談乙酸乙酯合成實驗的改進

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文作者: 未知
上傳時間:2009/1/7 10:42:00

[摘要]本文通過對乙酸乙酯合成實驗方法進行改進,提出了新的實驗操作方案,克服了原實驗方法的不足,避免了實驗中加入濃H2SO4的炭化現象,縮短了反應時間,減少了副產物的發生,並提高了產率。

[關键詞]乙酸乙酯 合成 實驗改進

乙酸乙酯是一種重要的有機化合物,可作為溶劑和香料。乙酸乙酯的制備實驗也是高校有機化學實驗的重要內容之一,並且在实驗教材中目前仍然采用硫酸催化酯化法來合成。操作步驟復杂,教學實驗用時長,此實驗後的廢液酸性太強,易引起腐蝕,並且硫酸易引起炭化。所以,反應瓶不易洗滌,基於以上缺點,文獻上也有許多有关乙酸乙酯合成實驗改進的報道,在實驗教學中,我們從绿色環保,簡化實驗步驟縮短教學實驗時間,節約能源和實驗試劑的角度出发,采取改裝實驗儀器和加入無機化合物做催化劑來合成乙酸乙酯,取得了較好的效果。

一、實验

1.实驗原理
乙酸酯化法是傳統的乙酸乙酯生產方法,在催化劑濃硫酸的存在下,由乙酸和乙醇發生酯化反應而得。
主反應:

反應除去生成水,可得到高收率。該法生產乙酸乙酯屬於傳統的方法。
2.實驗儀器和药品
ZWA-J阿貝折光儀:上海光學儀器五廠
市售純乙酸乙酯:折光率b.p. 77.06℃、n 為1.3727。n20D=1.3721
冰醋酸AR. 濃硫酸 AR. 無水乙醇AR. 氯化鈉 AR. 無水硫酸鈉AR. 、硫酸氢鈉 AR. 碳酸鈉 AR. 氯化鈣AR. 均由上海化學試劑廠購得。
3.实驗方法
(1)用硫酸作催化劑合成乙酸乙酯的實验方法及裝置
用硫酸做催化劑的裝置見圖1。在250mL幹燥三口瓶裏加入15mL 95% C2H5OH,將蒸餾瓶置於冷水浴中,一邊振搖一邊分批加入15ml濃H2SO4混合均勻,加入几粒沸石。在三口燒瓶的側口放一支2000C溫度計,滴液漏鬥中放入15mLC2H5OH和14.3mL冰HAc混合均勻後裝入三口燒瓶中口。溫度計水銀球和滴液漏鬥末端必須浸入液面下距瓶底0.5-1cm,另一側口連接回流冷凝管、接液管和锥形瓶。由滴液漏鬥中滴入瓶內約3-4mL後將蒸餾瓶隔石棉網小火空氣浴加熱,使瓶中溫度控制在1100C-1250C,當蒸餾瓶口有液體蒸出时再從滴液漏鬥中慢慢滴入其混合液,調節加料速度,使蒸出酯的速度大致相等,時间約需90min。反應溫度維持在1100C -1250C之間。滴加完畢,繼續加熱數分鐘,直到反应液的溫度升到1300C时不再有液體餾出為止。得粗乙酸乙酯。加入飽和碳酸钠溶液並不斷振蕩,直至無二氧化碳气體產生,放置片刻。然後,轉入分液漏鬥中,放出水層,再經飽和食鹽水飽和氯化鈣溶液各洗一次。有機層經無水硫酸鈉幹燥后進行蒸餾,730C -780C收集後得精酯。

(2)用硫酸氫鈉作催化劑合成乙酸乙酯的實驗方法及裝置
對乙酸乙酯合成實驗的改進
參考并查閱文獻上的有關資料 ,我們認為用硫酸氫鈉作催化劑比較適合學生在實驗室中實驗。
反應方程式:

用硫酸氫鈉做催化劑的裝置見圖2。在圖2中100ml圓底燒瓶中分別加入25ml乙酸、25ml乙醇,1.91 g 硫酸氫鈉,加熱回流60min,冷卻後在水浴上加熱蒸餾,直至無餾出物餾出為止,得粗乙酸乙酯。然後洗涤、幹燥、蒸餾制得精乙酸乙酯。发現其最後產物的產率也可達80%以上,與H2SO4作催化劑一樣能產生較好的效果。

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1.儀器改进
在圖1實驗中制取乙酸乙酯用濃H2SO4作催化劑,發现存在如下缺點:(1)加料速度要慢,否則易使體系的溫度升高,使乙醇揮發,产率降低,使實驗時間延長。(2)由於濃硫酸同时具有酯化、氧化、脫水等作用,酯化的同時易導致乙醚、乙烯、二氧化硫、乙醛等副產物產生;另外若局部過热,硫酸還可使有機溶劑局部碳化,不僅使產率降低,也給產品精制帶來許多麻煩。(3)因濃硫酸有強腐蝕性,學生操作不慎易被燒傷,安全性較差。(4)裝置使用的是三口燒瓶、滴液漏鬥、冷凝管、溫度計、儀器較麻煩。(5)加料時間約90min。優點是:反應過程用溫度计控溫,邊滴加,邊反應、邊蒸馏,平衡是動態的,有利於反應物有效接觸,反應速率較快。但在實验中由於學生操作水平的原因,滴加較快時,反應體系溫度降低,滴加的乙醇來不及參加反應就被蒸了出來,造成乙醇轉化率降低,使產率偏低;滴加較慢時,反应溫度升高,副反應增加,無色的反應液中由棕色變為黑色。溫度的控制與滴加速度控制較难統一,造成反應的不稳定,而使反應物轉化率低。
在圖2改進後的實驗是圓底燒瓶上直接連接冷凝管,裝置簡单,節省時間,水浴上回流0.5h即可改為蒸餾裝置。安全性提高,较圖1節約時間2小時。整個裝置防止了硫酸的碳化,另外先回流後蒸餾有利於反應平衡向產物方向移動, 回流裝置改為蒸餾裝置後,隨著粗產物乙酸乙酯的不斷蒸出,其反應混合物中的乙醇和乙酸還要進行酯化反應,促使反應繼續向平衡右移,使乙酸基本上完全轉化, 防止了反应物來不及反應而被蒸出。此法存在的缺點是:(1)反应瓶中無溫度計,在加熱過程中反应物溫度的波動不能直觀觀察。(2)由于是一次性加入反應物,在加热狀況下有較多的乙醇處于蒸汽狀態下乙醇的轉化率可能降低。
2.催化劑的改進
由于目前有機化學實驗教材中,反應的硫酸用量普遍偏多,達到乙醇用量的20-25%,在實驗中大量出現乙醇被氧化、碳化的現象。文獻上也有許多有關乙酸乙酯合成實驗改進的報道,但用無水四氯化錫、二水氯化亞锡、六水三氯化鐵等做催化劑前期準備工作復雜、時間長、也不適於教學實驗。綜合與查閱文献上的有關資料後,我們認為在實驗室中學生乙酸乙酯合成實驗的催化劑改用硫酸氫鈉能產生較好的催化效果。由于硫酸氫鈉是強電解质,硫酸氫根可以電離出来氫離子而使體系顯酸性。在反應体系中,硫酸氫鈉自身的结晶水能夠在催化劑表面電離出氢離子來催化反應,反應生成的水又能使硫酸氫鈉電離出更多的氫離子,從而有利於酯化反應的進行。硫酸氫鈉價廉易得、使用方便、後處理簡單,易分離,减少了設備的腐蝕和環境汙染。通過實驗在乙酸乙酯的合成反應中,發现其最後產物的產率也可達80%以上,與H2SO4作催化劑一样能產生較好的效果。
以下是兩種催化劑合成乙酸乙酯實验對比,列於表1。從表中可看出改進儀器和催化剂後乙酸乙酯合成時間縮短50min,產量雖然減小而產率的轉化並沒有減少。

3.產品的純度
合成後的乙酸乙酯的折光率見表2。從中可看出,當改進催化劑後乙酸乙酯的折光率與市售纯乙酸乙酯的折光率基本相符。

三、結論

實驗方法改进後,使學生在乙酸乙酯合成實驗時裝置簡單,实驗時間縮短,防止了硫酸碳化现象,減少了設備的腐蝕和环境的汙染,提高了實驗合成的效率。目前本實驗已在我校環保、染整、高分子等專業的同學中進行乙酸乙酯合成改進後實驗,得到了較滿意的實驗效果。

參考文獻


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