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1、乙酸正丁酯的合成与精制专业实验预习报告实验名称： 乙酸正丁酯的合成及精制实验 姓 名： 学 号： 联系方式： 组 员： 专 业： 化学工程与工艺 乙酸丁酯的合成与精制乙酸正丁酯的合成与精制一、实验目的（1）初步了解和掌握化工产品开发的研究思路和实验研究方法。（2）学会组织全流程实验，并获得高纯度的产品。（3）学会分析实验流程及实验结果，提出实验改进方案。二、实验原理乙酸正丁酯是一种无色的液体。具有比乙酸戊酯略小的水果香味。它可与醇，酮，酯和大多数常用的有机溶剂混溶。特别是当它预先与活性溶剂或是惰性溶液混和时是硝化纤维素和纤维素醚的一种溶剂。天然品存在于苹果、香蕉、樱桃、葡萄等植物中，易挥发，难
2、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
3、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。乙酸丁酯的合成与精制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：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
4、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%。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 640
5、W，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%。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%。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
6、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，反应时间乙酸丁酯的合成与精制为 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。 323323 )()( CHOOHCOCH 、 催 化 剂该反应是可逆
7、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
8、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）乙酸丁酯的合成与精制指标名称 优等品 一等品 合格品色度（铂-钴） ，号 10 10 20密度， （20） ，g/cm 3 0.878-0.883 0.878-0.883 0.820-0.883乙酸正丁酯含
9、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 0.005 0.010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 、醚多数有机溶剂乙酸正丁酯0.882 -73.5 126.1 1.3941 116.1
10、6 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，低毒乙酸丁酯的合成与精制2）正丁醇、乙酸正丁酯和水形成的几种恒沸化合物：表 3 恒沸化合物一览表组成的质量分数 /%恒沸化合物沸点/乙酸正丁酯正丁醇 水乙酸正丁酯-水 90.7 72.9 27.1正丁醇-水 93.0 55.5 44.5二元乙酸正丁酯-正丁醇 117.6 32.8 67.2三元 乙酸正丁酯-正丁醇-水 90.7 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
11、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：乙酸丁酯的合成与精制5 5 m l 正丁醇4 5 m l 冰乙酸2 . 8 g 硫酸氢钾H2O回流粗产品 粗产品过滤饱和 N a C O3溶液洗涤液粗产品粗产品洗涤液饱和 N a C l 溶液粗产品无水硫酸镁乙酸正丁酯前馏分残液下层上层分液下层上层 分液蒸馏 （ 1
12、1 8 - 1 2 4 ）图 1. 乙酸正丁酯工艺流程框图设计实验装置图如下：蒸馏头 温度计 直 形 冷 凝 管 接 引 管接 收 瓶瓶瓶瓶图 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；乙酸丁酯的合成与精制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
13、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)
14、 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：乙酸丁酯的合成与精制选择分离柱：空心柱载体：硅藻土载气：纯 N2固定液：甲基聚硅氧烷。结构式如下： RSi ORR SiRROSiRRRn图 4. 甲基聚硅氧烷结构式检测器：FID 火焰离子化检测器气相色谱法流程装置图如图 512345678910-高 压 钢 瓶 2减 压 阀 3-载 气 净 化 系 统 4-针 形 阀 5流 量
15、计6压 力 表 7进 样 器 8色 谱 柱 9检 测 器 记 录 仪A载 气 系 统 ； B进 样 系 统 ； C分 离 系 统 ； D检 测 系 统 ； E放 大 记 录 系 统ABCDE图 5. 气相色谱法流程装置图乙酸丁酯的合成与精制计算组分的方法：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： %10iifAw式中：为试样组分 i 的百分含量；%iw为组分 i 的校正因子；if为组分 i 的峰面积（cm 2） ；iA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
