阿司匹林的合成

阿司匹林的制备阿司匹林的制备 一 一 实验目的 实验目的 1 了解阿司匹林制备的反应原理和实验方法 2 通过阿司匹林制备实验 初步熟悉有机化合物的分离 提纯等方法 3 巩固称量 溶解 加热 结晶 洗涤 重结晶等基本操作 4 了解合成中的副产物以及相应的除杂方法 5 了解阿司匹林合成中可使用的催化剂 二 实验原理 二 实验原理 阿司匹林的合成原理是在催化剂作用下 以醋酐为酰化剂 与水杨酸羟基酰 化成酯 传统的合成阿司匹林的催化剂为浓硫酸 它存在如下缺点 1 收率较低 65 70 腐蚀设备 有排酸污染 2 操作条件要求严格 浓硫酸具有强氧化性 反应要严格控制其加入速度和搅拌 速度 否则会导致反应物碳化 3 粗产品干燥时 由于硫酸分离不完全而导致部分产品氧化 引起产品成色不好 4 产品不能加热干燥 否则产品中残余的浓硫酸会催化乙酰水杨酸水解成水杨酸 因而寻找一类新的催化活性高 环保型的催化剂来代替质子酸催化合成乙 酰水杨酸必要的 改进后的催化剂大体可分为酸性催化剂 碱性催化剂和其他 类型催化剂 酸性催化剂 酸性催化剂催化合成阿司匹林的机理如下 在酸作用下 乙酸酐中羰基碳原 子的正电性增强 使乙酸酐中酰基容易向羟基转移形成酯基 即完成乙酰水杨酸 的合成 催化剂酸性越强 氢质子流动性越好 越易于催化酯基的生成 但在乙酰 水杨酸的合成中 催化剂酸性太强 也会造成水杨酸分子中羧基与另一水杨酸分 子中的酚羟基脱水酯化 生成较多的酯聚合副产物 因此 以浓硫酸为催化剂合 成阿司匹林的反应为基础 人们对酸性化合物替代浓硫酸为催化剂合成阿司匹林 进行了大量研究 取得了可喜成果 酸性催化剂包括路易斯酸 固体酸 有机酸 酸性无机盐 酸性膨润土等 1 酸性膨润土的催化效果 膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产资源 具备二维通道和大 孔分子筛的性质 用酸处理后所得的酸性膨润土催化酯化反应最大优点是收率高 催 化剂经热过滤与产品分离后 再经干燥 净化 活化处理 可反复使用 成本低 不污染环境 是一种绿色催化剂 该方法消除了环境污染 产品质量但收率中等 2 对甲苯磺酸的催化效果 对甲苯磺酸为固体有机酸 经济易得 污染少 收率高 操作方便 具有较好 的工业化前景 对甲苯磺酸具有催化活性高 选择性好 操作方便 污染少等 显著优点 3 活性二氧化锡固体酸的催化效果 用微波辐射法制备的活性二氧化锡固体酸为催化剂 85 下 反应 45 min 可 使阿司匹林收率达到 81 6 产物中酯聚合物的含量较少 所得产品为纯白色 可在干燥箱中加热干燥而且乙酰水杨酸极少水解 活性二氧化锡性质稳定 操作 安全 所得产品容易分离 回收的二氧化锡除去少量杂质可重复使用 4 NaHSO4 催化 用硫酸氢钾催化合成乙酰水杨酸 具有催化剂在反应过程保持固态 反应 完毕经热过滤即可与产品分离 不溶于反应体系 易回收等特点 克服了浓硫 酸对设备的强腐蚀性 对环境的污染等缺点 符合绿色化学的发展方向 具有 工业应用的前景 碱性化合物 碱性化合物为催化剂基于碱性化合物能与水杨酸反应 能破坏水杨酸分子 内氢键 活化水杨酸的羟基机理 许多碱性化合物可以作为催化剂合成阿司匹林 常见的催化剂包括强碱 弱碱和弱酸强碱盐 1 吡啶催化效果 吡啶催化效果优良 收率高 适合工业化生产 但较易吸水形成共物 形 成共沸物 使反应温度较难控制 且反应中产生难闻的气味 反应温度为 80 反应时间为 30min 催化剂用量为 5 试剂摩尔比为 1 4 2 时产率最高 吡啶 作催化剂为水杨酸质量的 5 时 产率为 80 2 弱碱性吡啶催化剂合成乙酰水 杨酸产率高于浓硫酸催化剂产率 2 碳酸钠催化微波合成阿司匹林的效果 采用无水碳酸钠作为催化剂以微波合成法合成乙酰水杨酸的实验技术比用 浓硫酸作催化剂的加热合成法速度快数 10 倍 产率和纯度均较高 不污染环境 避免浓硫酸存在造成的设备腐蚀和操作的不安全因素 适合 21 世纪绿色合成 经济环境可持续发展的要求 其他类型催化剂 1 维生素 C 为催化剂 维生素 C 是一种内酯类化合物 分子中有一双烯醇结构 呈酸性和还原性 对酯化反应有一定的催化作用 催化效率与温度有关 用维生素 C 为催化剂催化 的该反应 反应速度快 操作简单 催化剂无需回收 反应条件温和 不腐蚀 仪器设备 对环境无污染 维生素 C 是一种常见的维生素类药 价廉易得 以 其作为催化剂具有独特的优势 具有一定的工业应用前景 2 以三氯稀土为催化剂 三氯稀土是一种简单 便宜和易得的 Lewis 酸 具有可溶性强 可回收再 使用 对设备腐蚀轻 无污染等优点 是一种可望用来解决传统 Lewis 酸造成 环境污染问题的环境友好催化剂 符合绿色化学的时代潮流 用三氯稀土作催 化剂与用浓硫酸作催化剂效果相当 但同时又克服了浓硫酸作催化剂所具有的 腐蚀设备 污染化境的缺点 其中稀土中 YCl3 的催化效果较好 用三氯稀土 作催化剂 其优点在于反应结束分离出产品后 将水溶液蒸干 剩余物可再次 用于该反应的催化 采用相同的反应条件 重复利用 3 次 产率不变 但成本 较高 3 以碳酸钾为催化剂 实验原理 用碳酸钾代替浓硫酸或浓磷酸作催化剂合成阿司匹林 分析及 比较 1 K2CO 作为催化剂合成阿司匹林具有较好的催化效果 克服了浓酸 作催化剂时对设备的腐蚀 造成环境污染等缺点 4 以活性炭固载 SnCl4 5H2O 为催化剂 通过用活性炭固载 SnCl4 5H20 作为催化剂催化合成阿司匹林 该催化 剂具有催化活性高 反应时间短 易分离 无污染的特点 符合绿色生产的要 求 且具有较高的实用价值 可代替其它催化剂 其催化效果良好 不仅改善 了传统用的催化剂硫酸带来的腐蚀设备 环境污染等缺点 而且比活炭固载 A1C1 催化的产率高 1 引 该催化剂还可以通过简单的操作便可回收利用 符 合绿色生产的要求 具有投入工业生产的价值 5 强酸树脂环境友好催化 用强酸性阳离子交换树脂作催化剂比传统的浓硫酸作为催化剂合成阿司匹 林有更高的收率 且无腐蚀性 不污染环境 反应重现性好强酸性阳离子交换 树脂作为一种绿色催化剂催化活性高 后处理简单 可重复利用 3 次 所得产 品结晶色择好 在工业生产中 可简化生产工艺 节省能源最主要的是它可以 避免如浓硫酸催化时 对经基苯甲酸的破坏以及引起自身缩合等副反应 6 以离子液体为催化剂 可使用的离子液体有 Br nsted 酸性离子液体 Hmim BF4 bmim HSO4 和 bmim H2PO4 例如采用 Br 离子液体对阿司匹林的合成有较好的催化作用 产 物和离子液体不溶而分层 便于分离 且离子液体可以重复使用 离子液体不仅 是一种绿色溶剂 在反应中还显示出反应速率快 转化率高 反应的选择性高 催化体系可循环重复使用等优点 阿司匹林的工业制法 苯酚与二氧化碳在氢氧化钠存在下在高温高压的条件下反应 得到水杨酸 二钠盐 Kolbe Schmidt 反应 反应后加入稀硫酸中和 加入乙酸酐进行乙酰化 得到阿司匹林 这是由酚羟基的特殊性质决定 酚羟基很难直接和乙酸发生酯化反应 该 反应实际上依然是酯化反应 阿司匹林的其他合成方法就是以不同的催化剂来催化合成 本实验采用传统法来合成阿司匹林 水杨酸分子中含羟基 OH 羧基 COOH 具有双官能团 本实验采用以强酸为硫酸作为催化剂 以乙酐为乙 酰化试剂 与水杨酸的酚羟基发生酰化作用形成酯 反应如下 水杨酸水杨酸 乙酸酐乙酸酐 乙酰水杨酸乙酰水杨酸 乙酸乙酸 引入酰基的试剂叫酰化试剂 常用的乙酰化试剂有乙酰氯 乙酐 冰乙酸 本实验选用经济合理而反应较快的乙酐作酰化剂 副反应有 本实验可能产生的副产物有 乙酰水杨酸酐 水杨酸 乙酸苯酯 水杨酸 苯酯 乙酰水杨酸苯酯 可能的副反应 原料水杨酸可能带入脱羧产物苯酚和 水杨酸苯酯 与原料醋酸酐酸化 生成乙酸苯酯和水杨酸苯酯 另外苯酚和水 杨酸苯酯有可反应生成乙酰水杨酸苯酯 三者不溶于碳酸钠 制备的粗产品不纯 除上面两副产品外 可能还有没有反应的水杨酸等杂 质 COOH OH CH3COCCH3 OO H2SO4 75 80 COOH OCCH3 O CH3COOH 水杨酸聚合物 本实验用 FeCl3 检查产品的纯度 杂质中有未反应完酚羟基 遇 FeCl3 呈 紫蓝色 如果在产品中加入一定量的 FeCl3 无颜色变化 则认为纯度基本达 到要求 三 主要仪器及试剂三 主要仪器及试剂 试剂 水杨酸 2 00g 0 015mol 乙酸酐 5mL 0 053mol NaHCO3 aq 4mol L 盐酸 浓流酸 冰块 95 乙醇 蒸馏水 1 FeCl3 仪器 150mL 锥形瓶 5mL 吸量管 干燥 附洗耳球 100mL 250mL 500mL 烧杯各一只 加热器 橡胶塞 温度计 玻璃棒 布氏 漏斗 表面皿 50mL 量筒 烘箱 四 实验步骤四 实验步骤 1 乙酰水杨酸制备 1 称取水杨酸 1 98g 于锥形瓶 150mL 在通风条件下用吸量管取乙酸 酐 3mL 加入锥形瓶 滴入 5 滴浓流酸 浓硫酸用量要控制 V 0 2mL 附乙 酰水杨酸分解 126 135 水杨酸与乙酐混合后没有及时加硫酸并加热 会 发生较多副反应 摇动使固体全部溶解 盖上带玻璃管的胶塞 在事先预热的水 浴中加热约 10 15min 水浴装置 500mL 烧杯中加 100mL 水 沸石 用温度计控制 85 90 2 取出锥形瓶 将液体转移至 250mL 烧杯并冷却至室温 可能会没有晶 析出 加入 50mL 水 同时剧烈搅拌 搅拌要激烈 否则会析出块状物体 影响 后续实验 冰水中冷却 10min 晶体完全 3 抽滤 冷水洗涤几次 尽量抽干 固体转移至表面皿 风干 2 乙酰水杨酸提纯 1 粗产品置于 100mL 烧杯中缓慢加入饱和 NaHCO3 溶液 产生大量气体 固体大部分溶解 共加入约 5mL 饱和 NaHCO3 aq 搅拌至无气体产生 2 用干净的抽滤瓶抽滤 用 5 10mL 水洗 可先转移溶液 后洗 将滤 液和洗涤液合并并转移至 100mL 烧杯中 缓缓加入 15mL 4mol L 的盐酸 加入盐 酸要滴加 加入过快会导致析出过大的晶粒影响干燥 边加边搅拌 有大量气 泡产生 3 用冰水冷却 10min 后抽滤 2 3mL 冷水洗涤几次 抽干 干燥 烘箱 55min 称量 产品秤量理论 2 58g 4 产品纯度检验 取几粒结晶 加 5mL 水 加少量乙醇增加其解度 滴 加 1 FeCl3 溶液 检验纯度 5 杂质的含量是 所得产物的总质量 产品的理论值 五 实验注意事项及参考数据五 实验注意事项及参考数据 1 参考数据 名 称分子量m p 或 b p 水醇醚 水杨酸 138158 s 微易易 醋酐 102 09139 35 l 易溶 乙酰水杨酸 180 17135 s 溶 热溶微 2 注意事项 1 实验在通风橱中进行 因为乙酸酐具有强烈刺激性 并注意不要粘在 皮肤上 2