正交試驗法優(yōu)化醋酸丁酯的合成條件

張旺旺 王鑫陽 黃本祥 周迎春

(遼寧工業(yè)大學 化學與環(huán)境工程學院，遼寧 錦州 121001)

醋酸丁酯為無色透明、易燃、具有果實味的液體；是一種重要的基本有機化工原料，常作為有機溶劑、萃取劑、脫水劑，廣泛應用于火棉膠、清漆，醫(yī)藥、塑料以及香料工業(yè)中。醋酸丁酯是甲苯、二甲苯、酮類很好的取代品，傳統(tǒng)合成醋酸丁酯的方法成本高、污染大等問題[1-2]。因此，找到一個制備簡單、成本低、易于工業(yè)化、污染小、收率高的合成方法成為人們關注的一個話題。本論文采用正交試驗法優(yōu)化醋酸丁酯的最佳合成條件。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及藥品

藥品：正丁醇、冰醋酸、硫酸氫鈉、可膨脹石墨、碳酸氫鈉等。

儀器：DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，202A-3型電熱干燥箱，M22型有機化學制備儀儀，HDM-250B型電子調(diào)溫電熱套，AW220型電子天平等。

1.2 實驗過程

將一定量正丁醇和一定量冰醋酸加到100 mL圓底燒瓶中，并加入一定量硫酸氫鈉，投入一粒沸石，然后安裝分水器、回流冷凝，用電熱套加熱20 min，回流分水，待反應體系不在有水生成，停止加熱。冷卻后將分水器中的酯層與燒瓶中產(chǎn)物合并。蒸餾收集124℃～126 ℃餾分，稱重。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑種類對醋酸丁酯收率的影響

保持其它的合成條件不變，即酸醇比為1：1，時間為20 min，催化劑分別為可膨脹石墨和硫酸氫鈉，用量均為1 g，時，催化劑種類對醋酸丁酯收率的影響如圖1所示：

圖1 催化劑種類對醋酸丁酯收率的影響

由圖1可以看出，以硫酸氫鈉作催化劑酯的收率較高。酯化反應的實質(zhì)是質(zhì)子的轉(zhuǎn)移，凡是能提供質(zhì)子或接受質(zhì)子的催化劑，都能加快其反應。硫酸氫鈉是硫酸的酸式鹽，為強電解質(zhì)，它可以電離出氫離子，有利于反應。而可膨脹石墨沒有。因此，較好的催化劑為硫酸氫鈉。

2.2 原料摩爾比對醋酸丁酯收率的影響

保持其它的合成條件不變，用1g硫酸氫鈉做催化劑，反應時間為20 min，冰醋酸和正丁醇摩爾比分別為1：0.8、1：0.9、1：1.0、1：1.2、1：1.3、1：1.4時，原料摩爾配比對醋酸丁酯產(chǎn)率的影響如表1所示：

表1 原料摩爾比對收率的影響

由表1可以看出，隨著正丁醇量的增多，產(chǎn)物收率先增后降，原料摩爾比為1：1.1時酯收率最高，即88.90 %。因為醇的量不足時，反應物酸不能夠完全反應，導致產(chǎn)物降低，增大醇的物質(zhì)的量使平衡向生成酯的方向移動，提高酯的收率，但增至一定程度后，過多的醇和醋酸丁酯發(fā)生醇解反應，生成新的醇和酯，降低了產(chǎn)物收率[3]。因此，最佳摩爾比為1：1.1。

2.3 催化劑用量對醋酸丁酯的影響

保持其它的合成條件不變，反應20min，原料摩爾配比為1：1.1，催化劑硫酸氫鈉用量分別為0g、0.25g、0.50g、0.75g、1.00g、1.25g、1.50g時，醋酸丁酯的收率如表2所示：

表2 催化劑用量對收率的影響

由表2可以看出，隨著催化劑用量的增多，產(chǎn)物收率先增高后降低，硫酸氫鈉為1g時收率最高，即88.90%。催化劑的量少時，活性不夠，產(chǎn)率低；催化劑用量增加時，相對酸性增強，導致了醋酸丁酯的水解。因此，催化劑的最佳用量為1g。

2.4 反應時間對醋酸丁酯收率的影響

保持其它合成條件不變，催化劑硫酸氫鈉用量為1g，原料摩爾配比為1：1.1，反應時間分別為10min、20min、30min、40min、50min、60min時，反應時間對醋酸丁酯收率影響如表3所示：

表3 反應時間對收率的影響

由表3可以看出，隨著時間延長，產(chǎn)物產(chǎn)率先增后降，30min后達到最高，即88.90%。剛開始反應時，反應物沒有充分反應，故產(chǎn)率低，隨著反應時間的延長，可能因為是副反應的增多，導致產(chǎn)物產(chǎn)率降低[4]。因此，最佳反應時間為30min。

2.5 正交試驗優(yōu)選最佳合成條件

由前面的單因素實驗可知，反應時間(A)、催化劑用量(B)和原料配比(C)對醋酸丁酯的收率有較大影響，本文以醋酸丁酯的收率為實驗指標(Y)，建立了三因素三水平的正交實驗模型，各因素水平表及極差分析表見表4、5。

表4 因素水平表

表5 極差分析表

根據(jù)極差的大小R3>R1>R2得出各因素的影響順序為原料配比(C)>反應時間(A)>催化劑用量(B)。所得最佳提取條件為A2B3C3，即反應時間為30min，催化劑硫酸氫鈉用量為1.25g，冰醋酸、正丁醇的摩爾配比為1：1.20時，醋酸丁酯的收率最高。

正交試驗組合正好在前面的單因素實驗中做過，即當反應時間為30min，催化劑硫酸氫鈉用量為1.25g，冰醋酸、正丁醇的摩爾配比為1：1.2時，得到醋酸丁酯產(chǎn)率最高為88.90%，與正交試驗結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

以冰醋酸和正丁醇為原料，用硫酸氫鈉作催化劑合成了醋酸丁酯，最佳合成條件為：原料正丁醇、冰醋酸的配比為1：20，反應時間為30min，催化劑硫酸氫鈉用量為1.25g時，醋酸丁酯的收率最高，可達88.90%。