微波輻射合成乙酸異戊酯的工藝研究

陳 湘， 馮 巧， 胡繼勇

（河南城建學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，河南 平頂山 467036）

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微波輻射合成乙酸異戊酯的工藝研究

陳 湘， 馮 巧， 胡繼勇

（河南城建學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，河南 平頂山 467036）

摘 要：微波輻射下以乙酸與異戊醇為原料，硫酸為催化劑合成出乙酸異戊酯，經(jīng)紅外光譜等表征產(chǎn)物是乙酸異戊酯?？疾炝宋⒉ㄗ饔脮r間、異戊醇和乙酸的摩爾比和微波功率對反應(yīng)產(chǎn)率的影響；還通過L9(34)正交試驗，確定合成乙酸異戊酯的最佳條件是異戊醇和乙酸的摩爾比為1∶3.0、微波作用時間14 min、微波功率500 W；在最優(yōu)條件下的重復(fù)實驗，平均產(chǎn)量92.6%，實驗重復(fù)性好，收率較高。

關(guān)鍵詞：乙酸異戊酯；微波輻射；正交實驗；產(chǎn)率

乙酸異戊酯（isoamyl acetate）具有香蕉和梨的香氣，可用作無煙火藥、噴漆、橡膠等的溶劑[1-3]，也可用于配制香蕉、梨、蘋果、草莓、葡萄、菠蘿等多種香型食品香精，配制香皂、洗滌劑等所用的日化香精及煙用香精；還用于香料和青霉素的提取、織物染色處理等。在合成乙酸異戊酯的過程中，傳統(tǒng)的加熱方式使反應(yīng)時間較長，且加熱不均勻，影響產(chǎn)品的產(chǎn)率。

近年來，人們都在不斷地改進(jìn)合成方法；微波輻射是有機(jī)合成的一項新技術(shù)，與傳統(tǒng)的加熱方式相比，微波輻射對酯化反應(yīng)具有加熱快，受熱均勻等顯著特點[4-5]，且能明顯提高產(chǎn)品的產(chǎn)率。本文采用微波輻射取代傳統(tǒng)的外加熱的方式，研究合成乙酸異戊酯的最優(yōu)條件?？疾炝宋⒉ㄗ饔脮r間、異戊醇和乙酸的摩爾比和微波功率對反應(yīng)產(chǎn)率的影響，再通過L9(34)正交試驗，確定合成乙酸異戊酯的最佳條件，最后重復(fù)驗證最優(yōu)條件。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

乙酸（36 %）為國產(chǎn)化學(xué)純試劑，無水碳酸氫鈉、濃硫酸、氯化鈣、氫氧化鈉、飽和氯化鈉溶液、無水硫酸鎂、異戊醇（99.5%）均為國產(chǎn)分析純試劑，沸石。

XH-100A型帶回流裝置電腦微波催化/合成萃取儀，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司；電子天平，分度值0.1 mg，上海天平儀器廠；WRS-IA數(shù)字熔點測定儀，上海物理光學(xué)儀器廠；WZS-1阿貝折射儀；Bruker Tensor 27 IR 紅外光譜儀。

1.2 實驗方法

在干燥的100 mL圓底燒瓶中加入適量異戊醇和乙酸，振搖下緩慢加入催化劑和少許沸石。安裝帶有攪拌器的回流裝置，置于微波爐內(nèi)（如圖1所示）。在一定的微波功率下，不斷攪拌反應(yīng)一段時間后，冷卻，蒸餾出粗產(chǎn)品。將粗產(chǎn)品轉(zhuǎn)入分液漏斗中，依次水洗、10% NaHCO3洗兩次和飽和NaCl洗滌。洗滌后的產(chǎn)物放于錐形瓶中用無水MgSO4干燥，靜置。將干燥后的產(chǎn)物蒸餾，收集137～143℃餾分產(chǎn)品，計算產(chǎn)率。用阿貝折射儀和紅外光譜定性分析。

圖1 帶回流的微波反應(yīng)裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 合成的乙酸異戊酯的表征

合成的乙酸異戊酯為無色透明的液體，有濃郁水果氣味，測定的折光率為，與文獻(xiàn)值[6]相符。

對合成的乙酸異戊酯進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知， 2960.70 cm-1是烴基C-H伸縮振動峰，1743.02 cm-1是酯羰基C=O的伸縮振動峰，1242.48 cm-1是乙酸酯基中C-O伸縮振動峰，1388.62 cm-1和1367.66 cm-1是異丙基伸縮振動峰，圖中無羥基吸收峰。其譜圖與紅外光譜儀隨機(jī)譜庫中乙酸異戊酯的標(biāo)準(zhǔn)譜圖一致。

圖2 乙酸異戊酯紅外光譜圖

圖3 微波時間對產(chǎn)率的影響

2.2 單因素試驗條件對產(chǎn)率的影響

2.2.1微波作用時間對產(chǎn)率的影響

乙酸和異戊醇的醇酸摩爾比為1∶3.0，濃硫酸用量0.23 mmol/L，變化微波作用反應(yīng)時間，得到微波作用反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著反應(yīng)時間的不斷增加，產(chǎn)率先增大后減少。這是由于反應(yīng)初期，反應(yīng)物濃度較大，隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，產(chǎn)率不斷增大，但時間過長，副反應(yīng)逐漸增加，產(chǎn)率會有所下降。所以選定微波的最佳時間為12 min。

2.2.2醇酸摩爾比對產(chǎn)率的影響

濃硫酸用量0.23 mmol/L，微波作用反應(yīng)時間12 min，變化乙酸和異戊醇的醇酸摩爾比，得到醇酸摩爾比對產(chǎn)率的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著反應(yīng)醇酸摩爾比的增大，產(chǎn)率先增大后減小，當(dāng)醇酸摩爾比升高到1∶3.0時，產(chǎn)率達(dá)到最大84.2% 。主要原因是酯化反應(yīng)是可逆反應(yīng)，逐漸加大反應(yīng)物乙酸的量，使反應(yīng)不斷向生成酯的方向進(jìn)行，當(dāng)酸的量過大時，酯在酸性條件下發(fā)生水解，反應(yīng)逆向進(jìn)行加快，同時，醇的濃度也被稀釋了，所以產(chǎn)率會降低，所以反應(yīng)的最醇佳酸摩爾比為1∶3.0。

圖4 醇酸摩爾對產(chǎn)率的影響

圖5 微波輻射功率對產(chǎn)率的影響

2.2.3微波輻射功率對產(chǎn)率的影響

乙酸和異戊醇的醇酸摩爾比為1∶3.0，濃硫酸用量0.23 mmol/L，微波作用反應(yīng)時間12 min，改變微波輻射功率，得到微波功率改變對產(chǎn)率的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著微波輻射功率增大，反應(yīng)速率加快，產(chǎn)率前增加后減少。這是由于物料用量一定，輻射功率過大時，容易使反應(yīng)混合物炭化而降低產(chǎn)物的產(chǎn)率。所以，微波輻射功率選為600 W。

2.3 正交試驗考察最佳合成條件

在上述單因素試驗的基礎(chǔ)上，選定醇酸摩爾比（A）、微波時間（B）和微波功率（C）為考察因素，按照L9(34)設(shè)計實驗，以乙酸異戊酯酯產(chǎn)率為指標(biāo)進(jìn)行實驗，確定最佳的合成工藝條件，因素水平如表1所示，結(jié)果如表2所示。

由表2可看出，合成乙酸異戊酯的最佳工藝條件是A2B3C1，即醇酸摩爾比為1∶3.0、微波時間14 min、微波功率500 W，由正交實驗的極差R分析可看出，條件對合成乙酸異戊酯影響的主次順序為A＞B＞C，即醇酸摩爾比＞微波時間＞微波功率。

表1 試驗因素與水平表

表2 正交L9(34)試驗結(jié)果

將實驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到表3。從表3可以看出，料液比對乙酸異戊酯的合成有顯著性影響，微波時間和微波功率影響不顯著。

表3 方差分析表

2.4 優(yōu)化條件驗證實驗

在此優(yōu)化條件下重復(fù)實驗5次，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，實驗重復(fù)性好，結(jié)果穩(wěn)定，平均產(chǎn)率92.6 %，產(chǎn)率較高，說明實驗所得的優(yōu)化條件是可靠的。

3 結(jié)論

1）在無溶劑條件下，以硫酸為催化劑微波加熱可以大大加快酯化反應(yīng)的速率，且該方法反應(yīng)時間短、操作簡便，避免了使用帶水劑等造成的一系列負(fù)面影響，是一個環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)的方法。

2）通過正交試驗，確定在微波作用下，合成乙酸異戊酯的最佳工藝條件為醇酸摩爾比＝1∶3.0、反應(yīng)時間為14 min、微波功率為500 W。

3）在最佳條件下的重復(fù)實驗，實驗重復(fù)性好，收率較高，平均產(chǎn)量92.6%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫寶國, 何堅. 香料化學(xué)與工藝學(xué)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

[2] 侯金松. 微波輻射催化合成乙酸異戊酯[J]. 應(yīng)用化工, 2013, 42(4): 677-682.

[3] 馬世昌. 有機(jī)化合物辭典[M]. 西安: 陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 1988.

[4] 金欽漢. 微波化學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1999.

[5] 蘭翠玲, 楊漢雁, 吳天元. 微波輻射下乙酸異戊酯合成條件研究[J]. 廣西科學(xué), 2004, 11(3): 230-232.

[6] 周公度. 化學(xué)辭典[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

Study on Synthesis of Isoamyl Acetate under Microwave Irradiation

CHEN Xiang, FENG Qiao, HU Ji-yong
（School of Chemistry and Materials Engineering, Henan University of Urban Construction, Pingdingshan 467036, China）

Abstract:Under microwave irradiation isoamyl acetate was synthesized with acetic and isoamylol as raw materials, sulfuric acid as the catalyst. According to the single-factor experiment, the method of orthogonal design (L9(34)) was adopted to determine the optimum conditions. The optimum conditions were as follows: the mole ratio of isoamylol and acetic was 1∶3.0, microwave time was 14 min, microwave power was 500 W. The experiments were repeated under the optimum conditions, it was showed that the experiment had good reproducibility and high yield, and the average yield was 85.0%. The product was characterized by IR.

Key words:isoamyl acetate; microwave irradiation; orthogonal test; yield

作者簡介：陳 湘（1980~），女，講師，碩士；主要從事物質(zhì)合成、天然物提取分離的研究。hncjcx@163.com

基金項目：河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助項目（2013GGJS-175）。

收稿日期：2015-10-26

文章編號：1009-220X(2016)01-0020-05

DOI:10.16560/j.cnki.gzhx.20160101

中圖分類號：TQ 225.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A