乙酰乙酸乙酯制備實驗的改進(jìn)

鄭祖彪，韓冰冰，張東東

（黃山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山 245041）

1 引 言

乙酰乙酸乙酯是重要的有機(jī)合成原料，在醫(yī)農(nóng)藥合成、食品及化妝品工業(yè)中都有著非常廣泛的應(yīng)用。[1-3]因此乙酰乙酸乙酯的制備無論在理論上還是實際應(yīng)用中都具有極其重要的價值。鑒于此，乙酰乙酸乙酯的制備成為高等學(xué)校有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)中的一個重要的實驗內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)。

在目前使用的各種《有機(jī)化學(xué)實驗》教材[4-6]中，乙酰乙酸乙酯的制備方法均為乙酸乙酯的分子間Claisen酯縮合法，即在金屬鈉與乙酸乙酯中痕量的乙醇反應(yīng)生成的乙醇鈉的催化作用下，乙酸乙酯分子間縮合法。教學(xué)實踐證明，在按有機(jī)實驗教材方法進(jìn)行實驗時，具有實驗操作過程繁瑣、安全性差、反應(yīng)條件不易控制的缺點，并且一般只能獲得20%（以鈉計）左右的收率（教材中收率為49%），且失敗率高。其中，影響乙酰乙酸乙酯收率的因素主要為鈉砂的制備不符合要求和蒸餾過程中產(chǎn)物損失過大[7]。目前，各有機(jī)實驗教材都基本使用甲苯或二甲苯為溶劑制作鈉砂，學(xué)生在密封條件下?lián)u鈉時，不僅會由于搖震不夠充分，導(dǎo)致制備的鈉砂不易符合要求，也出現(xiàn)過鈉珠沖出或爆炸的事故，造成了不可挽回的損失。以上問題在很大程度上降低了學(xué)生對有機(jī)實驗的積極性，影響了教學(xué)效果。汪慶華等改進(jìn)后以二甲苯為溶劑，將冷凝管和圓底燒瓶一起形成搖震的敞開體系[8]，降低了圓底燒瓶爆裂的風(fēng)險，但由于鈉的熔點較高（98℃），學(xué)生仍有燙傷的可能。吳祿勇等借助磁力攪拌器的機(jī)械作用在常壓下制備鈉砂，提高了實驗安全系數(shù)，但乙酰乙酸乙酯的收率僅為28-31%[9]；黃曉等以苯為反應(yīng)溶劑，將乙酰乙酸乙酯的收率提高至56.2%[10]，然而苯、甲苯或二甲苯等芳烴類有機(jī)溶劑由于毒性較大，不宜作為學(xué)生實驗的反應(yīng)介質(zhì)，易傷害學(xué)生身體和造成環(huán)境污染，不符合有機(jī)實驗綠色化的要求[7]。因此，周淑晶等用KOH為催化劑，同時使用相轉(zhuǎn)移催化劑TEBA催化乙酸乙酯縮合制備了乙酰乙酸乙酯，避免了鈉砂制作過程中的安全性問題，操作簡便，但乙酰乙酸乙酯的收率僅為23.7%[11]。喻國貞等以KF-Al2O3為催化劑[12]，在室溫條件下以68%的收率獲得了乙酰乙酸乙酯，但該催化劑的成本較高。

本文在對《有機(jī)化學(xué)實驗》教材敘述的乙酰乙酸乙酯的制備方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對實驗過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，以獲得操作簡便、容易控制、安全性好且收率較高的適合學(xué)生的實驗方法。

2 乙酰乙酸乙酯的制備方法分析

教材中敘述的乙酰乙酸乙酯的制備方法是通過含α-活潑氫的乙酸乙酯在強(qiáng)堿性試劑Na存在的條件下，與另一分子乙酸乙酯發(fā)生Claisen酯縮合反應(yīng)，生成β-羰基酸酯[4]。雖然反應(yīng)中使用金屬鈉作縮合試劑, 但真正的催化劑是鈉與乙酸乙酯中殘留的少量乙醇作用產(chǎn)生的乙醇鈉。

制取乙酰乙酸乙酯反應(yīng)機(jī)理為：

1.酸堿交換

首先，從以上反應(yīng)機(jī)理可知，乙酸乙酯必須要嚴(yán)格無水，且應(yīng)有一定量的乙醇存在，否則Claisen酯縮合反應(yīng)不能發(fā)生；

第二，酯縮合反應(yīng)中真正起到催化作用的為鈉與痕量乙醇反應(yīng)生成的乙醇鈉，因此鈉砂的質(zhì)量決定了反應(yīng)的速率；取鈉、搖鈉和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的H2使反應(yīng)存在著安全隱患；

第三，實驗中使用苯、甲苯或二甲苯作為反應(yīng)介質(zhì)，很容易造成身體傷害和環(huán)境污染；

第四，由于乙酰乙酸乙酯分子中亞甲基上的氫比乙醇的酸性強(qiáng)很多（PKa=10.65），反應(yīng)后實際得到的為乙酰乙酸乙酯的鈉化物，且為不可逆反應(yīng)，后處理時必須用酸（如醋酸）酸化，才能將乙酰乙酸乙酯游離出來。

第五，乙酰乙酸乙酯進(jìn)一步提純時采用減壓蒸餾的方法。學(xué)生在實驗的最后階段減壓蒸餾得到的產(chǎn)品常比教材給出的數(shù)據(jù)低，沸程長，且大部分學(xué)生達(dá)不到教材規(guī)定的產(chǎn)率[10]。

3 實驗部分

3.1 實驗試劑與儀器

乙酸乙酯：分析純，未經(jīng)進(jìn)一步純化；

甲醇鈉、乙醇鈉、叔丁醇鈉：市售分析純；

FTIR儀：VECTOR-22Bruker公司；

氣相色譜儀：GC2014，島津公司；

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：RE-52AA，上海亞榮生化儀器廠。

3.2 實驗步驟

稱取醇鈉（甲醇鈉、乙醇鈉或叔丁醇鈉）0.22mol加入250mL三頸瓶中，加入乙酸乙酯88g（98mL，1mol），搭好回流裝置，在設(shè)定溫度下反應(yīng)2h，稍冷后，在攪拌條件下滴加50%的醋酸溶液至體系呈弱酸性；將溶液轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，分去水層，有機(jī)層用飽和食鹽水洗滌3次，無水硫酸鈉干燥，過濾，水浴40℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器減壓旋除乙酸乙酯，水泵減壓蒸餾，收集產(chǎn)物。稱量，計算產(chǎn)率。產(chǎn)品進(jìn)行氣相色譜和紅外色譜檢測分析。

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 催化劑的類型對反應(yīng)的影響

針對以上實驗中存在的問題，我們首先改變催化劑的種類，直接以醇鈉為催化劑。因此乙酰乙酸乙酯的制備實驗可簡化為兩個步驟：第一步，稱取一定量的市售醇鈉為催化劑，制備乙酰乙酸乙酯；第二步，減壓蒸餾，收集產(chǎn)品。

首先，考察了乙醇鈉為催化劑對反應(yīng)的影響（見表1，編號1）。乙醇鈉代替鈉為催化劑，在反應(yīng)體系微沸的條件下（76-78℃）反應(yīng)2h，經(jīng)減壓蒸餾后，以69%的收率獲得了乙酰乙酸乙酯，優(yōu)于有機(jī)化學(xué)實驗教材中49%的收率。這可能是由于粉末狀乙醇鈉固體有著比粒狀鈉砂更大的比表面積，因此與乙酸乙酯的接觸更充分，使得反應(yīng)也更完全。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察其它類醇鈉對乙酸乙酯的酯縮合反應(yīng)的影響，實驗結(jié)果見表1。由表1可知，催化劑醇鈉的堿性大小對該反應(yīng)有很大的影響，在相同的條件下，以堿性較弱的甲醇鈉為催化劑時，乙酰乙酸乙酯的收率由69%降為55%，但仍高于教材中的收率（49%）；選用強(qiáng)堿叔丁醇鈉為催化劑時，乙酰乙酸乙酯的收率由69%升到73%，可能是由于叔丁氧負(fù)離子有較大的位阻，因此，對乙酰乙酸乙酯的收率影響不大。

表1 催化劑的類型對反應(yīng)的影響

4.2 反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響

在有機(jī)化學(xué)實驗教材中乙酰乙酸乙酯的制備實驗，反應(yīng)溫度多為乙酸乙酯的回流溫度(77℃)。由于乙酰乙酸乙酯在較高的溫度加熱時，會分解產(chǎn)生去水乙酸，導(dǎo)致收率降低。因此，反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響也被進(jìn)一步考察，結(jié)果見表2。分別以甲醇鈉、乙醇鈉或叔丁鈉為催化劑，當(dāng)反應(yīng)溫度為40℃時，乙酰乙酸乙酯的收率均較低，分別為28%、37%和49%；當(dāng)升高反應(yīng)溫度至60℃時，乙酰乙酸乙酯的收率均上升，分別達(dá)到了55%、69%和74%；繼續(xù)升高反應(yīng)溫度至70℃時，其收率沒有明顯變化。因此，以鈉醇為催化劑，催化乙酸乙酯進(jìn)行Claisen縮合制備乙酰乙酸乙酯較優(yōu)的反應(yīng)溫度為60℃。

表2 反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響

4.3 蒸餾方法的改進(jìn)

在此反應(yīng)中，影響乙酰乙酸乙酯收率的另一個重要因素是減壓蒸餾。由于乙酰乙酸乙酯常壓蒸餾時很容易分解而使收率降低, 故常采用減壓蒸餾的方法進(jìn)一步提純。在多年的教學(xué)實踐中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生最后減壓蒸餾收集產(chǎn)品的沸點低、沸程長、收率低（相比教材）。究其原因，乙酰乙酸乙酯在常溫或減壓蒸餾溫度下不是一個純的物質(zhì)，而是酮式（bp：41℃/266Pa）與烯醇式(bp：33℃/266Pa)的平衡混合物（圖1）[4]，且沸點相差較小。因此，減壓蒸餾時同時獲得了兩者的混合物，具有沸點低、沸程長的特點[8]。也正因如此，學(xué)生很容易收集較多的前餾分，導(dǎo)致收率偏低。另外，乙酰乙酸乙酯放置的時間較長或蒸餾時加熱過久都會使其分解產(chǎn)生去水乙酸[4]，降低產(chǎn)量。因此，在本實驗中，減壓條件下使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，在較低的溫度（40℃）下先充分除去未反應(yīng)的乙酸乙酯，然后進(jìn)行減壓蒸餾，收集產(chǎn)品。該方法不僅可以縮短除去乙酸乙酯的時間, 而且還能將其基本除盡，從而減少在沸水中常壓除溶劑時產(chǎn)生的副產(chǎn)物，減少前餾分，為進(jìn)一步減壓蒸餾獲得較純的乙酰乙酸乙酯創(chuàng)造了有利的條件。

圖1 乙酰乙酸乙酯的互變異構(gòu)

4.4 產(chǎn)物的氣相色譜分析

對實驗所得的產(chǎn)物進(jìn)行了氣相色譜分析,得到氣相色譜圖，如圖2。在t=3.921和4.553min兩氣相色譜峰分別對應(yīng)的產(chǎn)物乙酰乙酸乙酯的烯醇式和酮式，其GC含量如表3。

圖2 產(chǎn)物的氣相色譜圖

表3 產(chǎn)物的氣相色譜數(shù)據(jù)

4.5 產(chǎn)物的紅外光譜分析

圖3 乙酰乙酰乙酯樣品的紅外譜圖

圖3紅外譜圖中2984cm-1為甲基中νC-H吸收峰；1738cm-1和1711cm-1，酮式乙酰乙酸乙酯的酯νC=O和酮νC=O最強(qiáng)峰；1647cm-1，烯醇式乙酰乙酸乙酯的νC=C吸收峰；烯醇式乙酰乙酸乙酯的νC=O吸收峰，由于烯醇式形成的分子內(nèi)氫鍵[13]，向低波數(shù)位移至 1620cm-1處，而且強(qiáng)度明顯減弱[14-15]；1240cm-1和1148cm-1分別為烯醇式和酮式δC-O-C吸收峰。

5 實驗結(jié)論

本文對大學(xué)有機(jī)化學(xué)實驗中乙酰乙酸乙酯的制備方法進(jìn)行改進(jìn)，直接以醇鈉代替鈉為催化劑和改變蒸餾方式，避免了諸多問題如鈉容易氧化、產(chǎn)率低、實驗的安全性等。實驗證明在相對較溫和的條件下，分別選擇甲醇鈉、乙醇鈉及叔丁醇鈉作為催化劑，并改進(jìn)后處理的方法，乙酰乙酸乙酯的收率均優(yōu)于教材的實驗結(jié)果，其中以叔丁鈉為催化劑時，產(chǎn)率可達(dá)到74%，明顯地提高了反應(yīng)收率和實驗的安全系數(shù)。在實驗中，學(xué)生可分組選擇不同類型的催化劑進(jìn)行實驗，并進(jìn)行比較，加深對Claisen酯縮合反應(yīng)的理解，從而有效地提高實驗課的教學(xué)效果。

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