正交試驗(yàn)法催化合成乙酰水楊酸條件的研究

黃飛，張哲，孫玉鵬，楊富功，楊可可

（黃山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，黃山 245041）

乙酰水楊酸（化學(xué)名為2-乙酰氧基苯甲酸），俗稱阿司匹林，是常用的鎮(zhèn)痛、解熱及抗風(fēng)濕類藥物。研究表明，乙酰水楊酸可以預(yù)防和治療心腦血管疾病、冠心病、糖尿病、老年性白內(nèi)障、老年癡呆[1]等。最新研究發(fā)現(xiàn)，乙酰水楊酸對(duì)防治肝癌、胃癌、乳腺癌等也具有較好的效果[2，3]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，乙酰水楊酸可以提高果樹和農(nóng)作物的發(fā)芽率，減少果樹的落花落果，增強(qiáng)農(nóng)作物的抗旱抗、扛倒伏能力，增加果樹和農(nóng)作物的產(chǎn)量，延長水果和蔬菜的保鮮期等[4-5]。

乙酰水楊酸一般合成方法是在濃硫酸催化下水楊酸和乙酸酐發(fā)生?；磻?yīng)，該方法比較成熟，但是產(chǎn)率較低。以濃硫酸作為催化劑不僅副反應(yīng)多，而且對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此科研工作者開發(fā)了一系列新型催化劑，如SO42--La2O3-TiO2固體超強(qiáng)酸[6]、WO3/ZrO3固體超強(qiáng)酸[7]、碳基固體酸[8]、三氟甲磺酸[9]、對(duì)甲苯磺酸鋁[10]、氨基酸離子液體[11]等；同時(shí)也研發(fā)了一些新催化合成方法，如微波輻射法[12]、超聲波輔助法[13]等。通過正交試驗(yàn)法，利用新型催化劑和新催化合成方法，探究合成乙酰水楊酸的最佳催化合成反應(yīng)條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

NICOLET-380 傅里葉變換紅外光譜儀（美國尼高力公司）；DF-101D 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（河南鞏義市予華儀器有限公司），BS110S 電子分析天平（北京賽多利斯天平有限公司），SHZ-DⅢ真空循環(huán)抽濾泵（河南鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司），WRS-1B數(shù)字熔點(diǎn)儀（上海精密科學(xué)儀器有限公司）。

乙酸酐，水楊酸，氫氧化鉀，碳酸氫鈉，無水乙醇，三氯化鐵等均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在催化劑的作用下，通過乙酸酐對(duì)水楊酸進(jìn)行?；磻?yīng)得到乙酰水楊酸，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在100 mL 干燥的錐形瓶中，加入一定量的水楊酸、乙酸酐和催化劑氫氧化鉀，安裝回流冷凝管，在恒溫水浴鍋加熱，保持反應(yīng)溫度，磁力攪拌。反應(yīng)結(jié)束后，緩慢冷卻至室溫，加入適量蒸餾水充分?jǐn)嚢瑁怪耆Y(jié)晶，減壓抽濾，并用少量蒸餾水洗滌濾渣數(shù)次。將制得乙酰水楊酸轉(zhuǎn)移到100 mL 燒杯中，加入飽和碳酸氫鈉溶液，充分?jǐn)嚢?，過濾得到乙酰水楊酸粗產(chǎn)品。用乙醇-水混合溶劑將乙酰水楊酸粗產(chǎn)品進(jìn)行重結(jié)晶提純，在烘箱中烘干，得到白色針狀晶體。用三氯化鐵溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%）檢驗(yàn)提純后的乙酰水楊酸產(chǎn)品，若無藍(lán)紫色現(xiàn)象出現(xiàn)，則說明該產(chǎn)品中無反應(yīng)物水楊酸，產(chǎn)品純度較高。稱量，計(jì)算產(chǎn)率[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)影響因素的選擇

以氫氧化鉀作為催化劑，水楊酸和乙酸酐在水浴中加熱攪拌下合成乙酰水楊酸，考察水楊酸與乙酸酐的物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量對(duì)催化合成的影響。其實(shí)驗(yàn)影響因素和水平表見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素和水平表Table 1 The factor-level of orthogonal experiment

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與討論

為了提高乙酰水楊酸的產(chǎn)量，考察各反應(yīng)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響情況，因此設(shè)計(jì)4 因素3 水平的L9（34）正交試驗(yàn)，其正交試驗(yàn)表及結(jié)果見表2。

表2 L9（34）正交試驗(yàn)表及結(jié)果Table 2 The results of orthogonal experimen L9（34）

表2 中的R 為各實(shí)驗(yàn)因素的極差值，該極差值越大，說明該實(shí)驗(yàn)因素對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響越大[15，16]。由表2 極差分析結(jié)果可以看出，以合成乙酰水楊酸的產(chǎn)率為考察指標(biāo)，4 種實(shí)驗(yàn)因素對(duì)合成乙酰水楊酸的影響程度順序依次為：酸酐物質(zhì)的量比（A）＞反應(yīng)溫度（B）＞反應(yīng)時(shí)間（C）＞催化劑用量（D）。其正交試驗(yàn)最佳合成條件為A2B2C3D1，即酸酐物質(zhì)的量比為1∶2，反應(yīng)溫度為65 ℃，反應(yīng)時(shí)間為25 min，催化劑用量為0.10 g，乙酰水楊酸的產(chǎn)率為84.72%。

2.3 方差分析

方差分析是用于兩個(gè)及兩個(gè)以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗(yàn)。由表3 方差分析可得出：酸酐物質(zhì)的量比和反應(yīng)時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響非常顯著；反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不顯著。各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響顯著性次序?yàn)椋阂蛩谹（酸酐物質(zhì)的量比）＞因素B（反應(yīng)溫度）＞因素C（反應(yīng)時(shí)間）＞因素D（催化劑用量）。

表3 方差分析表Table 3 The analysis of variance table

由極差和方差分析可以得出：酸酐物質(zhì)的量比對(duì)催化合成乙酰水楊酸的影響最大，其中當(dāng)酸酐物質(zhì)的量比為1∶2 時(shí)產(chǎn)率最高。反應(yīng)溫度對(duì)催化合成乙酰水楊酸次于酸酐物質(zhì)的量比的影響，且隨著反應(yīng)溫度升高，乙酰水楊酸的產(chǎn)率逐漸增加。反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量對(duì)催化合成乙酰水楊酸也有影響，但影響度不顯著，隨著反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量的增加，乙酰水楊酸的產(chǎn)率逐漸增加。

2.4 產(chǎn)品分析

將氯化鐵溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%）加入乙酰水楊酸提純后的產(chǎn)品中，無藍(lán)紫色現(xiàn)象出現(xiàn)，說明該產(chǎn)品純度較高。

所得產(chǎn)品經(jīng)熔點(diǎn)儀進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)試，其熔點(diǎn)為134.3 ℃～135.4 ℃，與乙酰水楊酸的熔點(diǎn)文獻(xiàn)值一致[14]。

將該產(chǎn)品紅外光譜用KBr 壓片法測(cè)定，如圖1所示。

圖1 乙酰水楊酸的紅外光譜圖Fig.1 IR spectra of acetylsalicylic acid

在3 300～2 500 cm-1為-COOH 的特征寬帶吸收峰，1 749 cm-1為酯基C=O 伸縮振動(dòng)吸收峰，1 686 cm-1處為羧酸C=O 伸縮振動(dòng)吸收峰，1 605 cm-1、1 484 cm-1和1 458 cm-1為 苯 環(huán) 骨架吸收峰，1 372 cm-1為-CH3彎曲振動(dòng)峰，1 189 cm-1為羧酸和酯的C-O伸縮振動(dòng)吸收峰，793 cm-1和754 cm-1為苯環(huán)鄰位取代吸收峰，與乙酰水楊酸的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖吸收峰位置及強(qiáng)度一致[14]，可確定所合成的產(chǎn)物為乙酰水楊酸。

3 結(jié)論

以水楊酸和乙酸酐為原料，氫氧化鉀為催化劑，經(jīng)O-?；磻?yīng)合成了乙酰水楊酸。通過正交試驗(yàn)探究了水楊酸與乙酸酐的物質(zhì)的量比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和催化劑用量對(duì)催化合成的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最佳合成條件是酸酐物質(zhì)的量比為1∶2，反應(yīng)溫度為65 ℃，反應(yīng)時(shí)間為25 min，催化劑用量為0.10 g，在此條件下乙酰水楊酸的合成產(chǎn)率最高為84.72%。該方法操作簡單，反應(yīng)時(shí)間短，后處理方便，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，產(chǎn)品收率較高，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

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