乙酸正丙酯制備條件的優化研究

常越凡，和 婧

（山西工程職業學院，山西 太原 030009）

0 引言

乙酸正丙酯是一種重要的環保型有機化合物，廣泛應用于食品添加劑、藥物、化工溶劑、農藥、油漆、日用品、食用香料和生物燃料等領域。乙酸正丙酯對多種合成樹脂有優良的溶解能力，如乙基纖維素、硝基纖維素、苯乙烯、甲基丙烯酸樹酯等，因此其還可以作為許多合成樹脂的有效溶劑。由于各行各業對環保要求不斷提高,大部分高端產品行業越來越限制使用含苯類產品，因此乙酸正丙酯市場需求越來越大[1-2]。

在乙酸正丙酯的制備方法中，羧酸和醇的酯化反應是工業中非常重要的一類有機反應，利用酯化反應合成乙酸正丙酯也是有機合成實驗中常見的實驗項目之一。目前，實驗室采用不同催化劑合成乙酸正丙酯，但是制備得到產品的產率和純度較低[3-9]。本文探討了乙酸正丙酯的合成中，催化劑用量、反應溫度以及酯化反應時間3 個條件對其產率和純度的影響，并優化上述3 個條件，得到了產率較高的乙酸正丙酯。

1 實驗原理

在加熱條件下，乙酸和正丙醇在濃硫酸的催化下發生酯化反應生成乙酸正丙酯，反應方程式下如式（1）：

在乙酸正丙酯生成的過程中，正丙醇在濃硫酸的催化下發生分子間脫水和分子內脫水的副反應，生成副產物己醚和丙烯，副反應的發生，影響了乙酸正丙酯的產率和純度。

用氣相色譜測定制備所得乙酸正丙酯的純度，具體采用內標工作曲線法。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

正丙醇、冰乙酸、無水乙醇、濃硫酸、無水Na2CO3、NaCl、無水CaCl2、無水MgSO4，以上試劑均為分析純；乙酸正丙酯、乙酸正丁酯，以上試劑為色譜純。

ES-224DS 型電子分析天平；98-II-BN 型電熱套；HF－901 型氣相色譜儀。

2.2 乙酸正丙酯的制備

反應在配有溫度計的三口燒瓶中進行。在恒壓長頸滴液漏斗中加入一定量的乙酸和正丙醇并混勻，在100 mL 三口瓶中加入適量濃硫酸及少量正丙醇，混勻后加入磁力攪拌子。為提高乙酸的轉化率，加入的正丙醇的量稍多于乙酸。當三口瓶中溶液溫度達到80 ℃時滴加乙酸和正丙醇的混合液，反應結束后，停止加熱，收集粗產品。在不斷搖動下向粗產品中緩慢加入飽和Na2CO3溶液至不再有氣泡產生，用pH 試紙測定有機相，試紙呈中性即可。將產品轉入分液漏斗中振蕩靜置分層，分出水層，先后用飽和NaCl 溶液和飽和CaCl2溶液洗滌產品，最后用無水MgSO4干燥。將粗制的乙酸正丙酯倒入100 mL 圓底燒瓶中，加熱蒸餾收集92～101 ℃餾分。實驗裝置如圖1 所示。

圖1 乙酸正丙酯的反應裝置（左）及精餾裝置（右）示意圖

蒸餾結束后，稱量精制乙酸正丙酯的質量，根據稱取乙酸的量計算理論產量，計算產率[式（1）]。

2.3 產品中乙酸正丙酯純度的測定

以無水乙醇為溶劑，配制乙酸正丙酯及內標物乙酸正丁酯的標準溶液。取不同體積的乙酸正丙酯標準溶液于容量瓶中，再分別加入一定體積的乙酸正丁酯的標準溶液，用無水乙醇稀釋至刻度，搖勻，得到標準系列溶液。再稱取一定質量所制備的乙酸正丙酯樣品，加入相同體積的內標物溶液，用無水乙醇稀釋至刻度，搖勻，得到產品的待測溶液。

合成的產物乙酸正丙酯用氣相色譜進行測定，采用內標標準曲線法對精制的產品中乙酸正丙酯的含量進行定量分析，以保留時間確定乙酸正丙酯和內標物乙酸正丁酯，以乙酸正丙酯的峰面積（Ai）與內標物的峰面積（As）比值（表1）為縱坐標（Ai/As），乙酸正丙酯標準系列質量濃度ρ 為橫坐標作圖，得到工作曲線，如圖2 所示。

表1 乙酸正丙酯標準系列濃度及相應的峰面積比值

用相同的方法測得待測溶液中乙酸正丙酯與內標物的峰面積，由工作曲線得到產品中乙酸正丙酯的質量，再除以稱取產品的質量即為產品的純度[式（2）]。

2.4 乙酸正丙酯精制收率的計算

乙酸正丙酯精制收率的計算公式如式（3）：

3 結果與討論

取15.0 g 乙酸、19.0 g 正丙醇為反應物，分別改變催化劑用量、反應溫度、反應時間3 個因素，得到實驗結果如下。

3.1 催化劑用量對乙酸正丙酯產率及純度的影響

反應溫度為100 ℃，酯化時間為70 min，改變催化劑濃硫酸的用量，得到制得的乙酸正丙酯的產率與純度如表2 所示。

表2 催化劑用量對合成乙酸正丙酯產率及純度的影響

由表2 可知，催化劑用量對合成乙酸正丙酯的產率和純度影響較大。在反應溫度和時間不變的前提下，催化劑的用量越大產率及純度越高，當催化劑用量為1.5 mL 時產率達到最高為96.54%，純度最高為91.75%。繼續增加催化劑的用量產率反而下降。這是由于濃硫酸可以吸收產生的水，使得酯化反應平衡向右移動，乙酸的轉化率提高，但濃硫酸過多時，酯化反應的副反應進行的程度增大。因此，催化劑最佳用量為1.5 mL。

3.2 酯化時間對合成乙酸正丙酯產率及純度的影響

取1.5 mL 濃硫酸，反應溫度為100 ℃，改變酯化時間，得到制得的乙酸正丙酯的產率與純度如表3所示。

表3 不同酯化時間對合成乙酸正丙酯產率及純度的影響

由表3 可知，反應30 min 時，產率及純度都較低，隨著反應的進行，產率及純度迅速增加，50 min 后二者增加變緩，說明反應接近終點，所以50 min 的反應時間已經基本可以使反應進行得完全。

3.3 反應溫度對合成乙酸正丙酯產率及純度的影響

取1.5 mL 濃硫酸，反應時間為70 min，改變反應溫度，得到制得的乙酸正丙酯的產率與純度如表4所示。

表4 反應溫度對催化合成乙酸正丙酯產率及純度的影響

由表4 可知，反隨著反應溫度升高，產率和純度迅速增加，到100 ℃時達到最高，繼續升高溫度反而下降。這是由于隨著溫度升高，酯化反應平衡向右移動，有利于酯的生成，但當溫度進一步升高時，副反應明顯，導致產率及純度下降。因此，反應最優溫度為100 ℃。

3.4 最佳實驗條件驗證

取15.0 g 乙酸、19.0 g 正丙醇、1.5 mL 濃硫酸，在100 ℃條件下反應50 min，重復4 次實驗，其產率和純度如表5 所示。

由表5 可知，在最佳的實驗條件下合成的乙酸正丙酯產率高，重現性好，乙酸正丙酯的產率均在96%以上，純度可穩定在91.5%，精制收率為87.8%。

4 結論

通過考察催化劑用量、酯化時間以及反應溫度3 個因素對制備乙酸正丙酯產率及純度的影響，得到了合成乙酸正丙酯的最優條件。實驗結果表明，向反應體系中加入1.5 mL 濃硫酸，在100 ℃下，反應50 min，乙酸正丙酯的精制收率可達87.8%。在一定程度上提高了試劑的利用率，為實驗室制備乙酸正丙酯提供了一定的參考。