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摘 要：本文用苯甲酸钠为催化剂，以水杨酸和乙酸酐为原料合成乙酰水杨酸为研究对象，重点研究苯甲酸钠在该反应中的催化作用。研究结果表明：当水杨酸用量为2.0 g，乙酸酐用量为2.8 mL,苯甲酸钠用量为水杨酸质量的)8 %-10 %时，在60 ℃-65 ℃条件下反应25 min -30 min，纯化乙酰水杨酸的质量是2.0827 g，收率可达79.8 %。该催化剂具有催化活性高、安全、后处理容易、不污染环境等优点，是一种环境友好催化剂，具有工业开发价值。
关键词:苯甲酸钠；催化合成；乙酰水杨酸
1.引言
乙酰水杨酸（俗称阿司匹林）的历史开始于1763年，当时一位名叫Edward Stone的牧师在伦敦皇家学会宣读一篇论文，题为《关于柳树治愈寒颤病成功的报告》，直到接近19世纪初期(1893年)才出现一个突破，当时在Bayer公司工作的化学师 Felix Hoffmann发明了一条实际可行的合成乙酰水杨酸的路线。迄今为止，阿司匹林主要以水杨酸、乙酸酐为原料，通过以下3种途径合成：酸催化、碱催化和新型催化。1976年Longman［1］介绍了乙酰水杨酸的合成方法：将水杨酸、乙酰酐、浓硫酸倒入三颈瓶内，加热搅拌反应，待反应完全后，将反应液于搅拌下倒入冷水中。自然冷却至室温，乙酰水杨酸将慢慢析出，抽滤，即得粗产品。对产物进行重结晶。该工艺成熟，产率在60 %左右，但副反应多，设备腐蚀严重，严重污染环境。因浓硫酸催化存在诸多缺点，开发新的催化剂对于合成乙酰水杨酸至关重要。文献报道了以磷酸二氢钠作催化剂，对合成乙酰水杨酸的方法进行了改进［2］；翁文
等［3］提出了其他的改进方法，该方法用硫酸氢钠作催化剂合成乙酰水杨酸；Zhu等［4］近期报道了以草酸为催化剂合成乙酰水杨酸的新方法，该方法是对乙酰水杨酸绿色合成的一项重要突破。近期还报道了其他酸催化合成乙酰水杨酸的方法。张武等［5］报道了用路易斯酸(主要是三氯化铝、三氯化铋)催化合成乙酰水杨酸；胡晓川等［6］又提出了将三氯化铝负载于活性炭中作催化剂合成乙酰水杨酸，解决了催化剂回收的问题［7-9］；王贵全等［10］报道了以酸化膨润土作催化剂合成乙酰水杨酸的新方法。Ito等［11］，Song等［12］，蒋栋等［13］报道了以酸性离子液体催化合成乙酰水杨酸，同样，该方法也是对乙酰水杨酸绿色合成的一项重要突破。1986年张国升等［14］提出以KOH为催化剂合成乙酰水杨酸，但由于KOH碱性太强而受到限制。文献［15］报道利用无水碳酸钠为催化剂并对反应进行微波处理，合成乙酰水杨酸效果好，产率和纯度均较高。该方法将水杨酸、乙酸酐和一定量的无水碳酸钠置于反应瓶，放入微波炉中，调整微波功率，调节反应时间。取出反应瓶冷却至室温，有白色晶体析出；加一定量蒸馏水，冷却，使结晶完全。抽滤，洗涤，得粗产品，然后再用乙醇对产品进行重结晶。
因弱碱型催化有产品纯度高等优点，林沛和等［16］研究以乙酸钠为催化剂合成乙酰水杨酸；冉晓燕［17］则把以乙酸钠为催化剂和微波处理结合起来。但用碱催化合成乙酰水杨酸整体工艺不够成熟。近期，陈洪等［18］报道了以维生素C作催化剂合成乙酰水杨酸。
2.材料、试剂、方法
2.1材料、试剂
水杨酸（AR）、乙酸酐（AR）、苯甲酸钠（AR）、浓盐酸（AR）等试剂；95-2型恒温磁力搅拌器（南通市崇川区长通仪器仪表厂）；FA2004型电子天平（上海良平仪器仪表有限公司）
2.2 试验方法
用水杨酸和乙酸酐在苯甲酸钠的催化下经脱水反应合成乙酰水杨酸。通过在不同温度、不同反应时间和不同催化剂的用量下进行合成与表征，并通过正交实验来确定最佳反应条件。
2.3 试验步骤
在干燥的250mL锥形瓶加入2.0g水杨酸、2.8mL乙酰酐和一定量的苯甲酸钠，温热使水杨酸、苯甲酸钠全部溶解，低速匀速搅拌，适当水浴加热反应一定时间，反应结束后，加入少量冰水，水解过量的乙酸酐并将锥形瓶置于冰水浴中冷却，待晶体析出，抽滤，并用少量冷水洗涤，抽干，得乙酰水杨酸粗产品；加入饱和碳酸氢钠液，搅拌，滤去副产物，滤液缓慢倒入盛有浓盐酸的烧杯中，并不时搅拌，有晶体逐渐析出将，然后将烧杯置冰水浴中充分冷却，使晶体析出完全，抽滤，干燥，得到乙酰水杨酸产品。
3.结果与讨论
3.1产品的质量检测与表征
合成产品用1%的三氯化铁溶液检验，可初步判断它的纯度。因为乙酰水杨酸分子中不含酚羟基，说明水杨酸在反应中羟基已被酰化。按文献［19］中方法测定产物的熔点，熔点为133-135 ℃。文献值为133-136 ℃。
准确称取合成产品0.3019g置于锥形瓶中，加入25mL冷的95%乙醇，充分振摇，使之溶解，加2滴酚酞指示剂，用0.0876mol/L NaOH标准液18.82mL滴至微红，0.5min 后不褪色,由计算可得产品质量为0.3041g，计算其纯度为97.8%。
3.2讨论
采用正交试验设计法进行实验以反应温度、反应时间、催化剂用量为主要考查因素，选取反应温度为60 ℃、65 ℃、70 ℃；反应时间为10min 、20min、30min；催化剂量为0.2g、0.3g、0.4g；进行3因素3水平正交试验，实验结果见表1
从表1中可知，3种因素对反应产率均有较大影响，它们对结果影响的大小顺序，依次为催化剂用量、反应温度、反应时间，其中催化剂用量对反应产率影响最为明显。当催化剂用量为水杨酸质量的10%时，产率最高；催化剂用量增至水杨酸质量的15%时，产率仍较高；但其用量增至水杨酸质量的20%时，产率明显降低。因为合成乙酰水杨酸是可逆的皂化反应，苯甲酸钠为皂化反应的催化剂。3种因素通过直接比较得到最佳组合为A\-1B\-1C\-1。由9个试验的产率可以看出。
第1号产率为77.5%，是9次试验中最高者。但通过试验检测得知，提高产率的最好条件是A\-1B\-3C\-1 ，这个条件并不包括在正交试验表中。为了对比其产率，对A\-1B\-1C\-1进行了对比验证性试验。试验结果表明A\-1B\-3C\-1的产率为79.8 %, A\-1B\-1C\-1的产率为77.5%，从而得到适宜因素位级组合为A\-1B\-3C\-1 。为了获得最佳实验条件，选取反应温度为60 ℃、65 ℃；反应时间为25min、35min；催化剂量为0.16g、0.24g；又作了二位级3因素试验，见表2：
由表2得出：3因素对产率影响的大小顺序，依次为反应时间、反应温度、催化剂用量，其中反应时间影响最大，催化剂用量影响最小。反应温度为65 ℃，反应时间为25min，化剂用量为0.16g时，合成乙酰水杨酸产率为79.8%，在其他情况下产率均较低。
3.3 结论
通过本实验可知苯甲酸钠催化合成乙酰水杨酸与传统催化合成方法相比，具有收率高、产品纯度好，价格便宜，操作简便，无腐蚀性等优点，是一个较好的具有工业开发应用的绿色环境友好催化合成方法 。(研究结果表明：当水杨酸用量为2.0g，乙酸酐用量为2.8mL,苯甲酸钠用量为水杨酸质量的)8%-10%时，在60 ℃-65 ℃条件下反应25min -30min，纯化乙酰水杨酸的质量是2.0827g，收率可达79.8 %。
［参考文献］
［1］VOGELA I.A textbook of practical organic chemistry［M］.4th Ed.London:Longman Group Limited.1978:831．
［2］王箴.化工辞典［M］.第三版.北京:北京化学工业出版社,1992.
［3］翁文,林德娟,尤秀丽等.硫酸氢钠催化合成阿司匹林［J］.应用化工,2003，32(2):15-16．
［4］ZHU H P,YANG F,TANG J,et a1.Breasted acidic ionic liquid 1-methylimidazolinm tetrafluoroborate:a green catalyst and recyclable medium for esterification ［J］.Green Chem.2003,5:38-39．
［5］张武,李红喜,顾巍.三氯稀土催化合成乙酰水杨酸［J］.化学世界,2002,(8):422-423．
［6］胡晓川.活性炭固载AlCl3合成阿司匹林［J］.杭州化工,2007,37(1):30-34．
［7］GEDYE R,SMITH F,WESTAWAY K,et a1.The use of microwave ovens for rapid organic synthesis［J］.Tetrahedron Lett,1986,27(3):279-282．
［8］KAGAN H B,NAMY J L. Lanthanides in organic synthesis［J］.Tarahedron (Oxford．Print),1986,42:2 424,6 573-6 614．
［9］YASUDA Y,IHARA E.Rare earth metal initiated polymerizations of polar and non-polar monomers to give high molecular weight polymers with extremely narrow molecular weight distribution［J］.Macromol.Chem.Phys,1995,196(8)：2 417-2 421．
［10］王贵全,陈志勇.以酸活化膨润土催化合成阿司匹林［J］.化学工程师，2004.109(10):6-8．
［11］ITO Y,NOHIRA T.Non-convent electrolytes for electro-chemical appliccations［J］.Electrochim.Acta,2000,45(3):2 611-2 622．
［12］SONG C E,ROH E J.Practicalmethod torecycle a chiral (salen) Mnepoxidation catalyst by using an ionic liquid［J］.Chem.Commun.2000:837-838．
［13］蒋栋,李伟,许成娣等.Bronsted酸性离子液体催化合成阿司匹林［J］.应用化学,2007,24(9):1 080-1 082．
［14］张国升,张懋森.以固体氢氧化钾为催化剂制备乙酰水杨酸［J］.化学试剂，1986.8(4):245-246
［15］罗军,蔡春.微波有机合成化学最新进展［J］.合成化学,2002,l0(1):17-24．
［16］林沛和,李承范.乙酸钠催化合成阿司匹林［J］.河北化工,2006.29(4):19-20．
［17］冉晓燕.微波辐射快速合成阿司匹林［J］.贵州教育学院学报(自然科学)，2006.17(4):48-49．
［18］陈洪,龙翔,黄思庆等.维生索C催化合成阿司匹林的研究［J］.催化世界，2004,(12):642-643．
［19］兰州大学,复旦大学化学系有机化学教研室.有机化学实验［J］北京:高等教育出社,1994.164-165.
基金项目：四川省教育厅自然科学研究项目（08ZC016）。西昌学院自然科学研究课题项目（ZZSSA0809）
（作者单位：西昌市礼州中学，四川 西昌 615000；西昌学院轻化工程学院，四川 西昌615000）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词:苯甲酸钠；催化合成；乙酰水杨酸
1.引言
乙酰水杨酸（俗称阿司匹林）的历史开始于1763年，当时一位名叫Edward Stone的牧师在伦敦皇家学会宣读一篇论文，题为《关于柳树治愈寒颤病成功的报告》，直到接近19世纪初期(1893年)才出现一个突破，当时在Bayer公司工作的化学师 Felix Hoffmann发明了一条实际可行的合成乙酰水杨酸的路线。迄今为止，阿司匹林主要以水杨酸、乙酸酐为原料，通过以下3种途径合成：酸催化、碱催化和新型催化。1976年Longman［1］介绍了乙酰水杨酸的合成方法：将水杨酸、乙酰酐、浓硫酸倒入三颈瓶内，加热搅拌反应，待反应完全后，将反应液于搅拌下倒入冷水中。自然冷却至室温，乙酰水杨酸将慢慢析出，抽滤，即得粗产品。对产物进行重结晶。该工艺成熟，产率在60 %左右，但副反应多，设备腐蚀严重，严重污染环境。因浓硫酸催化存在诸多缺点，开发新的催化剂对于合成乙酰水杨酸至关重要。文献报道了以磷酸二氢钠作催化剂，对合成乙酰水杨酸的方法进行了改进［2］；翁文
等［3］提出了其他的改进方法，该方法用硫酸氢钠作催化剂合成乙酰水杨酸；Zhu等［4］近期报道了以草酸为催化剂合成乙酰水杨酸的新方法，该方法是对乙酰水杨酸绿色合成的一项重要突破。近期还报道了其他酸催化合成乙酰水杨酸的方法。张武等［5］报道了用路易斯酸(主要是三氯化铝、三氯化铋)催化合成乙酰水杨酸；胡晓川等［6］又提出了将三氯化铝负载于活性炭中作催化剂合成乙酰水杨酸，解决了催化剂回收的问题［7-9］；王贵全等［10］报道了以酸化膨润土作催化剂合成乙酰水杨酸的新方法。Ito等［11］，Song等［12］，蒋栋等［13］报道了以酸性离子液体催化合成乙酰水杨酸，同样，该方法也是对乙酰水杨酸绿色合成的一项重要突破。1986年张国升等［14］提出以KOH为催化剂合成乙酰水杨酸，但由于KOH碱性太强而受到限制。文献［15］报道利用无水碳酸钠为催化剂并对反应进行微波处理，合成乙酰水杨酸效果好，产率和纯度均较高。该方法将水杨酸、乙酸酐和一定量的无水碳酸钠置于反应瓶，放入微波炉中，调整微波功率，调节反应时间。取出反应瓶冷却至室温，有白色晶体析出；加一定量蒸馏水，冷却，使结晶完全。抽滤，洗涤，得粗产品，然后再用乙醇对产品进行重结晶。
因弱碱型催化有产品纯度高等优点，林沛和等［16］研究以乙酸钠为催化剂合成乙酰水杨酸；冉晓燕［17］则把以乙酸钠为催化剂和微波处理结合起来。但用碱催化合成乙酰水杨酸整体工艺不够成熟。近期，陈洪等［18］报道了以维生素C作催化剂合成乙酰水杨酸。
2.材料、试剂、方法
2.1材料、试剂
水杨酸（AR）、乙酸酐（AR）、苯甲酸钠（AR）、浓盐酸（AR）等试剂；95-2型恒温磁力搅拌器（南通市崇川区长通仪器仪表厂）；FA2004型电子天平（上海良平仪器仪表有限公司）
2.2 试验方法
用水杨酸和乙酸酐在苯甲酸钠的催化下经脱水反应合成乙酰水杨酸。通过在不同温度、不同反应时间和不同催化剂的用量下进行合成与表征，并通过正交实验来确定最佳反应条件。
2.3 试验步骤
在干燥的250mL锥形瓶加入2.0g水杨酸、2.8mL乙酰酐和一定量的苯甲酸钠，温热使水杨酸、苯甲酸钠全部溶解，低速匀速搅拌，适当水浴加热反应一定时间，反应结束后，加入少量冰水，水解过量的乙酸酐并将锥形瓶置于冰水浴中冷却，待晶体析出，抽滤，并用少量冷水洗涤，抽干，得乙酰水杨酸粗产品；加入饱和碳酸氢钠液，搅拌，滤去副产物，滤液缓慢倒入盛有浓盐酸的烧杯中，并不时搅拌，有晶体逐渐析出将，然后将烧杯置冰水浴中充分冷却，使晶体析出完全，抽滤，干燥，得到乙酰水杨酸产品。
3.结果与讨论
3.1产品的质量检测与表征
合成产品用1%的三氯化铁溶液检验，可初步判断它的纯度。因为乙酰水杨酸分子中不含酚羟基，说明水杨酸在反应中羟基已被酰化。按文献［19］中方法测定产物的熔点，熔点为133-135 ℃。文献值为133-136 ℃。
准确称取合成产品0.3019g置于锥形瓶中，加入25mL冷的95%乙醇，充分振摇，使之溶解，加2滴酚酞指示剂，用0.0876mol/L NaOH标准液18.82mL滴至微红，0.5min 后不褪色,由计算可得产品质量为0.3041g，计算其纯度为97.8%。
3.2讨论
采用正交试验设计法进行实验以反应温度、反应时间、催化剂用量为主要考查因素，选取反应温度为60 ℃、65 ℃、70 ℃；反应时间为10min 、20min、30min；催化剂量为0.2g、0.3g、0.4g；进行3因素3水平正交试验，实验结果见表1
从表1中可知，3种因素对反应产率均有较大影响，它们对结果影响的大小顺序，依次为催化剂用量、反应温度、反应时间，其中催化剂用量对反应产率影响最为明显。当催化剂用量为水杨酸质量的10%时，产率最高；催化剂用量增至水杨酸质量的15%时，产率仍较高；但其用量增至水杨酸质量的20%时，产率明显降低。因为合成乙酰水杨酸是可逆的皂化反应，苯甲酸钠为皂化反应的催化剂。3种因素通过直接比较得到最佳组合为A\-1B\-1C\-1。由9个试验的产率可以看出。
第1号产率为77.5%，是9次试验中最高者。但通过试验检测得知，提高产率的最好条件是A\-1B\-3C\-1 ，这个条件并不包括在正交试验表中。为了对比其产率，对A\-1B\-1C\-1进行了对比验证性试验。试验结果表明A\-1B\-3C\-1的产率为79.8 %, A\-1B\-1C\-1的产率为77.5%，从而得到适宜因素位级组合为A\-1B\-3C\-1 。为了获得最佳实验条件，选取反应温度为60 ℃、65 ℃；反应时间为25min、35min；催化剂量为0.16g、0.24g；又作了二位级3因素试验，见表2：
由表2得出：3因素对产率影响的大小顺序，依次为反应时间、反应温度、催化剂用量，其中反应时间影响最大，催化剂用量影响最小。反应温度为65 ℃，反应时间为25min，化剂用量为0.16g时，合成乙酰水杨酸产率为79.8%，在其他情况下产率均较低。
3.3 结论
通过本实验可知苯甲酸钠催化合成乙酰水杨酸与传统催化合成方法相比，具有收率高、产品纯度好，价格便宜，操作简便，无腐蚀性等优点，是一个较好的具有工业开发应用的绿色环境友好催化合成方法 。(研究结果表明：当水杨酸用量为2.0g，乙酸酐用量为2.8mL,苯甲酸钠用量为水杨酸质量的)8%-10%时，在60 ℃-65 ℃条件下反应25min -30min，纯化乙酰水杨酸的质量是2.0827g，收率可达79.8 %。
［参考文献］
［1］VOGELA I.A textbook of practical organic chemistry［M］.4th Ed.London:Longman Group Limited.1978:831．
［2］王箴.化工辞典［M］.第三版.北京:北京化学工业出版社,1992.
［3］翁文,林德娟,尤秀丽等.硫酸氢钠催化合成阿司匹林［J］.应用化工,2003，32(2):15-16．
［4］ZHU H P,YANG F,TANG J,et a1.Breasted acidic ionic liquid 1-methylimidazolinm tetrafluoroborate:a green catalyst and recyclable medium for esterification ［J］.Green Chem.2003,5:38-39．
［5］张武,李红喜,顾巍.三氯稀土催化合成乙酰水杨酸［J］.化学世界,2002,(8):422-423．
［6］胡晓川.活性炭固载AlCl3合成阿司匹林［J］.杭州化工,2007,37(1):30-34．
［7］GEDYE R,SMITH F,WESTAWAY K,et a1.The use of microwave ovens for rapid organic synthesis［J］.Tetrahedron Lett,1986,27(3):279-282．
［8］KAGAN H B,NAMY J L. Lanthanides in organic synthesis［J］.Tarahedron (Oxford．Print),1986,42:2 424,6 573-6 614．
［9］YASUDA Y,IHARA E.Rare earth metal initiated polymerizations of polar and non-polar monomers to give high molecular weight polymers with extremely narrow molecular weight distribution［J］.Macromol.Chem.Phys,1995,196(8)：2 417-2 421．
［10］王贵全,陈志勇.以酸活化膨润土催化合成阿司匹林［J］.化学工程师，2004.109(10):6-8．
［11］ITO Y,NOHIRA T.Non-convent electrolytes for electro-chemical appliccations［J］.Electrochim.Acta,2000,45(3):2 611-2 622．
［12］SONG C E,ROH E J.Practicalmethod torecycle a chiral (salen) Mnepoxidation catalyst by using an ionic liquid［J］.Chem.Commun.2000:837-838．
［13］蒋栋,李伟,许成娣等.Bronsted酸性离子液体催化合成阿司匹林［J］.应用化学,2007,24(9):1 080-1 082．
［14］张国升,张懋森.以固体氢氧化钾为催化剂制备乙酰水杨酸［J］.化学试剂，1986.8(4):245-246
［15］罗军,蔡春.微波有机合成化学最新进展［J］.合成化学,2002,l0(1):17-24．
［16］林沛和,李承范.乙酸钠催化合成阿司匹林［J］.河北化工,2006.29(4):19-20．
［17］冉晓燕.微波辐射快速合成阿司匹林［J］.贵州教育学院学报(自然科学)，2006.17(4):48-49．
［18］陈洪,龙翔,黄思庆等.维生索C催化合成阿司匹林的研究［J］.催化世界，2004,(12):642-643．
［19］兰州大学,复旦大学化学系有机化学教研室.有机化学实验［J］北京:高等教育出社,1994.164-165.
基金项目：四川省教育厅自然科学研究项目（08ZC016）。西昌学院自然科学研究课题项目（ZZSSA0809）
（作者单位：西昌市礼州中学，四川 西昌 615000；西昌学院轻化工程学院，四川 西昌615000）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文