三聚磷酸鋁催化合成阿司匹林的熱力學(xué)分析

謝威,王,黃增尉,韋冬萍,袁愛群Δ,馬少妹

(1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.廣西民族大學(xué) 化學(xué)與生態(tài)工程學(xué)院，廣西 南寧 530006)

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三聚磷酸鋁催化合成阿司匹林的熱力學(xué)分析

謝威1,王2,黃增尉2,韋冬萍2,袁愛群2Δ,馬少妹2

(1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.廣西民族大學(xué) 化學(xué)與生態(tài)工程學(xué)院，廣西 南寧 530006)

目的 探索三聚磷酸鋁替代硫酸催化合成阿司匹林的可行性。方法 采用Benson基團(tuán)貢獻(xiàn)法、Joback基團(tuán)貢獻(xiàn)法，估算水楊酸與乙酸酐的反應(yīng)體系的熱力學(xué)函數(shù)，分析了該反應(yīng)的焓變、熵變和吉布斯自由能隨溫度的變化，以及反應(yīng)物酐酸摩爾比對平衡轉(zhuǎn)化率的影響。結(jié)果 在298.15 K～358.15 K的溫度區(qū)間，該反應(yīng)的焓變小于零，為放熱反應(yīng)，升溫不利反應(yīng)進(jìn)行；在計(jì)算溫度范圍內(nèi)提高反應(yīng)的酐酸比，有利于增大平衡的轉(zhuǎn)化率，當(dāng)酐酸比為3時(shí)，理論轉(zhuǎn)化率可達(dá)99.58%。結(jié)論 從熱力學(xué)角度考慮該催化合成反應(yīng)是可行的。

熱力學(xué)分析；三聚磷酸鋁；阿司匹林；水楊酸；乙酸酐

阿司匹林(aspirin ，ASP)又名乙酰水楊酸，是一種解熱鎮(zhèn)痛藥，此外對防治心血管疾病和結(jié)腸癌也有很好療效，市場需求量日益增加[1]。藥劑工作者的首要任務(wù)就是設(shè)計(jì)開發(fā)出無毒、高效的基因治療載體[2]。阿司匹林經(jīng)典制備方法是使用乙酸酐或乙酰氯在濃硫酸催化下對水楊酸?；频?。該生產(chǎn)工藝成熟，產(chǎn)率在60%左右，但是使用硫酸作催化劑不僅副反應(yīng)多使產(chǎn)品色澤深，不利于提純，而且對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，廢酸液排放更會對環(huán)境帶來嚴(yán)重污染[3]。

目前有關(guān)用三聚磷酸鋁代替濃硫酸催化合成阿司匹林的熱力學(xué)計(jì)算與分析尚未見報(bào)道。本文以Benson基團(tuán)貢獻(xiàn)法、Joback基團(tuán)貢獻(xiàn)法[4-5]為主，結(jié)合其他基團(tuán)加和法[6]，通過熱力學(xué)分析和估算，以期對該催化合成反應(yīng)的工藝條件進(jìn)行預(yù)測，更好地指導(dǎo)合成工藝。

1 材料與方法

1.1 主要儀器 MAGNA-IR型傅立葉變換紅外光譜儀(美國 Nicolet公司)。

1.2 藥品與試劑 ATP/載硫硅藻土(自制)；水楊酸和乙酸酐(AP，天津市科密歐化工試劑有限公司)。

1.3 方法 水楊酸和乙酸酐合成阿司匹林的反應(yīng)計(jì)量方程如下：

1.3.1 反應(yīng)焓、絕對熵和熱容的估算

(1)

(2)

式中ni為對應(yīng)的基團(tuán)數(shù)量；δ為對稱數(shù)，其中水楊酸的δ=3，乙酸酐的δ=1，乙酸的δ=9，阿司匹林的δ=3；θ為光學(xué)異構(gòu)體數(shù)，由于水楊酸、乙酸酐、乙酸和阿司匹林均無光學(xué)異構(gòu)體，故θ=1。

1.3.2 液態(tài)條件各組分生成焓的估算：由于采用Benson計(jì)算的焓值均為氣態(tài)值，而反應(yīng)的體系為液態(tài)，故需要進(jìn)行氣液換算，采用公式:

(3)

(4)

其中n為基團(tuán)數(shù)目，ε為汽化能，1 cal≈4.1868 J，

1.3.3 各溫度下液態(tài)反應(yīng)體系各物質(zhì)熱容的計(jì)算：水楊酸液態(tài)熱容的計(jì)算采用Rùzicka-Domalski基團(tuán)貢獻(xiàn)法進(jìn)行估算，計(jì)算公式為：

(5)

其中R=8.314 J/(mol-1·K)，A=∑niai，B=∑niai，D=∑nidi

2 結(jié)果

采用公式(1)計(jì)算得各物質(zhì)的焓值和熵值見表1。

表1 在298.15 K下各物質(zhì)反應(yīng)中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)Tab. 1 The thermodynamic data of substances in the reaction under 298.15 K

*為根據(jù)對應(yīng)狀態(tài)法(CSGC法)公式估算的結(jié)果(L)=1.4×Cp(L)[11]

合成阿司匹林反應(yīng)的各物質(zhì)的基團(tuán)拆分以及對熱力學(xué)函數(shù)的貢獻(xiàn)值結(jié)果見表2。

表2 各物質(zhì)含基團(tuán)數(shù)和各種基團(tuán)對和CP,m的貢獻(xiàn)值[12-16]Tab. 2 Contribution value of substance containing group number and various groups contribution to and CP,m

2.2 液態(tài)反應(yīng)體系焓值的估算

各物質(zhì)拆分后費(fèi)多斯基團(tuán)貢獻(xiàn)值見表3。

表3 各物質(zhì)的費(fèi)多斯基團(tuán)貢獻(xiàn)值Tab. 3 Contribution values of Fedors’ groups in substances

根據(jù)公式(5)計(jì)算得各物質(zhì)的氣化焓，由此根據(jù)公式(4)計(jì)算出各物質(zhì)的估算焓值并與文獻(xiàn)測定值比較見表4。表4結(jié)果表明，各物質(zhì)的熱力學(xué)函數(shù)估算值與文獻(xiàn)值誤差均小于2%，說明本次的估算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

表4 各物質(zhì)的氣化焓及估算焓值、熵值與文獻(xiàn)值的比較Tab.4 Comparison of some vaporization enthalpy and enthalpy, entropy estimation with literature values

2.3 各溫度下液態(tài)反應(yīng)體系各物質(zhì)熱容的估算 乙酸酐熱容采用Missenard基團(tuán)法進(jìn)行估算，其所有基團(tuán)貢獻(xiàn)值見表5。

表5 液態(tài)乙酸酐各基團(tuán)熱容貢獻(xiàn)值[10]Tab.5 Heat capacity contribution values of liquid acetic anhydride groups

根據(jù)多項(xiàng)式擬合得到乙酸酐熱容與溫度的關(guān)系式公式：

CP,m=170.1-0.0282×T+0.0004×T2

(6)

水楊酸液態(tài)熱容的計(jì)算采用Rùzicka-Domalski基團(tuán)貢獻(xiàn)法進(jìn)行估算，計(jì)算公式為：

(7)

其中R=8.314 J/(mol·K)，A=∑niai，B=∑nibi，D=∑nidi水楊酸各基團(tuán)值。

根據(jù)此數(shù)據(jù)計(jì)算出公式(6)中的a、b、d值，得到水楊酸熱容與溫度的關(guān)系式，即：

(8)

乙酸熱容估算采用Rozicka-Domalski法進(jìn)行估算其公式為：

CP=8.314×[∑niai+(∑nibi)T+(∑nidi)T2]

(9)

根據(jù)文獻(xiàn)查得水楊酸和乙酸各基團(tuán)值見表6。

表6 液態(tài)水楊酸和乙酸各基團(tuán)熱容貢獻(xiàn)值[10]Tab. 6 Heat capacity contribution value of liquid salicylic acid and acetic groups

將表6中的數(shù)據(jù)代入公式(9)可得出的乙酸熱容與溫度的關(guān)系式，即公式：

=45.762+0.2429T+4×10-5T2

(10)

由于阿司匹林個(gè)別基團(tuán)的熱容貢獻(xiàn)值查找不完整，故只好引用文獻(xiàn)[10]的公式：

CP，m=176.65+90.192X-5.2548X2+15.951X3+19.086X4

(11)

根據(jù)以上公式計(jì)算出反應(yīng)物和產(chǎn)物的熱容隨溫度變化數(shù)值見表7。

表7 反應(yīng)中各物質(zhì)在不同溫度下的熱容數(shù)據(jù)Tab. 7 Reaction heat capacity data of different substances in different temperature

2.4 酯化反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算

2.4.1 反應(yīng)焓變和吉布斯自由能的計(jì)算：水楊酸與乙酸酐合成阿司匹林反應(yīng)的焓變和熵變的計(jì)算過程如下：

(12)

(13)

由于無法估算水楊酸的熵值，則采用文獻(xiàn)值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)表4的數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算得到該合成反應(yīng)的反應(yīng)焓變和熵變：

該反應(yīng)的熱容ΔCp,m為：

ΔCp,m=∑niCp,m,i

(14)

再根據(jù)以下公式計(jì)算:

(15)

(16)

(17)

Kθ=exp(-ΔG/RT)

(18)

得該反應(yīng)的焓變、熵變和吉布斯自由能變結(jié)果見表8。

表8 反應(yīng)的焓變、熵變及吉布斯自由能變隨溫度變化表Tab. 8 The reaction enthalpy, entropy and Gibbs free energy change with the change of temperature meter

2.4.2 反應(yīng)平衡常數(shù)和轉(zhuǎn)化率的計(jì)算：現(xiàn)假設(shè)反應(yīng)物水楊酸和乙酸酐的摩爾比(酐酸比)為r，阿司匹林的轉(zhuǎn)化率為η，根據(jù)平衡關(guān)系可得到：

(19)

根據(jù)(18)(19)兩式計(jì)算得到本反應(yīng)平衡常數(shù)和平衡時(shí)轉(zhuǎn)化率隨溫度變化，見表9。由表9可知：隨著反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)的平衡常數(shù)和轉(zhuǎn)化率逐漸減小，與提高溫度不利于放熱反應(yīng)進(jìn)行的結(jié)論一致。表10可知：當(dāng)增加酐酸比時(shí)，平衡時(shí)的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率增大，在酐酸比為2和3時(shí)轉(zhuǎn)化率的提升特別明顯；在酐酸比為1和2以及3和4之間時(shí)轉(zhuǎn)化率增加較為緩慢；說明：當(dāng)反應(yīng)的酐酸比達(dá)到3以后，繼續(xù)增加酐酸比，轉(zhuǎn)化率提高得不明顯，而造成生產(chǎn)成本增加。因此，選取酐酸比為3較適宜。

表9 平衡常數(shù)隨溫度變化表Tab.9 Equilibrium constants with temperature change table

表10 轉(zhuǎn)化率隨酐酸比變化表Tab. 10 Conversion rate with anhydride acid ratio change table

3 結(jié)論

以Benson基團(tuán)貢獻(xiàn)法、Joback基團(tuán)貢獻(xiàn)法為主，其他基團(tuán)貢獻(xiàn)為輔，估算三聚磷酸鋁催化水楊酸與乙酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)生成阿司匹林的相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：在298.15～358.15 K的溫度區(qū)間，該反應(yīng)的焓變小于零，為放熱反應(yīng)，溫度的升高不利于反應(yīng)的進(jìn)行。

在計(jì)算溫度范圍內(nèi)提高反應(yīng)的酐酸比，有利于增大平衡的轉(zhuǎn)化率，當(dāng)酐酸比為3時(shí)，理論轉(zhuǎn)化率可達(dá)99.58%，如果酐酸比到達(dá)一定程度后，繼續(xù)增大酐酸比對反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率影響不大，反而會增加成本。

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(編校：王冬梅)

Thermodynamic analysis for synthesis of aspirin catalyzed by aluminum tripolyphosphate

XIE Wei1,WANG Jing2,HUANG Zeng-wei2,WEI Dong-ping2,YUAN Ai-qun2Δ,MA Shao-mei2

(1.Guangxi Vocational & Technical Institute of Industry, Nanning 530001, China; 2.College of Chemistry and Ecological Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China)

ObjectiveTo explore the feasibility using aluminum tripolyphosphate as the synthesis of aspirin model instead of sulfuric acid catalyst.MethodsThe thermodynamic functions of the reaction system of salicylic acid and acetic anhydride were calculated according to the Benson group contribution method and Joback group contribution method. The enthalpy change，entropy and Gibbs free energy along with the change of temperature as well as the influence of the molar rate of reactants on the equilibrium conversation rate were also studied.ResultsIn the temperature range of 298.15 K to 358.15 K，the reaction enthalpy was less than zero，and was exothermic reaction，and increase of temperature was not conducive to the reaction. The improvement of mole ratio of salicylic acid and acetic anhydride was helpful to improve the equilibrium conversation rate. The theoretical conversion rate could reach 99.58% when the mole ratio of salicylic acid and acetic anhydride was 3.ConclusionFrom the viewpoint of thermodynamics, the reaction is practical and feasible.

thermodynamic analysis;aluminum tripolyphosphate;aspirin;salicylic; acetic anhydride

廣西教育廳科研項(xiàng)目基金(2013YB105，200103YB041)，廣西工業(yè)院科研項(xiàng)目基金(2014056005)

謝威，男，本科，副教授，研究方向：天然產(chǎn)物化學(xué)的教學(xué)和科學(xué)研究；E-mail：gxgyxyxw@sina.com；袁愛群，通訊作者，女，博士，教授，研究方向：材料化學(xué)的研究，E-mail：aiqunyuan1999@sina.com。

TQ35

A

1005-1678(2015)03-0169-03