微波合成乙酰水楊酸及其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析

安從俊，徐　帥，劉　東

(1.武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430072；2.武漢東湖學(xué)院，湖北 武漢430212；3.武漢工程大學(xué) 國家新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430073)

乙酰水楊酸是解熱鎮(zhèn)痛藥復(fù)方阿司匹林(APC)的主要組成成分。目前實(shí)驗(yàn)室制備乙酰水楊酸的方法主要有兩種：(1)直接法，水楊酸與乙酸類衍生物在一定的反應(yīng)時(shí)間、溫度、酸度、反應(yīng)物用量的條件下通過親核取代反應(yīng)生成乙酰水楊酸。其主要反應(yīng)機(jī)理是：乙酸類衍生物接受親核試劑水楊酸酚羥基上孤對電子的進(jìn)攻，經(jīng)過加成消去歷程生成乙酰水楊酸。(2)輻射法，在一定頻率的外加輻射作用下引發(fā)水楊酸與乙酸類衍生物的反應(yīng)。主要反應(yīng)機(jī)理是：外加輻射激發(fā)酚羥基上的孤對電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，進(jìn)而進(jìn)攻乙酸類衍生物中的親電碳原子，從而引發(fā)反應(yīng)生成乙酰水楊酸。文獻(xiàn)[1-3]報(bào)道微波輻射法制備乙酰水楊酸的產(chǎn)品收率、純度明顯高于直接法。但對于反應(yīng)過程中各因素對反應(yīng)的影響以及表觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的研究，國內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道較少。

作者利用控制變量法研究反應(yīng)時(shí)間、輻射功率、pH值、反應(yīng)底物比(水楊酸與乙酸類衍生物的物質(zhì)的量比，下同)等因素對反應(yīng)過程的影響，確定最佳反應(yīng)條件，并分析建立了宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　試劑與儀器

水楊酸、乙酸酐、飽和碳酸氫鈉溶液、1%氯化鐵溶液、磷酸(85%)，分析純，天津化學(xué)試劑三廠。

XH-100A型微波合成儀，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司；阿貝折光儀，上海精密儀器廠；紫外濃度檢測儀，日本島津公司；AVATAR 370型智能型紅外光譜儀，美國Thermo Nicokt公司。

1.2　合成

在微波合成儀中加入一定量的水楊酸和乙酸酐，滴加2～3滴85%磷酸?？刂埔欢ǖ妮椛涔β?、反應(yīng)時(shí)間得產(chǎn)物粗品。將粗品轉(zhuǎn)移至冰水浴中15 min，冷卻結(jié)晶，使晶體完全析出。然后以1∶4乙醇水溶液為淋洗劑、氧化鋁為吸附劑柱層析分離3次得產(chǎn)物。產(chǎn)物經(jīng)紅外光譜表征。

1.3　表觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究

采用控制變量法考察反應(yīng)時(shí)間、輻射功率、pH值、反應(yīng)底物比等因素對反應(yīng)的影響。并通過檢測不同時(shí)刻反應(yīng)速率，確定反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線。

2　結(jié)果與討論

2.1　產(chǎn)物表征

所得產(chǎn)物為白色晶體粉末，折光率為1.54(37 ℃)，與試劑手冊[4]對比相符，可初步判斷為乙酰水楊酸。

由紅外光譜(圖1)可知，產(chǎn)物的主要特征吸收峰：3 300～2 500 cm-1處為-COOH的特征寬帶吸收峰，1 753.91 cm-1處為-COOH中C=O伸縮振動(dòng)吸收峰，1 693.12 cm-1處為-OCOCH3中C=O吸收峰，1 600～1 450 cm-1處為苯環(huán)中C=C的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 307.95 cm-1、1 187.58 cm-1處分別為羧酸和酯的C=O伸縮振動(dòng)吸收峰，這些表明了苯環(huán)、羧基和酯基的存在，與文獻(xiàn)[4]報(bào)道的乙酰水楊酸的紅外光譜相符。確證合成產(chǎn)物為乙酰水楊酸。

圖1　產(chǎn)物的紅外光譜

2.2　反應(yīng)條件的優(yōu)化

2.2.1反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)的影響

在輻射功率為400 W、反應(yīng)底物比為1∶1、pH=6、催化劑為85%磷酸的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖2。

圖2　反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)的影響

由圖2可知，在反應(yīng)時(shí)間為50～70 s時(shí)，乙酰水楊酸的收率隨反應(yīng)時(shí)間的延長而升高，超過70 s后，乙酰水楊酸的收率反而下降。這可能是因?yàn)?，反?yīng)時(shí)間過長生成了分子量較大的水楊酸分子間酯化產(chǎn)物，導(dǎo)致收率下降。因此，選擇適宜的反應(yīng)時(shí)間為70 s。

2.2.2輻射功率對反應(yīng)的影響

在反應(yīng)時(shí)間為70 s、反應(yīng)底物比為1∶1、pH=6、催化劑為85%磷酸的條件下，考察輻射功率對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖3。

圖3　輻射功率對反應(yīng)的影響

由圖3可知，乙酰水楊酸收率隨輻射功率的增大先升高后降低，在輻射功率為450 W時(shí)達(dá)到最高。這可能是因?yàn)?，輻射功率較低時(shí)，無法充分激發(fā)水楊酸酚羥基上的孤對電子引發(fā)反應(yīng)，造成水楊酸收率低；而輻射功率太高時(shí)，羧基上的孤對電子激發(fā)，與乙酸類衍生物反應(yīng)生成副產(chǎn)物，同時(shí)，引發(fā)水楊酸間的酯化反應(yīng)，造成收率下降。因此，選擇適宜的輻射功率為450 W。

2.2.3pH值對反應(yīng)的影響

在輻射功率為450 W、反應(yīng)底物比為1∶1、反應(yīng)時(shí)間為70 s、催化劑為85%磷酸的條件下，考察pH值對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖4。

圖4　pH值對反應(yīng)的影響

由圖4可知，乙酰水楊酸收率隨pH值的增大先升高后降低，在pH值為5.4時(shí)，乙酰水楊酸的收率達(dá)到最高。因此，選擇適宜的pH值為5.4。

2.2.4反應(yīng)底物比對反應(yīng)的影響

在反應(yīng)時(shí)間為70 s、輻射功率為450 W、pH=5.4、催化劑為85 %磷酸的條件下，考察反應(yīng)底物比對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，乙酰水楊酸收率隨底物比減小先升高后降低，在反應(yīng)底物比為1∶2時(shí)，乙酰水楊酸收率達(dá)到最高。因此，確定適宜的反應(yīng)底物比為1∶2。

圖5　反應(yīng)底物比對反應(yīng)的影響

綜上，確定最適反應(yīng)條件為：反應(yīng)時(shí)間70 s、輻射功率450 W、pH=5.4、催化劑為85%磷酸、反應(yīng)底物比1∶2。

2.3　反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究

2.3.1乙酸類衍生物的動(dòng)力學(xué)分級數(shù)的確定

在反應(yīng)時(shí)間為70 s、輻射功率為450 W(80 ℃)、pH=5.4、催化劑為85%磷酸、n(水楊酸)∶n(乙酸類衍生物)=1∶20的條件下，研究乙酸類衍生物的動(dòng)力學(xué)曲線，結(jié)果見圖6。

圖6　乙酸類衍生物的動(dòng)力學(xué)曲線

由圖6可知，lnY與反應(yīng)時(shí)間t呈直線，可確定乙酸類衍生物對反應(yīng)的影響符合動(dòng)力學(xué)一級反應(yīng)的特征，參照質(zhì)量作用定律Y=K1[乙酸類衍生物]x，可確定x=1,K1=0.03409 s-1,乙酸類衍生物的表觀動(dòng)力學(xué)分級數(shù)為1。

2.3.2水楊酸的動(dòng)力學(xué)分級數(shù)的確定

在反應(yīng)時(shí)間為70 s、輻射功率為450 W(80 ℃)、pH=5.4、催化劑為85%磷酸、n(水楊酸)∶n(乙酸類衍生物)=20∶1的條件下，研究水楊酸的動(dòng)力學(xué)曲線，結(jié)果見圖7。

由圖7可知，水楊酸濃度(c)與反應(yīng)時(shí)間(t)呈直線關(guān)系，可確定水楊酸的表觀動(dòng)力學(xué)分級數(shù)為0。理想狀態(tài)下曲線應(yīng)過原點(diǎn)，但由于所得產(chǎn)物存在少量的雜質(zhì)，造成了實(shí)際動(dòng)力學(xué)曲線的偏離。

圖7　水楊酸的動(dòng)力學(xué)曲線

2.3.3宏觀動(dòng)力學(xué)模型

宏觀動(dòng)力學(xué)是研究總包反應(yīng)速率的影響因素及控制的科學(xué)[5]。通過綜合分析乙酸類衍生物和水楊酸的動(dòng)力學(xué)分級數(shù)可知，輻射法制備乙酰水楊酸的宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：r=k[C4H6O3]，總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)級數(shù)為1級，反應(yīng)速率常數(shù)為0.03409 s-1(353 K),總包反應(yīng)半衰期為20.33 s。在一定的輻射功率下，反應(yīng)速率隨乙酸類衍生物濃度的增大而增大，因此，控制反應(yīng)過程中乙酸類衍生物的濃度對控制反應(yīng)的進(jìn)行和反應(yīng)的快慢有重要的作用。微波輻射與化學(xué)激光存在部分相似的特性[6]，其中最重要的一點(diǎn)是微波輻射引發(fā)的反應(yīng)在達(dá)到反應(yīng)所需的特定能級速率較快，使生成激發(fā)態(tài)粒子不致由于自發(fā)輻射衰減或分子間碰撞傳能而消耗掉，這樣保證達(dá)到上、下能級粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)(粒子在高能級上發(fā)生積累)，實(shí)現(xiàn)了輻射能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能[7-9]。根據(jù)微波輻射的這一特性，作者推測乙酸類衍生物在一定溫度范圍內(nèi)與反應(yīng)速率呈一級反應(yīng)特征的原因在于：粒子在水楊酸酚羥基孤對電子的激發(fā)態(tài)上累積，而乙酸類衍生物依靠籠效應(yīng)將單個(gè)水楊酸分子包圍起來易于受到高能級激發(fā)態(tài)上電子的進(jìn)攻，因此在宏觀上乙酸類衍生物動(dòng)力學(xué)分級數(shù)表現(xiàn)為一級。

2.3.4表觀反應(yīng)活化能的確定[6,10-13]

根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型和不同輻射功率(溫度)下的動(dòng)力學(xué)特征，依下式可確定該反應(yīng)的表觀反應(yīng)活化能：

k=A×exp(-Ea/RT)

(1)

ln(k1/k2)=(Ea/R)×(1/T2-1/T1)

(2)

Ea=Rln(k1/k2)÷(1/T2-1/T1)

(3)

式中：k為反應(yīng)速率常數(shù)，s-1;A為指前因子(與溫度無關(guān));Ea為表觀反應(yīng)活化能,kJ·mol-1。

輻射功率為450 W(80 ℃)時(shí)，k1=0.03049 s-1;輻射功率為540 W(90 ℃)時(shí)做同等實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)分析，得k2=0.0612 s-1。根據(jù)式(3)計(jì)算表觀反應(yīng)活化能為75.60 kJ·mol-1。

3　結(jié)論

微波輻射作用下合成了乙酰水楊酸，考察了反應(yīng)時(shí)間、輻射功率、pH值、反應(yīng)底物比(水楊酸與乙酸類衍生物的物質(zhì)的量比)等因素對反應(yīng)的影響，并研究了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。確定最佳反應(yīng)條件為：反應(yīng)時(shí)間70 s、輻射功率450 W、pH值5.4、反應(yīng)底物比1∶2。推算了宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程并計(jì)算得到表觀反應(yīng)活化能為75.60 kJ·mol-1。

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