“黑面包”實(shí)驗(yàn)廢棄物催化乙酸乙酯合成的探究

陽(yáng)志高 易富饒 隆坤明 聶忠平 尹篤林

（湖南長(zhǎng)沙寧鄉(xiāng)縣第一高級(jí)中學(xué)湖南寧鄉(xiāng)410660）

“黑面包”實(shí)驗(yàn)廢棄物催化乙酸乙酯合成的探究

陽(yáng)志高 易富饒 隆坤明 聶忠平 尹篤林

（湖南長(zhǎng)沙寧鄉(xiāng)縣第一高級(jí)中學(xué)湖南寧鄉(xiāng)410660）

利用化學(xué)必修1“黑面包”實(shí)驗(yàn)廢棄物制得炭固體磺酸，將其應(yīng)用于乙酸乙酯的合成實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明，該催化劑具有良好的催化效果和穩(wěn)定的催化性能；中學(xué)實(shí)驗(yàn)廢棄物重新利用不但能夠啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上更具有開(kāi)拓性的意義。

黑面包；炭固體磺酸；酯化反應(yīng)；催化

在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，乙酸乙酯的制備是一個(gè)重要的代表，它也是中學(xué)化學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一［1]，在人教《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》［2]的教材中還特別圍繞這個(gè)問(wèn)題做了專(zhuān)門(mén)的探究，可見(jiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中占了很重要的地位。乙酸乙酯合成方法是以乙酸和乙醇為原料，在濃硫酸催化下進(jìn)行。但使用濃硫酸作為催化劑存在一系列的不穩(wěn)定因素：①濃硫酸的強(qiáng)氧化性和脫水性能導(dǎo)致一系列副反應(yīng)，產(chǎn)物中混有少量醚、烯烴等；②反應(yīng)條件不易控制，乙酸乙酯的收率較低；③濃硫酸對(duì)工業(yè)鐵質(zhì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，工業(yè)酯化反應(yīng)不合適大規(guī)模生產(chǎn)。所以在中學(xué)化學(xué)教育類(lèi)期刊上發(fā)表了一系列關(guān)于乙酸乙酯制備實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)方面的文章；筆者通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，暫時(shí)還沒(méi)有利用中學(xué)化學(xué)必修1“黑面包”實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物作為固體酸催化劑催化合成乙酸乙酯的報(bào)道。

湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院尹篤林教授科研課題組在其國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《生物質(zhì)固體炭磺酸的制備》［3-5]中，詳細(xì)介紹了各種生物質(zhì)炭磺酸的制備方法，催化原理，催化性能，社會(huì)能源效益等。為本論文提供了理論依據(jù)。筆者曾為該課題組的一員，根據(jù)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)際，利用“黑面包”實(shí)驗(yàn)廢棄物，經(jīng)過(guò)處理得到炭固體磺酸，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)將其應(yīng)用于乙酸乙酯的合成中(圖1)，

圖1 乙酸乙酯的合成

取得了很好的效果，不但激發(fā)學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)期望，特別培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑒?chuàng)造能力；通過(guò)認(rèn)識(shí)和解決未知化學(xué)問(wèn)題，感悟到科學(xué)研究的魅力。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)藥品：乙醇、冰醋酸、濃硫酸、無(wú)水硫酸鎂均為分析純，飽和氯化鈉，碳酸鈉溶液。

實(shí)驗(yàn)儀器：電子天平，阿貝折光儀，試管，長(zhǎng)導(dǎo)管，酒精燈，鐵架臺(tái)。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

圖2 探究濃硫酸的脫水性—“黑面包”實(shí)驗(yàn)

(1)“黑面包”實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的處理：按圖2流程制得“黑面包”，后處理按照徐瓊、陽(yáng)志高［6-8]等人的方法進(jìn)行：用去離子水反復(fù)洗滌直到洗滌液中檢測(cè)不到硫酸根離子，將黑色產(chǎn)品裝入圓底燒瓶中，接上回流管，加熱回流10h，中間過(guò)程需不停換水，確保產(chǎn)品中不存在游離的硫酸。100℃下干燥12h，備用。

(2)乙酸乙酯的制備：實(shí)驗(yàn)過(guò)程依照人教實(shí)驗(yàn)版教科書(shū)實(shí)驗(yàn)3-4進(jìn)行；在一支試管中加入3mL乙醇，2mL乙酸和一定量干燥好的炭固體磺酸，用酒精燈緩慢加熱；餾出液先后用10%碳酸鈉溶液的中和、飽和氯化鈉溶液的洗滌，然后用無(wú)水硫酸鎂干燥，蒸餾收集73℃～78℃餾分。用阿貝折光儀檢驗(yàn)餾分產(chǎn)物的折光率與文獻(xiàn)值相符合［9]，為1.732。最后稱(chēng)量餾分產(chǎn)物，計(jì)算產(chǎn)率。

二、結(jié)果與討論

1.不同催化劑對(duì)乙酸乙酯合成中的影響

為了考察該催化劑的催化效果，在反應(yīng)相同的時(shí)間內(nèi)(30min)，考察了不同催化劑用量對(duì)乙酸乙酯產(chǎn)率的影響，同時(shí)與其它幾種酸催化劑的催化效果做了比較。結(jié)果列入表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著催化劑用量的增加，乙酸乙酯的產(chǎn)率也增加，但是當(dāng)炭固體磺酸用量達(dá)到2.0g時(shí)，產(chǎn)率變化不明顯；在與其它催化劑對(duì)比中，炭固體磺酸也收到比較好的效果，其催化效果僅次于已商業(yè)化的磺酸樹(shù)脂，比傳統(tǒng)的液體酸催化劑效果都要好，結(jié)果表明，炭固體磺酸對(duì)酯化反應(yīng)是一種有效的催化劑。

表1 催化劑用量，不同催化劑對(duì)乙酸乙酯產(chǎn)率的影響

2.催化劑重復(fù)使用考察

為了考察該催化劑的穩(wěn)定性，在上述最優(yōu)條件下，將催化劑做重復(fù)性考察實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2，結(jié)果表明，連續(xù)使用4次過(guò)程中，催化性能并沒(méi)有明顯的變化，表明在乙醇和乙酸等有機(jī)溶劑中，炭磺酸催化劑能夠比較好的保持穩(wěn)定性。

表2 催化劑穩(wěn)定性考察

三、結(jié)論

結(jié)果表明，在乙酸乙酯合成過(guò)程中，可以采用“黑面包”實(shí)驗(yàn)廢棄物作為有效且合理的催化劑；同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)充分利用中學(xué)實(shí)驗(yàn)廢棄物，尤其是在現(xiàn)階段我國(guó)大部分高中實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有“三廢”處理設(shè)施前提下，開(kāi)展廢棄物重新利用在中學(xué)化學(xué)教學(xué)上具有開(kāi)拓性意義；指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和觀察，把酯化反應(yīng)和濃硫酸的性質(zhì)結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，通過(guò)對(duì)未知化學(xué)問(wèn)題進(jìn)行探索的實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的積極性和創(chuàng)造性。

［1]郭書(shū)好.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)（第2版）［M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2006

［2]宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)·實(shí)驗(yàn)化學(xué)（選修）［M].北京:人民教育出版社，2006:27-28

［3]尹篤林，徐瓊，毛麗秋等.中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利［P].ZL2006 1 0032187.9

［4]陽(yáng)志高，張峰，徐瓊，尹篤林.竹炭基磺酸無(wú)溶劑催化合成查爾酮及其衍生物有機(jī)化學(xué)，2007，27增刊，335

［5]Zhigao Yang，Qiong Xu，Dulin Yin.Three-component coupling Mannich reaction catalyzed by sucrose char sulfonic acid.9th International Symposium on Green Chemistry in China.2008，136

［6]左傳鵬，陽(yáng)志高，尹篤林等.椰殼炭磺酸催化劑制備及其對(duì)杯［4]芧烴合成反應(yīng)的催化作用［J].應(yīng)用化學(xué)，2010，27［2]:237-239

［7]Qiong，X.，Y.Zhigao，Y.Dulin.One-pot three-component Mannich reaction catalyzed by sucrose char sulfonic acid［J].Frontiers of Chemical Engineering in China.2009

［8]Qiong，X.，Y.Zhigao，Y.Dulin，Zh.Feng.Synthesis of chalcones catalyzed by a novel solid sulfonic acid from bamboo［J].Catal.Commun.2008，9:1579-1582

［9]蘭州大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系有機(jī)化學(xué)教研室編.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)第2版［M].北京:高等教育出版社，1990

1008-0546（2011）01-0072-02

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10.3969/j.issn.1008-0546.2011.01.032