中学有机化学实验中乙酸乙酯的制备方法改进探索

李翀宇，钟文*



中学有机化学实验中乙酸乙酯的制备方法改进探索

李翀宇，钟文*

(湖南省长沙市第一中学，湖南长沙，410005)

本文对中学有机化学教材中有关乙酸乙酯制备方法中存在的系列问题进行了改进。改进后实验条件得到优化，提高了产品的产率和纯度。同时实验改进后，一方面增强了实验的安全性，另一方面减少了环境污染，实现了实验的绿色化，提高了广大师生的环保意识；

乙酸乙酯；制备方法；绿色化

引言

乙酸乙酯又称醋酸乙酯，是无色透明具有刺激性气味的液体，具有优异的溶解性、快干性，是一种非常重要的有机化工原料和极好的工业溶剂，被广泛用于醋酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶、乙烯树脂、乙酸纤维树酯、合成橡胶、涂料及油漆等的生产过程中。通常所说的陈酒很好喝，就是因为酒中含有乙酸乙酯，而乙酸乙酯所具有的果香味是由于酒中含有少量乙酸。乙酸乙酯的制备实验是高中基础有机化学[1-2]和大学有机化学实验[3-4]中重要的内容之一，对于乙酸乙酯的合成方法很多，最常见的是在酸催化下由乙醇和乙酸直接醋化[5-6]。课程教材开发研究中心编著《化学－有机化学基础》以及陈长东编著《考点同步解读－高中化学》中有关乙酸乙酯的制备, 其实验方案是在封闭体系中利用浓硫酸作为催化剂，乙酸与乙醇直接加热生成乙酸乙酯，仪器装置如图1所示。

图1 制备乙酸乙酯原始装置图

按该装置制备乙酸乙酯时发现存在以下问题：

（1）对于实验过程中的蒸馏问题：该装置体现为一边反应，一边蒸出生成物，从物质的基本物理性质和化学性质可知，乙醇和乙酸乙酯的沸点分别为：78.5℃和77.1℃，如果实验蒸馏过程中考虑产品的纯度及产率的话，此装置过于简单，存在明显的缺陷，由于两者的沸点差不到1℃，且乙酸乙酯与两种反应物易形成共沸物，在蒸馏乙酸乙酯的过程中，大量没有反应的乙醇也随之一并蒸馏出来，不利于反应的进行，产品的纯度及产率将大幅度下降。

（2）对于实验过程中的冷凝问题：实验过程中的冷凝装置过于简陋，我们知道乙酸乙酯的沸点只有77.1℃，没有超过140℃，不宜采用空气冷凝，一般使用带冷凝液的回流装置，否则很难接受到产品。

（3）对于实验中温度控制的问题：众所周知，乙醇在浓硫酸的作用下，不同条件可能会有不同的物质生成，温度到达125℃左右将会有大量的乙醚生成，温度高达170℃时则可能生成大量的乙烯，因此反应过程中必须严格控制温度，而此装置只有一个简单的加热，反应难以控制。

（4）对于实验过程中的加热问题：有机物质尤其是溶剂均具有易燃易爆等特征，因此反应过程中尽可能的避免有明火的出现，而此实验装置为酒精灯加热，易挥发的乙酸乙酯，乙醇遇火可能引起整个装置燃烧，加之中学生又常因做实验的经验不足而引发安全事故。

针对以上提出的问题，我们对实验装置了一些改进，见图2所示。改进后的实验提高产品的品质和产率，安全性得到了很好的加强，做到了环保高效。

1 实验仪器装置及内容改进

1.1 实验原理

羧酸与醇或酚在无机或有机强酸催化发生反应生成酯和水，这个过程称为酯化反应。常用的催化剂有浓硫酸，干燥的氯化氢，有机强酸或阳离子交换树脂。在酯化反应中，如果参与反应的羧酸本身就具有足够强的酸性，如甲酸，草酸等，就可以不另加催化剂。

反应总式为：

该反应是一个可逆反应，在酯化反应中，如用等摩尔的有机酸和醇，反应达到平衡后，只能得到理论产量的67%。为了得到较高产量的酯，通常使用过量的酸或醇，促使平衡向产物方向移动，取用哪种物质过量，取决于哪种原料易得和价廉，另外也可采用将反应中生成的酯或水及时从同体系中除去的方法促使反应趋于完成。可通过向反应体系中加入一些能与水形成低沸点共沸物的有机溶剂，如苯，甲苯，氯仿等，通过蒸馏共沸物带出生成的水。

1.2 实验仪器及试剂

仪器：三口烧瓶(50mL)、恒压漏斗(20 mL)、分水器(10 mL)、球型冷凝管，直型冷凝管，锥形瓶(25mL)、分液漏斗(30 mL)，真空尾接管，量筒。

液体药品：无水乙醇(分析纯)、乙酸(分析纯)、浓硫酸(分析纯)，饱和饱和的Ｎa2CO3溶液，饱和NaCl溶液，饱和CaCl２溶液，无水硫酸镁，沸石。

1.3 实验步骤

改进的实验装置图如图2所示。

图2 制备乙酸乙酯改进装置图

（1）主要实验步骤：首先量取10 mL乙醇加入到50 mL的三口烧瓶中，然后量取2.5 mL浓硫酸慢慢加入到装有乙醇的三口烧瓶中，边加边摇匀，冷却，防止局部过热，再量取6 mL冰醋酸置于恒压漏斗内，上口密封，加入几颗沸石，在水分器中加入3~5 mL甲苯，将反应装置按照图2所示进行组建，通冷凝水，慢慢加热反应器，慢慢滴加冰醋酸，当温度接近回流温度，将电热套调压至刚好能够沸腾，维持沸腾温度反应约0.5 h，然后将反应装置改装成蒸馏装置，待反应液蒸馏原来体积的一半时，停止加热。

（2）粗产品成分分析：在蒸馏出来的粗产品中，其成分主要有乙酸乙酯，乙醇，乙酸，乙醚，水及少量的硫酸。

（3）产物的提纯：第一步分液，上述粗产品可分为溶于水和不溶于水两种，因此将两种成分作一个简单的分离；第二步除酸：由于不溶于水的成分中有少量的酸，因此加入一定量的饱和的Ｎa2CO3溶液进行洗涤，以除去残酸；第三步除碱，由于除酸时加入的碱略有过量，因此加入适量的饱和NaCl溶液洗涤；第四步除醇，由于乙醇既溶于水又溶于乙酸乙酯，因此在粗产品中会有残留，加入适量的饱和CaCl２溶液洗涤，以除去极少量的乙醇；第五步干燥，用无水MgSO4以除去微量水；第六步蒸馏，收集73~78℃的馏分，得到较为纯净的乙酸乙酯，称量所得产品质量, 计算产率, 保存产品。

2 结果与讨论

2.1 实验装置的改进

首先，将蒸馏装置改为回流装置，不仅解决了反应不完全的问题，同时以避免因蒸馏而使反应物丧失，降低反应的产率。

其次，将原有装置中的酒精灯加热改为电热套加热，避免因明火的的出现引发安全事故，保障了实验的安全性，同时也便于通过控制加热速度来控制反应的温度，保障实验按目标方向进行。

第三，由于酯化反应为可逆反应，为了提高产率，我们可以通过增加反应物中一种原料的物质的量，加催化剂和减少生成物，在前面两种情况均已考虑到的情况下，减少生成物成了必不可少的一个环节，而原来装置通过蒸馏来实现，在实际的实验过程中有一定的难度，我们采用减少其中一种生成物H2O，因此在原有的改进后的装置中增加一个分水装置—分水器，此仪器可以做到反应进行的同时将H2O通过活塞分离出去，这样既保障了实验的反应环境，又推动了反应朝正反应方向进行，提高了反应的产率。

第四，为了较好的控制反应，我们采用滴加装置和温度计双层控制，将冰HAc滴加到乙醇+浓硫酸的溶液中，由于乙酸乙酯的反应过程首先是乙醇与硫酸反应生成硫酸氢乙酯，再与乙酸反应生成乙酸乙酯，因此采用滴加乙酸的方法可以有效的控制反应速度，同时也能缓解反应体系的温度。通过温度计测定反应液的温度，使反应尽可能的向正反应方向的进行，减少因为局部温度过高生成乙醚和乙烯。

2.2 反应物各物质的量的比例

根据实验原来的设计，反应物各物质的量的比例为：乙醇3 mL(约0.05 moL)，乙酸2 mL(约0.035 moL)，浓硫酸2 mL(约0.04 moL)，这样浓硫酸的比例过高，导致副产物的增加，我们只能得到具有油状，果香味的酯混合物，而得不到纯品，不能确定酯的具体的性状，因为生成的产品量太少以致无法进一步提纯，改进后的实验各物质的量的比例分别为：乙醇10 mL(约0.172 moL)，乙酸6 mL(约0.105 moL)，浓硫酸2.5 mL(约0.047 moL)，降低了具有强氧化性，脱水性的硫酸的含量，减少了副产物的生成，废液含量相应的减少，产率达到95%以上，观察到的实验现象也很清楚，从而既达到了实验目的又获得了环保的效果。

2.3 反应步骤的完善

首先按照原来的实验方案是将反应物一次性投料进行反应，没有让乙醇与硫酸生成硫酸氢乙酯的过程；其次没有温度计控制，导致副产物急剧增加，采用新的装置后我们可以有效的控制反应的方向，同时使反应完全；第三，增加回流既保障了反应的温度，同时也确保了反应时间，提高了反应的转化率；第四，加设分水器，提高了反应的转化率；第五，对于产品的提纯更加完善，经过六步提纯之后产品的品质可以到达非常高的纯度，也可通过进一步的检测来确定产品的纯度，如薄层色谱，元素分析，液相色谱，核磁共振。

3 结束语

与原来的实验装置相比，改进后的新实验装置具有下面的优点:

（1）实验的科学性：实验的基本要求是安全性，可操作性，完整性；改进后的实验用电加热套替代酒精灯，消除了因加热可能会引起的安全事故的发生，同时增加了对实验温度的可控性，符合安全性的要求；采用滴加装置，保障生成的硫酸氢乙酯能及时与醋酸进行反应，提高了实验过程中可操作性；增加了回流及分水装置，提高了反应的转化率，体现了实验的完整性。

（2）操作的合理性和可行性：改进装置后的装置安全性得到了很好的提高，尽管装置较原来的复杂一点，但产品的产率及纯度有了较好的提高，学生的认知更加准确，为以后学习有机合成及有机物的分离奠定良好的基础。

（3）绿色环保性：实验改进后，硫酸的相对用量大大的降低，减少了废液的处理，同时回流及蒸馏装置的使用，避免了反应物和生成物的挥发，减少了对环境的污染。

[1] 人民教育出版社, 课程教材研究所, 化学课程教材开发研究中心编著. 化学－有机化学基础[M]. 北京: 人发教育出版社, 2007.

[2] 陈长东. 考点同步解读－高中化学选修5[M]. 第四版.武汉: 华中师范大学出版社, 2017.

[3] 李英俊, 孙淑琴. 半微量有机化学实验[M]. 第1版. 北京: 化学工业出版社, 2005.

[4] 罗和安. 有机化学实验[M]. 第1版. 北京: 化学工业出版社, 2005.

[5] 白红梅. 乙酸乙酯的制备实验的改进[J]. 玉溪师范学院学报, 1999, (3): 81-83.

[6] 张皓铭, 杨定. 乙酸乙酯的制备实验探究与反思[J]. 科技风, 2015, (18): 42.

Improvement on the Preparation Method of Ethyl Acetate for a Middle School Organic Chemistry Experiment

LI Chongyu, ZHONG Wen*

（The First High School of Changsha, Hunan Changsha, 410005, China）

In this paper, we pointed out a series of problems on the preparation of ethyl acetate in the textbooks of middle school organic chemistry experiment course and proposed some corresponding improvement measures. On the basis of these improvements, the experimental conditions were optimized and the product yield and purity were both elevated.Meanwhile these experimental improvements the safety of the experiment has been enhanced. On the other hand, these experimental improvements reduced the environmental pollution, realized the greenization of chemical experiment teaching and enhanced the environmental protection awareness of teachers and students.

ethyl acetate; preparation method; greenization

李翀宇, 钟文. 中学有机化学实验中乙酸乙酯的制备方法改进探索[J]. 数码设计, 2017, 6(5): 104-105.

LI Chongyu, ZHONG Wen. Improvement on the Preparation Method of Ethyl Acetate for a Middle School Organic Chemistry Experiment[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 104-105.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.042

O623.624

A

1672-9129(2017)05-0104-02

2017-02-11；

2017-03-05。

钟文（1978—），男，湖南湘阴人，毕业于湖南师范大学，本科学历，长沙市第一中学高级教师，研究方向：高考化学教学与改革。E-mail: 1175221758@qq.com