中學有機化學實驗中乙酸乙酯的制備方法改進探索

李翀宇，鐘文*

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中學有機化學實驗中乙酸乙酯的制備方法改進探索

李翀宇，鐘文*

(湖南省長沙市第一中學，湖南長沙，410005)

本文對中學有機化學教材中有關乙酸乙酯制備方法中存在的系列問題進行了改進。改進后實驗條件得到優(yōu)化，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)率和純度。同時實驗改進后，一方面增強了實驗的安全性，另一方面減少了環(huán)境污染，實現(xiàn)了實驗的綠色化，提高了廣大師生的環(huán)保意識；

乙酸乙酯；制備方法；綠色化

引言

乙酸乙酯又稱醋酸乙酯，是無色透明具有刺激性氣味的液體，具有優(yōu)異的溶解性、快干性，是一種非常重要的有機化工原料和極好的工業(yè)溶劑，被廣泛用于醋酸纖維、乙基纖維、氯化橡膠、乙烯樹脂、乙酸纖維樹酯、合成橡膠、涂料及油漆等的生產(chǎn)過程中。通常所說的陳酒很好喝，就是因為酒中含有乙酸乙酯，而乙酸乙酯所具有的果香味是由于酒中含有少量乙酸。乙酸乙酯的制備實驗是高中基礎有機化學[1-2]和大學有機化學實驗[3-4]中重要的內(nèi)容之一，對于乙酸乙酯的合成方法很多，最常見的是在酸催化下由乙醇和乙酸直接醋化[5-6]。課程教材開發(fā)研究中心編著《化學－有機化學基礎》以及陳長東編著《考點同步解讀－高中化學》中有關乙酸乙酯的制備, 其實驗方案是在封閉體系中利用濃硫酸作為催化劑，乙酸與乙醇直接加熱生成乙酸乙酯，儀器裝置如圖1所示。

圖1 制備乙酸乙酯原始裝置圖

按該裝置制備乙酸乙酯時發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）對于實驗過程中的蒸餾問題：該裝置體現(xiàn)為一邊反應，一邊蒸出生成物，從物質(zhì)的基本物理性質(zhì)和化學性質(zhì)可知，乙醇和乙酸乙酯的沸點分別為：78.5℃和77.1℃，如果實驗蒸餾過程中考慮產(chǎn)品的純度及產(chǎn)率的話，此裝置過于簡單，存在明顯的缺陷，由于兩者的沸點差不到1℃，且乙酸乙酯與兩種反應物易形成共沸物，在蒸餾乙酸乙酯的過程中，大量沒有反應的乙醇也隨之一并蒸餾出來，不利于反應的進行，產(chǎn)品的純度及產(chǎn)率將大幅度下降。

（2）對于實驗過程中的冷凝問題：實驗過程中的冷凝裝置過于簡陋，我們知道乙酸乙酯的沸點只有77.1℃，沒有超過140℃，不宜采用空氣冷凝，一般使用帶冷凝液的回流裝置，否則很難接受到產(chǎn)品。

（3）對于實驗中溫度控制的問題：眾所周知，乙醇在濃硫酸的作用下，不同條件可能會有不同的物質(zhì)生成，溫度到達125℃左右將會有大量的乙醚生成，溫度高達170℃時則可能生成大量的乙烯，因此反應過程中必須嚴格控制溫度，而此裝置只有一個簡單的加熱，反應難以控制。

（4）對于實驗過程中的加熱問題：有機物質(zhì)尤其是溶劑均具有易燃易爆等特征，因此反應過程中盡可能的避免有明火的出現(xiàn)，而此實驗裝置為酒精燈加熱，易揮發(fā)的乙酸乙酯，乙醇遇火可能引起整個裝置燃燒，加之中學生又常因做實驗的經(jīng)驗不足而引發(fā)安全事故。

針對以上提出的問題，我們對實驗裝置了一些改進，見圖2所示。改進后的實驗提高產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)率，安全性得到了很好的加強，做到了環(huán)保高效。

1 實驗儀器裝置及內(nèi)容改進

1.1 實驗原理

羧酸與醇或酚在無機或有機強酸催化發(fā)生反應生成酯和水，這個過程稱為酯化反應。常用的催化劑有濃硫酸，干燥的氯化氫，有機強酸或陽離子交換樹脂。在酯化反應中，如果參與反應的羧酸本身就具有足夠強的酸性，如甲酸，草酸等，就可以不另加催化劑。

反應總式為：

該反應是一個可逆反應，在酯化反應中，如用等摩爾的有機酸和醇，反應達到平衡后，只能得到理論產(chǎn)量的67%。為了得到較高產(chǎn)量的酯，通常使用過量的酸或醇，促使平衡向產(chǎn)物方向移動，取用哪種物質(zhì)過量，取決于哪種原料易得和價廉，另外也可采用將反應中生成的酯或水及時從同體系中除去的方法促使反應趨于完成。可通過向反應體系中加入一些能與水形成低沸點共沸物的有機溶劑，如苯，甲苯，氯仿等，通過蒸餾共沸物帶出生成的水。

1.2 實驗儀器及試劑

儀器：三口燒瓶(50mL)、恒壓漏斗(20 mL)、分水器(10 mL)、球型冷凝管，直型冷凝管，錐形瓶(25mL)、分液漏斗(30 mL)，真空尾接管，量筒。

液體藥品：無水乙醇(分析純)、乙酸(分析純)、濃硫酸(分析純)，飽和飽和的Ｎa2CO3溶液，飽和NaCl溶液，飽和CaCl２溶液，無水硫酸鎂，沸石。

1.3 實驗步驟

改進的實驗裝置圖如圖2所示。

圖2 制備乙酸乙酯改進裝置圖

（1）主要實驗步驟：首先量取10 mL乙醇加入到50 mL的三口燒瓶中，然后量取2.5 mL濃硫酸慢慢加入到裝有乙醇的三口燒瓶中，邊加邊搖勻，冷卻，防止局部過熱，再量取6 mL冰醋酸置于恒壓漏斗內(nèi)，上口密封，加入幾顆沸石，在水分器中加入3~5 mL甲苯，將反應裝置按照圖2所示進行組建，通冷凝水，慢慢加熱反應器，慢慢滴加冰醋酸，當溫度接近回流溫度，將電熱套調(diào)壓至剛好能夠沸騰，維持沸騰溫度反應約0.5 h，然后將反應裝置改裝成蒸餾裝置，待反應液蒸餾原來體積的一半時，停止加熱。

（2）粗產(chǎn)品成分分析：在蒸餾出來的粗產(chǎn)品中，其成分主要有乙酸乙酯，乙醇，乙酸，乙醚，水及少量的硫酸。

（3）產(chǎn)物的提純：第一步分液，上述粗產(chǎn)品可分為溶于水和不溶于水兩種，因此將兩種成分作一個簡單的分離；第二步除酸：由于不溶于水的成分中有少量的酸，因此加入一定量的飽和的Ｎa2CO3溶液進行洗滌，以除去殘酸；第三步除堿，由于除酸時加入的堿略有過量，因此加入適量的飽和NaCl溶液洗滌；第四步除醇，由于乙醇既溶于水又溶于乙酸乙酯，因此在粗產(chǎn)品中會有殘留，加入適量的飽和CaCl２溶液洗滌，以除去極少量的乙醇；第五步干燥，用無水MgSO4以除去微量水；第六步蒸餾，收集73~78℃的餾分，得到較為純凈的乙酸乙酯，稱量所得產(chǎn)品質(zhì)量, 計算產(chǎn)率, 保存產(chǎn)品。

2 結果與討論

2.1 實驗裝置的改進

首先，將蒸餾裝置改為回流裝置，不僅解決了反應不完全的問題，同時以避免因蒸餾而使反應物喪失，降低反應的產(chǎn)率。

其次，將原有裝置中的酒精燈加熱改為電熱套加熱，避免因明火的的出現(xiàn)引發(fā)安全事故，保障了實驗的安全性，同時也便于通過控制加熱速度來控制反應的溫度，保障實驗按目標方向進行。

第三，由于酯化反應為可逆反應，為了提高產(chǎn)率，我們可以通過增加反應物中一種原料的物質(zhì)的量，加催化劑和減少生成物，在前面兩種情況均已考慮到的情況下，減少生成物成了必不可少的一個環(huán)節(jié)，而原來裝置通過蒸餾來實現(xiàn)，在實際的實驗過程中有一定的難度，我們采用減少其中一種生成物H2O，因此在原有的改進后的裝置中增加一個分水裝置—分水器，此儀器可以做到反應進行的同時將H2O通過活塞分離出去，這樣既保障了實驗的反應環(huán)境，又推動了反應朝正反應方向進行，提高了反應的產(chǎn)率。

第四，為了較好的控制反應，我們采用滴加裝置和溫度計雙層控制，將冰HAc滴加到乙醇+濃硫酸的溶液中，由于乙酸乙酯的反應過程首先是乙醇與硫酸反應生成硫酸氫乙酯，再與乙酸反應生成乙酸乙酯，因此采用滴加乙酸的方法可以有效的控制反應速度，同時也能緩解反應體系的溫度。通過溫度計測定反應液的溫度，使反應盡可能的向正反應方向的進行，減少因為局部溫度過高生成乙醚和乙烯。

2.2 反應物各物質(zhì)的量的比例

根據(jù)實驗原來的設計，反應物各物質(zhì)的量的比例為：乙醇3 mL(約0.05 moL)，乙酸2 mL(約0.035 moL)，濃硫酸2 mL(約0.04 moL)，這樣濃硫酸的比例過高，導致副產(chǎn)物的增加，我們只能得到具有油狀，果香味的酯混合物，而得不到純品，不能確定酯的具體的性狀，因為生成的產(chǎn)品量太少以致無法進一步提純，改進后的實驗各物質(zhì)的量的比例分別為：乙醇10 mL(約0.172 moL)，乙酸6 mL(約0.105 moL)，濃硫酸2.5 mL(約0.047 moL)，降低了具有強氧化性，脫水性的硫酸的含量，減少了副產(chǎn)物的生成，廢液含量相應的減少，產(chǎn)率達到95%以上，觀察到的實驗現(xiàn)象也很清楚，從而既達到了實驗目的又獲得了環(huán)保的效果。

2.3 反應步驟的完善

首先按照原來的實驗方案是將反應物一次性投料進行反應，沒有讓乙醇與硫酸生成硫酸氫乙酯的過程；其次沒有溫度計控制，導致副產(chǎn)物急劇增加，采用新的裝置后我們可以有效的控制反應的方向，同時使反應完全；第三，增加回流既保障了反應的溫度，同時也確保了反應時間，提高了反應的轉(zhuǎn)化率；第四，加設分水器，提高了反應的轉(zhuǎn)化率；第五，對于產(chǎn)品的提純更加完善，經(jīng)過六步提純之后產(chǎn)品的品質(zhì)可以到達非常高的純度，也可通過進一步的檢測來確定產(chǎn)品的純度，如薄層色譜，元素分析，液相色譜，核磁共振。

3 結束語

與原來的實驗裝置相比，改進后的新實驗裝置具有下面的優(yōu)點:

（1）實驗的科學性：實驗的基本要求是安全性，可操作性，完整性；改進后的實驗用電加熱套替代酒精燈，消除了因加熱可能會引起的安全事故的發(fā)生，同時增加了對實驗溫度的可控性，符合安全性的要求；采用滴加裝置，保障生成的硫酸氫乙酯能及時與醋酸進行反應，提高了實驗過程中可操作性；增加了回流及分水裝置，提高了反應的轉(zhuǎn)化率，體現(xiàn)了實驗的完整性。

（2）操作的合理性和可行性：改進裝置后的裝置安全性得到了很好的提高，盡管裝置較原來的復雜一點，但產(chǎn)品的產(chǎn)率及純度有了較好的提高，學生的認知更加準確，為以后學習有機合成及有機物的分離奠定良好的基礎。

（3）綠色環(huán)保性：實驗改進后，硫酸的相對用量大大的降低，減少了廢液的處理，同時回流及蒸餾裝置的使用，避免了反應物和生成物的揮發(fā)，減少了對環(huán)境的污染。

[1] 人民教育出版社, 課程教材研究所, 化學課程教材開發(fā)研究中心編著. 化學－有機化學基礎[M]. 北京: 人發(fā)教育出版社, 2007.

[2] 陳長東. 考點同步解讀－高中化學選修5[M]. 第四版.武漢: 華中師范大學出版社, 2017.

[3] 李英俊, 孫淑琴. 半微量有機化學實驗[M]. 第1版. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005.

[4] 羅和安. 有機化學實驗[M]. 第1版. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005.

[5] 白紅梅. 乙酸乙酯的制備實驗的改進[J]. 玉溪師范學院學報, 1999, (3): 81-83.

[6] 張皓銘, 楊定. 乙酸乙酯的制備實驗探究與反思[J]. 科技風, 2015, (18): 42.

Improvement on the Preparation Method of Ethyl Acetate for a Middle School Organic Chemistry Experiment

LI Chongyu, ZHONG Wen*

（The First High School of Changsha, Hunan Changsha, 410005, China）

In this paper, we pointed out a series of problems on the preparation of ethyl acetate in the textbooks of middle school organic chemistry experiment course and proposed some corresponding improvement measures. On the basis of these improvements, the experimental conditions were optimized and the product yield and purity were both elevated.Meanwhile these experimental improvements the safety of the experiment has been enhanced. On the other hand, these experimental improvements reduced the environmental pollution, realized the greenization of chemical experiment teaching and enhanced the environmental protection awareness of teachers and students.

ethyl acetate; preparation method; greenization

李翀宇, 鐘文. 中學有機化學實驗中乙酸乙酯的制備方法改進探索[J]. 數(shù)碼設計, 2017, 6(5): 104-105.

LI Chongyu, ZHONG Wen. Improvement on the Preparation Method of Ethyl Acetate for a Middle School Organic Chemistry Experiment[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 104-105.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.042

O623.624

A

1672-9129(2017)05-0104-02

2017-02-11；

2017-03-05。

鐘文（1978—），男，湖南湘陰人，畢業(yè)于湖南師范大學，本科學歷，長沙市第一中學高級教師，研究方向：高考化學教學與改革。E-mail: 1175221758@qq.com