《乙酸正丁酯的合成工艺及优化探究》7000字（论文）

I乙酸正丁酯的合成工艺及优化研究摘要醋酸正丁酯,又称醋酸丁酯,结构式CH3COOC4H9。醋酸正丁酯试验是无色澄清具有愉快果香味道的物质。该试验采用浓硫酸为反应催化剂,用冰乙酸和正丁醇为主要原料制取醋酸正丁酯,并考虑了正丁醇和乙酸在不同体积下对生产反应中的作用,以及反应时间,催化物数量等各种因素对酯化反应速率之间的关系。得出反应的最终情况是:固定为V(正丁醇):V(冰乙酸)=1.55:温度系数,即以浓硫酸催为主要化学制成用量的五ml。反应温度124-126℃,反应时间在五十min为宜左右,用催化剂合成的醋酸正丁酯的收率约为百分之七十七点九。关键词：催化剂；醋酸正丁酯；酯化反应目录TOC\o"1-3"\h\u11819第一章概述 1140491.1乙酸正丁酯的简介 1171551.2乙酸正丁酯的性质 1253431.3乙酸正丁酯的用途 1205601.4羧酸酯的生产现状与发展趋势 244161.5对环境的影响 286321.5.1健康危害 2278151.5.2毒理学资料及环境行为 3297611.5.3灭火方法 319440第二章实验内容 4169872.1实验原理 4194292.2仪器和试剂 4310672.3实验装置 585552.3.1分水器的回流装置 5112142.3.2加热蒸馏装置 523312.4操作步骤 6120982.4.1酯化 6103252.4.2洗涤 6188082.4.3干燥 651642.4.4蒸馏 6287092.4.5测折射率 752942.5注意事项 7306282.6乙酸正丁酯性能测试方法 8121022.6.1采用阿贝折光仪测试折光率 8123562.6.2采用密度瓶法测定密度 864752.6.3通过气味判断 8120672.6.4可以通过红外光谱图进行比对 831743第三章结果与讨论 999033.1醇酸摩尔比的不同对产率的影响 9321353.2反应时间不同对产率的影响 1051773.3催化剂浓硫酸的用量不同对产率的影响 1124228第四章结论与展望 13295204.1结论 1327831参考文献 14第一章概述1.1乙酸正丁酯的简介乙酸正丁酯，简称乙酸丁酯，是一种有机化合物，化学式为CH3COO(CH2)3CH3，为无色透明有愉快果香气味的液体，是一种优良的\t"/item/%E4%B9%99%E9%85%B8%E6%AD%A3%E4%B8%81%E9%85%AF/_blank"有机溶剂，对乙基纤维素、醋酸丁酸纤维素、聚苯乙烯、甲基丙烯酸树脂、氯化橡胶以及多种天然树胶均有较好的溶解性能。高温引起燃烧爆炸。乙酸正丁酯为急性毒性低，但对眼鼻刺激性大，高浓度可导致麻醉。乙酸正丁酯还是一种极好的有机溶剂，乙酸正丁酯在乙基纤维素，醋酸丁酸纤维素，聚苯乙烯，甲基丙烯酸树脂，氯化橡胶和许多天然树胶中都具有良好的溶解性能。[1]1.2乙酸正丁酯的性质分子式：C6H12O2分子量：116.16FEMA：2174CAS：123-86-4密度：0.8764熔点（℃）：-77.9沸点（℃）：126.1闪点（℃）：22（闭杯）折射率：1.3908色状：无色液体溶解性情况:溶于醇、乙醚、醛等有机溶剂,溶于约一百八十份水。稳定性:在弱酸性溶剂中比较稳定[2]1.3乙酸正丁酯的用途乙酸乙酯的沸点为77.1℃，熔点为-83.6℃，相对分子质量为88.11，密度为0.897g/cm3，微溶于水，多溶于醇、酮、醚、氯仿等多数有机溶剂。乙酸乙酯是一种无色透明的粘稠状液体，具有刺激性气味，具有优异的溶解性和快干性，用途广泛。它是有机合成的重要原料，也常用做工业溶剂、萃取剂和粘合剂等。在作为果香类香精中,一般是取其扩散能力好的特性,更适宜于作为口头香香料应用,但数量宜少,以免单一突出而影响疗效。也可大量用作如杏黄、海南香蕉、桃类、花生梨、凤梨、悬钩子、草莓等食品香料中,它还作为火棉胶，硝化玻璃纤维，漆面，人造革，药物，塑料加工和香料的工业生产。它是一种类高质量有机溶剂，能水解钩藤，聚醋酸乙烯，聚丙烯酸酯，氯化橡皮，聚甲基丙烯酸甲酯到醋酸丁酸纤维素，，氯化树脂胶，聚苯乙烯，甲基丙烯酸树脂和一些天然环氧树脂，如栲胶，马尼拉胶，达玛树脂均有优良的水解特性。主要适用于硝化纤维清漆，含人造革，纺织及塑料制品，处理时用作溶液，多种石油工艺及药品处理时用作提纯溶液，适用于化学分析试药，色谱分析及其它标准物质，也适用于溶剂性极好的有机溶剂[3]1.4羧酸酯的发展趋势与生产现状羟基酪醇属于青果中的一种多酚类物质，它在生理上表现出许多有益的性质，例如对癌症的化学治疗和预防、对抗急性动脉粥样硬化，抑制酶和ＤＮＡ等抗氧化细胞受损，保护皮肤细胞功能免受通过皮肤照射发生光线的损害和提高抗炎活性。目前的羟基酪醇粗提主要成分来源于液－固体性橄榄油中的废物、橄榄油和压榨油加工厂的榨油废水、橄榄树的叶子和榨取的果汁。青果在制备成各种食用产品后会产生大量废料，除去果肉的废弃物，青果果核也含有丰富的油脂，从中提取羟基酪醇，变废为宝。羧酸酯类化工产品作为最基础的有机化学工业生产原材料，广泛用于香料，香精，塑化剂，溶料，树脂，彩妆，药物，表面活性剂及它们的有机合成中间体和其他有关领域，在国内外均有较大市场。其为高精致化学产物,具备了小批次、高增加值、高纯性、科技密集型的特征[4]。羧酸酯是由羧酸与醇或苯酚产生酯化反应而得到的。酯化反应的事实上是在醇或酚羟基的氧分子上导入酰基的步骤,又或称之为氧—酰化反应速度。一般制备酯类产物的方法主要有羧酸法,酰氯法等几中方式。工业生产上的制备酯一般是用均相催化剂间歇方法,以浓硫酸为反应催化剂,经过有机酸浓度的直接酯化反应速度来生产。这种方法的好处是催化活力较高,而且价廉易得,不过却有着不少缺点,比如:生产工序比较繁琐、产物大量流失、容易产生三废、影响化环境等。如在医药、化妆品添加剂,以及食品中的某些酯类产品就对其质量需求非常的高,由于人类对环境保护意识日渐提高,所以有需要从传统的加工方法上加以改进。[5]针对这一情况本试验对传统制备方法进行了改进，通过研究醇酸物质用量比例，反应时间和催化剂用量对酯化率影响。得到了最佳反应条件：V（正丁醇）：V（冰乙酸）=1.55：1.0，催化剂浓硫酸投加量5ml,反应温度124~126℃,反应时间约45min.以浓硫酸为催化剂，乙酸正丁酯产率77.9%,本试验条件下副反应最少，产物产率最高，因此所造成的污染最小，提高了企业效益。[6]1.5对环境的影响1.5.1健康危害侵入途径：吸入、食入、经皮吸收。健康危害:对眼睛和上气道均有剧烈的刺激作用,有麻醉治疗功效。吸收较高浓度的不易分解有机废水本品发生流泪、咽部不适感、干咳、胸闷、持续时间较短等,若剧烈发生对心血管循环和中枢神经体系的反应可导致结膜炎、角膜炎,或角膜上皮内有小空泡的出现。与皮肤直接接触也可导致皮肤干燥。1.5.2毒理学资料及环境行为1.急性毒死:LD5013100mg/kg(大鼠经口);LC509480mg/kg(大鼠经口);人吸食×短时间,对眼鼻有强烈刺激性;人吸食200~×短时间,则对眼、鼻有轻微刺激性。刺激性：家兔经皮开放性刺激试验：500毫克，轻微敏感性。亚急性和慢性中毒情况:猫吸入四千二百ppm,6小时/天,6个,身体衰弱,重量减少,轻度血液改变。危险品特性:可燃气体,其蒸气和空中会形成炸药混合物。遇明火、高热均能引起易燃自爆。与氧化物会引起剧烈化学反应。其蒸气比空气还大,并可从很低处扩展到极其遥远的距离,若遇上明火则会引着回燃。2.燃烧(溶解）产品：一氧化碳、二氧化碳。3.现场应急监测方法:

气体检测管法。4.实验室检测技术:化学气相色谱法《空气和废物检测分析》我国环保署编著羟胺-氯化铁比色法《室内空气中危害物的检测办法》(第2版),杭士平编著5.环境标准：中华人民共和国标准(TJ36-79)规定车间室内空气中有害物质的最大允许含量为三百mg/m3前苏联(1975）居民区大气中最大允许浓度零点一mg/m3(最大值）0.1mg/m3(日均值）前苏联(1975）水体中有害物质最高允许浓度零点一mg/L1.5.3灭火方法灭火剂：抗溶性泡沫、二氧化碳、干粉、砂土。用水灭火无效，但可用水保持火场中容器冷却。[7]第二章实验内容2.1实验原理乙酸正丁酯是一种重要的化工溶剂。该试剂由冰乙酸和正丁醇为原材料在浓硫酸的催化下,发生酯化反映而制成。反应式为：酯化过程是可逆的,该试验中采取了添加的冰醋酸溶液,并消除了过程中产生的水,化学方程式为：使反应过程不断向右进行，提高酯的产率。2.2仪器和试剂浓硫酸催化合成乙酸正丁酯所需仪器如表2-1所示。表2-1实验所需仪器序号名称型号生产厂家1电加热套DZTW浙江力凡仪器科技有限公司2阿贝折射仪2WAJ型上海索光光电技术有限公司3托盘天平JPT-1C上海仪田精密仪器有限公司其它仪器:圆底烧瓶、恒压长颈滴液混凝土漏斗、最大真空度的接引管、蒸馏法头、烧碗、水温测定仪、温度表套管装置、量筒、玻璃棒、表面皿、分液漏子、直形冷凝管、锥型杯(具塞磨口)。其他还有:铁架台、PH试纸、滤纸、称量纸、沸石。浓硫酸催化合成乙酸正丁酯所需试剂如表2-2所示表2-2实验所需试剂序号药品名规格纯度生产厂家1正丁醇500ml分析纯天津市科密化学试剂有限公司2冰醋酸500ml分析纯上海实意化学试剂有限公司3浓硫酸500ml化学纯4无水碳酸钠500ml分析纯国药集团化学试剂有限公司5无水硫酸镁500ml分析纯国药集团化学试剂有限公司2.3实验装置浓硫酸催化制备醋酸正丁酯的实验设备主要包括分水器的回流设备和热蒸馏设备二个部分。2.3.1分水器的回流装置向圆底烧瓶中分别添加14.3ml正丁醇和22.2ml冰醋酸，振摇下慢慢添加5ml浓硫酸，同时添加两颗沸石。长颈瓶口内插装有充水分水器，分水器内插装有球形冷却管，和寒暑表，热套加温进行回流。分水器的回流装置如图2-1所示：图2-1乙酸正丁酯的加热回流装置仪器名称从上到下依次为：1-温度计2-球形冷凝管3-分水器4-圆底烧瓶（蒸馏烧瓶）2.3.2加热蒸馏装置将干燥后的粗品过滤至清洁、干燥的支管烧瓶，加入适量沸石。在支管烧瓶的上口插入温度计,温度计的液泡与支管烧瓶的支管出口平行,支管外口连接直形冷凝管,冷凝管下端连接牛角管,牛角管的管口伸入洁净干燥的锥形瓶收集馏出液。乙酸正丁酯的加热蒸馏装置如图2-2所示：图2-2乙酸正丁酯的加热蒸馏装置仪器名称从上到下依次为：1-温度计2-圆底烧瓶3-石棉网4-酒精灯5-直行冷凝管6-牛角管7-锥形瓶2.4操作步骤制备乙酸正丁酯的操作流程图2-3：图2-3制备乙酸正丁酯的操作流程制备乙酸正丁酯的操作步骤：2.4.1酯化将干燥的在圆底长颈瓶内,加十四点三毫升正丁醇,或二十二点二毫升冰醋酸,在振摇下缓慢加五毫升浓硫酸,再加二颗沸石。使用带有分水器的回流设备时,分水器口事先充水量至比支管口稍低位置,并排放比理论出水量略多些的水量。蒸馏装置如图2-2所示。用电热套加温回流,至分水器的水层不再上升即可。反应温度约为130℃,反应时间约需45min。2.4.2洗涤分别用十毫升水、十毫升百分之十的苏打溶液,检查是否已呈酸性,并分去污泥层。取酯层后再用约十毫升清水冲洗一遍,以分去水层。2.4.3干燥往盛有粗产品的锥型瓶内添加约二克无水硫酸镁,配好瓶塞,振摇至液面清楚透明度,放置30min。2.4.4蒸馏将干燥的乙酸正丁酯溶液倒入50ml的干燥蒸馏杯中（请小心，不能倒入硫酸镁），再添加二颗沸石,并设置好蒸馏设备,加热蒸馏。用干燥的事先称重其质量的锥型瓶收集124-126℃馏分中,然后称重质量并估计产量[8][9]2.4.5测折射率产品折光率测定步骤如下：查看温度：本次实验在20℃下进行。将棱柱开启,先打开的棱柱用无水乙醇溶液清洗一遍全部镜子后,用擦镜纸将镜子拭洁后,再在镜子上滴少许的待测液,并将其涂满全部镜子,关棱柱。调整反射镜，让入射的光最大，再旋转棱镜，使目镜呈现半明半暗的状态，在十字线相交处，就可以读取被测量的液体的折射率。测完过后,揭开反光镜用无水乙醇清洗一下镜子,又可慢慢吹净镜子,测试完成后,除须让镜子保持清洁之外,还须夹好二层擦镜纸才能拧紧二个反光镜的闭合螺钉,以免镜子损坏。[10]表2-3产品折光率次数第一次第二次第三次第三次平均值折光率1.39071.39081.39071.39081.3908采用上述技术,所制备的醋酸正丁酯产品为无色至透明液体,折光率为=1.3933（如表2-3所示），均与文献值相符合(=1.3921~1.3933)。2.5注意事项1、冰醋酸在一定温度下凝固,为冰状固态(熔点十六点六摄氏度)。取时可温水浴,加热使之熔融后再量取。小心切勿接触皮肤,以免灼伤。2、在加入反应物以前,仪器表面应当干燥。3、使用浓硫酸作催化剂，添加少量就可以了。可以将固态超级酸用作催化剂。4、当酯化过程发展到一定程度时，乙酸正丁酯会被持续蒸，处于正丁醇和水三元共沸体（恒沸点为90.7℃）中，其回流水含量为:上三者分别为百分之八十六、百分之十一、百分之三,下为百分之十九、百分其二、百分之九十七。因此，分水之后，亦不适宜分去过多的水分，而要用能够让上层水分泛滥的回圆底长颈瓶来持续应对为宜。5、在本试验中不得使用无水氯化钙的干燥溶液,因其与产品能生成复合物而影响产率6、通过分出的水总体积(注意扣去事先加到分水器的体积),即可大概的估算酯化反应所达到的水纯度。2.6乙酸正丁酯性能测试方法2.6.1采用阿贝折光仪测试折光率（1）．用探镜纸擦乾蒸馏水，待温度稳定后，将1~2滴试样均匀地放在磨砂棱镜上，然后关闭棱镜。（2）．通过调整反射镜来调整目镜的真实亮度，通过转动棱镜调节旋钮和消色散手轮，使得视野中的光线和阴影刚好在"十"形相交处。将试验的读数和温度记录下来，重复二到三次，得到试样的折射率试验数据。（3）．试样物体的折射率=试样折射率试验读数据一折光仪的校准。[11]2.6.2采用密度瓶法测定密度在规定的温度20摄氏度内,依次计算装满同一密度玻璃瓶的水和试样的质量,最后根据用水的量和同密度玻璃瓶的体积即为试样的重量,而按照密度的规定,可计算出试样的密度。2.6.3通过气味判断取一定量的样品,加入氢氧化钠溶液加热,再加入稀硫酸,使产生的有机酸盐化为相应的酸后,再闻气味,具有醋味的就是乙酸丁酯。2.6.4可以通过红外光谱图进行比对如图2-4乙酸正丁酯的红外光谱图第三章结果与讨论3.1醇酸摩尔比的不同对产率的影响固定乙酸的使用,每次加入催化剂浓硫酸使用为五毫升,化学反应持续时间为四十五分钟,即当用二十毫升的正丁醇(正丁醇相对密度为0.81g/cm³、分子量为74),14.3ml的乙酸(乙酸相对密度1.05g/cm³、分子量为60),(乙酸正丁酯相对密度0.8825g/cm³、分子量为116),而在不同比例下最终获得产量分别是18.78g、19.86g、21.96g、22.13g、22.24g。+COH⇋（浓硫酸）C+O（加热）60741161.05X41.30.81X20.0y设为x，为y。X＝18.52>16.2,即乙酸过量；理论产量：y＝25.39g带入公式：产率=实际产量/理论产量×100%。根据公式计算可得产物收率依次如表3-4所示。表3-4醇酸摩尔比的不同对产率的影响乙酸的量/ml正丁醇的量/ml醇酸摩尔比产率%14.320.01：1.4073.814.321.01：1.4774.514.322.21：1.5577.914.323.01:1.6075.814.323.61:1.6574.2图3-5醇酸摩尔比的不同对产率的曲线图经对表数据分析，结果表明，醇对整个化学反应系统既是溶剂又是反应物。醇数增加，收率也随之提高；同时，因酯化反应是可逆反应，适当增加酸量，收率也会相应提高。3.2反应时间不同对产率的影响固定醇酸比1:1(乙酸的密度一点零五g/cm³、分子量为60)(正丁醇的密度为零点八一g/cm³、分子量为74),催化剂浓硫酸用量5ml。(乙酸正丁酯的密度0.8825g/cm³、分子量为116)。在不同反应时间下最终获得产量分别是20.44g、20.95g、21.96g、21.54g、21.26g。+COH⇋（浓硫酸）C+O（加热）60741161.05x14.30.81x22.2y设为x，为y。,即乙酸过量;理论产量：带入公式：产率=实际产量/理论产量×100%。根据公式计算可得产物收率依次如表3-5所示。乙酸的量/ml正丁醇的量/ml反应时间/min产品收率/﹪14.322.23572.514.322.24074.314.322.24577.914.322.25076.414.322.25575.4表3-5反应时间不同对产物的影响图3-6反应时间不同对产物的曲线图对该表数据进行了分析，结果表明，当其他因素不变时，调节酯化反应时间，经实验，酯化反应总收率在40~45min时，因时间延长，收率提高，而50~55min时，收率下降。表明酯化反应要达到热力学平衡需要较长的时间，时间太长则易出现不良反应。3.3催化剂浓硫酸的用量不同对产率的影响固定醇酸1:1(乙酸的密度一点零五g/cm³、分子量为60)(正丁醇的密度为零点八一g/cm³、分子量为74),反应时间45min。(乙酸正丁酯的密度0.8825g/cm³、分子量为116)。在不同浓硫酸催化剂下最终获得产量分别为20.20g、20.80g、21.96g、21.0g、20.60g。带入公式：产率=实际产量/理论产量×100%。根据公式计算可得产物收率依次如表3-6所示。表3-6催化剂用量不同对产物的影响乙酸的量/ml正丁醇的量/ml催化剂用量/ml产品收率/﹪14.322.2371.514.322.2473.814.322.2577.914.322.2674.514.322.2773.1图3-7催化剂用量不同对产物的曲线图对表中的研究表明:催化剂的添加可以使反应增加,减少平衡所需的。酯的吸附作用均随催化量增大而增多。当催化增大至一定量后,吸附作用不再发生,此时即接近热力学稳定性平衡。第四章结论与展望4.1结论醋酸丁酯在化工业方面作为不可缺少的原料之一，在可持续发展以及绿色环保等潮流的推动下，醋酸正丁酯作为一种绿色环保的工业原料，随着工业发展其需求量也不断上升。醋酸正丁酯已有很多种制备途径，其中包括对甲苯磺酸，钨钛杂多