超声波振荡法合成阿司匹林

超声波振荡法合成阿司匹林

阿司匹林的经典制备方法是在浓硫酸或浓磷酸的作用下通过乙酸铵、浓硫酸或浓磷酸得到的。该工艺成熟，副回应多，设备腐败严重，风险大，污染环境。因而寻找催化活性高、安全、环保型的催化剂来代替浓硫酸或浓磷酸催化合成阿司匹林,已成为人们研究的新课题。应用固体酸催化剂的工艺因催化剂与反应物处于不同相中,可回收并可重复使用,且无设备腐蚀和环境污染等问题,因而被称为清洁工艺。但由于固体酸催化剂与反应物处于不同相中,为非均相反应,这样就限制了固体酸催化剂的催化效果,而将超声波振荡作用于反应体系后,加剧了分子运动速率,大大增加了反应物分子之间及反应物分子与催化剂的碰撞频率,因而能大大提高固体酸催化剂催化效果。为此,本文以磷酸二氢钾为催化剂,超声波振荡加热,探索一种安全、环保的阿司匹林合成方法,并利用正交实验对其合成条件进行优化。1实验部分1.1仪器和检测方法水杨酸、乙酸酐、浓硫酸、磷酸二氢钾、浓盐酸、氢氧化钠、三氯化铁、无水乙醇、碳酸氢钠、溴化钾均为分析纯。SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵;101-0-BS型电热恒温鼓风干燥箱;KQ-700DV型数控超声波清洗器;DF-108B型集热式恒温加热磁力搅拌器;KDM型电子调温电热套;WQF-510型傅立叶变换红外光谱仪;769YP-15A型手动压片机;AR2140型电子分析天平。1.2反应时间及反应时间通过对比实验确定固体酸催化剂和加热方式。阿司匹林按照文献的方法合成。3.0g水杨酸,8.0mL乙酸酐,反应温度80℃,反应时间40min。分别以0.2mL浓硫酸催化水浴加热,0.5gKH2PO4催化水浴加热,0.5gKH2PO4催化超声波振荡加热,超声波振荡加热4种方式合成阿司匹林,合成产品与1%三氯化铁溶液反应,以三氯化铁溶液颜色的变化来表示产品的纯度,三氯化铁溶液仍为橙黄色,说明样品较纯,三氯化铁溶液显粉红色,说明样品纯度较低,三氯化铁溶液显紫色,说明样品不纯。1.3氢钾的用量通过正交实验确定磷酸二氢钾催化,超声波振荡加热合成阿司匹林的最佳条件。选取反应温度、反应时间、磷酸二氢钾的用量和水杨酸∶乙酸酐(摩尔比)作为主要考察因素,以阿司匹林的产率和纯度作为考察目标,首先进行4因素3位级L9(34)正交实验(见表1),根据实验结果得到大致反应条件范围后,再缩小范围进行新一轮正交实验。实验数据用直观分析和极差分析处理并确定最佳实验条件,然后按照上述的最佳条件进行验证实验。1.4回收催化剂对最佳条件的影响反应完成后趁热过滤得催化剂磷酸二氢钾,干燥,称其质量,计算回收率,然后使用回收的催化剂,在最佳条件下合成阿司匹林,考察回收催化剂对产率的影响。1.5产品的红外光谱检测采用溴化钾压片法对产品进行红外光谱测试。2结果与讨论2.1kh2po4催化超声振荡反应体系的优化对比实验结果(见表2)表明,超声波振荡加热产率较低,产品纯度最低,可见,加入催化剂可以大大提高阿司匹林产率和产品的纯度;KH2PO4催化水浴加热产率和纯度均较低,而KH2PO4催化超声波振荡加热产率和纯度均较高。其主要原因是KH2PO4为固体酸催化剂,与反应物处于不同相中,为非均相反应,这样就限制了KH2PO4的催化效果,而超声波振荡作用于反应体系后,加剧了分子运动速率,大大增加了反应物分子之间及反应物分子与催化剂的碰撞频率,因而能大大提高KH2PO4的催化效果。由表2可知,KH2PO4催化超声波振荡加热与浓H2SO4催化水浴加热产率相当,且其重现性较好,因此KH2PO4催化超声波振荡加热是有望代替浓H2SO4催化合成阿司匹林的方法之一。2.2转化反应条件筛选正交实验结果见表3。由表3可知,最佳条件是A3B3C1D3。但由于因素D极差较小,为次要因素,其K2和K3相差较小,因素D可选D2;因素B虽然为重要因素,但其K2和K3相差较小,为了尽量减少反应时间,从而节约能源,因素B可取B2。因此,最佳的反应条件为A3B2C1D2,即反应温度80℃,时间40min,KH2PO4用量为0.5g,水杨酸∶乙酸酐(摩尔比)=1∶3。由表3可知,该反应产率有随着反应温度升高和反应时间增加而上升的趋势,催化剂的量几乎对反应没有影响,说明有可能进一步降低催化剂的量来节约原料,从而降低反应的成本。为此进行第二批正交实验。由于因素D其K2和K3相差很小,K2和K1相差较大,因此在第二批正交实验固定其值为D2,即水杨酸∶乙酸酐(摩尔比)为1∶3,第二批正交实验设计见表4。由表5可知,最佳条件是A2B3C1。由于因素B的极差较小,因素B为次要因素,为了尽量减少反应时间,从而节约能源,因素B可选取B1。结合第一批正交实验的结果,选取反应时间30～40min;由两批正交实验可以看出,反应温度75℃和80℃时,产率相差不大,因此反应温度可取75～80℃。以磷酸二氢钾催化超声波振荡加热合成阿司匹林实验室最佳工艺条件为反应温度75～80℃,反应时间为30～40min,KH2PO4用量为0.5g,水杨酸和乙酸酐物质的量比为1∶3。为了验证正交实验结果,在上述最佳条件下进行了验证实验,结果见表6。由表6可知,在上述最佳条件下进行反应与正交实验的最高值基本吻合,而且反应的稳定性好,据此可确定上述该反应的实验室最佳工艺条件。2.3浓硫酸的优点用磷酸二氢钾催化合成阿司匹林,具有催化剂在反应过程保持固态,不溶于反应体系,易与产物分离回收循环使用的优点,克服了浓硫酸对设备的强腐蚀性、对环境的污染等缺点,符合绿色化学的发展方向,具有工业应用的前景。为此,本文进行了催化剂回收及其循环使用实验,结果见表7。实验结果表明,磷酸二氢钾回收率高,接近90%,且二次催化效果较第一次催化效果基本保持不变,说明催化剂可回收循环使用,且回收操作简单。2.4酯结构的表征产品为白色针状晶体,难溶于水,易溶于乙醇,红外吸收光谱见图1。由图1可知,产品的主要特征吸收峰:1650～1740cm-1为CO伸缩振动峰,1180～1240cm-1为C—O—C不对称伸缩振动峰,表明了酯结构的存在。2546～2873cm-1为COOH的特征宽带吸收峰,1740～1780cm-1为芳香族羧酸的羰基的缔合振动峰,1450～1620cm-1为苯环上CC的振动峰,900～950cm-1为羟基的弯曲振动,这些表明了苯环和羧酸的存在。谱图不仅与文献标准谱图相符,而且与红外光谱仪数据库中标准谱图相符,说明已得到产物阿司匹林。3磷酸二氢钾的制备(1)磷酸二氢钾催化超声波振荡加热合成阿司匹林的实验室最佳条件为:3.0