最新版离子液体催化合成苯甲酸甲酯的研究毕业设计.docx
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最新版离子液体催化合成苯甲酸甲酯的研究毕业设计
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离子液体催化合成苯甲酸甲酯的研
究
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离子液体催化合成苯甲酸甲酯的研究
【摘要】苯甲酸甲酯，又名安息香酸甲酯，是一种重要的化工原料，可作为有机合成中间体、溶剂和香料，也可用于食品工业中。
目前，工业上合成苯甲酸甲酯的主要方法是用浓硫酸作催化剂，该方法存在设备腐蚀严重、副反应多等缺点。
本课题以苯甲酸和甲醇为原料，离子液体（吡啶和浓硫酸）为催化剂，对苯甲酸甲酯的合成进行研究。
通过进行正交实验，探究催化剂的使用量，原料酸醇摩尔比，反应温度，反应时间对酯化反应产率的影响。
实验结果表明，苯甲酸和甲醇的摩尔比为1：
5，离子液体用量占总重10%，反应时间为4小时，温度为70℃时，苯甲酸甲酯的产率达到76.8%。
与传统催化剂浓硫酸相比，离子液体作为催化剂具有更好的催化效果。
【关键词】离子液体；催化剂；合成；苯甲酸甲酯；产率
Researchonionicliquidscatalyzedsynthesisofbenzoicacidmethylester
【Abstract】Benzoicacidmethylesterwasusedasintermediatesinorganicsynthesis,solventandspicesandusedinthefoodindustry.Benzoicacidmethylesterisanimportantchemicalrawmaterialsalsoknownasmethylbenzoicacid.Theindustrialuseofconcentratedsulfuricacidascatalystforsynthesisofmethylbenzoatehasmanysidereactions,seriouscorrosionofequipmentetc.Theresearchandstudywerecarriedoutwithbenzoicacidandmethanolasrawmaterials,ionicliquids（pyridineandsulfuricacid）ascatalystforthesynthesisofmethylbenzoate.Throughorthogonalexperimenttoexploretheinfluenceaboutcatalystdosage,molarratio,reactiontemperature,reactiontimeontheesterificationreactionyield.Theexperimentalresultsshowthatthehighestyieldofmethylbenzoatereached76.8%whenthemolarratioofbenzoicacidandmethanolwas1:
5,theamountofionicliquidsforatotalweightof10%,reactiontimewas4hours,thetemperaturewas70degreescentigrade.Comparedwiththetraditionalsulfuricacidcatalyst,thecatalyticeffectofionicliquidascatalysthasbetter.
【KeyWords】Ionicliquids;催化剂
catalyst;合成
synthesis;benzoicacidmethylbenzene;productivity
目录
1引言1
2实验部分2
2.1仪器与试剂2
2.1.1仪器2
2.1.2试剂2
2.2苯甲酸甲酯的合成2
2.2.1实验原理2
2.2.2实验步骤3
2.3苯甲酸甲酯纯度检测分析3
2.3.1苯甲酸甲酯气相检测条件3
2.3.2苯甲酸甲酯红外检测3
3结果与讨论4
3.1催化剂用量对产物收率的影响4
3.2酸醇摩尔比对产物收率的影响5
3.3反应时间对产物收率的影响5
3.4反应温度对产物收率的5
3.5优化放大实验对产物纯度和收率的影响6
结论6
参考文献8
附录9
致谢10
1引言
苯甲酸甲酯，又名安息香酸甲酯，是一种较为重要的酯类化合物，化学上可视为苯甲酸或苯甲酸酐或苯甲酰氯用甲醇醇解的产物。
苯甲酸甲酯是一种不溶于水但能与甲醇、乙醚等混溶的透明液体,具有浓郁的冬青油和尤南迦油香气，可用于配制草莓、菠萝、樱桃等香味的食品保鲜剂、香水香精和人造精油等；苯甲酸甲酯还是一种重要的化工原料，工业上可用作有机合成中间体、作为合成纤维素酯、纤维素醚、树脂、橡胶等的溶剂[1~3]。
目前，工业上合成苯甲酸甲酯的主要方法是用传统酸性催化剂浓硫酸作催化剂，但是此做法存在副反应多，产物分离复杂，设备腐蚀严重，废液污染环境等缺点，因而需要选择新的工艺路线进行苯甲酸甲酯的合成，相关报道也对多种催化剂进行了研究，但存在催化剂合成较为复杂，不利于工业化实施[4]。
酸催化反应在化工行业中占有十分重要的地位。
传统的酸性液体催化剂主要是硫酸和一些Lewis酸，虽然它们的催化活性高，但是具有较强的腐蚀性，后处理也及其复杂，环境污染更为严重。
所以，鉴于上述问题，为替代传统强腐蚀、强污染性的浓硫酸等无机酸，开发绿色的酸性催化剂很有必要，人们开始广泛开展对酸性离子液体催化剂的研究[5]。
近年来，离子液体用于酸催化过程发展十分迅速，可用于烷基化、酰化、齐聚、酯化、缩合、醚化、酯交换等多种反应过程，在绿色催化和清洁合成等方面取得了很大的研究进展[6]。
离子液体作为一种室温下熔融的盐、新型反应介质和绿色溶剂，具有液态范围宽、溶解范围广、蒸汽压为零、稳定性好、酸碱性可调、产品易分离和可循环利用等一系列独特性质，被认为是继水和超临界二氧化碳后的又一大类在现代有机合成中具有良好应用前景的反应介质和新型绿色溶剂，目前某些离子液体已经成功应用于对羟基苯甲酸乙酯的合成[7]。
酸性离子液体作为一种新型的环境友好液体催化剂，拥有液体酸催化剂的高密度反应活性位，具有低挥发性，其结构和酸性具有可调变性[8]。
与浓硫酸等传统催化剂相比，离子液体作为催化剂具有较高的催化活性和选择性，对环境的污染较小，产物易分离、还可循环利用，具有更好的催化效果，对于取代传统工业无机酸催化剂的潜力不可估量。
本课题设计以苯甲酸和甲醇为原料，用离子液体（吡啶和浓硫酸）做催化剂制备苯甲酸甲酯，通过进行正交实验，探究催化剂用量，原料摩尔比，反应温度对酯化反应产率的影响，寻找最佳反应条件。
2实验部分
2.1仪器与试剂
2.1.1仪器
YP402N电子天平，JJ-1精密定时电动搅拌器，DK-98-11电热恒温水浴锅，RE-52A旋转蒸发器，SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵，DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，101-2型电热鼓风干燥箱，GN-300A高纯氮发生器，GCD-300G高纯氢气发生器，9790气相色谱仪，Spectrum100FT-IRSpectrometer。
2.1.2试剂
表2-1部分实验试剂
试剂名称
生产厂家
规格
苯甲酸
天津市恒兴化学试剂制造有限公司
分析纯
无水甲醇
分析纯
吡啶
天津市美华泰克科技有限公司
分析纯
浓硫酸
H2SO4
分析纯
饱和碳酸氢钠
NaHCO3
分析纯
乙酸乙酯
天津市永大化学试剂有限公司
分析纯
饱和氯化钠
NaCl
分析纯
无水硫酸钠
天津市永大化学试剂有限公司
分析纯
2.2苯甲酸甲酯的合成
2.2.1实验原理
2.2.2实验步骤
在装有温度计、搅拌器和回流冷凝管的四口烧瓶中，加入12.2g苯甲酸、过量的甲醇和一定量的催化剂，逐渐升温，在回流温度下维持温度反应一段时间。
酯化反应结束后，进行旋转蒸发，蒸出过量的甲醇,分去催化剂。
酯化反应完毕后,待反应液的温度降至室温,油箱以饱和NaHCO3水溶液调溶液的pH至中性。
下层残留液冷却后倒入分液漏斗中，每次用10mL乙酸乙酯洗涤2次、然后用10mL饱和氯化钠水溶液洗涤2次。
分液后下层水相再用10mL乙酸乙酯萃取2次，合并有机相，得到粗苯甲酸甲酯。
将粗品苯甲酸甲酯移入盛有无水硫酸钠的干燥锥形瓶中，干燥过夜。
滤液进行蒸馏收集120~150℃的馏分，即得产品苯甲酸甲酯。
2.3苯甲酸甲酯的纯度检测分析
2.3.1苯甲酸甲酯气相检测条件
色谱柱：
毛细管柱，长30m，内经0.53mm；载气为氮气，纯度≥99.999%，流量为1.0ml/min；固定相：
二甲基聚硅氧醚；进样口温度：
220℃，检测器温度：
280℃；采用直接升温，温度10℃，分流比为1：
40；进样量：
0.2ul[12,13]。
检测表明，最终产品苯甲酸甲酯含量稳定在99.5%左右，产品纯度达到要求。
2.3.2苯甲酸甲酯红外检测
对产物进行红外光谱分析，在1725cm-1和1279cm-1处分别有酯基的C=O和C-O的特征吸收峰，在1601cm-1和1452cm-1出现苯环骨架的特征吸收峰，因此，说明产物为苯甲酸甲酯。
3结果与讨论
3.1催化剂用量对产物收率的影响
酯化反应条件：
酸醇摩尔比1：
5，反应温度70℃，反应时间4小时，改变催化剂用量，所得产物苯甲酸甲酯的产率变化如表3-1所示。
表3-1催化剂用量对产物收率的影响
催化剂用量（g）
2%
6%
10%
14%
产物收率（%）
55.3
75.6
73.8
73.6
由表3-1可知，当催化剂用量占所有原料的6%时，产率达到75.6%，降低催化剂用量到2%时，反应不完全，产率降至55.3%，但当催化剂用量升至10%和14%时，产率稳定在73.7%左右。
随着催化剂使用量的增加，产品收率也随之增加，但增加到一定值后，随着催化剂使用量的增加，产物收率无明显变化。
所以，结果表明产物收率最高时即在酸醇摩尔比1：
5，反应温度70℃，反应时间4小时的条件下，催化剂最佳用量为6%。
3.2酸醇摩尔比对产物收率的影响
酯化反应条件：
催化剂用量为6%，反应温度70℃，反应时间4小时，改变酸醇摩尔比，所得产物苯甲酸甲酯的产率变化如表3-2所示。
表3-2酸醇摩尔比对产物收率的影响
醇酸摩尔比
3
4
5
6
产物收率（%）
43.7
58.3
76.8
74.9
由表3-2可知，酸醇摩尔比达到5之前，甲醇用量的增大有利于反应向生成酯的方向移动，产物的收率随摩尔比的增大而增加，当酸醇摩尔比达到5时，产物的收率增至76.8%，当摩尔比增至6时，产物收率降至74.9%，这是因为随着甲醇用量的增加，反应体系的回流量也在增加，使得原料酸醇的浓度均会降低。
随着醇酸摩尔比的增加，产品收率首先增加，但增加到一定值后，随着醇酸摩尔比的增加，产物收率无明显变化甚至降低。
所以，结果表明产物收率最高时即在催化剂用量为6%，反应温度70℃，反应时间4小时的条件下，最佳酸醇摩尔比为1：
5。
3.3反应时间对产物收率的影响
酯化反应条件：
酸醇摩尔比1：
5,催化剂用量为6%，反应温度70℃，改变反应时间，所得产物苯甲酸甲酯的产率变化如表3-3所示。
表3-3反应时间对产物收率的影响
反应时间（h）
3
3.5
4
4.5
产物收率（%）
55.6
68.7
75.9
74.2
由表3-3可知，在4小时之前，产率随时间的增加而增加，反应时间增至4小时，产率达到75.9%，当反应时间增至4.5小时后，产率降至74.2%。
随着反应时间的增加，产品收率首先增加，但增加到一定值后，随着反应时间的增加，产物收率无明显变化甚至下降，而且增加副产物和能耗。
所以，结果表明产物收率最高时即在酸醇摩尔比1：
5，催化剂用量为6%，反应温度70℃的条件下，最佳反应时间为4小时。
3.4反应温度对产物收率的影响
酯化反应条件：
酸醇摩尔比1：
5，催化剂用量为6%，反应时间4小时,改变反应温度，所得产物苯甲酸甲酯的产率变化如表3-4所示。
表3-4反应温度对产物收率的影响
反应温度（℃）
60
65
70
75
产物收率（%）
53.6
68.7
74.8
74.2
由表3-4可知，在反应温度达到70℃之前，随着反应温度的升高，产物的收率也随之增加，达到70℃时，产率达到74.8%，当反应温度升到75℃时，产率降至74.2%，随着反应温度的增加，产品收率首先增加，但增加到一定值后，随着反应温度的增加，产物收率无明显变化甚至下降，而且增加副产物和能耗。
所以，结果表明产物收率最高时即在酸醇摩尔比1：
5，催化剂用量为6%，反应时间4小时的条件下,最佳反应温度为70小时。
3.5优化放大实验对纯度和收率的影响
根据以上各组实验，选择酸醇摩尔比1：
5，催化剂用量为6%，反应时间4小时,反应温度70℃条件下的实验组作为优化组与其放大四倍后的优化放大组对比。
优化组各试剂用量为：
苯甲酸12.2g，无水甲醇21.1ml，离子液体成品1.8g，采用反应温度70℃，反应时间4小时。
优化放大组各试剂用量为：
苯甲酸48.8g，无水甲醇84.4ml，离子液体成品7.2g，采用反应温度70℃，反应时间4小时,实验后所得苯甲酸甲酯粗品质量、产品纯度和收率变化如表3-5所示。
表3-5优化放大实验对纯度和收率的影响
实验组m（苯甲酸）V（无水甲醇）m（离子液体）纯度收率
优化组12.2g21.1ml1.8g99.48%75.60%
优化放大组48.8g84.4ml7.2g99.51%78.33%
由表3-5可见，根据以前做过的各实验组所得苯甲酸甲酯粗品质量、碘液用量、产品纯度和收率数据的综合分析，酸醇摩尔比1：
5，催化剂用量为6%，反应温度70℃，反应时间4小时条件下实验组的各项数据最佳。
将该组放大四倍后，收率较高。
结果表明，优化组各项数据效果比较好，优化放大后数据波动不大。
4结论
以苯甲酸和甲醇为原料，离子液体（吡啶和浓硫酸）为催化剂，合成苯甲酸甲酯的最佳反应条件为：
酸醇摩尔比1：
5，反应温度70℃，反应时间4小时，产物收率可达75%以上。
与传统催化剂浓硫酸相比，吡啶与浓硫酸的离子液体催化合成苯甲酸甲酯的有效催化剂之一，作为催化剂具有腐蚀性小、反应条件温和、污染小，且易于分离回收，能多次重复使用等特点，有更好的催化效果。
参考文献
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附录
吡啶浓硫酸离子液体的制备
离子液体是适应时代发展要求，继水和超临界二氧化碳应运而生的又一高效绿色催化剂，主要由有机阳离子和无机离子构成，在室温或室温附近呈液态的盐类化合物,具有不可挥发等较高的稳定性，已被成功应用于有机合成等各项领域[14]。
将吡啶与浓硫酸按1:
1的比例混合均匀,放入烧瓶中,常温下在磁力搅拌器上搅拌加热,熔融大约3小时，直至得到无色清亮液体即可,停止加热,然后在真空干燥箱里70℃干燥24h,取出后冷却,放在干燥器中备用。
合成的吡啶浓硫酸离子液体在室温下为液体，易溶于强极性溶剂，如水、乙醇等；不溶于弱极性溶剂，如乙醚、甲苯等[15]。
气相检测注意事项
本次气相色谱检测的进样方法采用的是手动进样，使用微量注射器进行手动进样时，操作的数量程度取决于精密度，各项操作应尽量一致。
要注意以下几点：
选用恰当的注射器，常用的是10ul微量注射器，进样量不能小于1uL；注射速度必须要快，注射速度过慢会延长样品的气化过程，导致样品进入色谱柱的初始谱带变宽；避免样品之间相互干扰， 取样之前要用样品溶剂洗针不少于3次，再用样品溶液洗针不少于3次，这样基本上能够消除样品间的相互干扰；减少注射歧视，不管注射速度多快，不同组分沸点不同，汽化速度也会不同，从而造成定量分析的误差，所以取样前先将注射针插入汽化室预热一定时间，或者取样前先在注射器中抽取一定量的溶剂。
正确的注射方法应当是：
取样后，一只手拿注射器，并把食指放在针芯的束端（以防汽化室的高气压把针芯吹出），同时另一只手要保护针尖（防止插入时受到隔垫阻挡弯曲），小心地将注射针头插入隔垫，此时要以最快的速度将注射器插到底，与此同时迅速地将样品注射入汽化室（注意不要弯曲针芯），最后快速拔除掉注射器。
注射样品时所需的时间以及注射器在汽化室中停留的时间越短越好，而且每次注射的过程越重现越好。
分析完毕，待组分流出后，先关闭氢气和空气，再进行降温操作。
将进样口、柱温箱、检测器以及顶空进样器的温度均设为40℃，待各组件的温度不高于40℃以后，依次关闭载气，工作站和气相色谱仪。
如果要取下色谱柱，则取下后柱两端应用盲堵堵上并放在盒内，妥善保存。
收率的计算公式
收率=M实际/M理论*100%M理论=M苯甲酸/122*136
致谢
随着论文完成，四年的大学生活也即将结束，感慨万千！
从选题的开始到论文的顺利完成，老师、同学、朋友们不管是在学习上还是生活中都给了我数不尽的帮助，在这里，请接受我发自内心的谢意！
感谢我的导师贾鹏飞和王娟老师。
从课题选择、开题，到进行实验、论文写作、整理的整个过程，贾老师和王老师都倾注了大量的心血，给了我很多受用终生的指导。
在这里我要再次向我的老师们表示深深的敬意和感谢！
感谢我的辅导员韩老师，他为我们的日常课程和学习尽心尽力，为我们组织考研、论文写作、工作，再辛苦也无怨言。
感谢各位校领导和化工学院的老师们，是你们让学校充满治学之风，使我们能够更好的学习知识和完成学业！
也要感谢2011级制药工程专业的同学们，他们在生活和学习上给了我很多帮助和关怀。
更要感谢我的父亲、母亲，感谢他们对我的养育、教诲和支持。
最后，请允许我再次说一声，谢谢大家！
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