乙酸丁酯的合成与精制实验方案文档格式.docx

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天然品存在于苹果、香蕉、樱桃、葡萄等植物中，易挥发，难溶于水，能溶解油脂莘脑，树胶，松香等，有麻醉作用，有刺激性[1]。

乙酸正丁酯是一种重要的化工产品，也是一种重要的有机合成中间体，广泛用于涂料、制革、制药等工业。

它是化工、医药等行业的主要溶剂之一，是清漆、人造革等的良好溶剂，还可用于部分化妆品、添加剂、防腐防霉剂等合成中，用以调配食用香精，也可用做日化香精及酒用香精。

因此，乙酸正丁酯具有广泛的应用价值和发展前景。

现代工业中多采用间歇法，以浓硫酸作为催化剂生产，但此法存在着以下缺点：

1）由于浓硫酸有强脱水性和氧化性，可能产生乙醚、乙烯等副产物，同时可能由于局部过热出现碳化，影响产品的分离；

2）硫酸腐蚀性强，对设备的要求比较高；

3）反应后的产品要经过多次碱洗、水洗才能出去硫酸等杂质，后处理复杂，产生的废水多，污染环境，给环境保护带来很大的压力。

随着人们充分利用资源、简化工艺流程、提高经济效益、保护生存环境的意识不断增强和环保法规的日益完善，用环境友好催化剂替代浓硫酸催化合成酯类化合物已成为探索方向。

对于乙酸正丁酯合成实验方案的改进中，绝大多数还是以酸、醇为原料的，只是所采用的催化剂不同而已，但是大多数均为固体酸。

先将所查到的文献的部分方案简要叙述如下：

①蔡新安[2]等人利用廉价易得的硫酸氢钾催化剂来制备乙酸正丁酯，酯化产率较高，催化剂可重复使用，后处理简单，效果良好。

硫酸氢钾是一种廉价、易得、稳定的无机酸性晶体，能够催化合成乙酸正丁酯。

由于它难溶于有机反应体系，因而对设备的腐蚀性小，酯化率高，能够重复使用，是替代硫酸催化合成乙酸正丁酯的良好催化剂，适合工业化生产。

研究得出的最佳条件为：

正丁醇的用量为0.25mol，醇酸摩尔比为1:

1.3，催化剂用量为反应物总质量的3%，在此条件下最高产率为86.83%。

②柳艳修[3]等人在微波辐射的作用下研究了HZSM-5分子筛催化剂的多相催化酯化法合成乙酸正丁酯的反应，探讨了催化剂用量、微波辐射的功率、微波辐射的时间、和吸水剂用量对反应的影响。

结果表明：

在酸醇体积比为1.6时，HZMS-5分子筛催化剂为0.094g/ml（以乙酸计），微波辐射功率为640W，微波辐射时间为30min吸水机（氯化钙）为0.375g/ml（以乙酸计），酯的收率可以达到98.7%。

③冯桂荣[4]等以乙酸和正丁醇为原料，分别以浓硫酸、三氯化铁和固体超强酸SO4/Fe2O3为催化剂合成乙酸正丁酯。

利用正交设计法，通过极差分析，探讨了催化剂种类、醇酸摩尔比和酯化时间及它们之间的交互作用对酯的收率的影响。

实验结果表明较好的催化条件是：

醇酸物质的量比为2时，催化剂为固体超强酸SO4/Fe2O3，酯化时间为2h，其酯的收率可达93.5%。

④尹彦冰[5]等人研究了以乙酸和正丁酯为原料，磷钼钒杂多酸为催化剂合成乙酸正丁酯的反应，考察了原料醇酸物质的量比、反应时间、反应温度、等因素对酯化反应的影响，经过试验确定了合成乙酸正丁酯的较佳工艺条件，醇酸物质的量比为1.2:

1，磷钼钒杂多酸催化剂用量为反应总量的0.6，反应时间为85min，反应温度为115℃，在此条件下，乙酸正丁酯的收率为93%~95%。

关于乙酸正丁酯的合成，方案远不止这些，还有催化精馏合成乙酸正丁酯、以硫酸改性煤基活性碳为催化剂、以离子液体、PVC-PP吸附金属离子催化合成乙酸正丁酯等。

我们小组决定采用如下方法合成与精制：

以乙酸、丁醇为原料，采用硫酸氢钾作催化剂，在油浴加热的情况下合成乙酸正丁酯。

该反应是可逆反应，为使平衡向生成酯的方向移动，可以使反应物（酸或醇）之一过量，或将生成物（酯或水）从反应体系中及时除去，或者两者兼用。

若使酸（醇）过量，虽然醇（酸）转化率提高，但是酸（醇）转化率会降低，因此这种方法可以根据原料的经济性选择哪一种原料过量，因乙酸比丁醇便宜，同时考虑精制时乙酸较好被除去，故在此选用酸醇配比约为1.3:

1。

因为酯化反应要生成产物水，水对反应的进行程度有很大的影响，故在反应的同时要除掉水。

在此用分水器将生成的水通过共沸混合物初步除去，这样可以移走反应产生的水增大反应的转化率。

精制原理：

合成反应得到的粗酯产品中，除了大量含有产物乙酸正丁酯外，还有少量的水、正丁醇、乙酸、可能的副反应产物和反应杂质。

需要进一步分离提纯。

通过饱和碳酸钠溶液洗涤除去乙酸，再用饱和食盐水洗涤降低丁醇在酯中的溶解度，然后用无水硫酸镁除去可见水，最后通过蒸馏来得到较纯的产品。

本实验由于目标产物乙酸正丁酯的沸点高于体系中其他所有物质，因此可以用蒸馏的分离方法得到纯度更高的乙酸正丁酯。

表1为我国乙酸正丁酯的国家标准（GB3728-91）[6]

表1我国乙酸正丁酯的国家标准（GB3728-91）

指标名称

优等品

一等品

合格品

色度（铂-钴），号≤

10

20

密度，（20℃），g/cm3

0.878-0.883

0.820-0.883

乙酸正丁酯含量，%≥

99.2

98.0

96.0

水分，%≤

0.10

0.20

0.40

酸度（以CH3COOH计），%≤

0.004

0.005

0.010

蒸发残渣，%≤

0.002

主要物理性质：

1）主要反应物、产物的物理常数[7]

表2各物质性质表

名称

密度/（g/ml）

熔点/℃

沸点/℃

折光率

分子量/（g/mol）

性质

乙酸

1.0492

16.6

117.9

1.3715

60.15

无色透明，

刺激性酸臭

正丁醇

0.81

-88.9

117.5

1.3991

74.12

微溶于水，溶于乙醇、醚多数有机溶剂

正丁酯

0.882

-73.5

126.1

1.3941

116.16

微溶于水，溶于醇、醚等多数有机溶剂

硫酸

氢钾

2.245

197

分解

136.17

白片状或粒状结晶，易吸湿，低毒

2）正丁醇、乙酸正丁酯和水形成的几种恒沸化合物：

表3恒沸化合物一览表

恒沸化合物

沸点

/℃

组成的质量分数/%

水

二元

乙酸正丁酯-水

90.7

72.9

27.1

正丁醇-水

93.0

55.5

44.5

乙酸正丁酯-正丁醇

117.6

32.8

67.2

三元

乙酸正丁酯-正丁醇-水

63.0

8.0

29.0

三、实验所需的仪器与药品

1.实验药品：

正丁醇，冰醋酸，硫酸氢钾，碳酸钠，无水硫酸镁，氯化钠，棉花，pH试纸，去离子水，乙酸正丁酯。

2.实验仪器：

磁力搅拌加热套1台（搅拌子），三口圆底烧瓶（250ml），分水器，球形冷凝管，温度计，玻璃棒，玻璃漏斗，分液漏斗，直形冷凝管，接引管，锥形瓶（100ml一个），量筒（100ml一只），烧杯（250ml两个，50ml两个），分析天平，气相色谱仪。

四、实验流程图、实验装置图

设计流程框图如下：

图1.乙酸正丁酯工艺流程框图

设计实验装置图如下：

图2.反应装置图图3.蒸馏实验装置图

五、实验拟定方案

1.实验步骤

1）准备实验药品，检查药品是否有变质的情况；

2）检查仪器是否齐全，连接好实验装置；

3）量取乙酸45ml，丁醇55ml，硫酸氢钾催化剂2.8g，加入到250ml烧瓶中，同时加入几粒沸石；

4）在分水器中加入计量过的水（在分水器上做好标记），使水面稍低于分水器回流支管的下岩。

打开冷凝水，反应瓶在磁力搅拌器上，小火加热回流。

5）反应过程中，不断有水生成，并通过回流进入分水器，通过分水器下部的开关将水分出（计量分水器中分出的水），注意水层与油层的界面，不要将油层放掉。

6）反应至不再有水产生时，此时停止加热，移走热源，冷却。

7）过滤分离出催化剂，将分水器中酯层液体倒入分液漏斗，分出水层。

8）用40ml饱和碳酸钠溶液洗涤至中性，再依次用40ml饱和氯化钠溶液洗涤，分出酯层。

9）将分离出来的上层油层倒入一干燥称重的小锥形瓶中，加入无水硫酸镁干燥，直至液体澄清。

10）干燥后的液体，用少量棉花通过三角漏斗过滤至干燥的250ml蒸馏烧瓶中，加入沸石，安装蒸馏装置，磁力搅拌器加热，收集118-124℃的馏分。

11）称量，计算产率，配制标液，用气相色谱法测定乙酸正丁酯的纯度（后附气相色谱仪使用方法）。

12）停止加热，移走热源。

待装置冷却后，按照步骤拆卸、整理装置。

13）打扫实验室。

2.取样分析方法：

1）气相色谱测法测定待分析试样的组成（质量分数）；

气象色谱法简介：

①选择分离柱：

空心柱

②载体：

硅藻土

③载气：

纯N2

④固定液：

甲基聚硅氧烷。

结构式如下：

图4.甲基聚硅氧烷结构式

⑤检测器：

FID火焰离子化检测器

⑥气相色谱法流程装置图如图5

图5.气相色谱法流程装置图

⑦计算组分的方法：

归一法。

先用标液测定计算校正因子。

因组分数较少故采用归一化法。

计算公式：

式中：

为试样组分i的百分含量；

为组分i的校正因子；

为组分i的峰面积（cm2）；

附：

气相色谱仪使用方法[8]：

一、仪器运转

1、打开氮气钢瓶高压阀，调节输出气体压力。

2、打开气相色谱仪电脑。

3、取下导热池出口两个堵头。

用皂膜流量计测量两出口的气体流速，调节为一致或基本近似。

4、通气15-20min后，打开气相色谱仪主机电源开关和加热开关。

5.由面板键设置柱箱温度200℃，保持10min，导热池温度230℃、导热池电流65mA、极性为负，注样温度220℃，并开始加热升温。

6、导热池升温完成后，打开主机小面板右面的红色开关。

7、点击打开数据采集工作界面，数据采集工作界面选择A/B，采样分析时间设为8min。

启动气相色谱仪主机的数据采集，等待基线平稳后，点击气相色谱图采集停止图标停止数据采集，

气相色谱仪面板上准备灯亮时，即可以进样。

二、定性、定量分析

1、用微量注射器吸取1uL分析纯的乙酸快速注入进样器内，同步按单列的数据采集按键，开始色谱分析，当分析完成后，读出色谱峰出现最高点时的时间，即为乙酸的保留时间，用同样的方法测出水、正丁醇、乙酸正丁酯的保留时间。