2Comprehensivechemistryexperimentteam1)AbstractInthetraditionalorganicexperiment“preparationofn-butylacetate”,theformingofthen-butylacetate-butanolazeotropecausedithardtoseparatetheproductscompletely.Soweredesignthenewexperimentstoexploretheeffectsbroughtbyacidexcessandalcoholexcess.Thenweanalyzedtheresultsinthevariousconditions,andwegotabetterratioofacidandalcohol.Inthefinalofthepaper,weputforwardmorewaysandtentativeideasinordertofurtherimprovetheexperimentKeywordsn-butylacetateformingmaterialratioimprovements乙酸正丁酯在工业上有着极为广泛的用途，是常用的有机溶剂，可用作人造纤维、涂料、人造革、清漆、人造香精、氯化橡胶、甲基丙酸树脂、消化纤维素等的溶剂，也可用作药物、有机酸萃取剂及水果香料的原料，还广泛用于香料、塑料、化工、制药等行业，因此乙酸正丁酯不仅是工业上重要的有机溶剂，而且也是一种重要的有机化工原料。常用作奶油、草莓、香蕉等型的香精。［１］乙酸正丁酯具有广泛的应用价值和巨大的发展前景,合成乙酸正丁酯的方法很多，但工业上传统的合成乙酸正丁酯的方法以硫酸为催化剂，冰乙酸和正丁醇直接酯化而成，浓硫酸作为催化剂可以获得较高的酯化率。[2]本实验以浓硫酸为催化剂，设置了七组醇酸浓度梯度比。本实验希望以平行对比的方法来探究实验中酸醇不同配比下原料对于反应产率的影响，并以此提出改进实验的措施。*Theeffectofdifferentmaterialratiosontheyieldsofsynthesisofthen-butylacetate-butanolTianjinUniversityQiushiAcademyChemistryandMaterialEngineeringSpecialtyClass2Comprehensivechemistryexperimentteam12ChineseJournalofOrganicChemistry1.实验部分1.1仪器、试剂及装置图仪器：蒸馏装置玻璃磨口仪器（蒸馏头、接引管）、球形冷凝管、直形冷凝管、分水器、蒸馏烧瓶（50ml，100ml）各1个、温度计（200℃）、锥形瓶三个（带塞）、烧杯、分液漏斗、量筒、电热套、铁架台、铁夹及十字头、铁圈、橡胶水管、分析天平，玻璃棒，VARIANCP-3800型气相色谱仪。试剂：正丁醇、乙酸、浓硫酸(催化剂)、饱和NaCl溶液、无水硫酸镁、磁子、pH试纸、饱和碳酸钠溶液1.2合成乙酸正丁酯的方法原理反应机理：酸与醇反应制备酯，是一类典型的可逆反应，室温下反应速度慢。加热、加催化剂，可使酯化反应速率大大加快。本实验利用酯、酸和水形成二元或三元恒沸物，采取共沸蒸馏分水法，使生成的酯和水以共沸物形式蒸出来，冷凝后通过分水器分出生成的水，从而使反应向正方向进行。而酯层回流到反应器中，使酯化反应产率更高。1.3实验猜想正丁醇与乙酸的用量将对乙酸正丁酯的产率产生重要影响，使用不同的醇酸配比进行试验将会出现不同的实验现象及实验结果。根据可逆反应的平衡移动原理，在多种反应物参与反应时，加入其中一种反应物，平衡将正向移动，生成物的百分含量升高，同时其他反应物的转化率也升高。用正丁醇与乙酸制备酯时，无论醇和酸两者中哪一个过量，都会促进反应向正向进行，生成酯的量增加，而且过量程度越大，反应就越完全，产率也会越高。但是，在此反应体系中，反应时使用分水器,将会有部分原料以共沸物的形式和水一起蒸发出来，残留在分水器中,从而无法回到反应容器里继续反应,故造成产率下降。另一方面，在正丁醇过量时，正丁醇会与水、乙酸正丁酯形成二元或三元共沸物，且沸点都在126oC以下，蒸馏时馏分中会含有一定量的共物，冷凝后部分正丁醇将留在产物中难以分离出来，导致产物纯度下降。由于乙酸可以用碳酸钠洗去，故乙酸过量并不会出现这类情况。因此，我们猜测实际的产率-配比曲线在丁醇过量会出现一个峰值，高于1:1产率，而在酸过量时，随着酸用量的增加，产率也会增加。本实验设置了醇酸配比从2.5:1到1:2.5的七组实验进行对比，使理论产量始终保持为0.25mol，即保持量少的反应物为0.25mol。根据上述分析，理论产量相同的情况下，醇与酸用量为1:1时产率为极小值，而且醇过量时存在一个最佳配比，产率有极大值。而在酸过量的情形下，在洗涤时乙酸已被饱和碳酸钠溶液洗去，故不会影响乙酸正丁酯的产率。1.4乙酸正丁酯的制备过程与方法①实验研究不同醇酸比对实验结果的影响。，分成7个不同比例：醇酸比例分别为：1：1、1.5:1、2:1、2.5:1、1:1.5、1:2、1:2.5，7个小组在相同环境下同时完成。②以第一组为例（醇酸比例1:1），在100mL圆底烧瓶中，依次加入22.8mL正丁醇，14.3mL乙酸(剩余其他图1-1回流装置图图1-2蒸馏装置图图1-3酯化反应机理图3ChineseJournalofOrganicChemistryNOTE组体积见表几)，摇动几下，再滴入0.5mL浓硫酸，充分摇匀。冷却后加入搅拌磁子，置于加热套上。安装分水器及球形回流冷凝管（接口处均需抹适量真空脂）。③反应前在分水器中加入适量的水，实际操作时，先将分水器放满水，保持水位与支管口相平，再放出少量水，使水位距离支管口大约2~3mm。④开启冷却水。设定开始加热电压均为150v。当烧瓶内液体开始出现蒸汽，冷凝管中有回流液滴下时，调节加热电压，使回流速度保持1-2滴/秒。⑤反应1h后，在分水器中，可以观察到水位上升。注意：在第3步中，因为只放出少量水，而实际中产生的水会多于这部分。所以这就要求在实验过程中，时刻观察水位的变化，当水位接近支管口时，就需即刻放出少量水。最终保证当水位不再变化时，水位刚好保持在支管口处，此时即是反应终点。⑥停止加热，冷却后拆卸冷凝装置，把圆底烧瓶中的反应液倒入分液漏斗中。用饱和碳酸钠溶液洗涤至中性。其中，酸过量的小组需要加入大量的碱，注意及时排气。分离水层，将酯层再用等体积的饱和食盐水洗涤，再次分离水层。最后，将酯倒入到锥形瓶中，加适量的无水硫酸镁干燥，观察到硫酸镁没有贴壁或者结块时为止。⑦乙酸正丁酯干燥完成后，用塞有棉花的漏斗过滤，滤液放在干燥的50mL蒸馏烧瓶中。加入搅拌磁子，按照装置图（注明图几，另外注意图的放置位置）安装好蒸馏装置，在电热套上加热蒸馏。收集124~126℃馏分。⑧7个小组对所收集到的产品分别进行气相色谱分析，得出纯度，算出产率。1.5产品分析①产率mm1其中，η为产率，m1为收集馏分的质量，m为理论计算产物质量为纯度，由气相色谱分析得到。②产品纯度分析在分析最后馏分组成时，运用了气相色谱定量分析方法。本实验所用仪器是VARIANCP-3800型气相色谱仪，参数的说明如下：柱温：80度；进样口：185度；检测器：250度；载气：H245ml/min;N250ml/min;空气400ml/min；进样量：0.1L检测器：FID(氢火焰离子化检测器)2.结果与讨论本实验在以浓硫酸为催化剂制备乙酸正丁酯的实验中，控制理论产物乙酸正丁酯的量一定（0.25mol），改变原料中乙酸和正丁醇的配比，探究原料配比对实验的影响以及实验操作的优化问题。实验中，本组选择了乙酸和正丁醇七种不同的配比（包括酸过量及醇过量）进行实验，分别记录每一组的沸程、前馏分和馏分的质量，并通过气相色谱测定产物纯度，进而得到各自的最终产量，计算产率。通过实验后期对各组数据的分析，我们绘制出了醇酸不同配比对产率的图表如下。组号比例（醇酸比）醇（ml）酸（ml）11:122.814.321.5:134.314.332.0:145.814.342.5:157.114.351:1.522.821.561：2.022.828.671:2.522.835.8乙酸与正丁醇的物质的量之比沸程/℃馏分的质量/g乙酸正丁酯含量/%乙酸正丁酯的质量/g产率/%0.4116-11826.375839.53310.427135.910.5115.5-12030.12955.4316.700657.510.6667118-12216.3797.214715.91454.80041124-12617.537599.796517.537560.271.5124-12621.303510021.303573.362124-12518.969298.5818.969265.052.512216.036498.2816.036454.27表1-1不同醇酸比组原料体积表表2-1不同配比产物收集表图2-1醇酸比—产率图4ChineseJournalofOrganicChemistry。ChineseJournalofOrganicChemistry名称分子量熔点/℃沸点/℃折光率/n20比重颜色和形态溶解度丁醇74.12-89.53117.71.39930.8098有特殊气味的无色液体。微溶于水，能与乙醇、乙醚混溶。乙酸60.0516.71181.37181.049无色澄清液体，有刺激气味。溶于水、乙醇、乙醚等乙酸丁酯111.16-77.9126.51.3964（15℃）0.8824有水果香味的无色液体。微溶于水，溶于乙醇、乙醚和苯。丁醚130.23-981421.39920.7694（20/20℃略有乙醚气味的无色透明液体不溶于水，溶于许多有机溶剂。沸点（℃）组成（%）丁醇水乙酸正丁酯117.667.232.89355.545.590.7277390.518.728.652.7表2-3乙酸正丁酯、水及正丁醇形成二元或三元恒沸物的组成及沸点图2-2醇酸比为2.5比116-118℃馏分色谱分析图表2-2正丁醇、乙酸、乙酸丁酯、丁醚参数表5ChineseJournalofOrganicChemistry当醇酸比大于1时，图像呈先下降再上升再下降的趋势，针对此问题，我们提出理论解释如下：当醇酸比由1:1变化到1:1.5