乙酰水杨酸绿色合成实验新方法研究

康永锋;马晨晨;裴蓉

【摘 要】The method of synthesis of acetylsaicylic acid was improved for students ’organic chemistry experimental teaching on the guide of green chemistry concept.Acetylsaicylic acid is synthesized under microwave radiation in tube using iodine/silica composite(I2/SiO2 )as catalys.Effects of molar ratio of acetic acid anhydride to salicylic acid,catalys dosage,microwave radiation power and time on productivity of

acetylsalicylic acid are discussed through the single factor experiment,and then the optimal reaction conditions are determined by orthogonal test.Compared with the traditional method,taking the concentrated sulfuric acid as catalys,the main advances of this methodology are short reaction time,high yield,convenient manipulation, small hazard and eco-friendly environment.%根据绿色化学理念，对乙酰水杨酸的合成实验方法进行了改进和优化。以硅胶负载碘(I2/SiO2)为催化剂，试管为反应容器，通过微波辐射加热合成了乙酰水杨酸。通过单因素试验考察乙酸酐/水杨酸比例、催化剂用量、微波功率、辐射时间对乙酰水杨酸产率的影响，并通过正交试验确立了最佳的实验条件。与传统的浓硫酸催化法实验相比较，该法反应时间短、产率高、操作简单、危险性小、环境友好。

【期刊名称】《实验技术与管理》 【年(卷),期】2016(033)010 【总页数】4页(P41-44)

【关键词】乙酸水杨酸;硅胶负载碘催化剂;微波加热;绿色合成 【作 者】康永锋;马晨晨;裴蓉

【作者单位】上海海洋大学 食品学院，上海 201306; 上海海洋大学 海洋科学研究院，上海 201306;上海海洋大学 食品学院，上海 201306;上海海洋大学 食品学院，上海 201306 【正文语种】中 文

【中图分类】O6-3;G2.0

乙酰水杨酸(aspirin)是临床常用的解热镇痛、抗风湿、治疗和预防心脑血管等疾病的药物。随着研究人员对其持续深入的研究,还不断有新的用途被发现[1]。在有机化学实验中,乙酰水杨酸的合成主要分为合成、纯化和表征三步,即酚羟基的乙酰化反应、产物的重结晶和测熔点等操作,所以该反应被许多大学选为有机化学实验教学项目[2]。经典的以浓硫酸作催化剂合成乙酰水杨酸的方法,存在反应速度慢、乙酸酐用量大和副反应多等缺点,使用浓酸还使设备腐蚀严重,学生操作危险,后处理产生大量的酸性废水造成环境污染。因此对化学实验进行绿色化改造,开发新型无污染催化剂以及绿色合成技术已成为师生共同关注的问题。也有以其他试剂如无机氧化物和盐类、固体超强酸、杂多酸、分子筛等作催化剂的报道,此类催化剂各有优缺点[3-14]。文献[15]报道在酯化等反应中使用单质碘作催化剂。碘作为催化剂,价廉易得,绿色无污染。用硅胶负载碘做催化剂,微波辅助合成乙酰水杨酸未见文献报道。本文采用硅胶负载碘做催化剂,将微波辅助技术和绿色化学理念用于乙酰水杨酸的合成,结合产物的分离、纯化和分析表征,设计了新型的综合有机化学实验。和传统方法相比,新型合成实验催化剂新颖,运用了微波合成新技术,具有反应时间短、产率高、能耗和物耗低及绿色环保等特点。

1.1 实验原理

水杨酸是具有酚羟基和羧基的双官能团化合物,羟基和羧基都可发生酯化反应。乙酸酐过量时主要发生乙酰化反应,生成乙酰水杨酸。反应方程式如下:

水杨酸的分子内氢键使羟基的活性降低,故在酰化时需加入催化剂,从而促进乙酰化的进行。

水杨酸有一个酚羟基,可与三氯化铁形成深色络合物,乙酰水杨酸中的酚羟基已被酰化不再发生颜色反应。故可用三氯化铁检验提纯效果。 1.2 试剂与仪器

试剂:水杨酸、乙酸酐、碘和硅胶等均为分析纯试剂；95%乙醇、1%三氯化铁溶液等试剂为化学纯试剂；蒸馏水。

仪器:XH-MC-1微波合成仪,移液、HCJ-2B恒温水浴,DHG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱,SHZ-95B型循环水式真空泵,数字熔点测定仪,Nicolet iS10傅里叶变换红外光谱仪,分析天平,温度计、量筒、电子天平、抽滤瓶等。 1.3 实验步骤

1.3.1 硅胶负载碘(I2/SiO2)催化剂的制备

称取0.25 g的碘粒和0.75 g的已烘干的硅胶,放在研钵里进行研磨,待均匀后放入棕色瓶中保存。通过自制催化剂,学生可以学习到此类固体负载催化剂的基本知识和制备方法。

1.3.2 乙酰水杨酸合成方法

准确称取水杨酸2 g(14 mmol)和硅胶负载碘催化剂0.018 g (单质碘为0.28 mmol)置于干燥的试管中,用移液准确吸取乙酸酐2.65 mL(28 mmol)加入放有水杨酸的试管中；然后缓慢放入磁子,装好测温热电偶,将试管放入烧杯中,放入微波合成仪,开启搅拌；设定微波功率300 W、反应时间15 min和温度80 ℃,开始反应；反应结束后,把反应试管取出,放入冰浴中冷却；等有大量乙酸水杨酸结晶析出,

抽滤,用10 mL冷蒸馏水分两次洗涤晶体,抽干即得到粗产品。 1.3.3 乙酰水杨酸的重结晶

在100 mL烧杯中将粗产品溶于5 mL的95%的乙醇中,60 ℃水浴加热溶解,过滤,除去催化剂和不溶物；缓慢加入蒸馏水,边加边摇,直至有白色浑浊出现,加热溶解；然后静置降温,冰浴冷却到有大量晶体析出；抽滤,用滤液将烧杯中晶体全部转移至布氏漏斗中,抽干；用10 mL水-乙醇混合液(V水∶V乙醇=4∶1)分两次润洗晶体,抽干即得到重结晶产品；称量并计算产率；用0.1%三氯化铁溶液检查纯品中是否有水杨酸。

1.3.4 乙酰水杨酸的表征

用数字熔点测定仪进行熔点测定；用傅里叶变换红外光谱仪测定红外谱图,并与标准谱图对比；测定1H NMR谱,并进行解析。 2.1 单因素实验

在固定其他反应条件不变情况下,分别改变原料配比、微波功率P、反应时间t和催化剂质量m,实验得到的各因素对反应产率η的影响见图1—图4。

单因素实验结果表明,当乙酸酐与水杨酸物质的量n比为3∶1、微波功率为300 W、反应时间为15 min、催化剂质量为18 mg时反应产率分别达到最高值。 2.2 正交试验优化反应条件

采用正交试验进一步优化合成工艺条件。根据单因素实验结果和正交表L9(34)的设计实验,实验影响因素和水平表见表1。实验结果及极差分析见表2。

由表2结果可知,各因素对乙酰水杨酸合成工艺的影响程度:催化剂用量影响最为显著,反应时间和原料配比影响为其次,微波功率影响最小。通过比较表2中得出的k1、k2、k3和R,可得出合成乙酰水杨酸最佳实验条件为:A1B2C2D2,即n(水杨酸)∶n(乙酸酐)=1∶2,微波功率为300 W,反应时间为15 min,催化剂用量为0.018 g。

2.3 验证实验

根据最佳反应条件得到的实验结果见表3(m′为重结晶质量),产率达到85%。 2.4 乙酰水杨酸的表征

合成的乙酰水杨酸产品为白色针状晶体,质量为2.15 g,产率为85%。结构表征结果如下:

(1) 熔点:用数字熔点仪测试其熔点为134～136 ℃,与文献值相符。

(2) 红外光谱分析:用KBr压片法测得红外光谱(IR)见图5(图中σ为波数，T为透过率)，其中：σ:2 500～3 300 cm-1(—COOH)； 1 753 cm-1(酯CO),1 6 cm-1(羧酸CO)；1 605、1 575、1 483 cm-1 (苯环CC)；1 306、1 187 cm-1(羧酸和酯C—O)；755 cm-1(Ar—H)，与标准图谱吸收峰位置一致。

(3) 核磁共振氢谱分析:1H NMR(CDC13,400 MHz)谱图见图6。δ:2.35(s,3H,—CH3),7.13～7.15(m,1H,Ar—H),7.36(m,1H,Ar—H),7.62～7.63(m,1H,Ar—H),8.11～8.13(m,1H,Ar—H)。

(4) 纯度检验:用1%三氯化铁溶液检验产物,结果是溶液不发生显色反应,说明产品纯度较好。

(1) 通过自制环境友好的新型催化剂,采用微波辅助合成技术,将乙酰水杨酸合成实验进行了绿色化改进。通过单因素实验和正交试验,得到合成乙酰水杨酸最佳实验条件为:水杨酸2 g(14 mmol),乙酸酐2.65 mL(28 mmol),微波功率为300 W,反应时间为15 min,催化剂用量为0.018 g,反应温度采用80 ℃。 在此条件下,按照实验方法合成的乙酰水杨酸产品为白色针状晶体,质量为2.15 g,产率为85%，对产物进行了熔点、IR、1H NMR等表征，表征结果较好。

(2) 通过自制绿色无污染催化剂,学生可以学习到此类固体负载催化剂的基本知识和制备方法,提高了动手能力,增加了学生的学习兴趣。采用微波辅助合成技术,学生了解和运用了有机合成领域的前沿新技术新方法,开阔了视野。采用玻璃试管代替传

统的圆底烧瓶,可以启发学生,多动脑筋；而且一台微波合成仪可同时进行多个实验,提高了利用率,解决了微波合成仪台套数的,节约了时间。

(3) 学生可以自己动手测定熔点、IR谱图,进行纯度检验,1H NMR可由教师测定谱图提供给学生。教师指导学生进行谱图解析,并与文献数据进行比对分析。在实验教学中,除了使用IR、NMR进行产物表征外,也可以同时或单独采用其他方法进行定性表征。比如采用薄层色谱,让学生将产物、水杨酸、乙酰水杨酸标准品点样在同一块硅胶板上进行展开,通过Rf(比移值)值进行比较,学会薄层色谱方法。本实验作为绿色合成实验,适合有机化学实验教学。

【相关文献】

[1] 邱鹏,卜艳鑫,续京.反溶剂重结晶法制备微细乙酰水杨酸粉体工艺优化[J].湖北农业科学,2013(18):44-4491.

[2] 黄祖良,李振中.乙酰水杨酸合成的微型化和探索性实验的设计与实践[J].右江民族医学院学报,2009(1):118-119.

[3] 文瑞明,刘长辉,游沛清，等.阿司匹林合成的研究进展[J].长沙大学学报,2009,23(5):30-33. [4] 赵仑,唐栋,王晓菊,等.稀土氯化物催化合成乙酰水杨酸[J].长春师范学院学报：自然科学版,2008(12):46-48.

[5] 林沛和.吡啶催化合成乙酰水杨酸的研究[J].化工中间体,2006(9):18-19,25.

[6] 王荣,程银芳.二氧化硅负载硅钨钼酸催化合成乙酰水杨酸[J].化工中间体,2013(8):16-19. [7] 张存,吴过,潘小玉,等.改性WO3/ZrO2固体超强酸催化合成乙酰水杨酸[J].四川大学学报：工程科学版,2013(2):136-141.

[8] 刘鸿,黄华.微波辐射分子筛催化合成乙酰水杨酸的研究[J].精细化工中间体,2007(4):27-28,55. [9] 安从俊,徐帅,刘东.微波合成乙酰水杨酸及其反应动力学分析[J].化学与生物工程,2014(11):45-48. [10] 农容丰,农克良,蒋海潮,等.微波法合成乙酰水杨酸[J].南宁师范高等专科学校学报,2004(2):90-93.

[11] 郝红英,侯巧芝,周芳,等.Na2CO3催化微波合成乙酰水杨酸的研究[J].安徽农业科学,2013(28):11251-11252.

[12] 郝红英,侯巧芝,肖培杰,等.苯甲酸钠微波催化合成乙酰水杨酸的研究[J].安徽农业科学,2014(22):7441-7442.

[13] 施小宁,赵素瑞,吴巧玲.超声辐射分子碘催化乙酰水杨酸的合成研究[J].天水师范学院学报,2008(2):60-61.

[14] 原方圆,邵红兵,董丽花.碘催化合成乙酰水杨酸[J].精细与专用化学品,2008(10):26-27. [15] 王宏社,苗建英,赵立芳.碘作为催化剂在有机合成中的应用[J].有机化学,2005,25(6):615-618.