水杨酸甲酯的合成正文最新稿.docx
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水杨酸甲酯的合成正文最新稿
1引言
1.1水杨酸甲酯的性质和功能简介
水杨酸甲酯，英文名称为methylsalicylate（简称MeSA），其结构式如下：
水杨酸甲酯的分子式为C8H8O3，相对分子质量为152.15，熔点和沸点分别为-8.3°C、222°C～223°C，无色至淡黄色或者微红色油状液体，它微溶于水，易溶于异辛烷、乙醇、乙醚、乙酸等[1]，在空气中易氧化变色，也容易在有酸、碱存在的环境下水解，通常可以用水杨酸与甲醇反应来制备[2,3]。
水杨酸甲酯主要用作制作饮料、食品、牙膏及化妆品等赋香剂，在杀菌剂、纤维助染剂等化工日用领域制造也有广泛的应用[4-6]，目前全世界每年使用水杨酸甲酯总量大约100吨[7]。
1.2水杨酸甲酯的合成
1.2.1合成原理
水杨酸甲酯合成应的机理示意图：
酯化反应为可逆反应：
这种酯化反应是羧酸与醇之间的一种缩合反应，也是制备一般酯类时最常用的方法，它的缺点是反应的速度在无催发剂情况下很慢，更甚者在常温下反应无法被觉察，因此必须在反应中加入催化剂才能加速反应的发生以及促进它的进行。
化反应通常使用的催化剂是质子酸，大多数的酯化的反应是可逆向的，如下图所示，它是通过中间体（I）分别向反应的两个方向分解以达到平衡点。
一般反应平衡点与酸、醇的性质有关、平衡常数K按照质量定律可以表示为：
根据上式可知，因为反应常数K一定，要使酯化反应向生成酯的方向发生而提高酯的得率，可以在酯化时不断除去所生成的水就能达到增加酯转化率的目的。
提高反应温度总是会提高反应速率。
在其结构方面，对于醇类，伯醇的速率是最快的，仲醇第二，而叔醇相对而言速率是最慢的。
较酸而言，脂肪酸一般要比芳香族酸快，因为在芳香族酸中含有占空位较大的苯基，位阻效应异常显著，羧基的邻位易被给电子基团取代，这样就产生了其他的取代副反应，从而降低酯化反应发生率，减慢速度。
根据以上描述的机理，我们在摸索制备水杨酸甲酯的实验中，对反应工艺的多个条件进行了优化，与以往不同的是改变了反应物的原料配比，在相同条件下，还加入了带水剂，同时让甲醇过量，为提高酯化反应速率，适当提升高温度，尽可能地让我们课题的酯化反应朝有利于生成酯的方向进行，从而提高水杨酸甲酯的生成收率。
1.2.2水杨酸甲酯的合成方法
1.2.2.1无机盐及磺酸催化合成水杨酸甲酯
对于一个合成工艺的催发剂的选择，首先我们想到的是对设备的腐蚀或者是对环境的污染都很小，而固体有机酸能满足这个要求。
固体有机酸（对甲苯磺酸）因为它稳定的结构不易引起副反应，是我们首选的催化剂。
文献报道，当取水杨酸与无水甲醇分子数以1:
5的比例混合反应，加入0.50g对甲苯磺酸作为催化剂，恒温回流反应16h，水杨酸甲酯的收率可达73.7%[8]。
考虑到反应过程中甲醇挥发的比较多，对反应施加一定的压强：
当水杨酸和甲醇混合比例还是1:
5，对甲苯磺酸为0.50g，压强为162kPa，恒温120℃回流反应5h时，产品产率为90.0%，转化率得到了较大提高[9]。
1.2.2.2固体超强酸催化合成水杨酸甲酯
有机合成反应中，固体超强酸，也是一类优良的环境友好型催化剂。
新型固体超强酸的研究最初见于十九世纪七十年代，有科学家第一次合成固体超强酸，称作二氧化钛硫酸，之后彭斌等[10]利用二氧化锆硫酸催化合成了水杨酸甲酯：
水杨酸与无水甲醇的摩尔比为1:
10，在0.016mol催化剂存在下混合，加热反应6h，采用了边滴加甲醇边蒸发出水分，转化率为80%左右，而且分离出的催化剂仍具有好的重复催化性能。
1.2.2.3杂多酸催化合成水杨酸甲酯
杂多酸是通过至少含超过一种的无机含氧酸缩合而成的多元酸。
经过改换分子的成分，不仅能够改变酸的强度，还能改善其氧化还原的性能。
有文献报道，合成水杨酸甲酯可以通过使用HSiW作为催化剂来完成，正己烷作为带水剂，水杨酸与无水甲醇物质的量分别为0.10和0.26mol，催化剂与水杨酸质量比为1:
100，温度为68℃～70℃下反应2.5h，得率能达到94%，且催化剂回收重复使用5次后，反应收率仍然在超过93%[11]。
王炜等利用12-磷钨酸作为催化剂合成水杨酸甲酯：
用16.75g的水杨酸和16mL的无水甲醇，0.50g的催化剂，反应2h～3h，产品的收率可达70%以上[12]。
1.2.2.4分子筛催化合成水杨酸甲酯
分子筛固体酸催化剂耐热性能很好，疏水性优良，污染很小，制备也方便，将其从出反应体系中分离很容易，重复使用率高，且活性基本不发生任何变化等优点。
譬如文献报道，王炜等将硅钨酸固载于分子筛上催化合成了水杨酸甲酯[13]。
文献也报道，催化剂还可以替换为含铌介孔分子筛。
水杨酸与甲醇反应的摩尔比为1:
8。
催化剂的量占反应物总质量的百分之五，在恒温80℃条件下，回流反应2h，水杨酸的转化率达84.19%，催化剂的活性基本上不会发生改变，且能重复使用[14]。
1.3水杨酸甲酯的应用
1.3.1水杨酸甲酯在农业上的应用
水杨酸甲酯是一种经济、安全、有效的植物生长的调节剂，它具有处理成本低、用量少、使用方便安全等优点[15]。
自上世纪六十年代以来，水杨酸甲酯的生理功能被人们渐渐知道。
比如，外源性水杨酸甲酯能通过改变光周期来诱导植物开花、调控性别、影响植物产热和抑制生物合成乙烯，与植物气孔的开闭、离子的吸收、种子的萌发、果实的产量等息息相关[16]。
上世纪的90年代以来的许多生物化学的研究成果表明，水杨酸甲酯被认为是植物体内一种非常重要的内源性信号物质，在植物系统获得的抗病性以及诱导抗病性过程中起着重要信号转导的作用[17,18]。
另外很多研究证实，水杨酸甲酯等信号物质可以诱导积累脂类过氧化产物，能诱导表达植物抗病性相关的防御基因以及产生相应的防御物质[19]，在植物防御虫害以及植株间相互传递伤害信息等方面也可能起传递信号的作用[20]。
1.3.2水杨酸甲酯在果品、蔬菜保鲜中的应用
现阶段，为了满足人们崇尚自然、健康的思想，使用高效安全的食品保鲜剂的要求，一种新型食品保鲜剂的开发已成为重要课题之一[21]。
文献报道采用番茄为样本，采用浓度0.1g·L-1-1.0g·L-1的水杨酸甲酯溶液浸泡20min，在常温下贮藏25d，研究水杨酸甲酯处理对果实贮存期的影响。
分析结果得出，与对照实验清水的处理相比，水杨酸甲酯溶液（0.5g·L-1）处理明显减少果实的腐烂程度和失重程度，在保持番茄中有效营养的情况下，还使得果实的贮存时间延长[22]。
1.3.3水杨酸甲酯在医学中的应用
澳洲微生物学家研究了水杨酸甲酯对导尿管和隐形眼镜等生物聚合体材料上细菌的繁殖和黏附有抑制作用，发现高浓度的水杨酸甲酯对眼部感染的假单胞菌属绿脓杆菌表面分子的产生和活性具有有效抑制作用，能够使假单胞菌属绿脓杆菌毒性减少，降低了感染的危害，因此将其涂于隐形眼镜表面，可以起到良好的抑菌效果[23-25]。
通常，人们为了有效地减少福尔马林对人体呼吸系统和五官的刺激，常在固定液、防腐液中加入适量的水杨酸甲酯[26]。
Wilson等报道，水杨酸甲酯和苯乙酸甲酯等对灰葡萄孢和链核盘菌的菌丝生长及孢子萌发可起到抑制作用[27]。
1.4本论文要研究的内容及其方法
综上所述，对与植物的性能，水杨酸甲酯有显著的效果，提高植物的抗逆性在提高果蔬的产量的同时，还有利于提高果蔬的品质，无疑为追求高质量的当代人们在开发利用高效安全的天然活性产物提供了新思路。
尤其是在农业、果蔬、医学等方面它们具有毒性低，对环境友好，合成工艺简单成熟，对设备要求不高等特点，水杨酸甲酯具有广泛的用途，基于以上，本论文研究探讨水杨酸甲酯的合成工艺。
本论文在前期研究基础上，研究探讨采用甲醇与水杨酸反应，以甲苯作为反应带水剂，并在硫酸的催化下来合成水杨酸甲酯，研究采用改变单一变量的方法，优化反应条件，改变水杨酸、甲苯和甲醇的摩尔比，以及不同的催化剂类型和质量，反应的时间、温度等参数，通过对反应得率的分析，得出结论。
论文还对合成出来的产物利用折光率和其自身理化性质进行初步的检测，来验证是否与文献所述的特征与相关值相符合，以验证产物是水杨酸甲酯。
下图为水杨酸甲酯的合成示意图：
2实验部分
2.1实验所需试剂
实验中用到的试剂如下表所示。
表2.1实验所用到的试剂
名称
分子式
纯度
生产厂家
水杨酸
C7H6O3
CP（化学纯）
中国国药集团有限公司
甲醇
CH3OH
AR（分析纯）
中国国药集团有限公司
甲苯
C7H8
AR（分析纯）
无锡市佳妮化工有限公司
浓硫酸
H2SO4
AR（分析纯）
上海中试化工总公司
乙酸乙酯
CH3COOC2H5
AR（分析纯）
中国国药集团有限公司
无水碳酸钠
Na2CO3
AR（分析纯）
上海中试化工总公司
无水硫酸镁
MgSO4
AR（分析纯）
上海中试化工总公司
氯化钠
NaCl
AR（分析纯）
天津风船化工有限公司
2.2实验所需的仪器
玻璃仪器有：
四口烧瓶（250mL）、容量瓶（250mL）、烧杯（1000mL，50mL）、温度计（0°C-200°C）、量筒（5mL，50mL）、三颈瓶（100mL）、玻璃漏斗、玻璃棒、表面皿、抽滤瓶、试剂瓶。
其他还有：
铁架台、热吹风机、布氏漏斗、冰柜、压片机、玛瑙坩埚、红外烘箱、试管夹、洗瓶、乳胶吸管、药匙、pH试纸、滤纸、砂纸、称量纸。
其它相关实验所用仪器详见表2.2。
表2.2该实验所用到的仪器
名称
型号
生产厂家
数显恒温油浴锅
HH-1S
金坛市杰瑞尔仪器有限公司
恒温水浴锅
HH-1
国华电器有限公司
分析天平
AL104
梅特勒-托利多仪器有限公司
电子天平
HC-2102
慈溪市华徐衡器实业有限公司
新型的电热恒温鼓风干燥箱
DHG-9240
上海康路仪器设备有限公司
精密电动搅拌器
JJ-1
国华电器有限公司
阿贝折光仪
WYA－2S
上海豫光仪器有限公司
2.3实验的合成步骤
本实验采用水杨酸和甲醇反应，以浓硫酸作为催化剂合成水杨酸甲酯。
其典型的合成的步骤如下：
（1）用电子天平称取5.7g水杨酸置于三口烧瓶（100mL）中，先后量取加入10mL甲醇和8.8mL甲苯，将三口烧瓶放置水浴锅中在电动搅拌器搅拌下反应。
（2）在此反应过程中为了加快反应速率同时滴加浓硫酸（1.7mL）。
回流反应3h后，停止加热和回流，将盛有反应混合溶液的烧瓶移到空气中，待冷却至室温后浸入冷水浴中，使反应瓶内的溶液冷却至水温，然后在振动下加入16mL饱和氯化钠溶液。
将反应好的混合物慢慢倒至分液漏斗当中。
摇匀、静置一段时间进行分层，将上层有机层分开。
（3）加入20%的碳酸钠溶液，不断搅拌，直到用pH试纸检测该混合溶液为弱碱性，停止搅拌，加入乙酸乙酯（8mL）进行萃取，将该混合溶液转移至分液漏斗中，不断缓慢的振荡，放置一段时间后，观察到溶液慢慢变为两层，一层为水层，一层为有机层，将水层析出并丢弃，将上面有机相转入小烧杯中。
（4）加入0.8g无水MgSO4进行干燥处理，等到体系变的澄清以后，过滤到单口烧瓶中，然后蒸馏去除溶剂，得粗产品，计算产率，数据对比分析。
2.4实验装置图
2.5产物的表征方法
本实验采用阿贝折光仪在常温25℃条件下检测样品的折光率，步骤如下：
首先，我们打开阿贝折光仪的直角棱镜，将擦镜纸沾少量酒精，然后用手指轻轻推动擦镜纸，往同一个方向单向擦洗直角棱镜，均匀滴凃少量蒸馏水于该镜面，将棱镜关紧，再使光线射入。
再次，用手轻轻转动左边的刻度盘，镜简内会有一条明暗分界线，将它找出。
当我们看到彩色条带时，说明光线很杂，为了找到这条明暗分界线或是使得这条线更加清晰，我们可以调节消色散镜。
如果明暗分界线不对准交叉线中心，这个时候我们需要调动刻度盘，使它们对准，记下此时的读数。
进行三次测定，将得到的数据和标准值对比，得出阿贝折光仪的测量误差。
按上述方法三次平行测定到的水杨酸甲酯的折光率，计算平均值，再算出校正的值，等样品测好后，要擦洗使用的镜面，待晾干后关闭。
3结果与讨论
采用单因素法去探索本论文水杨酸甲酯合成阶段实验的最佳工艺条件，研究了水杨酸与甲醇的摩尔比、催化剂的种类和使用量、甲苯的使用量、反应的温度和时间对产品得率的影响。
3.1水杨酸与甲醇配比的影响
我们首先探讨反应物摩尔比例对反应的影响，保持其他条件不变的情况下，改变水杨酸与甲醇的摩尔比。
以固定5.7g（0.04mol）水杨酸、1.7mL浓硫酸、7.8mL甲苯、反应时间3h、反应温度72℃和不同量的甲醇反应，得出反应收率，实验结果如表3.1所示。
表3.1（水杨酸：
甲醇）配比的影响
实验编号
水杨酸质量/g
甲醇/mL
酸醇摩尔比
收率％
1
5.7
3.5
1:
2
57.5
2
5.7
5.0
1:
3
62.9
3
5.7
6.5
1:
4
65.3
4
5.7
8.0
1:
5
70.9
5
5.7
10.0
1:
6
80.3
6
5.7
11.5
1:
7
79.1
7
5.7
13.0
1:
8
77.6
由表中结果可见，水杨酸与甲醇的摩尔比为1:
6是产品收率最高的最佳比例，为80.3%。
当甲醇量少时，收率较低，说明酯化反应还不完全。
当甲醇用量过多时，收率也降低，这可能因为甲醇用量的增加降低了浓硫酸的浓度，反应变得不剧烈，在某种程度上降低了转化率，使收率降低。
另外当加入过量的甲醇后，由于甲醇中含有少量的水，加上反应生成的水，使体系中的水浓度增加反应向逆方向进行，也可能使得收率降低。
3.2催化剂种类对反应产率的影响
考虑催化剂的种类时，我们在加入的水杨酸用量5.7g，甲醇10mL，带水剂用量为7.8mL，反应时间3h，反应温度72℃保持不变的条件下，讨论比较了浓H2SO4、氯化铁、磷钨酸、硫酸氢钠、无水氯化锌等的催化效果，所有催化剂均为0.032mol，反应条件及结果如表3.2所示。
由表3.2可知，在其它相同合成水杨酸甲酯的反应条件中，使用的催化剂对产品收率的影响很大，从表中水杨酸甲酯收率数据表明，使用浓硫酸作为催化剂合成水杨酸甲酯，产品收率相对比较高，表明浓硫酸相对其它催化剂酯化反应催发性能要优越，初步分析浓硫酸本身强吸水性能在反应中起到一定作用，故浓H2SO4是本实验最终选择使用的酯化反应的催化剂。
表3.2各种催化剂催化效果比较
实验编号
催化剂
收率/％
1
浓硫酸
80.3
2
氯化铁
21.1
3
磷钨酸
51.7
4
硫酸氢钠
70.6
5
无水氯化锌
44.3
3.3催化剂的用量对产率的影响
表3.3催化剂的用量对收率的影响
实验编号
浓硫酸体积/mL
收率％
1
0
51.1
2
1.1
60.9
3
1.4
65.3
4
1.7
80.3
5
2.0
70.4
对于催化剂用量的探索时，我们在加入的水杨酸用量5.7g，甲醇10mL，带水剂用量为7.8mL，反应时间3h，反应温度72℃保持不变的条件下，仅仅改变催化剂的用量，来考察催化剂的用量对得率的影响。
通过实验我们发现，用量不同对应的酯收率也不一样。
当用量较少时，收率降低，表明催化效果不好；当用量过多时，随着副产品增加也会使收率降低；具体实验条件及结果展示在表3.3中。
从表3.3可以看出产品的量随着催化剂量的增加而有所增加，随着催化剂的量不断增加，副产物会不断产生，又将影响酯的收率。
浓硫酸的强吸水性，在某种程度上能与反应中产生的水分子发生水合作用，使得从反应体系中生成的水被除掉，该反应正向进行，是生成的水杨酸甲酯更加完全[28-31]。
所以，在反应过程中，适当控制浓硫酸的量是相当必要的。
在本论文实验中我们发现，当浓硫酸加入量为1.7mL时，收率较高，所以选定本论文实验体系的催化剂为1.7mL浓硫酸。
3.4反应体系温度对产率的影响
我们在加入的水杨酸用量5.7g，甲醇10mL，1.7mL浓硫酸，带水剂用量为7.8mL，反应时间3h，在其他条件均不改变的情况下，仅仅改变反应体系的温度，考察反应体系温度影响。
具体实验条件及结果列于表3.4中。
由于甲醇沸点仅为64.6℃，极易挥发，从表3.4数据可以分析出，随着实验温度的增加，反应收率也在适当提高，当温度过高时（超过72℃），酯的收率反而下降，说明温度过高也不利于水杨酸甲酯的合成。
我们分析认为，甲醇在高温下挥发很快，还没有反应完就已挥发了，因此，实验的温度条件一定要控制好，以尽量减少甲醇的损失。
综上所述，本论文实验选择反应温度为72℃。
表3.4反应体系温度对收率的影响
实验编号
反应温度/℃
收率％
1
32
69.0
2
42
71.2
3
52
74.8
4
62
79.1
5
72
80.3
6
82
79.3
7
92
78.6
3.5反应时间对产率的影响
固定水杨酸量为5.7g，甲醇用量为10mL，催化剂用量为1.7mL，带水剂用量为7.8mL，反应温度72℃时，改变反应的时间，对产品收率进行研究。
实验条件参数和结果如表3.5所示。
从表3.5可以看出，当反应时间增加，收率提高，当反应时间为3h时，收率最高；当反应的时间继续增加时，收率不是增加而是相应减少了，所以最佳反应时间应为3h。
这种随着时间的增加，收率先增后减，这是因为有副反应存在，而且随着时间延长越来越严重。
目标产物水杨酸甲酯是这一连串副反应反应的中间产物，随着反应时间的增加而生成了其它产物。
文献报道反应时间延长，副产物增多，本实验中随着反应时间的延长，反应混合溶液颜色加深，过度氧化。
因此，本论文实验选择反应时间为3h为最佳的反应时间。
表3.5反应时间对收率的影响
实验编号
反应时间/h
收率％
1
1.0
62.3
2
2.0
72.2
3
3.0
80.3
4
4.0
72.1
5
5.0
63.7
3.6甲苯用量对产率的影响
在水杨酸5.7g，甲醇用量10mL，催化剂用量1.7mL，反应时间为3h，反应温度72℃的条件下，不同量的甲苯反应结果如表3.6。
由表3.6可知引入带水剂甲苯后（8.8mL），收率最高，这是因为带水剂能及时的把生成物水带出，促进反应向正反应方向进行。
当带水剂用量继续增加的时候，收率没有明显的增加，这是因为生成的水有限，多余的甲苯没有产生作用，因此收率没有明显的增加。
表3.6甲苯用量对收率的影响
实验编号
甲苯/mL
收率％
1
5.8
71.1
2
6.8
76.2
3
7.8
80.3
4
8.8
87.6
5
9.8
87.9
3.7产物的表征
3.7.1产物的性状
利用产物的物理化学性质来验证产品是否为目标产物是最基本的方法。
本实验所得产物与文献对水杨酸甲酯的性状描述相同，无色，微溶于水，放置在空气中易氧化变色，有冬青油味。
3.7.2折光率表征
我们还通过测定产品的折光率来确定产物为水杨酸甲酯。
一般来说水杨酸甲酯的文献值：
折光率，1.5360-1.5370。
在最佳实验条件下，对合成的水杨酸甲酯，随机抽取几个产品做折光率测定，其平均值为与资料数据对比，为二级品。
表3.8产品的折光率
样品号
折光率
1
1.5330
2
1.5354
3
1.5339
4
1.5342
5
1.5334
平均值
1.5340
结束语
本论文实验研究了水杨酸甲酯的合成过程中，探讨多种催化剂的催发效应以及酸醇的摩尔比、甲醇和甲苯用量、反应的时间和温度等方面对水杨酸甲酯合成收率的影响；结果表明当反应时间为3h，反应温度为72℃，水杨酸量为5.7g，甲醇用量为10mL（酸醇摩尔比为1:
6），选取催化剂浓硫酸用量为1.7mL，甲苯用量为8.8mL时是水杨酸与甲醇合成水杨酸甲酯的最佳反应条件。
产物的折光率测定为1.5340，与文献资料对比基本一致。
致谢
时间飞逝而过，不知不觉中大学生活就匆匆结束了。
回首这几年的大学生活，发生了很多感动的事，身边也有很多值得我感谢的人
在本论文即将完成之际，谨此向我的导师XXX致以衷心的感谢和崇高的敬意！
一开始数次的失败几度让我想到放弃，还好能得到XXX的悉心指导，这次论文才能一点一点圆满完成，陈老师知识很是渊博、教学态度非常严谨、对待学生认真负责给我留下很深的印象，每星期都开会检查演讲，这些都让我获益匪浅。
由衷的感谢我的父母和知己好友对我的关心、鼓舞和支持
最后，还要感谢四年当中指导和关心过我的所有任课老师。
同时衷心地感谢评阅本论文的专家和教授们！
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