强酸性阳离子交换树脂催化合成乙酸正丁酯.doc

物化设计性试验论文强酸性阳离子交换树脂催化合成乙酸正丁酯SYNTHESIS OF n-BUTYL ACETATE CATALYZED WITH STRONG ACID POSITIVE ION EXCHANGE RESIN摘 要强酸性阳离子交换树脂是主要交换基团为磺酸基的阳离子交换树脂，它可以重复使用。1 利用处理后的强酸性阳离子交换树脂做催化剂合成乙酸正丁酯的效率比用浓硫酸要高很多。本文采用强酸性阳离子交换树脂作为催化剂对它的催化反应条件进行了一系列的研究，结果表明正丁醇与冰醋酸的物质的量比在1.5:1、强酸性阳离子交换树脂的用量为2g、酯化反应的时间为70min以及强酸性阳离子交换树脂重复使用的情况为第四次时酯化反应的产率76.42%为最高，此时的操作即是较为优化的工艺条件。强酸关键词：强酸性阳离子交换树脂；催化剂；酯化反应；乙酸正丁酯AbstractThe main group exchange of strong-acid positive ion exchange restrain is R-SO3H, and it can be reused. The processed strong-acid positive ion exchange restrain can be used to catalyze esterification of n-butyl alcohol acetic acid, and it is very good for catalyst than concentrated sulfuric acid. In this thesis, the strong-acid positive ion exchange restrain is used as catalyst, the results show that the best productivity is 91.26%, and at this time the amount of substances rate between normal butanol and glacial acetic acid is 1.5:1、the dosage of strong-acid positive ion exchange restrain is 2g, the time of this reaction is 70 minutes and the reused times is the forth, the above points are the better working conditions.Keywords: strong-acid positive ion exchange restrain; catalyst; esterification; butyl acetate1 前言 乙酸正丁酯是用扩消化纤维及漆类的溶剂。常用作果实的香精，主要配制香蕉、树莓、草莓和奶油等型香精。2浓硫酸是常见的酯化反应的催化剂，它在酯化反应中有着许多优点，如酸性强、催化效果好、性质稳定、吸水性强以及价格便宜等等，然而其缺点也不容忽视，比如具有强氧化性而体现出强的脱水性导致反应过程中发生磺化、碳化或是聚合等负反应而严重影响产率，此外，浓硫酸对设备的腐蚀也相当严重。因此，越来越多的人开始探寻新的酯化反应催化剂，以固体酸性阳离子作为酯化反应催化剂的报道也有许多，34而强酸性阳离子交换树脂便是一种高效的酯化反应催化剂。强酸性阳离子交换树脂作为催化剂在合成乙酸正丁酯的过程中存在着许多优点，不仅操作上简便，反应条件温和，易分离，无碳化现象，而且还可以循环使用。且在适宜的条件下，酯化效率可达到76.42%。2 实验部分2.1 催化剂、主要实验试剂及仪器2.1.1催化剂强酸性阳离子交换树脂（732） 型。级别：一级品；生产地：天津市光复精细化工研究所。按常规法处理干燥后备用2.1.2主要实验试剂及仪器正丁醇、冰醋酸、沸石、蒸馏水、盐酸、氢氧化钠、PH试纸三口瓶、烧瓶、直形冷凝管、球形冷凝管、蒸馏头、分水器、接引管、分液漏斗、干燥器、量筒、温度计、烧杯（50mL、200mL，数量若干）、锥形瓶、托盘天平、滴定管、玻璃棒、橡胶塞、烧瓶夹、电加热套、铁圈2.2实验原理及方法2.2.1实验原理取催化剂样品分别经过盐酸、氢氧化钠溶液轮流浸泡，干燥处理后即得到具有较高活性的强酸性阳离子交换树脂催化剂。在正丁醇和冰醋酸的酯化反应中，用制备的催化剂代替浓硫酸来催化反应，其反应方程式为：酯化反应结束后，产物乙酸正丁酯经蒸馏与反应系统分离，产物纯度高，没有废液排放，催化剂可反复使用。5计算各条件下酯化反应的产率，并确定最佳反应条件。 该反应是可逆反应，为了使反应完全，由化学平衡移动原理知，合成过程中及时把生成的水从系统中分走可以提高产率。因此反映使用分水器分离出装置中的水。2.2.2实验方法1、强酸性阳离子交换树脂催化剂的预处理6 取催化剂样品20g以1N的盐酸及1NNaoH轮流浸泡，即按酸-碱-酸-碱-酸的顺序浸泡5次，每次浸泡两个小时，浸泡液体的体积约为树脂体积的23倍，在酸碱互换时应用去离子水进行洗涤，浸泡结束后用去离子水水洗至中性。2、乙酸正丁酯的准备（1）在装有电热套的100mL三口瓶中，按一定摩尔比加入正丁醇、冰醋酸，再加入一定量的预先处理过的强酸性阳离子交换树脂催化剂，几粒沸石。（2）装上分水器及球形回流冷凝管，通冷水。（3）当瓶内液体沸腾，冷凝器有回流液滴滴下时，调解热源使回流速度正常。继续加热至回流，分水，控制温度为不超过120，反应约为60min,至分水器中水面不再升高为止。 （4）反应完成，冷却至室温。将滤液转移至蒸馏烧瓶中，收集收集124-126时馏分，即为产物。（5）测量，计算产率。2.2.3注意事项（1）实验过程中注意保证气密性良好；（2）注意分水器中水面高度距支管口处约为0.5mm。（3）制备乙酸正丁酯的反应过程中控制温度不能超过120。2.2.4计算乙酸正丁酯的产率计算公式为：x=实际产量/理论产量 2.3实验装置图分水回流装置分水回流装置蒸馏装置图3 实验结果分析3.1 醇酸摩尔比对反应的影响分别采用摩尔比为：1:1、1.5:1、2:1、2.5:1、3:1的正丁醇与冰醋酸，1.5g强酸性阳离子交换树脂催化剂，加热回流约60min，收集回流温度为122126的产物。所得结果如表1：表1 醇酸摩尔比对反应的影响醇酸摩尔比1:11.5:12:12.5:13:1产率（%）61.5968.3267.3563.6159.74表1数据表明，醇酸摩尔比对产率有较大的影响，在一定范围内增大醇酸比会使酯化产率增提高，因为该反应是可逆反应，增大某一反应物用量会使反应向生成产物的方向移动，从而提高产率。但进一步增大醇酸比时产率反而会降低，这是因为降低了酸和催化剂的相对浓度。由表1可知，在本实验条件下，最佳醇酸比为1.5:1。3.2 催化剂用量对产率的影响根据上个实验结果，采用最佳醇酸摩尔比1.5:1,回流时间60min,回流温度控制在不超过120,改变催化剂用量,分别用1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3g。记录所得结果如表2： 表2 催化剂用量对反应的影响催化剂用量（g）1.01.52.02.53.0产率（%）63.4768.3271.7871.8071.81从表2可以看出，催化剂的最佳用量为2.0g，当催化剂用量过多时，产率也不会有明显的提高。这说明随着强酸性阳离子交换树脂用量的增加，分水量和产品收率的下降可能与树脂溶胀情况有关。3.3 反应时间对产率的影响根据上面两个实验的结果，采用最佳醇酸体积比1.5:1和最佳催化剂用量2.0g回流温度控制在116134,改变反应时间非别为：40、50、60、70、80min。记录实验结果如表3：表3 反应时间对产率的影响反应时间（min）4050607080产率（%）53.8064.1171.7876.4272.40 从表3可以看出，随着反应时间的延长，产率逐渐提高，但超过70min以后产率有所下降，这是因为冰醋酸中含有-OH。随着反应时间的延长会有更多的副反应发生，使生成的乙酸正丁酯再反应生成其他物质，因此产率出现降低。而且延长反应时间增加能耗。在本实验条件下，反应时间为70min为宜。3.4 催化剂重复使用情况对产率的影响 将反应结束后的催化剂经过滤即可使用，采用最佳反应条件（包括最佳醇酸比、最佳催化剂用量、最佳反应时间），重复实验用强酸性阳离子交换树脂催化合成乙酸正丁酯。重复使用次数为1、2、3、4、5次。记录实验结果如表4：表4 催化剂重复使用结果催化剂重复使用次数（次）产率（%）76.4275.0374.8074.8373.94由表4可知，重复使用强酸性阳离子交换树脂作为催化剂时，乙酸正丁酯的产率不会有太大的改变，课件强酸性阳离子交换树脂是一种重复性较好的催化剂。随着重复次数的增加，产率并未发生太大改变。4 结论本实验得到如下结论：通过对各变量产率的比较得出，最佳的正丁醇与冰醋酸的摩尔配比为1.5:1，最佳强酸性阳离子交换树脂的用量为2g，最佳的反应时间控制在70min，催化剂重复次数为1次，此时乙酸正丁酯的产率为最高。传统的酯化反应催化剂用的是浓硫酸，但因其存在很强的脱水性而导致反应过程中发生磺化、碳化或是聚合等负反应进而严重影响产率，此外，浓硫酸对设备的腐蚀也相当严重。经过适当处理后的强酸性阳离子交换树脂作为催化剂对乙酸正丁酯的合成有良好的催化性能，而且不腐蚀设备，价廉易得，可重复使用，最重要的是没有任何三废产生，因此是一种较好的酯化反应催化剂。参考文献1 百度百科，/view/665656.htm2 百度百科，乙酸正丁酯用途， /view/485350.htm3 俞善信，磺化聚氯乙烯的催化酯化作用，离子交换与吸附， 1992,8（4）：2952984 李永兴， 强酸性阳离子交换树脂催化剂在酯化反应中的应用，日用化学工业，1989 （2）：575 古凤才，肖衍繁等.基础化学实验教程（第二版） 科学出版社 258收获与体会经过几番努力，我们的物化设计性实验终于完成了，一周以来的忙碌生活也即将成为历史。回忆起做实验这段日子，感触良多，有苦有乐。但看着所得到的实验成果和论文，顿时也充满了成就感。通过这次实验的经历，我们感觉到了需要学的东西真的是很多，尤其是到了要使用的时候，我们要学的东西就更多，要动手的东西也会越来越多，做试验好辛苦真的和想象的差距很大。它不仅仅是要求我们做简简单单的一次实验操作，而是通过实验的准备工作来考验我们专业技能，还有我们的物理化学方面的知识总汇，更重要的还是考察我们大学两年以来所学学科的综合运用能力以及考察我们的实验操作能力。通过这次的锻炼，让我们了解到了自身专业知识的欠缺、动手能力不足等等问题，但更多的是，让我们懂得了独立思考的魅力，虽然在实验的开始阶段，是贾老师您给了我们大家很多的建议以及帮助，当然也正是因为您的辛勤的劳动才使我们的实验能够顺利的进行。但是当我们遇到了其他的问题的时候，这都得要求我们自己去找方法与对策来解决，这时要求我们要有独立思考的能力以及大胆的动手操作，一切的一切，无论是在实验过程还是在写论文的过程，使我懂得了一个道理，那就是严谨的