苯甲酸正丁酯制备的教学实验研究

刁开盛

(广西民族大学化学与生态工程学院，广西 南宁 530006)

苯甲酸正丁酯制备的教学实验研究

刁开盛

(广西民族大学化学与生态工程学院，广西 南宁 530006)

考察由苯甲酸与正丁醇进行酯化的反应用于有机实验教学案例的可行性，探讨了催化剂用量、原料配比和反应时间对产品收率的影响，同时对工艺条件的重现性和催化剂的反复使用性能进行考察，结果表明，该实验方案时间短且操作简单，满足有机化学实验教学的要求，完全可用于代替苯甲酸乙酯的制备实验。

苯甲酸正丁酯；制备；教学实验

有机化学实验课本中，将苯甲酸乙酯列为酯化反应中的一个教学实验案例。在实际教学过程中发现，该实验时间偏长，已经不适合目前精减教学时数的大趋势要求，有必要找一个反应时间较短而又能达到同样实验教学要求的替代实验案例。另一方面，实验课本的制备方法是在浓硫酸存在下由苯甲酸和乙醇酯化而成，虽然该法工艺路线成熟，但所用浓硫酸对设备腐蚀严重，而且副反应多，后处理麻烦，易造成环境污染。

将强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂用于催化苯甲酸正丁酯的酯化反应,取得很好的效果，由于该催化剂与反应体系易分离，便宜易得，又能反复利用，简化了后处理工艺，消除了对设备的腐蚀以及对环境的污染，具有良好研究意义和应用前景。所用的市售强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂价格低廉，容易购买，对酯化反应有较好的催化效果，不用进行复杂的制备处理过程，而且反应时间较实验课本中苯甲酸乙酯制备时间缩短一半以上，完全达到教学实验的操作训练效果，适合用于代替酯化反应中苯甲酸乙酯制备的教学实验案例。

1 实验

1.1 主要试剂与仪器

ZWAJ型阿贝折射仪，Magua Nicolet 550(II)型傅立叶变换红外光谱仪，SXCL-3型数显加热磁力搅拌器、标准磨口有机合成制备玻璃仪器，分水器

苯甲酸（AR），正丁醇（AR），强酸性苯乙烯系阳离子树脂，10%碳酸钠溶液，无水硫酸镁

1.2 实验安排及结果分析

实验按4因子3水平正交法进行（因子水平安排及结果见表 1）。用酸化后的强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂为催化剂，在150mL圆底烧瓶中，加入6.1g（0.05mol）苯甲酸和相应比例的正丁醇，装上回流冷凝分水装置（分水器中预先装满正丁醇），加热磁搅拌回流反应一定时间。冷却后，简单过滤回收阳离子树脂催化剂，滤液倒入分液漏斗，用适

量10%碳酸钠溶液洗涤2～3次，直至有机相对PH试纸呈碱性为止，以除尽未完全反应的苯甲酸，然后用蒸馏水洗涤至中性，所得有机层转移入干燥的锥形瓶，用无水硫酸镁干燥。将干燥后的粗产物滤入50mL蒸馏瓶中，在140℃以下蒸馏除去正丁醇等低沸点物质得到苯甲酸正丁酯，然后再蒸馏收集240-242℃/100.7KPa的馏分进行产品测定。

表1 正交实验结果直观分析表

从表1的直观分析结果来看，三因素对反应产率影响程度为：C>A>B，即反应时间对产率影响最显著，而醇酸比和催化剂用量影响相对小些。正交试验得到的优化条件为A1B1C3。按酯收率为考察指标，正交实验结果分析得出优化条件为n（正丁醇）∶n（苯甲酸酸）=2∶1，强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂 7g，反应时间90min。

将实验结果进行方差分析（见表 2），结果表明时间对反应指标影响显著，而醇酸比和催化剂用量的影响不显著，方差分析所得的因子影响显著性结论与正交实验的直观分析结果（见表 1）一致。根据实验结果，由显著因子效应算得优化条件下的最优工程平均为Υ优=89.16，变动半径d0.05=5.34。而按最优工程条件实验，理论上变动范围为Υ优±d，所以，实验最优条件变动范围Y(1-0.05%)在83.82～94.50之间，实验结果落在本变动范围之内皆算正常值。

表2 正交实验结果的方差分析

2 结果与讨论

2.1 反应时间的确定

为了确定对反应指标有显著影响的反应时间，根据正交实验得到的优化条件，先固定影响不显著因子醇酸比和催化剂用量。按1.2步骤进行酯化反应，结果如表3，时间单项实验发现反应60min所得到的酯产率已达80%以上，由于时间短反应不完全，时间太长附反应产物增多，所以用于有机教学实验选60min反应时间为宜。总反应时间比教材苯甲酸乙酯制备实验减少60min钟以上。

表3 反应时间对酯化产率的影响

2.2 酸醇配比确定

改变苯甲酸和正丁醇的摩尔配比进行单项实验，按 1.2步骤进行酯化反应所得的结果如表 4，表明等量的醇酸配比所得的酯产率最低，当正丁醇对苯甲酸过量1.5～2倍时产率最高，所以选取 n（正丁醇）∶n（苯甲酸）的物质的量比为 1.5～2∶1 mol。

表4 正丁醇和苯甲酸不同配比对酯化产率的影响

2.3 强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂用量的确定

为了确定强酸性阳离子树脂最佳用量，将前面系列试验确定的最佳苯甲酸和正丁醇配比（1∶1.5）、反应时间60min不变，改变强酸性苯乙烯系阳离子树脂用量，按1.2步骤进行酯化反应，结果如表 5。强酸性阳离子交换树脂催化剂用量超过3g后，反应产率已经达到80%以上，再增加催化剂用量对提高酯产率已经不那么明显。从经济环保的角度考虑，选取阳离子树脂催化剂的教学实验案例最佳量为3g。

表5 树脂催化剂用量对酯化产率的影响

2.4 反应工艺条件重现性实验及催化剂反复多次使用性能考察

为了考察工艺条件的重现性和催化剂反复使用性能，前面系列试验确定的最佳工艺条件不变，反应完成后将过滤出来的强酸性苯乙烯系阳离子树脂用少量乙醚洗涤，稍干燥后加入反应装置再次进行催化酯化反应，如此多次反复利用，所得结果如表6。所得的苯甲酸正丁酯的平均产率为83.93%，多次重复实验结果都落在实验最优条件变动范围Y(1-0.05%)=83.82～94.50之间，说明所确定的反应工艺条件具有重现性，而催化剂多次反复利用进行酯化反应所得的产率并没有明显降低，表明催化剂可以多次重复使用。

表6 反应工艺条件重现性实验结果

3 产品的鉴定

合成的苯甲酸正丁酯为澄清透明的油状液体，微带水果香味。测定沸点为240~244℃(与文献[6]值241.5℃)。测定折射率n20

D1.4970~1.4993(与文献[1]值n20D1.4980)。红外光谱IR (KBr)显示下列主要吸收峰(cm-1)：碳氢键3 050，2941，酯羰基1720，1610，1471，酯中C—O—C键1270，1120，芳环上的碳碳键690，无羟基吸收峰，红外测试结果与标准谱图基本相符，说明产品纯度较高。

4 结论

实验确定强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂催化苯甲酸和正丁醇进行酯化反应，实验的最佳工艺条件为：强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂催化剂用量3g，反应物的物质的量比n（正丁醇）∶n（苯甲酸）=1.5～2∶1 mol，反应时间 60min，平均产率80%以上。反应的重现性和催化剂的重复利用率都很好，说明合成工艺条件成熟，适合教学实验的要求。

制备实验所用反应时间比实验教材中苯甲酸乙酯的教学实验案例大为缩短，同样使用回流分水反应装置，对实验操作方法和技术的要求与苯甲酸乙酯的教学实验案例一致，完全满足教学实验的操作训练效果，适合用于代替酯化反应中苯甲酸乙酯制备的教学实验案例。

实验采用空气冷凝管进行蒸馏，结合前面所学普通蒸馏常用直型冷凝管，将使学生对不同沸点范围的液体蒸馏装置有更加直观的认识，通过实验学生能掌握高沸点液体的蒸馏方法。加热采用砂浴加热，使学生在实验中能掌握一种高温间接加热的方法。这两个操作是苯甲酸乙酯制备的教学实验案例中所没有的，丰富了学生的实验操作技术。

制备实验不用浓硫酸，能减少副反应发生，也降低了后处理过程产物分解损失，有利于提高酯化反应产率。所用的阳离子树脂催化剂价格低廉，容易买到，反应条件温和，反应时间短，产率高。催化剂和反应产物易分离，并可反复使用，是催化酯化制备苯甲酸正丁酯的良好催化剂。这些特点使得该实验更加适合用于教学实验。

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[6] 许戈林,李布青.合成香料产品技术书册[M].北京:中国商业出版社,1996:354.

Study on the teaching preparation experiment of n-butyl Benzoate

Diao Kai-sheng
(College of Chemistry and Ecological Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530008, China)

This paper describes a preparation experiment of n-butyl benzoate from benzoic acid and n-butanol, and its feasibility using in organic teaching experiment. The effect of factors on the reaction was examined and the optimized condition was established. The experimental reproducibility of process conditions and the reutilization of catalysis involved were tested. Optimum conditions are as follows: n(n-butanol):n(benzoic acid)=1.5～2:1; the optimal dosages of strong-acid-type cation-exchange-resin of styrene, 3g; the reaction time, 60 min; and its average yield, over 80%. This preparation experiment meets the organic teaching experiment and can completely replace the preparation experiment of ethyl benzoate because its shorter reaction time and easy operation.

n-butyl benzoate; preparation；teaching experiment

G642.423

A

1008-1151(2011)08-0199-02

2011-05-11

广西壮族自治区基础化学实验教学示范中心建设项目教改专项课题（NO：Y17）

刁开盛（1968－），男，广西玉林人，广西民族大学化学与生态工程学院副教授，研究方向为化学教学与天然有机合成。