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探究乙酸异戊酯的制备条件

来源:985论文网 添加时间:2020-05-22 15:30
探究乙酸异戊酯的制备条件
内容摘要:乙酸异戊酯是无色透明的液体,又称香焦油,具有水果香气。它是香蕉、生梨等果实的芳香成分,也存在于酒等饮料和酱油等调味品中。在许多水果型特别是梨和香蕉香精中,大量使用乙酸异戊酯。也常用于配制酒和烟叶用香精。乙酸异戊酯易溶于乙醇、乙醚、苯,难溶于水,不容于甘油,易燃,毒性小,刺激眼睛和气管黏膜。它更大的应用是涂料、皮革等工业中作为溶剂使用。本文综述了近十几年来合成乙酸异戊酯的各类新型催化剂的性能及特点,并阐述了它们的催化优化条件。经分析比较,笔者认为无机盐、杂多酸、固体超强酸、磺酸等类型催化剂的酯收率高,且具有较高的实用价值。
 
关键词:乙酸异戊酯;合成;催化剂
 
前言
乙酸异戊酯俗称香蕉油,是无色透明液体,具有香蕉和梨的香味,可用作食品和化妆品香精,作喷漆、清漆、硝酸纤维素、氯丁橡胶、油墨等的溶剂,药品生产中的萃取剂等。这种用途广泛的有机化工产品在国内外已有广阔的需求市场。工业生产多采用乙酸和异戊醇为原料经硫酸催化酯化得到。由于用硫酸作均相催化剂,由此造成设备腐蚀严重,副反应多,反应时间长,废水排放量大,后处理工艺复杂等众所周知的弊端。因此,随着人们节约资源、简化流程、提高经济效益、保护环境的意识逐渐增加以及环保法规的日益完善,非硫酸催化合成酯类已成必然趋势。有识之士也作了大量有益的探索并发现了一些有工业化应用前景的酯化催化剂。本文就近年来在合成乙酸异戊酯方面报道的固体催化剂,特别是在研究的较优化条件酯化率或收率超过90%以上的催化剂进行综述。
 
一、硫酸催化合成乙酸异戊酯的条件
硫酸作为传统的合成酯的催化剂因为其对环境的污染和工艺的老化已经越来越不符合绿色发展策略,针对这一点,张跃文等[]改进工艺,在超声波作用下,以浓硫酸为催化剂催化合成乙酸异戊酯。得出最佳反应条件:乙酸和异戊醇的摩尔比1∶2.2,催化剂用量为1.2mL,反应时间为20min,超声波输出功率为90W。在此反应条件下,酯收率为78.5%。张维刚等[]采用催化反应精馏技术,研究了合成乙酸异戊酯的新工艺。试验结果表明:用质量浓度20%作催化剂且加入量为5.0%,醋酸与异戊醇的进料速率比2.0~3.0回流比r=4~6,异戊醇的转化率达95.0%(x),乙酸异戊酯收率85.0%(x)以上。虽然硫酸催化在工艺上得到了改善,但是其严重腐蚀设备污染环境的根本问题并没有得到解决。
 
 
二、改性活性炭催化合成乙酸异戊酯的条件
近年来,改性活性炭作为一种新型催化剂出现在人们的视野,该类催化剂价廉易得,催化活性好,后处理简单,不腐蚀设备且可重复利用。王毅[]研究以改性活性炭为催化剂催化合成乙酸异戊酯,实验结果表明最佳反应条件为:酸醇物质的量比为1∶1.5,催化剂用量占总反应物料的4.8%,反应时间为3h,反应温度126~130℃。在最佳条件下乙酸的酯化率达98.9%。毛兰兰等[]在微波辐射下,用活性炭磺化制得固体磺化炭作为催化剂,由乙酸和异戊醇合成乙酸异戊酯,对乙酸与异戊醇酯化反应条件进行优化,优化条件是:酸醇摩尔比为1.8∶1,反应温度为200℃,反应时间为20min,催化剂用量为实际反应的乙酸质量的8%。乙酸的酯化率达85.51%。产物经过红外光谱表征。该类催化剂制备稍显复杂,还需进一步改进。但仍然具有一定的应用价值。
三、固体超强酸催化合成乙酸异戊酯的条件
(一)纳米固体超强酸
薄丽丽等[]针对传统的乙酸异戊酯生产主要以浓硫酸做催化剂,具有选择性低、设备易腐蚀、产品易碳化及环境污染严重等缺点,利用自蔓延低温燃烧技术成功开发了一种纳米固体超强酸催化剂。考察了该催化剂对乙酸与异戊醇反应制备乙酸异戊酯的催化活性,并与浓硫酸、非纳米级固体超强酸进行了比较。结果表明,纳米级固体超强酸对该酯化反应具有良好的催化活性,且具有无污染、无腐蚀,可以循环利用等优点。实验研究表明,当酸醇比为1:4,催化剂用量为0.25g,反应时间为2h,反应温度为110℃,其酯化率高达96%以上。
洪军等[]利用纳米固体超强酸催化合成乙酸异戊酯的最佳反应条件,既反应时间2.0h,催化剂用量为酸质量的1.0%,酸醇比为1∶2,验证实验收率为96.7%,且该实验反应时间短,无腐蚀无污染,催化剂可回收可重复利用。
(二)磁性固体超强酸
刘峥等[]采用共沉淀法制备磁性固体超强酸催化剂,应用于乙酸异戊酯的合成。利用XRD、IR、EDS、SEM等测试手段对催化剂结构进行了表征,结果表明,磁性固体超强酸中以四方晶相(T相)稳定存在,与金属离子以桥式双配位结合;催化剂表面疏松多孔,具有很大的比表面积。将磁性固体超强酸催化剂应用于合成乙酸异戊酯的反应中,采用均匀设计实验,利用表,考察了各种因素对酯化率的影响,确定最佳合成工艺条件为:催化剂加入1.58g,n(乙酸)∶n(异戊醇)=1∶1.8,反应时间为3.16h,酯化率达98%以上。乙酸异戊酯产品结构经折光率、红外光谱进行了表征与确认。同时实验表明,磁性固体超强酸催化剂可多次重复使用,活化降低不大,是一种稳定性高、选择性好的新型环境友好的催化剂。
(三)稀土固体超强酸
崔秀兰等[]制备出了一系列稀土固体超强酸催化剂,用于催化以乙酸和异戊醇为原料合成乙酸异戊酯的反应。研究了稀土固体超强酸的催化性能,同时,考察了影响合成反应的因素。结果表明,在醇酸物质的量之比为2∶1、催化剂用量为1%(质量分数),带水剂(苯)用量为15%(体积分数),反应时间为2.0h的条件下,酯化率可达94.8%以上,且可重复。使用稀土固体超强酸不仅具有一般超强酸的性能,而且催化活性更高,性能更稳定。
固体超强酸催化性能好,且能重复利用,对环境污染小,拥有良好的应用前景。但是多以苯等有毒试剂作带水剂仍需改进。
三、无机盐催化合成乙酸异戊酯的条件
(一)氧化锡
杨水金等[]报道了以SnO为催化剂,通过乙酸和异戊醇反应合成乙酸异戊酯,并探讨了诸因素对产率的影响及SnO催化酯化反应的机理。结果表明:SnO具有良好的催化活性,醇酸物质的量比为1.2∶1,催化剂用量为反应物料总量的1.5%,反应时间1.0h,反应温度110~124℃,收率可达73.1%。此研究为锡催化酯化提供了一条新思路。
(二)复合无机盐
刘晓庚[]探讨了以六水合氯化铝-一水合硫酸氢钠为复合催化剂,冰醋酸、异戊醇为原料合成乙酸异戊酯的绿色合成工艺条件,着重考察各因素对合成产率的影响。通过四因素三水平的正交试验优化并确定了最佳反应条件为:反应物料的投料摩尔比n(冰醋酸):n(异戊醇)=1:1.2,催化剂为,复合催化剂配料摩尔比为,催化剂用量2.0%(催化剂占反应物料的质量分数),带水剂用量20%,反应温度115±5℃,反应时间为90min,得到收率达98.4%。
(三)碘
王永兰等[]以单质碘催化异戊醇和乙酸酯化,合成乙酸异戊酯,考察了醇酸物质的量比、催化剂用量、反应温度和反应时间对产品收率的影响。实验表明,较佳反应条件为:当异戊醇的用量为0.1mol,乙酸的用量为0.14mol,即n(异戊醇)∶n(乙酸)=1∶1.4,催化剂用量1.5g,反应温度80℃,反应45min时,乙酸异戊酯的收率可达88.7%以上。
无机盐类催化剂难溶于有机酸、醇和酯,产品后处理工序简单,无工业三废排放,且能重复使用,催化合成酯有较好的应用前景,特别是硫酸氢钠和氯化锡等。
结束语
目前文献所载的合成乙酸异戊酯的各种新型催化剂各有千秋,这些催化剂对于合成乙酸异戊酯来说,在最佳条件下酯化率(或收率)均超过92%以上,同时这些催化剂易于保管,运输和使用,对设备腐蚀小,甚至不腐蚀,对环境污染度低甚至无污染,大多数是对环境友好的催化剂,很有工业应用前景,值得更深入的研究。这些研究成果虽然离真正实现工业生产还有一段距离但都为推动合成酯的发展作出了贡献,为后来的研究提供了思路及方向。
 
参考文献
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