有機合成實驗中的催化劑發展
——固體酸催化劑的應用

李 嬌

（山西醫科大學晉祠學院，山西太原 030000）

有機合成實驗中的催化劑發展
——固體酸催化劑的應用

李 嬌

（山西醫科大學晉祠學院，山西太原 030000）

有機合成實驗綠色化是高校實驗教學改革的方向，因此針對當前有機合成實驗教學內容陳舊、更新緩慢、試劑污染嚴重的問題，結合乙酸乙酯合成反應中固體酸催化劑的應用，探討了有機合成實驗中催化劑的發展，以期促進高校化學實驗教學水平的提升。

有機合成實驗；固體酸催化劑；綠色化；發展

有機合成實驗是有機合成理論課配套的實驗課，也是有機合成化學教學中重要的組成部分。通過實驗教學，不僅可以讓學生掌握有機合成實驗操作的基本技能，還能熟悉有機合成路線設計與合成相關技術，有助于深入理解和領悟有機合成理論。然而，有機合成實驗所采用的教學內容更新較慢，很多都滯后于有機合成化學發展的進程，以常用的酸催化劑為例，固體酸催化劑已在工業上應用，但有機合成實驗仍采用液體酸催化劑，以至于化學專業學生對固體酸催化劑仍感到神秘。這種情況一方面不利于學生建立先進的理念，另一方面液體酸催化劑不易回收利用、污染環境、腐蝕設備，與當前倡導的“綠色化學”、“綠色工業”觀念背道而馳，因此本文對固體酸催化劑在高校有機合成實驗中的應用進行了探討。

1 固體酸催化作用與有機合成實驗綠色化

1.1 固體酸及其催化作用

酸分為兩種，給出質子的物質稱為B酸，例如H3O+；接受電子對的物質稱為L酸，例如BF3，所以固體酸可理解為B酸形式的固體物質或L酸形式的固體物質。到目前為止，固體酸開發出9種類型，它們是：

（1）固載化液體酸，如HF/Al2O3、H3PO4/硅藻土等；

（2）氧化物，如Al2O3、SiO2-A2O3等；

（3）硫化物，如ZnS、CdS等；

（4）金屬鹽，如AlPO4、CuSO4等；

（5）分子篩，如ZSM-5、MCM-41等；

（6）雜多酸及鹽，如H3PW12O40·xH2O等；

（7）陽離子樹脂，如二乙烯基苯共聚物等；

（8）天然黏土，如高嶺土、膨潤土等；（9）固體超強酸，如SO2-4/ZrO2、WO3/ZrO2等。固體酸催化是基于正碳離子機理或正碳離子與負碳離子的協同作用，其催化活性與酸量或酸強度有一定關系，例如酸強度低于-11.93的超強固體酸表面酸性很強，但腐蝕性很低，選擇性也很強，因而成為固體酸催化劑研究熱點。

1.2 綠色化學與有機合成實驗綠色化

綠色化學是符合“原子經濟性”和“5R”原則的化學，“原子經濟性”反映了化學反應的高轉化率，“5R”原則是減量化、循環使用、回收再利用、再生重復使用、拒用危險化學品五項原則[4]。有機合成實驗綠色化就是在實驗內容與合成方法選擇兩方面都體現出綠色化學理念。例如乙酰水楊酸（阿司匹林）合成反應，傳統方法采用濃硫酸為催化劑，以水楊酸和乙酸酐為原料合成，產品要經過中和、水洗等多重程序，產率只有60%，而且催化劑不能重復使用，設備腐蝕嚴重，并產生大量廢液。現采用負載型雜多酸催化合成，控制水楊酸與乙酸酐比例為1.0∶1.5（摩爾比），催化劑用量為水楊酸質量的5%，反應溫度75℃，反應時間15min，產率達94.2%，重復使用5次產率仍有88.0%[5]，符合“原子經濟性”和“5R”原則，正體現了有機合成實驗綠色化的理念。

2 固體酸催化劑在有機合成中的應用與實驗方法

2.1 固體酸催化劑在有機合成中的應用

固體酸催化劑在有機合成中的應用很廣，理論上采用液體酸催化劑有機合成的反應都可采用固體酸催化劑，例如烷基化反應、酯化反應、酰基化反應、縮合反應、雜環化合物合成反應、異構化反應、聚合反應、加成反應、硝化反應等。有些合成反應，如異構化反應，在室溫條件下，即使采用100%硫酸催化也不會發生反應，而采用固體超強酸催化卻能發生反應，并且該特性已成為判斷超強酸酸強度的探針反應；其他有機合成反應傳統上大多采用液體酸做催化劑，存在設備腐蝕、廢液污染環境等問題，因而采用固體酸催化前景看好，前述乙酰水楊酸合成的酰基化反應就是很好的例子。

2.2 固體酸催化劑用于有機合成的實驗方法

由于目前有機合成實驗教學中很少涉及固體酸催化劑的內容，因此需要教師設計這方面的內容，考慮實驗內容時應注意以下問題：

（1）實驗微型化，因為微型實驗處理的試劑數量較少，操作簡捷，實驗花費低，節能環保，符合綠色化學減量化的原則；

（2）盡量選擇無毒、無害的試劑和助劑，以減少實驗對環境的負面影響；

（3）合成路線的設計符合綠色化原則，通過設計組合實驗循環利用實驗產物，以減少試劑用量和廢物的處理量，例如將乙酸乙酯合成產物用于乙酰乙酸乙酯合成實驗的原料。下面結合乙酸乙酯的合成實驗，介紹固體酸催化劑用于有機合成實驗的綠色化方法。

2.3 固體酸催化劑用于有機合成的實驗案例

2.3.1 實驗目的

了解綠色化學概念，并掌握乙酸乙酯的酯化合成方法、產物分離方法與目標產品表征的方法。

2.3.2 實驗前準備

要求學生實驗前檢索相關文獻，以了解乙酸乙酯合成的各種方法、目前主要合成方法，以及了解酯化法催化劑的有關情況。

2.3.3 實驗原理

乙酸乙酯又稱為醋酸乙酯，具有出色的溶解性與快干性，能與丙酮、醚、氯仿等混溶，低毒低害，有新一代高檔綠色溶劑之稱，廣泛用于染料、香料、黏合劑、涂料等領域。合成方法眾多，目前工業上主要采用乙醇乙酸酯化法、乙醛縮合法、乙醇脫氫法、乙烯加成法等，其中酯化法工藝最成熟，應用最廣，其合成反應原理如圖1所示。

圖1 乙酸乙酯酯化法合成原理

現行實驗教材大多采用濃硫酸作為催化劑，存在設備腐蝕、副產物多、廢液污染環境等問題，采用固體酸作為催化劑可改善濃硫酸的不足。本實驗采用L酸型固體酸作催化劑具有不腐蝕設備、可重復使用、產率高、環境友好等優點。

2.3.4 主要試劑與儀器

冰乙酸（CP），無水三氯化鋁（AR），無水乙醇（AR），苯（CP）。阿貝折光儀，磁力攪拌器，磨口玻璃儀器。

2.3.5 實驗步驟

在裝有溫度計、回流冷凝管的三頸燒瓶中，加入0.2mol無水乙醇、0.1mol冰乙酸和1.0g無水三氯化鋁（催化劑），加熱并攪拌。回流酯化1h，停止攪拌，安裝分水器，再加入適量苯，回流脫水。完成脫水后，換裝蒸餾器，蒸出乙酸乙酯（接收瓶以冷水冷卻）。溫度升到90℃，停止加熱。靜置冷卻后，在餾出液中加入飽和碳酸鈉溶液進行中和，振蕩至瓶口石蕊試紙不顯酸性為止（無碳酸氣排出）。混合液轉入分液漏斗，分去下層水液，再依次用5mL飽和氯化鈉溶液、5mL飽和氯化鈣溶液、水洗滌，分去下層水液。上層有機液轉入三角燒瓶中，以無水硫酸鎂干燥。蒸餾干燥后的有機液，收集73～78℃餾分即為成品，稱重并計算產率，測定沸點和折光率。

2.3.6 目標產品表征

實驗產品無色透明，有水果香氣的液體，測得沸點為76.9℃（文獻值為77.1℃），折光率為1.372 1（文獻值為1.372 3），可見實驗結果與文獻值相符。酯化率為92.0%。

3 結束語

高校教學工作應當跟上時代發展的步伐，特別是在實踐環節更應與時俱進，這樣有利于培養學生探索和研究的精神，也是高校素質教育的需要。本文所舉案例較為簡單，旨在拋磚引玉，希望高校有機合成實驗能夠不斷改進和提高。

[1] 李冰，陳小燕，馬晶晶，等.介紹一個固體酸催化的綜合化學實驗[J].廣州化工，2013，41（18）：154-155，202.

[2] 儲偉.催化劑工程[M].成都：四川大學出版社，2006.

[3] 付新.固體酸催化劑的研究進展[J].廣東化工，2012，39（5）：286-287，295.

[4] 曾向潮.有機合成實驗的綠色化學探索[J].化學試劑，2011，33（9）：862-864.

[5] 馬祥梅，王斌.有機合成實驗的“與時俱進”性探討-固體酸催化劑的應用[J].廣州化工，2016，44（15）：176-177.

C a t a l y s t D e v e l o p me n t i n O r g a n i c S y n t h e s i s E x p e r i me n t s A p p l i c a t i o n o f S o l i d a c i d C a t a l y s t

Li Jiao

The green synthesis of organic synthesis experiment is the direction of experimental teaching reform in colleges and universities.Therefore，in view of the problems in the current organic synthesis experiment teaching，the slow update and the serious pollution of reagent，combined with the application of solid acid catalyst in ethyl acetate synthesis reaction，The development of catalyst in organic synthesis experiment is aimed to promote the improvement of chemistry teaching level in colleges and universities.

organic synthesis experiment；solid acid catalyst；green；development

TQ203.2

A

1003-6490（2017）08-0151-02

2017-06-05

李嬌（1991—），女，山西萬榮人，助教，主要從事教育教學工作。