有机实验“乙酸异戊酯”实验研究

张丽

（衡水学院化学系 河北衡水 053000）

引言：目前的有机化学实验教材虽然版本、种类在不断更新、增多,改动的无非是实验个数和实验设备[1],而对于单个实验方法更新的很少.乙酸异戊酯的合成实验就是典型的一例.人们很早就发现用浓硫酸催化酯合成反应的诸多弊端,并且也进行了大量研究，发现了许多优良的可以代替浓硫酸的催化剂,但现行的有机化学实验教材仍没有把这些新方法吸收进来.实验室一般还是采用传统的合成法合成乙酸异戊酯[2]，用浓硫酸做催化剂，但这种方法有很多不利的影响，比如学生不注意控制温度就会使反应液碳化，不易回收，反应时间耗时长等，最重要的问题是严重污染环境。本实验用已合成的磺酸基功能化离子液体做催化剂，利用反应产物乙酸异戊酯难溶于水而离子液体易溶于水的性质而实现简单分离。而且这种催化剂可以通过脱水后可以再利用。

一、实验部分

1.实验原理和方法

实验中所需要用到分水器，通过磁力搅拌加热回流分水，结束反应后放置冷却一段时间，由于酯不溶于催化剂中，所以催化剂与乙酸异戊酯分为两层，倾出酯层，酯层呈无色透明状态。分离后的催化剂经过减压除去水分后可以循环利用。分乙酸，所以本实验先考察分水器内装水和装饱和氯化钠对产率的影响

以往有机合成实验中使用的催化剂是浓硫酸，醇酸物质量的比为1:2.25，回流1～1.5h，产率为75%左右。用[Hmim]HSO4做催化剂，回流时间为1h，反应温度110℃，醇酸物质量的比为1:2.25，改变分水器内的溶液。生成物酯的收率见表1

表1 分水器内溶液对收率的影响

酯层先用5%Na2CO3溶液洗涤,再用蒸馏水洗至中性,留上层液体，用饱和氯化钠溶液洗涤，取上层溶液，此时酯层呈现澄清淡黄色，再用无水硫酸钠干燥后呈澄清溶液，然后转入蒸馏烧瓶中,常压下蒸馏出未反应的异戊醇后收集138 ～143℃的馏分为产品,此时产品呈无色澄清状，其折光率与文献值相符[11](nD

20=1.4010)，计算收率。

2.结果与讨论部分

（1）分水器内溶液对收率的影响

根据文献及教材，乙酸异戊酯的合成实验中分水器可用可不用，考虑到采用分水器可以分出酯化反应的水分。由于分水器内首先会放置一定量的水，这样水就会溶解部

图 1 乙酸用量与产率的关系

（2）醇酸摩尔比对收率的影响

以往有机合成实验中使用的催化剂是浓硫酸，醇酸物质量的比为1:2.25，回流1～1.5h，产率为75%左右。用[Hmim]HSO4 做催化剂，回流时间为1h，反应温度110℃，改变乙酸和异戊醇的摩尔比，生成物酯的收率见图2-1。增大乙酸与异戊醇的摩尔比，收率从75%逐渐提高到84%，当达到异戊醇和乙酸摩尔比为1:2.25 时，产率达到最大84%，在增加乙酸与异戊醇的摩尔比产率略有下降。

从图1 可以看出：使异戊醇的用量和催化剂的用量不变，改变冰乙酸的用量，当增加乙酸的用量时，酯化反应的产率也随着乙酸的用量增加而增加，当n(乙酸):n(戊醇)=2.25:1 时，酯化产率最好，此后随着乙酸用量的增加而产率略有降低趋势。（3）离子液体的用量对产率的影响

确定醇酸摩尔比为1:2.25，反应时间1h，反应温度为110℃，改变[Hmim]HSO4用量。当[Hmim]HSO4的用量超过3mL 时，收率达到84%是不再提高，说明该催化剂的催化效能很高。

图 2 离子液体用量对产率的影响

由图可知，随着催化剂用量的不断增加，产率也不断增长，催化剂用量达到3mL 产率增长幅度基本不变，故催化剂用量采用3mL 时催化效果最好。

（4）反应时间对产率的影响

[Hmim]HSO4用量3mL，异戊醇与乙酸摩尔比为1:2.25，反应温度为110℃,改变反应时间，反应时间从40min 到60min，产率从81%增加到84%；时间在增加，产率几乎变化很小。

图 3 反应时间与产率

由图可见，当时间不断的增加，酯的产率不断增大，当反应时间为1h，产率达到最大，但当反应时间超过1h时，增长速度缓慢基本保持不变。确定了最佳的反应时间为1h。

（5）反应温度对产率的影响

图 4 反应温度与产率

离子液体用量3mL，反应时间1h，醇酸摩尔比为1:2.25，探究反应温度对收率的影响，分别研究90℃、100℃、110℃、120℃时的变化，注意反应过程中要严格控制温度变化，通过温度的变化计算产率随温度升高而增加，产率从74%增加到84%，产率变化幅度较大，但超过110℃，产率略有所下降。如图4 所示。

由图可见，反应温度为110℃时，收率最高，如温度过高可能会导致副产物分解或生成副产物，所以110℃为最合适的反应温度。

（6）离子液体循环利用对产率的影响

根据反应生成的水溶到催化剂中而酯不溶于催化剂中的这一特点。将分离出来的催化剂减压去除水分后，在进行循环使用，按2.3.2 的方法，催化剂用量为3mL，反应时间1h，可以重复使用4 次，催化剂循环利用后的催化效率如图5。

图 5 离子液体重复使用次数与产率

如图所示，可知催化剂循环利用4 次，催化活性基本不变。使用4 次后催化效率略有下降，可能有两个原因，第一个原因是洗涤离子液体过程中由于多次分离会造成一些损失；第二个原因是在进行干燥的过程中，水分去除的不够干净，其吸水性很强，很难把水除干净，进而影响了酯化反应。

二、结论

1.通过实验探究了醇酸物质量的比、催化剂用量、反应时间、反应温度这四个主要因素，并且他们影响产率的主次顺序是催化剂用量＞反应温度＞反应时间＞醇酸摩比。

2.通过实验比较得出以[Hmim]HSO4为催化剂反应用量为3mL，异戊醇和乙酸的物质的量比为1:2.25，最佳反应温度为110℃时，回流1h，分水器内放置饱和氯化钠溶液，酯收率为84%。

3.反应结束以后，由于产物不易溶于催化剂会分为两层，用分液漏斗即可分开。分离出来的催化剂要经过去除水分干燥后，可以循环利用，并且可以循环利用4 次，催化活性基本不变。可以把催化剂回收再利用，减少对环境的污染，而且优点在于其副产物比较少，催化效果好，产率较高。

4.离子液体取代了浓硫酸做催化剂合成酯，根据它的优点，改进实验操作使其简单化，可以作为绿色化有机化学实验的一个典范。

[1] 谢建刚,毛海荣.乙酸异戊酯制备实验研究[J].洛阳师范学院学报.2001.6.63～64.

[2] 王清廉,李瀛等.有机化学实验/兰州大学[M].北京：高等教育出版社,2010.06.