浓硫酸催化下的香蕉油的制备

浓硫酸催化下的香蕉油的制备作者：（应用化学系1204班，2012080423，施纯献）摘要：随着有机化学知识的增加，科学家能复制出存在于植物界中许多具有香气和香味的酯。在本实验中我们将用乙酸和异戊醇在浓硫酸的催化下的费歇尔酯化反应合成乙酸异戊酯，由于它的香味，此酯，又称香蕉油。乙酸异戊酯是无色的液体，不溶于水，易溶于醇和醚等有机溶剂。这反应不快，需要加热回流。用溶剂萃取以后，通过简单的蒸馏纯化酯。用红外共振谱鉴定乙酸异戊酯。酯化反应是可逆反应通常采用过量的羧酸,在反应达到平衡时,仍然有相当量的反应物存在,在酸性溶液下则反应式向右称为酯化反应;如果在碱性溶液下则反应式向左称为皂化反应。关键词：浓硫酸，乙酸异戊酯，催化，香蕉油，酯化反应，红外光谱图。前言乙酸异戊酯为无色透明液体，具有强烈的果香味；天然存在于苹果、香蕉、梨、桃等水果中，可用作食品、化妆品香精和食用香料。工业上被用作喷漆、醇酸树脂、硝酸纤维素、油脂、印刷油墨等的溶剂，药品生产中的萃取剂,铬的测定和摄影、印染、铁、钴、镍的萃取剂等。工业生产多采用乙酸和异戊醇为原料经催化酯化得到乙酸异戊酯。本实验使用浓硫酸作催化剂原料虽然廉价易得，但在酯化反应条件下，硫酸还具有脱水和氧化作用，从而导致反应中发生一系列的副反应，使反应产物中含有少量副产物（杂质经洗涤、干燥、过滤除去），产品纯度低，色泽深，产率低，精制和回收困难；该法还严重腐蚀设备，易造成三废污染。近年来以氨基磺酸、杂多酸④、固体超强酸⑤和金属氯化物⑥等作酯化催化剂的研究常见报道。这些方法能一定程度上避免硫酸法的不足，但这些催化剂制备工序复杂或价格昂贵，很难工业化应用。实验【实验目的】⑴熟悉酯化反应原理，掌握乙酸异戊酯的制备方法；⑵掌握带分水器的回流装置的安装与操作；⑶熟悉液体有机物的干燥,熟悉分液漏斗的使用方法，掌握利用萃取与蒸馏精制液体物质的操作技术。(4)学会利用萃取，洗涤，蒸馏的方法纯化液体有机物。（5）培养参考文献，独立设计实验的能力。【实验原理】乙酸异戊酯为无色透明液体，不溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。它是一种香精，因具有香蕉气味，又称为香蕉油。实验室通常采用冰醋酸和异戊醇在浓硫酸的催化下发生酯化反应来制取。反应式如下：酯化反应是可逆的，本实验采取加入过量冰醋酸，并除去反应中生成的水，使反应不断向右进行，提高酯的产率。生成的乙酸异戊酯中混有过量的冰醋酸、未完全转化的异戊醇、起催化作用的硫酸及副产物醚类，经过洗涤、干燥和蒸馏予以除去。药品和仪器1、主要试剂:异戊醇(18mL)、冰醋酸(15mL)、硫酸(98％)、食盐水（饱和）、氢氧化钠溶液（10％）、硫酸镁（无水）、沸石2、主要仪器：圆底烧瓶(100mL)、球形冷凝管、分水器、直形冷凝管、分液漏斗(100mL)、量筒（50mL）、量筒（10ml）、温度计（200℃）、锥形瓶(100mL)、电热套、玻璃棒、烧杯（100ml)、熔点测定仪、红外光谱仪等主要化合物的物理性质异戊醇：无色液体，有刺激性的气味。分子量为88，熔点为-117.2℃，沸点为132.5℃，其密度0.81g∕ml。微溶于水，可混溶于醇、醚。环己烷：有汽油气味的无色流动性液体。分子量为84，熔点为6.5℃,沸点为80.7℃，其密度为0.7739g/ml。不溶于水，可与乙醇、乙醚、丙酮、苯等多种有机溶剂混溶。CH3COOH+HOCH2CH2CHCH3CH3H2SO4CH3COOCH2CH2CHCH3CH3+H2O乙酸异戊醇乙酸异戊酯乙酸异戊酯：无色透明液体，较强的新鲜果香，稍甜。分子量为130，熔点为-78℃，沸点为143℃，其密度为0.88g∕ml。不溶于水和甘油，可混溶于乙醇、乙醚、苯、乙酸乙酯、二硫化碳等多数有机溶剂。在弱酸性介质中尚稳定，在碱性介质中不稳定，不易变色。实验步骤（1）酯化在干燥的三颈烧瓶[1]中加入18mL异戊醇和15mL冰醋酸，在振摇与冷却下加入4.5mL浓硫酸，混匀后放入1～2粒沸石。安装带分水器的回流装置，三颈瓶中口安装分水器，分水器中事先充水至支管口处，然后放出3.2mL水。一侧口安装温度计（温度计应浸入液面以下），另一侧口用磨口塞塞住。检查装置气密性后，用电热套（或甘油浴）缓缓加热，当温度升至约108℃时，三颈瓶中的液体开始沸腾。继续升温，控制回流速度，使蒸气浸润面不超过冷凝管下端的第一个球，当分水器充满水，反应温度达到110-130℃时，反应基本完成，大约需要3.5h。（2）洗涤停止加热，稍冷后拆除回流装置。将烧瓶中的反应液倒入分液漏斗[2]中，用15mL冷水淋洗烧瓶内壁，洗涤液并入分液漏斗。充分振摇，接通大气静置，待分界面清晰后，分去水层。再用15mL冷水重复操作一次。然后酯层用20mL10％氢氧化钠溶液[3]分两次洗涤。最后再用15mL饱和食盐水[4]洗涤一次。（3）干燥经过水洗、碱洗和食盐水洗涤后的酯层由分液漏斗上口倒入干燥的锥形瓶中，加入2g无水硫酸镁，配上塞子，充分振摇后，放置30min。（4）蒸馏安装一套普通蒸馏装置。将干燥好的粗酯小心滤入干燥的蒸馏烧瓶中，放入1～2粒沸石，加热蒸馏。用干燥的量筒收集138℃～142℃馏分，记录香蕉油的质量，测其红外光谱，得到结果。实验装置1、异戊醇的反应装置2、蒸馏装置回流、分水的装置图蒸馏装置图结果与讨论本实验的理论产量经计算为19.55g，实际试验制得的产品的质量为14.4g，经计算产率为73.7%，是无色透明液体,具有香蕉香味,能与乙醇、乙醚、戊醇及乙酸乙酯等有机溶剂互溶,几乎不溶于水。沸点142℃,相对密度(d415)0.876,折光率为(nD21)1.400，从而证明产物为香蕉油。红外光谱：说明：～1740cm-1的强峰是酯羰基伸缩振动引起；～1380cm-1的附近出现双峰，说明两个甲基同一个碳原子相连，此图谱与标准图谱不太相符，说明产物不够纯净。合成的乙酸异戊酯产品红外光谱谱图标准谱图：乙酸异戊酯红外光谱的特征如下：～1740cm-1的强峰是酯羰基伸缩振动引起的。除甲酸甲酯外，大多数饱和酯的υc=0都出现在这个峰位。～1240cm-1的谱带是乙酸酯基中C—O单键伸缩振动产生的，强度同羰基峰相当，形状略宽。由此峰位置可以确定酯的类型，非常特征。～1380cm-1的附近分裂的双峰是两个甲基同一个碳原子相连时，由于振动的偶合效应使1380cm-1峰发生裂分引起的。两峰间距小于15cm-1。另外，～1170cm-1处尖锐的弱吸收，更加证实了异丙基端基的存在。实验讨论实验结果：产物的状态：液体颜色：无色透明产量：19.5克收率：90.2%沸点142℃难点：⑴加浓硫酸时，要分批加入，并在冷却下充分振摇，以防止异戊醇被氧化。⑵回流酯化时，要缓慢均匀加热，以防止碳化并确保完全反应。⑶分液漏斗使用前要涂凡士林试漏，防止洗涤时漏液，造成产品损失。⑷碱洗时放出大量热并有二氧化碳产生，因此洗涤时要不断放气，防止分液漏斗内的液体冲出来。⑸最后蒸馏时仪器要干燥，不得将干燥剂倒入蒸馏瓶内。⑹冰醋酸具有强烈刺激性，要在通风橱内取用。误差分析：（1）在后续有机物的洗涤阶段，干燥剂、洗涤剂的用量模糊；（2）产品洗涤阶段有部分溶液撒漏，损失；（3）蒸馏阶段温度保持在130℃左右，上升不到138~142℃；（4）反应不完全；（5）在转移过程中产生量上的误差；（6）最后的蒸馏可能不完全。酸醇摩尔比对酯化率的影响序号12345酸醇比1.0:1.01.0:1.11.0:1.21.0:1.31.0:1.4酯化率（%）92.792.892.192.191.9如表，在正交实验中，酸醇摩尔比对酯化率的影响最小,该单因素实验也很好地验证了这一点。结论：由正交实验结果结合单因素实验，确定合成乙酸异戊酯的较优合成条件为：酸醇摩尔比为1.0:1.1，催化剂的用量为总体积的13.6％，反应时间3.5h。参考文献：【1】刘晓庚，伊一兵，史满昌，等。香料乙酸异戊酯的合成研究，化学世界，1994,35（7）：350-352【2】杨水金，肖继。合成乙酸异戊酯的催化剂研究[A].湖北师范学院，1007-4325（2001）03-0004-03【3】易兵,郭文辉,龙有前,等.氨基磺酸催化合成乙酸异戊酯[J]．化学世界,2001,42(3):148-149．【4】许卓望.杂多酸催化合成乙酸异戊酯的研究[J].哈尔滨师范大学自然科学报,2004,20(4):79-81.【5】周德风,李长春,刘景福,等.稀土固体超强酸SO42-/TiO2/La3+催化合成醋酸丁酯[J].化学世界，2001,(12):653-654．【6】张长花.无水三氯化铝催化合成乙酸乙醇的研究[J].滨州师专学报,2000,(4):61-63．【7】陈洁，吴建一.氦基磺酸催化合成乙酸异戊酯的合成研究[J].精细石油化工,2001,3:35-37.【8】陈勇，罗士平，裘兆蓉，等.全氟磺酸树脂膜催化合成乙酸异戊酯的合成研究[J].化学试剂，2005,27(4):247-248.【9】王淑敏，李静.微波辐射硫酸氢钠催化合成乙酸异戊酯研究[J].河南农业大学学报,2005,39(2):226-2。StrongsulfuricacidcatalyticsynthesisofethylacetateisopreneAuthorname:liyaoAuthoraddress:yunchenguniversityAbstract:Toisoamylalcoholacidiceasrawmaterial,throughstrongsulfuricacidascatalystsynthesisaceticacidisopreneester.Theinvestigationofcatalystratioofrawmaterialandreactiontimetotheinfluenceofthefactorssuchasreaction.Surethestrongsulfuricacidascatalystwithexcellentconditionsofsynthesis:acidalcoholMooreratio1.0:1.1,catalystdosagereactionmaterialsfor10%to15%ofthetotalvolume,thereactiontime3.5h,reactiontemperature110℃--130℃,andfinallyby10%andNaOHsolution,esterificationratecanamountto92.8%onaverage.Keywords:Strongsulfuricacid、isoamylacetate、catalytic、synthesis