氨基磺酸催化合成乙酰水杨酸的研究.doc

氨基磺酸催化合成乙酰水杨酸的研究摘 要：本文以水杨酸和乙酸酐为原料，用氨基磺酸替代浓硫酸做催化剂合成乙酰水杨酸。由于氨基磺酸为固体、化学性质稳定、酸性强、不挥发、价格低廉、对人体毒性小，克服了用浓硫酸做催化剂时腐蚀设备、污染环境、产物色泽深、品质不好的特点1。作者对实验条件反复考察，从醇酸摩尔比、催化剂用量、反应温度以及反应时间等方面选择出了最有利于酰化反应进行的条件。即水杨酸与乙酸酐的摩尔比为1:1.5，氨基磺酸用量是水杨酸的5.8%，反应时间为20分钟，反应温度为5560。此时产率可达到83.0%。事实证明氨基磺酸具有好的催化效果，对设备要求低、简单、快速、经济、无污染。产品品质好，适于工业化生产。关键词：氨基磺酸；乙酰水杨酸；催化；合成Synthesis of AcetylsalicylicAcid with Sulfamic Acid CatalystAbstract：The synthesis of acetylsalicylic acid from salicylic acid and acetic anhydride, using sulfamic acid instead of strong sulfuric acid as catalyst was studied. The sulfamic acid is solid, stable, not volatilize, acidity is very strong, inexpensive and does little harm to human .Compared with strong sulfuric acid, it has a little bit of corrosion to equipment, the product luster lighter and have better qualities. The author investigates the experimental conditions repeatedly .The optimum reaction conditions were :molar ratio of salicylic acid: acetic anhydride1:1.5 ;amount of sulfamic acid is 5.8% of the salicylic acid ;reaction time ,20 min ; reaction temperature,5560C.The yield was 83.0 %.Sulfamic acid is proved to be a very good catalyst, and the equipment needed is simple. Moreover, the reaction is no pollution, easy and economical, Therefore, It is fit for the industrialized production.Key words：Sulfamic acid; acetylsalicylic acid; catalysis; synthesis乙酰水杨酸又称阿司匹林、酰基柳酸、醋柳酸，化学名称为2-乙酰基苯基甲酸。纯品为白色针状或板状结晶性粉末。无臭微带酸味，熔点135，微溶于水，在醇、乙醚、氯仿中溶解，在氢氧化钠和碳酸钠溶液中溶解，并分解。早在2300多年前 ，西方医学的奠基人、古希腊“医学之父”希波克拉底就已经发现水杨柳树的皮和叶具有阵痛和退热的作用。虽然当时未弄清它的成分，但有关水杨柳树的皮和叶能治病的民间药方已经在世界各地广泛应用，且代代流传。史书记载古代的苏美尼亚人、部分地区的印第安人用咀嚼柳树皮的方法减轻分娩妇女的痛苦和治疗关节痛，古代中华医药中也有用柳树接骨减少疼痛的临床实录。1827年英国科学家拉罗克斯，首先从柳书皮中提取分离出叫水杨苷的物质。1835年卡尔娄卫希从绣线菊中提取出了纯的水杨酸。此时纯的水杨酸已经开始用做止痛药，它的降压、止痛、抗炎疗效比水杨苷还要好的多。然而从天然植物中分离提取水杨酸耗时耗力，成本高，此外其副作用强。对胃刺激性大，会导致胃痛甚至出血。1853年法国化学家热拉尔最早用水杨酸和乙酸酐制得乙酰水杨酸，这就是后来大名鼎鼎的阿司匹林。阿司匹林的工业化生产与德国著名化学家霍夫曼及其所在的拜尔公司密切相关。当时霍夫曼在以生产苯胺燃料为主的拜尔公司工作，他年迈的父亲被风湿性关节炎所引起的疼痛所困扰。服用水杨酸止痛很有效但却又引起强烈的胃痛，孝顺的霍夫曼为了治父病，翻查了各种文献资料，看到了热拉尔的记录，后来他分析测定了与水杨酸有关的一系列化合物的性能。1897年他确定水杨酸被酯化后生成的乙酰水杨酸不仅酸性大大降低，还保留了水杨酸治病的药效，同时毒性和副作用也大大降低。霍夫曼向拜尔公司领导提交了此一系列报告。领导十分重视。并组织人员对这些化合物进行动物实验。后来所有的实验都证明了乙酰水杨酸的有用和安全。它确实在当时是一种超过任何药物的解热止痛药。1899年拜尔公司出售袋装粉末状乙酰水杨酸。1900年片剂上市作为一种药物正式命名为阿司匹林（Aspirin）A取自Acetyl即酰基。Spir来自绣线菊Apiraea，而in是当时药物名通用的后缀。阿司匹林的作用消炎止痛：这是阿司匹林最初的药用价值。它常被用来治疗风湿症，减轻炎症反应，降低疼痛。因此它不仅用来治疗感冒发热、风湿性关节痛，而且还有治疗头痛、牙痛、肌肉痛、神经痛、月经痛的作用。治疗风湿性关节炎有减轻疼痛、僵硬、红肿等症状，并能退热。随着时代的发展，科技的进步，具有解热止痛作用的新药不断出现。阿司匹林在人们心目中光彩依旧，近百年来它依旧是一种安全、价廉、物美的消炎止痛药。抗凝血：40多年前，有位医生观察到咀嚼阿司匹林口香糖用做咽部手术后止痛的孩子常有异常的出血，这位医生意识到阿司匹林有抗凝血的作用。美国专家研究证实阿司匹林可以减少将来心肌梗死的发作。对于少数有脑梗首发症状的人群服用阿司匹林脑梗有所改善。来自瑞典、加拿大和美国的多方研究证实，每天服用阿司匹林的冠心病患者心肌梗死发作率可减少20%，对有不稳定心绞痛者，心肌梗死发病率可减少50%以上。2005年3月美国哈佛大学流行病学家朱莉比兰提交的医学报告指出，65岁以上的女性服用阿司匹林，他们患血栓引起中风的风险比没有服用该药的女性要低30%，心脏病发作率则要低34%，阿司匹林对冠心病的预防作用对于不吸烟者和已戒烟者效果更好。现在阿司匹林预防心血管病和中风的用途甚至超过了它最初的解热止痛功用。防治癌症：美国某大学的研究人员发现阿司匹林可以在胃肠黏膜细胞即将发生癌变之前将其破坏。随后阿司匹林又被研究发现，在防治乳腺癌、肺癌、胃癌、皮肤癌、直肠癌、结肠癌方面也有较好的功效。其它治病用途：目前各国科学家研究表明阿司匹林还能对白内障，牙龈疾病、孕期内高血压、糖尿病、偏头疼和老年痴呆症有预防和治疗作用。而且服用阿司匹林能使胆道再结石的可能性减少50%。各国科学家还在继续研究阿司匹林对人体的各种作用机理、临床疗效以及药物剂型等问题。阿司匹林不但在过去，现在还将在未来更好的为人类的健康服务2-3。据有关资料介绍,近年来, 农业专家们通过试验又发现阿司匹林对农作物、果树等有重要的增产作用。其主要表现有:处理麦种:用0.05%的阿司匹林水溶液浸种12小时后,晾干播种,一般可增产6%8%; 用阿司匹林10克加水500克,拌种10公斤,堆闷12 小时后播种,一般可使小麦增产13%左右。处理幼苗: 用0.05 %的阿司匹林水溶液浸泡水稻、甘薯、苗木、蔬菜的根部,然后栽插,不仅可提高其成活率,缩短缓苗期,而且还能使其生长健壮。叶面喷洒: 几乎适用于所有的绿色植物。如: 用0.05 %阿司匹林水溶液加少许粘着剂, 在小麦的扬花期至灌浆期喷洒12 次, 可延长叶片的光合作用和干热风引起的早衰, 从而增加结实率和颗粒的重量, 一般可使小麦增产10%12%。用于浇灌: 用0.01 %的阿司匹林水溶液浇灌果树和粮食作物,可减少因干旱引起的落花、落果,从而增加产量。阿司匹林之所以具有上述奇特的作用, 主要是由于该药能分解水杨酸和醋酸等成分。这些分解物质有防止叶片失去水分的功能。而植物叶片又恰恰是制造和输送养分的工厂,以满足植物开花、结果的需要,因此,阿司匹林可达到使农作物以及果树增产的目的4。如今，化学工作者还在进一步探索阿司匹林的其他用途，使它能更好的为人类造福。阿司匹林的合成方法阿司匹林重大的药用及商业价值，注定了有关阿司匹林的合成研究一直都是化学工作者的研究热点。科学家们持着节约原料、降低能耗、提高产率、绿色环保及对设备要求简单的目的，一直寻找一种更优化的催化剂、更合理的实验条件。目前国内外报道有关阿司匹林合成的文献不下几十种，在这里，我再简单的陈述一下有关阿司匹林合成的研究进展。目前，阿司匹林的合成方法在实验室和工业上主要是以浓硫酸为催化剂，以水杨酸和乙酸酐为原料。浓硫酸催化虽然是经典方法、工艺成熟，但产率不高一般在65%67%5，且该方法中催化剂用量大，导致产物分离复杂，废液污染环境，同时也增加了生产成本，再者，浓硫酸具有氧化、脱水、腐蚀等缺点，至使副产物增多，产品品质不好，设备腐蚀严重，使得其应用受到了限制。为了克服浓硫酸做催化剂时存在的各种弊端，人们开始尝试用三氯稀土作为催化剂合成乙酸水杨酸。三氯稀土是一种Lewis酸，具有可溶性强，可回收再使用，对设备腐蚀小、无污染的特点。是一种渴望用来解决浓硫酸造成环境污染问题的环境友好催化剂，常用的三氯稀土催化剂有：三氯化铝（AlCl3）、三氯化铋（BiCl3）、三氯化钇（YCl3）等。文献记载用上述催化剂的最佳反应条件是：水杨酸与乙酸酐的摩尔比为1:2，反应温度在85左右，产率和用浓硫酸作催化剂时差不多，但三氯稀土价格较高使其使用受到一定限制6-7。另外，非酸催化剂中除了三氯稀土以外，用金属氧化物作催化剂以屡见报道，以见报道的有ZnO、EuO、SnO等。但单用某种催化剂效果较差，如，在单独使用SnO为催化剂时效果不显著，加入微量的Nd2O3催化效果明显提高。因此一种新兴的催化剂“复合氧化物”在此领域的应用 越来越走俏。以Nd2O3/SnO复合氧化物催化剂合成阿司匹林为例，该方法避免了腐蚀设备、污染环境。但其存在的一个最大的缺点就是催化剂的制备复杂。文献中记录制取复合氧化物Nd2O3/SnO时，先称取一定量的Nd2O3和SnCl22H2O溶于盐酸，然后将两溶液混合，搅拌均匀并滴加氨水，使之共沉淀。控制PH 值在810之间，添加少量乙醇加热至90，陈化25小时，过滤洗涤至中性，红外烤箱中干燥7小时，充分研磨过筛，放入马福炉中高温焙烧5小时，即制成复合氧化物催化剂Nd2O3/SnO（Nd2O3的含量为5%）8由于复杂的催化剂制备过程增加了工艺难度，影响了此方法的进一步推广。除上方法外，用固体酸催化合成阿司匹林的方法也相当成熟。用对甲苯磺酸、维生素C9、固体超强酸（SO42-/Fe2O3）10 、杂多酸11、硫酸氢钠12、乙酸钠313、KF/Al2O14、 活性二氧化锡15合成乙酰水杨酸的方法已见报道,用微波辐射法合成乙酰水杨酸16-17的报道也非常多。各种方法都有其利弊，化学工作者一直在寻找着更好的催化剂。1实验部分1.1试剂与仪器试剂：水杨酸（分析纯）；乙酸酐（分析纯）；氨基磺酸（分析纯）；碳酸氢钠（分析纯）；浓盐酸（分析纯）；1%的FeCl3溶液；蒸馏水；冰。仪器：多功能电磁搅拌器（HL-5）常温国华电器有限公司；电子天平（T-214）北京塞多利斯仪器系统有限公司；循环水式真空泵（SHZ-D）巩义市英峪予华仪器；熔点仪；100mL锥形瓶；直型冷凝管；温度计（100、200）；500mL烧杯；布氏漏斗；抽滤瓶；刮刀；滤纸；玻璃棒；滴管。 1.2合成原理:主反应： 副反应：1.3 实验方法阿司匹林的合成：在100mL干燥的磨口锥形瓶中加入6.9g（0.05mol）乙酰水杨酸，10.2g（0.1mol）乙酸酐，1g氨基磺酸。置于8085的水浴中，放入搅拌子，瓶口接回流冷凝管，将装置置于恒温加热磁力搅拌器中进行反应，同时开始计时，20分钟后，将锥形瓶从水浴中取出，将其慢慢冷却致室温，在冷却的过程中，阿司匹林渐渐从水浴中析出。待结晶形成后加入约100mL蒸馏水，并将锥形瓶放在冰水浴中冷却。待充分冷却后有大量固体析出，减压过滤后得白色针状固体，冰水洗涤，并尽量压紧抽干得到阿司匹林粗品。阿司匹林的纯化：将粗产品转移至烧杯，在搅拌下加入饱和碳酸氢钠溶液至无二氧化碳产生，减压过滤用少量水冲洗漏斗，除去白色聚合物，合并滤液倒入盛有浓盐酸的水溶液（体积比为1:2）中，低速搅拌均匀，使PH呈弱酸性，此时又有阿司匹林析出。将烧杯放置在冰水浴中冷却，使结晶完全减压过滤，用少量冷水洗涤结晶23次，抽干水分，使产品自然干燥，称重并计算产率。产品检验：由于酚类物质与1%的FeCl3溶液反应生成有色配合物，由此性质可以检验乙酰水杨酸中是否混有未反应的水杨酸，用碳酸氢钠溶液检验产品中是否有高分子聚合物。2 结果与讨论2.1 反应物醇酸摩尔比对产品收率的影响固定水杨酸为6.9g（0.05mol）催化剂用量为1g将反应温度控制在8085，反应时间为20min，不断调整乙酸酐的用量，不同的醇酸比对产品收率的影响见表1：表1 醇酸摩尔比对产品收率的影响水杨酸：乙酸酐(mol)1:11:1.251:1.51:1.751:21:2.25产率/55.765.369.562.562.451.7由表1可见，随着酸的量增加，产率先增加后降低。可能原于该反应为可逆反应，乙酸酐为易挥发性物质，如果反应中酸的含量过少，酸的大量挥发而不能充分反应而使产率降低；如果酸的含量过高，会溶解反应生成物，使得产率降低。综合考虑，最适宜的醇酸反应的物质的量比为1:1.5。2.2 催化剂用量比对产品收率的影响固定水杨酸为6.9g（0.05mol）乙酸酐的用量为7.65g（0.075mol）（水杨酸与乙酸酐的摩尔比为1:1.5）反应温度控制在80-85，反应时间为20min不断调催化剂的用量.催化剂用量对产品收率的影响见表2：表2 催化剂用量比对产品收率的影响氨基磺酸/ g0.81.01.2产率/73.776.272.270.469.566.3由表2可见，随着催化剂用量的增加，产率在不断提高担当催化剂过多时产率反而有所下降，这可能是催化剂用量过多引起较多副反应的缘故，所以综合考虑反应最适宜的催化剂用量为0.4g。2.3 反应温度对产品收率的影响固定水杨酸为6.9g（0.05mol）乙酸酐的用量为7.65g（0.075mol）（水杨酸与乙酸酐的摩尔比为1:1.5），催化剂用量为0.4g，反应时间为20min 不断改变反应温度，不同的反应温度对产品收率的影响见表3：表3 反应温度对产品收率的影响反应温度/505555606065657070757580产率/74.983.082.981.979.179.0表3结果表明，随着反应温度的增加，反应产率不断提高。当反应温度为5560时，产率达到最高（83.0%）。继续升高反应温度，产率有所下降。说明反应温度过低，醇酸不能充分反应，以至产率降低；如果反温度过高副反应增多。因此，适宜反应温度为5560。2.4 反应时间对产品收率的影响固定水杨酸为6.9g（0.05mol）乙酸酐的用量为7.65g（水杨酸与乙酸酐的摩尔比为1：1.5）催化剂用量为0.4g，反应温度控制在5560，不断改变反应时间，不同的反应时间对产品收率的影响见表4：表4 反应时间对产品收率的影响反应时间/min101520253035产率/67.472.583.077.075.774.3表4结果表明，随着反应时间的增加，产率不断提高。当反应时间为20分钟时，产率达到最高（83.0%）。继续延长反应时间，产率有所下降。说明反应时间过短，醇酸不能充分反应至产率降低；如果反应时间过长副反应增多。因此，最适宜的反应时间为20分钟。3 结论以乙酸酐和水杨酸为原料,用氨基磺酸催化合成乙酰水杨酸的最佳反应条件是水杨酸与乙酸酐的摩尔比为1:1.5；氨基磺酸用量是水杨酸的5.8%；反应时间为20分钟；反应温度为5560。再此条件下产率可以达到83.0%。产品外观纯白色针状固体为，熔点在134135，纯度高。实验证明，用氨基磺酸作催化剂有以下优点：氨基磺酸固体不吸湿，化学性质稳定，便于包装、贮存、运输。氨基磺酸水溶液具有与盐酸、浓硫酸同等的强酸性，它不挥发，对人体毒性极小。对设备腐蚀小，设备要求低，可降低成本。价格低廉，每斤1.41.5元，适用做工业化生产乙酰水杨酸的催化剂。 氨基磺酸具有好的催化效果，反应所须温度低、时间短便于操作，产率高，经济实惠。废液对环境污染小，副产物少，产品品质高，产物分离容易，是一种环境友好型催化剂。 参考文献：1 刘艳辉,刘素琴,毛卿.氨基磺酸催化合成苯甲酸乙酯J.湖南理工学院学报,2005,18(4):56-58. 2 毛华茂.阿司匹林漫谈J.化学教学,2006,(2):28-30.3 韩延民.阿司匹林的是是非非J.相约健康,2004:29.4 龙吉敏.阿司匹林的妙用J.致富之友,1999,(6):5.5 李继忠.对甲苯磺酸催化合成乙酰水杨酸的研究J.化学世界,2005,(6):365-366.6 张武,李红喜,顾巍,吴磊.三氯稀土催化合成乙酰水杨酸J.化学世界,2002,(8):422-424.7 丁健华,郝丽,乐长高,王宁.阿司匹林的合成条件研究J.华东理工学院学报,2005,28(1):76-78. 8 陈宝芬,王亚军.复合氧化物Nd2O3/SnO催化剂合成阿司匹林J.内蒙古石油化工,2001,27:94-96.9 陈洪,龙翔,黄思庆.维生素C催化合成阿司匹林的研究J.化学世界,2004,(12):642-643.10 陈洪,龙翔,符史良,黄思庆.环境友好固体超强酸SO42-/Fe2O3催化合成阿司匹林的研究,J.化工环保,2004,24:432-433.11 Yanqing Peng,Gonghua Song.Heteropolyacid-Catalyzed Synthesis of AspirinJ. Chem.Educator,2000, 5(3): 144.12 翁文,林德娟,尤秀丽,颜少明.硫酸氢钠催化合成阿司匹林J.应用化工,2