毕业论文-离子液体催化合成醋酸正丙酯的研究

1、本科毕业论文（设计）题 目：离子液体催化合成醋酸正丙酯的研究姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 化学工程与工艺 年级班级： 指导教师： 年 月 日 目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc12923 摘 要1 HYPERLINK l _Toc15719 引言2 HYPERLINK l _Toc1018 1 实验部分3 HYPERLINK l _Toc13737 1.1实验仪器及试剂3 HYPERLINK l _Toc7702 1.2离子液体的合成方法3 HYPERLINK l _Toc852 1.3 醋酸正丙酯的制备3 HYPERLINK l _Toc29498

2、2.结果与讨论4 HYPERLINK l _Toc4886 2.1反应时间的选择4 HYPERLINK l _Toc14730 2.2反应温度的选择4 HYPERLINK l _Toc30215 2.3离子液体用量的选择5 HYPERLINK l _Toc11060 2.4醇酸比的选择5 HYPERLINK l _Toc7470 2.5带水剂用量的选择5 HYPERLINK l _Toc24176 2.6正交试验的最优化设计6 HYPERLINK l _Toc12803 2.7红外光谱图7 HYPERLINK l _Toc6770 3.结论8 HYPERLINK l _Toc31778 参考文

3、献9 HYPERLINK l _Toc30923 致谢 离子液体催化合成醋酸正丙酯的研究 摘 要：文章以冰乙酸和正丙醇为原料，以 HmimHSO4离子液体作催化剂，制备醋酸正丙酯。利用正交实验，研究了反应时间、催化剂用量、醇酸比、带水剂用量、反应时间等多种因素对醋酸正丙酯产率的影响，优化了制备醋酸正丙酯的工艺，获得了最佳工艺条件。 研究结果表明，最佳工艺条件为:冰乙酸与正丙醇的摩尔比1:1.05，反应温度95C，离子液体用量5%，反应时间3h。在最佳工艺条件下，醋酸正丙酯的收率可达到90%。关键词：离子液体；醋酸正丙酯；催化剂Study on Synthesis of n-PropylAcet

4、ateCatalyzed by ionic liquidAbstract: Articles with glacial acetic acid and n-propanol as raw materials Hmim HSO4 ionic liquid as catalyst, prepared n-propyl acetate. By orthogonal experiment to study the reaction time, a variety of factors catalyst, mole ratio, with a liquid dosage and reaction tim

5、e on the yield of n-propyl acetate, n-propyl acetate to optimize the preparation process, access to the The optimum conditions. The results showed that the optimum conditions are as follows: the molar ratio of glacial acetic acid and n-propanol, 1: 1.05, the reaction temperature is 95C, ionic liquid

6、 dosage 5%, reaction time 3h. Under optimum conditions, the yield of n-propyl acetate can reach 90%.Keywords:ionic liquid;propyl acetate;catalyst 引言离子液体1,2又称室温熔盐、有机离子液体，即由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的、在100以下呈液体状态的盐类。在室温或接近室温温度下由离子构成的呈液态的物质，称为有机离子液体、室温离子液体等，通常称为离子液体。在离子化合物中，阴阳离子的电荷数量及半径与离子的大小密切相关，离子半径的增大会使阴阳离子之间

7、的作用力和熔点减小。某些离子化合物的阴阳离子之间的作用力较低，熔点接近室温，是因为它们体积很大，所以离子液体也称为低温熔融盐。离子液体是离子化合物，其结构中某些取代基具有不对称性，这使离子晶体不能规则地堆积，导致熔点较低。3在当前的离子液体中，阳离子大多为咪唑阳离子，阴离子大多为卤素离子和其它无机酸离子。离子液体催化酯化反应和传统有机溶剂相比较，有很多优点：有较好的稳定性；有较宽的温度范围，从室温可以到300 C；溶解性能较好；不易挥发；避免了污染环境的问题；可以做催化剂也可以做溶剂。但相比目前工业现有工艺，使用离子液体作为催化剂存在有不足之处，如离子液体价格比较昂贵，处理之后虽然可以重复使用

8、，但是重复使用率不高；有较高的反应温度，产率降低；在酯化反应机理研究方面知识较少等。所以提高离子液体的性能，实现室温条件下进行酯化反应，并应用于工业生产，仍是研究者努力的方向。4，5醋酸正丙酯是无色透明液体，有水果香味，生活中吃的番茄、香蕉、草莓中都有醋酸正丙酯成分。醋酸正丙酯的熔点是-92.5，沸点为101.6，相对密度为0.8878，折射率为1.383-1.385，它微溶于水，与酮、醇、烃、醚互溶。醋酸正丙酯属于微毒类有机溶剂，人体高浓度吸入可导致恶心呕吐，浑身无力，甚至麻醉。醋酸正丙酯易燃，遇明火可以引起爆炸，燃烧可分解为一氧化碳和二氧化碳。合成醋酸正丙酯时应当保持空气流通，穿戴防护措施

9、，如不慎接触或吸入，应立即清洗，严重立即就医，若需要灭火，则要用抗溶性泡沫或干粉灭火器，或者直接用砂土掩盖。醋酸正丙酯具有优良的溶解能力，尤其在合成树脂方面，它是常用的脱水剂，也作为溶剂使用，用于涂料、有机合成过程和油墨印刷等方面。浓硫酸一般作为合成醋酸正丙酯酯化反应的催化剂，但有很多缺点：副作用多；设备腐蚀严重；复杂的处理过程；污染环境。6离子液体的不挥发性、稳定性好、与有机物的相容性可调、酸性可调等特点，可以有效地避免这些问题。制备醋酸正丙酯时，催化剂选择烷基咪唑磺酸盐酸性离子液体，合理地设计实验，考察其性能。7，81 实验部分1.1实验仪器及试剂实验仪器：加热磁力搅拌器、200温度计两支

10、、铁架台、三口瓶、锥形瓶若干、直流冷凝管、蒸馏头、牛角管、1m橡胶管两根、50mL量筒一个、分水器、滴管、称量天平、电加热套、液相色谱仪。实验试剂：冰醋酸；正丙醇；N-甲基咪唑；浓硫酸，浓度为98%（质量分数）；甘油；乙醚。其他试剂均为分析纯。1.2离子液体的合成方法用20ml量筒量取N-甲基咪唑16ml，加入到含有磁子的三颈烧瓶(100 mL)中，然后冰浴冷却至0-5 C，打开磁力搅拌器开关剧烈搅拌1 min，使用恒压滴液漏斗将 98的浓硫酸加料时间控制在40min左右缓慢滴加。加料之后，在水浴中逐渐升温至80 C，然后保持温度反应2h。反应后，用等量的乙酸乙酯将溶液洗涤三次，除去未反应的残

11、留物，然后将反应物减压蒸馏除水（75 C），真空干燥得最终产物，粘稠状淡黄色液体，即为硫酸氢根甲基咪唑盐HmimHSO4。9，10其反应式如图所示：1.3 醋酸正丙酯的制备将1ml离子液体，7.5ml冰乙酸和6ml正丙醇加入到100ml三口瓶中，装上温度传感器和分水器，环己烷作为分水剂，装上回流冷凝管，边加热边搅拌至反应物沸腾开始反应。由三口瓶中蒸出中反应过程形成的共沸物，经回流冷凝管冷却，流入分水器，目的是将其中的水与有机相分离，注意观察分水器中的溶液高度，及时的排出，有机相返回三口瓶继续反应。当反应达到规定时间后，降温停止反应，静置分出上层有机相，得到粗产物。将上层有机相用等量Na2CO3

12、 (质量分数为10%)洗涤至中性，再用饱和NaCl溶液洗涤，最后用无水CaCl2溶液洗涤。将产物装入圆底烧瓶中，加沸石，使用电加热套，安装蒸馏装置，调温控制收集101的馏分，得到最终产物醋酸正丙酯。反应方程式如图所示：2.结果与讨论112.1反应时间的选择原料冰乙酸和正丙醇配比为1：1.05（实验用量冰乙酸7.5ml，正丙醇6ml），离子液体1ml，反应温度95，反应时间分别为1h，2h，3h，4h。反应结束后分别计算转化率。结果见表1。表1 反应时间对转化率的影响冰乙酸ml正丙醇ml时间h转化率%7.57.5661275807.563907.56490由此表可以看出随着反应时间的加长，转化率

13、相对升高，当反应时间为3小时的时候反应已经达到平衡了，反应时间再久对转化率的影响不是很大。所以最佳的反应时间为3小时。2.2反应温度的选择原料冰乙酸和正丙醇配比为1：1.05（实验用量冰乙酸7.5ml，正丙醇6ml），离子液体1ml，反应时间3h，反应温度分别为80，90，95，96。反应结束后分别计算转化率。结果见表2。表2 反应温度对转化率的影响冰乙酸ml正丙醇ml时间h温度转化率%7.57.56633809065757.56395907.5639690由此表可以的看出，反应的转化率随着温度的升高也相对升高，当温度在95的时候转化率达到平衡。温度再升高对反应的转化率影响不大。所以选择最佳温

14、度为95。2.3离子液体用量的选择原料冰乙酸和正丙醇配比为1：1.05（实验用量冰乙酸7.5ml，正丙醇6ml），反应温度分别为95，反应时间3h。离子液体用量分别为3%、5%、7%。反应结束后，计算反应转化率，结果见表3。表3催化剂用量对转化率的影响冰乙酸ml正丙醇ml时间h温度催化剂用量%转化率%7.563953817.563955907.56395788由此表可以看出随着离子液体用量的增加，转化率也相对升高，到一定量后反应转化率反而降低，所以可以选择最佳的离子液体的添加量为5%（质量分数）。2.4醇酸比的选择醇酸比分别设定为1:1,1.05:1,1.1:1，反应时间3h，反应温度分别为9

15、5，催化剂用量为1ml，反应结束后，计算产物转化率，结果见表4。由此表可以看出随着醇酸比的增大，产物转化率相对升高，醇酸比为1.05:1时反应转化率最高，所以醇酸比的最佳选择为1.05:1。表4醇酸比对转化率的影响醇酸比时间h温度催化剂用量ml转化率%1:13951871.05：13951901.1：13951902.5带水剂用量的选择原料冰乙酸和正丙醇配比为1：1.05（实验用量冰乙酸7.5ml，正丙醇6ml），反应时间3h，反应温度分别为95，离子液体用量1ml。带水剂用量分别为130%、150%、170%。反应结束后，计算反应转化率，结果见表4。表5催化剂用量对转化率的影响冰乙酸ml正丙

16、醇ml时间h温度带水剂用量%转化率%7.56395130857.56395150907.5639517088由此表可以看出随着带水剂用量的增加，产物转化率也相对升高，到一定量后反应转化率反而降低，所以可以选择最佳的带水剂的添加量为150%。2.6正交试验的最优化设计为了优化离子液体HmimHSO4作为催化剂时醋酸正丙酯合成的最优工艺条件，选用醇酸比、催化剂用量和反应时间这三个影响因素作为正交因子，设计L9(34)正交表。表6 L9（34）实验因子水平表（离子液体HmimHSO4催化剂）水平反应时间/h催化剂用量/mL酸醇比1111：12221.05：13331.1：1表7 正交实验安排及结果序

17、号反应时间/h催化剂用量/mL酸醇比酯化率/%1111：158.72121.05：152.23131.1：144.94211.05：175.75221.1：170.66231：165.57311.1：186.08321：184.99331.05：176.8M1155.8220.4209.1M2211.8207.7204.7M3247.7187.2201.5R91.933.27.6由该表可以得出如下结论：1、通过正交试验的分析，影响醋酸正丙酯转化率的因素顺序是：反应时间催化剂用量酸醇比；122、由正交表分析可知，合成醋酸正丙酯的最佳反应条件为：反应时间为3h；醇酸比为1.05：l；离子液体Hmi

18、mHSO4用量为1mL（质量分数为5%）。最佳反应条件下醋酸正丙酯的转化率为90%。2.7红外光谱图以正交试验得出的最佳反应条件实验三次，得出最佳产物，制作红外光谱图，见表9：表8 醋酸正丙酯的红外光谱数据波数/cm-1297617681646137312411063T/%252137331435波数/cm-11021T/%38表9由红外光谱图可以看出：2976cm-1为C-H伸缩振动吸收峰；1768cm-1为C=O伸缩振动吸收峰； 1646cm-1、1373cm-1为C-H弯曲振动吸收峰；1241cm-1、1063cm-1、1021cm-1为C-O-C弯曲振动吸收峰。3.结论通过探究正交实验

19、，得出了离子液体催化合成醋酸正丙酯的最佳反应条件：反应时间为3h；醇酸比为1.05：l；离子液体HmimHSO4用量为1mL，催化率可以达到90%。使用离子液体可以实现高效环保、稳定性好等优势，但在实验的过程中也出现很多问题，例如离子液体的回收率不高，重复使用性差，制备离子液体比较昂贵。参考文献1李明，包桂蓉，王华，韩磊，李秀凤，李一哲，李法.高活性离子液体催化酯化反应的研究J. 应用化工，2010(4)：480.2刘丙燕，林金清.离子液体的纯化J. 化学工程与装备，2007(2)：57-60.3李保民，王静.离子液体的合成与应用J. 广州化工，2011(14)：67-69.4刘丽娟，周峰岩.

20、绿色溶剂离子液体在酯合成反应中的应用研究进展J. 枣庄学院学报，2008(5)：1-9.5Davis J HTask-specific ionic liquids JChemLett，2004，33(9)：1072-10776姚志龙.离子液体催化合成醋酸正丙酯的研究J. 中外能源，2010(5)：84-87.7马海兵. 离子液体的合成与应用D.山东：山东师范大学，2006：66.8崔锐博. 新型双阳离子离子液体的合成与应用D.南京：南京工业大学，2011：76.9张衡. 单羧基咪唑类离子液体的合成、结构、性质和应用D.河南：河南师范大学，2013：77.10VASILOIU Maria, GAE