固体超强酸的制备及乙酸正丁酯的合成与表征

实验82　固体超强酸的制备及乙酸正丁酯的合成与表征

实验目的

了解固体酸催化剂的一般制备方法和在有机合成中的应用；巩固晶体结构、酯化反应、高温固相合成等知识及化学实验单元操作的基本技能；学习气相色谱，巩固X射线粉末衍射等近代测试仪器的使用方法；加强环保意识，认识绿色化学合成手段在化工生产中应用的重要性与必要性。

实验原理

ZrO₂分别经过硫酸、钼酸铵溶液浸泡，于400～700℃下灼烧，得到具有较高活性的固体超强酸催化剂。在丁醇和乙酸的酯化反应中，用制备的催化剂代替浓硫酸来催化反应。酯化反应结束后，产物乙酸正丁酯经蒸馏与反应系统分离，产物纯度高，没有废液排放，催化剂可反复使用。

产物经103型气相色谱仪进行色谱分析（关于氢火焰色谱分析的操作参考有关色谱分析书籍），鉴定产物纯度，计算产率。

实验用品

仪器　烧杯（100mL）；圆底烧瓶（100mL）；水分离器（10mL）；蒸馏头；球形冷凝器；直形冷凝器；接收管；锥形瓶（50mL）；布氏漏斗；抽滤瓶；量筒（50mL，10mL）；电热套或煤气灯；坩埚；台秤；103型气相色谱仪（公用）等。

试剂　ZrO₂（s）；冰醋酸；丁醇；硫酸（1mol·L^－1）；钼酸铵（0.5mol·L^－1）等。ZrO₂为工业品，其余均为分析纯试剂。

实验步骤

1.固体超强酸催化剂的制备

用台秤称取5g ZrO₂·nH₂O，倾入装有75mL 1mol·L^－1 H₂SO₄溶液的100mL烧杯中，浸泡24h。真空过滤，滤液倒入废酸回收容器内，滤饼再用10mL 0.5mol·L^－1钼酸铵溶液浸泡24h，真空过滤，滤液倒入专用回收瓶，滤饼置于烘箱中，110℃烘2h，再置于马弗炉内600℃灼烧3h，待马弗炉自然冷却后取出，粉碎，备用（请自学产物的鉴定知识）。

2.乙酸正丁酯的制备

在装有电热套（或用煤气灯加热）的100mL圆底烧瓶中，加入1g上述制备好的催化剂，25mL正丁醇，14.3mL冰醋酸，几粒沸石，装上水分离器及球形回流冷凝器，开启冷却水。当烧瓶内液体沸腾，冷凝器有回流液滴下时，调节热源，使回流速度正常。1h后，在水分离器中可以看到反应生成的水出现。待基本没有水滴下时（需3～4h），将仪器由回流装置改为简单蒸馏装置，收集124～126℃馏分，用作气相色谱分析。低沸点馏分及残液倒入回收瓶，固体催化剂可循环使用。

3.产品的气相色谱分析

用103型气相色谱仪，氢火焰离子化检测器对产品进行分析，具体操作条件如下。

进样器温度：180℃ 载气流量（N₂）：35mL·min^－1

氢火焰检测器温度：140℃空气流量：250mL·min^－1

柱箱温度：60℃氢气流量：110mL·min^－1

衰减：1/4灵敏度：10⁶

记录仪走纸速度：4mm·min^－1进样量：0.6μL

记录仪量程：1mV

纯乙酸正丁酯为无色液体，沸点为126.5℃，为0.8825，为1.3941。乙酸正丁酯的红外光谱如图5－43所示。

图5－43　乙酸正丁酯的红外光谱图

思考题

比较固体超强酸和浓硫酸催化剂催化酯化反应的优缺点。