乙酰水楊酸催化合成條件的研究

黃飛，屈飛強(qiáng)，任曉瓊，姚兵，孫金余，王溪溪 （黃山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽黃山245041）

乙酰水楊酸，俗稱(chēng)阿司匹林，化學(xué)名為2－乙酰氧基苯甲酸，是常用的鎮(zhèn)痛、解熱、消炎藥物，廣泛用于治療傷風(fēng)、感冒、頭痛等。研究表明，乙酰水楊酸可以預(yù)防和治療皮膚粘膜淋巴結(jié)綜合癥、消化道腫瘤等疾?。?］，還可以治療突發(fā)性耳聾、結(jié)膜炎、膽道蛔蟲(chóng)等疾?。?］。近年來(lái)有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，乙酰水楊酸和其他非甾體抗炎藥對(duì)防治老年癡呆癥以及肝癌、肺癌、結(jié)腸癌、皮膚癌等有較好的效果［3］。在農(nóng)業(yè)上，乙酰水楊酸可以提高農(nóng)作物的發(fā)芽率、減少落花落果、增強(qiáng)抗旱能力、增加產(chǎn)量、延長(zhǎng)保鮮期等特殊作用［4］。

乙酰水楊酸經(jīng)典合成方法是以水楊酸和醋酸酐為原料，在濃硫酸催化下經(jīng)過(guò)O－?；铣芍频谩Ｔ摴に嚤容^成熟，產(chǎn)率在50%～65%左右，以濃硫酸作為催化劑，不僅副反應(yīng)多，不利于產(chǎn)品提純，而且濃硫酸具有強(qiáng)氧化性和強(qiáng)脫水性，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，廢酸液的排放造成環(huán)境嚴(yán)重污染。因此，科研工作者開(kāi)發(fā)了 H6P2W18O62／高嶺土［5－6］、WO3／ZrO3固體超強(qiáng)酸［7］、氨基酸離子液體［8］、L－組氨酸［9］、三氟甲磺酸［10］、對(duì)甲苯磺酸鋁［11］、三氯稀土［12］等一系列新型催化劑和超聲波輔助法［13］、微波輻射法［14］等一些新催化合成方法。下面，筆者通過(guò)單因素試驗(yàn)法和正交試驗(yàn)法，探究了合成乙酰水楊酸的最佳催化合成反應(yīng)條件。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

1）儀器 NICOLET－380傅里葉變換紅外光譜儀 （美國(guó)尼高力公司）；WRS－1B顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；DF－101D集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 （河南鞏義市予華儀器有限公司）；SHZ－DⅢ真空循環(huán)抽濾泵 （河南鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）。

2）試劑 乙酸酐，水楊酸，草酸，維生素C，三氯化鐵，無(wú)水乙酸鈉，無(wú)水碳酸鈉，碳酸氫鈉，無(wú)水乙醇等均為分析純。

1.2 試驗(yàn)原理

在催化劑的作用下，乙酸酐對(duì)水楊酸進(jìn)行?；磻?yīng)合成乙酰水楊酸，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

1.3 試驗(yàn)方法

稱(chēng)取一定物質(zhì)的量比的水楊酸和新蒸餾的乙酸酐，與一定量的催化劑一起加入干燥的100ml圓底燒瓶中，置于恒溫水浴鍋中，反應(yīng)一段時(shí)間，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象。反應(yīng)結(jié)束后，緩慢冷卻至室溫，加入適量蒸餾水充分?jǐn)嚢瑁怪耆Y(jié)晶。減壓抽濾，用少量蒸餾水洗滌濾渣數(shù)次，加入飽和碳酸氫鈉溶液至無(wú)氣體放出，攪拌，過(guò)濾除去催化劑等副產(chǎn)物，干燥后得到乙酰水楊酸粗產(chǎn)品。將粗產(chǎn)品用乙醇－水溶液進(jìn)行重結(jié)晶提純，經(jīng)干燥后得到白色晶體。稱(chēng)量計(jì)算產(chǎn)率，測(cè)定其熔點(diǎn)及紅外光譜等［15］。

2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 催化劑種類(lèi)對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響

保持反應(yīng)溫度為70℃，反應(yīng)時(shí)間為60min，水楊酸與乙酸酐的物質(zhì)的量比為1∶3，分別稱(chēng)取質(zhì)量相同的無(wú)水乙酸鈉、草酸、無(wú)水碳酸鈉、維生素C 4種催化劑進(jìn)行反應(yīng)。考察催化劑種類(lèi)對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響，其結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，催化劑種類(lèi)對(duì)乙酰水楊酸的產(chǎn)率有顯著影響，其中草酸的催化效率最高，催化合成乙酰水楊酸的產(chǎn)率最高可達(dá)66.7%，無(wú)水乙酸鈉催化效率最低，無(wú)水碳酸鈉和維生素C催化效率稍高于無(wú)水乙酸鈉。4種催化劑相比，草酸作為催化劑時(shí)后處理較為簡(jiǎn)單，且環(huán)保無(wú)污染，因此筆者選用草酸作為催化劑合成乙酰水楊酸。

表1 催化劑種類(lèi)對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響

以草酸作為催化劑，保持反應(yīng)時(shí)間為60min，水楊酸與乙酸酐的物質(zhì)的量比為1∶3，改變反應(yīng)溫度，考察反應(yīng)溫度對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，反應(yīng)溫度對(duì)乙酰水楊酸的產(chǎn)率影響較大，反應(yīng)溫度為70℃時(shí)，乙酰水楊酸的產(chǎn)率最高可達(dá)87.5%。反應(yīng)溫度在70℃以下時(shí)，乙酰水楊酸的產(chǎn)率隨著反應(yīng)溫度升高而升高，但是超過(guò)70℃時(shí)，乙酰水楊酸的產(chǎn)率下降，且反應(yīng)物中有黃色的副產(chǎn)物。這是因?yàn)榉磻?yīng)溫度較低時(shí)，不利于打開(kāi)分子內(nèi)的氫鍵，反應(yīng)物沒(méi)有完全參加反應(yīng)；反應(yīng)溫度較高時(shí)，易于發(fā)生分子間的縮合反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)的副產(chǎn)物增多。由此可見(jiàn)，反應(yīng)溫度過(guò)高、過(guò)低均不利提高乙酰水楊酸的產(chǎn)率。

表2 反應(yīng)溫度對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響

2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響

以草酸作為催化劑，保持反應(yīng)溫度為70℃，水楊酸與乙酸酐的物質(zhì)的量比為1∶3，改變反應(yīng)時(shí)間，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間逐漸增加，乙酰水楊酸的產(chǎn)率逐漸升高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60min時(shí)，產(chǎn)率達(dá)到最高為87.3%。隨著反應(yīng)時(shí)間的繼續(xù)增加，乙酰水楊酸產(chǎn)率反而降低，其原因可能是反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)物分子間的聚合物增多，致使乙酰水楊酸產(chǎn)率降低。

表3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響

2.4 反應(yīng)物物質(zhì)的量比對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響

以草酸作為催化劑，保持反應(yīng)溫度為70℃，反應(yīng)時(shí)間為60min，改變水楊酸和乙酸酐物質(zhì)的量比，考察水楊酸和乙酸酐物質(zhì)的量比對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響 （見(jiàn)表4）。由表4可知，隨著水楊酸和乙酸酐物質(zhì)的量比的增加，乙酰水楊酸的產(chǎn)率逐漸升高，當(dāng)水楊酸和乙酸酐物質(zhì)的量比為1∶3時(shí)，乙酰水楊酸的產(chǎn)率達(dá)到最高為88.2%。繼續(xù)增加水楊酸和乙酸酐物質(zhì)的量比，乙酰水楊酸的產(chǎn)率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其原因可能是部分產(chǎn)品溶解于乙酸酐中，造成乙酰水楊酸產(chǎn)率降低。

表4 反應(yīng)物物質(zhì)的量比對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響

3 正交試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，考察催化劑種類(lèi)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、水楊酸與乙酸酐的物質(zhì)的量比4種因素對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響。其影響因素和水平表見(jiàn)表5。

為了提高乙酰水楊酸的產(chǎn)量，考察各反應(yīng)因素對(duì)試驗(yàn)的影響情況，設(shè)計(jì)了4因素3水平的L9（34）正交試驗(yàn)［16］，其正交試驗(yàn)表及結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 正交試驗(yàn)因素和水平表

3.1 極差分析

表6中的R為各試驗(yàn)因素的極差值，該極差值越大，說(shuō)明該試驗(yàn)因素對(duì)乙酰水楊酸產(chǎn)率的影響越大。由表6極差分析結(jié)果可以看出，以合成乙酰水楊酸的產(chǎn)率為考察指標(biāo)，4種試驗(yàn)因素對(duì)合成乙酰水楊酸的影響程度順序依次為：反應(yīng)溫度（B）＞水楊酸和乙酸酐物質(zhì)的量比（D）＞ 催化劑種類(lèi)（A）＞ 反應(yīng)時(shí)間（C）。其正交試驗(yàn)最佳合成條件為B2D2A1C2，即反應(yīng)溫度為70℃，水楊酸和乙酸酐物質(zhì)的量比為1∶3，草酸為催化劑，反應(yīng)時(shí)間為60min，乙酰水楊酸的產(chǎn)率為88.2%。

表6 L9（34）正交試驗(yàn)表及結(jié)果

3.2 方差分析

方差分析是用于2個(gè)及2個(gè)以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗(yàn)。由表7方差分析可得出，反應(yīng)溫度和水楊酸與乙酸酐物質(zhì)的量比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響非常顯著；催化劑種類(lèi)和反應(yīng)時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著。各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著性次序?yàn)椋阂蛩谺 （反應(yīng)溫度）＞因素D （水楊酸與乙酸酐物質(zhì)的量比）＞因素A （催化劑種類(lèi)）＞因素C （反應(yīng)時(shí)間）。由極差和方差分析可以得出，反應(yīng)溫度對(duì)催化合成乙酰水楊酸的影響最大，當(dāng)反應(yīng)溫度為70℃時(shí)產(chǎn)率最高；水楊酸與乙酸酐物質(zhì)的量比對(duì)催化合成乙酰水楊酸次于反應(yīng)溫度的影響；催化劑種類(lèi)和反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化合成乙酰水楊酸也有影響，但影響不顯著；隨著反應(yīng)溫度和水楊酸與乙酸酐物質(zhì)的量比的增加，乙酰水楊酸的產(chǎn)率逐漸增加。

表7 方差分析表

4 產(chǎn)品分析

將氯化鐵溶液 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%）加入提純后的乙酰水楊酸產(chǎn)品中，無(wú)藍(lán)紫色現(xiàn)象出現(xiàn)，說(shuō)明該產(chǎn)品純度較高。所得產(chǎn)品經(jīng)熔點(diǎn)儀進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)試，其熔點(diǎn)為135.4～136.2℃，與乙酰水楊酸的熔點(diǎn)文獻(xiàn)值一致［15］。將所得乙酰水楊酸產(chǎn)品用KBr壓片法測(cè)試其紅外光譜，其紅外光譜圖如圖1所示。

從圖1可看出，3000～2500cm－1為—COOH特征峰，1755.50cm－1為酯基＝C O伸縮振動(dòng)峰，1689.48cm－1為羧基＝C O伸縮振動(dòng)峰，1605.79、1483.73cm－1為苯環(huán)＝C C吸收峰，1305.64、1187.46cm－1為羧酸和酯的C—O吸收峰，755.59cm－1為苯環(huán)的鄰位取代基吸收峰，與乙酰水楊酸標(biāo)準(zhǔn)圖譜的吸收峰位置和強(qiáng)度基本一致［15］，由此可以確定合成的白色晶體為乙酰水楊酸。

圖1 乙酰水楊酸的紅外光譜圖

5 結(jié)論

1）以水楊酸和乙酸酐為原料，經(jīng)O－?；磻?yīng)合成了乙酰水楊酸。分析了催化劑種類(lèi)、水楊酸與乙酸酐的物質(zhì)的量比、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度對(duì)催化合成的影響。合成乙酰水楊酸的最優(yōu)條件為：草酸作為催化劑，水楊酸與乙酸酐的物質(zhì)的量比為1∶3，反應(yīng)溫度為70℃，反應(yīng)時(shí)間為60min，乙酰水楊酸產(chǎn)率可達(dá)88.2%。

2）該方法操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，產(chǎn)品質(zhì)量好，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

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