硫酸氢钠催化乙酸异丙酯合成工艺的研究

李冰，于爱雪，郭宇，李科迪，李传华，侯林聪，赵明明

（辽宁工业大学化学与环境工程学院，辽宁 锦州121001）

乙酸异丙酯是一种重要的有机化学品，在医药、涂料、印刷油墨、合成树脂等多方面应用，用途广泛、需求量大[1]，因此对乙酸异丙酯合成工艺的研究具有重要的意义。工业上合成乙酸异丙酯的经典方法是以浓硫酸为催化剂，经异丙醇和冰乙酸酯化制得，但是浓硫酸腐蚀性较强，对设备材料要求高，容易引起副反应，后处理过程复杂[2]。为了避免催化剂对产物造成污染，研究者开始寻找催化活性高、污染较小的乙酸异丙酯的合成方法。例如使用酸性离子交换树脂催化剂、相转移催化剂、硫酸氢钠、磷铝硅固体酸等催化合成各类酯，它们与硫酸相比具有较高的催化活性、且产品容易分离，然而这些催化剂也有其各自的优缺点，因其催化活性与载体密切相关，使得该种催化剂的制作过程较为复杂。例如催化活性和产品纯度均较高的酸性离子交换树脂催化剂，由于其内含有一定量的水份，使其运输及贮存较困难。相转移催化剂是低成本、高效且较为实用的催化剂，但此种催化剂与酯类分离困难，甚至会导致产物被催化剂污染，影响产物纯度[4]。因此，本文进一步对乙酸异戊酯的合成工艺进行了研究，确定其合成的最佳工艺条件。

1 实验

1.1 原料和仪器

异丙醇（分析纯，天津市永大化学试剂有限公司）；冰乙酸（分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司）；浓硫酸（锦州古城化学试剂厂）；环己烷（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）；甲苯（分析纯，天津永晟精细化工有限公司）；苯（分析纯，天津永晟精细化工有限公司）；硫酸氢钠（分析纯，天津永晟精细化工有限公司）；无水碳酸钠（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；对甲苯磺酸（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；蒸馏水（自制）。

阿贝折光仪（WYA（2WAJ），上海精密科学仪器有限公司）；电子天平（HX202T，浙江省慈溪市天冬衡器厂）；集热式恒温加热磁力搅拌器（DF-101S，巩义市予华仪器有限责任公司）；电热恒温干燥箱（101-2ES，北京东迅天地医疗仪器有限公司）。

1.2 乙酸异丙酯的制备

称取一定量的异丙醇和冰乙酸放入烧瓶中，再加入一定量的催化剂进行回流反应。反应结束后，先冷却、再用饱和碳酸钠溶液中和，直到无气泡产生。用乙酸乙酯萃取3 次，有机相用适量的无水硫酸镁干燥后，进行蒸馏，取85～90℃下的蒸馏液，得到产物。

2 结果与讨论

2.1 催化剂种类对产率的影响

分别在硫酸氢钠（1.5 g）、浓硫酸（0.5 mL）和对甲苯磺酸（1.5 g）的催化下合成乙酸异丙酯，如图1 所示。从图1 中可以看出，在三种催化剂中浓硫酸的催化效果是最好的，催化制得的乙酸异丙酯产率最高。但浓硫酸具有强腐蚀性，在工业上使用容易腐蚀设备，且容易使醇脱水生成醚，从而降低乙酸异丙酯的产率和纯度。而硫酸氢钠在酯化反应中体现出较好的催化性能，且不参与反应、对环境污染小，并且后处理过程较简单。因此，后续实验均选择硫酸氢钠作为催化剂来合成乙酸异丙酯。

2.2 催化剂用量对产率的影响

在硫酸氢钠催化下将异丙醇与冰醋酸按照一定物质的量比进行回流反应，反应时间2 h，考察催化剂（硫酸氢钠）用量对酯化产率的影响，结果如图2 所示。从图2 中可以看出，随着催化剂用量的不断增加，酯化产率先增高，当催化剂用量达到1.5 g 时，产率达到最大值为53.2%，再增加催化剂用量产率变化不大。这是因为随着催化剂用量的增加，催化效果更好，反应更加彻底，从而乙酸异丙酯产率增高，但达到一定量后继续增加催化剂用量，乙酸异丙酯产率变化不大，这是因为反应已经达到平衡。因此，催化剂（硫酸氢钠）以1.5 g为宜。

图1 催化剂种类对乙酸异丙酯产率的影响

图2 催化剂用量对乙酸异丙酯产率的影响

2.3 醇酸物质的量比对产率的影响

在硫酸氢钠的催化下将异丙醇和冰乙酸按照不同物质的量比进行回流反应，催化剂（硫酸氢钠）用量为1.5 g，反应时间2 h，结果如图3 所示。从图3 中可以看出，当异丙醇的量一定时随着乙酸用量的增加，乙酸异丙酯的产率先呈增加趋势，这是因为酯化反应是一个可逆的过程，增加其中一种反应物的用量，反应则会向更有利于酯化反应的方向进行，有利于提高酯化率。当醇酸物质的量比达到1∶1.5 时，酯化产率达到最大值56.6%，而继续增加乙酸用量产率变化不大。因此，醇酸物质的量比应以1∶1.5 为宜。

2.4 反应时间对产率的影响

在硫酸氢钠催化下将异丙醇和冰乙酸按物质的量比1∶1.5 加入到烧瓶中，催化剂（硫酸氢钠）用量为1.5 g，考察不同反应时间对酯化产率的影响，结果如图4 所示。从图4 中可以看出，开始随着反应时间的增加，酯化产率不断提高，这是因为随着反应时间延长，异丙醇与冰乙酸能够充分反应，从而获得更高的酯化产率。当反应时间达到1.5 h 时，酯化产率达到最大值为58.2%。此后随着反应时间继续延长，乙酸异丙酯产率呈下降趋势，这是由于酯化反应是可逆反应，随着反应时间增加可能使部分酯发生水解，从而导致产率下降，因此，以反应时间为1.5 h为宜。

图3 醇酸物质的量比对乙酸异丙酯产率的影响

图4 反应时间对乙酸异丙酯产率的影响

2.5 带水剂种类对产率的影响

异丙醇和冰乙酸物质的量比1∶1.5，催化剂硫酸氢钠1.5 g，反应时间1.5 h，考察不同带水剂（环己烷、甲苯和苯）对乙酸异丙酯的产率的影响，结果图5 所示。从图5 中可以看出使用三种带水剂进行实验时，乙酸异丙酯的产率相差不大，但是相对于苯和甲苯，环己烷的毒性最低。另外，因苯和甲苯易制毒，且污染环境，实验中要尽量避免使用，因此后续实验过程中选择环己烷做带水剂。

2.6 带水剂用量对产率的影响

在硫酸氢钠催化下将异丙醇与冰乙酸物质的量比按1∶1.5 加入到三口烧瓶中，催化剂（硫酸氢钠）为1.5 g，反应时间1.5 h，考察带水剂用量对酯化产率的影响，结果如图6 所示。从图6 中可以看出，随着带水剂用量的不断增加，乙酸异丙酯的产率也在不断提高，当环己烷用量为10 mL 时产率最高为62.9%，此后随着环己烷用量的增加乙酸异丙酯的产率呈下降趋势，这是由于随着带水剂用量的增加，反应液异丙醇和冰乙酸的相对浓度有所下降，从而导致酯化率降低，因此环己烷用量为10 mL 时为宜。

图5 带水剂种类对乙酸异丙酯产率的影响

图6 带水剂用量对乙酸异丙酯产率的影响

3 结论

本论文研究了乙酸异丙酯合成的工艺方法，通过考察催化剂种类、醇酸物质的量比、催化剂用量、反应时间、带水剂种类、带水剂用量对产率的影响，得出合成乙酸异丙酯的最佳工艺为：醇酸物质的量比为1∶1.5，反应时间1.5 h，催化剂（硫酸氢钠）用量1.5 g，带水剂（环己烷）用量10 mL，在此工艺条件下乙酸异丙酯的产率可达62.9%。