第2 4卷 第6期 2011年12月 石油化工高等学校学报 Vo1.2 4 No.6 J0URNAL OF PETROCHEMICAL UNIVERSITIES Dec.2011 文章编号:1006—396X(2011)06—0071一O4 离子液体磷钨酸盐合成及在酯化反应中的应用 张彦佳, 吕振波 , 刘 丹, 桂建舟, 江海英, 许 敏, 孟祥巍, 林赛燕 (辽宁石油化工大学化学与材料科学学院,辽宁抚顺113001) 摘要: 以酸性离子液体和磷钨酸反应制成离子液体磷钨杂多酸盐,并以它作为催化剂研究了乙醇和乙酸酯 化生成乙酸乙酯的反应,考察了反应时间、反应温度、催化荆的物质的量及酸醇物质的量比等因素对此反应的影响。 实验结果表明,在6O℃,4 h, (催化剂)/ (乙酸)/n(乙醇)一1:30:150的条件下,乙酸的收率为94 ,乙酸乙酯的 选择性为100 。反应结束后,产物和催化剂分层,通过简单的过滤即可分离。催化剂经真空干燥脱水后可重复使 用4次,活性变化不大。 关键词:磷钨酸盐; 离子液体; 酯化反应; 乙酸乙酯 中图分类号:TE624.4;O621.3 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1006—396X.2011.06.018 The Synthesis of Dodecatungst0phosphate and Its Catalytic Application in Esterification ZHANG Yan—jia,LU Zhen—bo ,LIU Dan,GUI Jian—zhou,JIANG Hai—ying, XU Min,MENG Xiang—wei,LIN Sai—yan (College of Chemistry and Material Science,Liaoning Shihua University,Fushun Liaoning 113001,P.R.China) Received 4 November 2011;revised 20 November 2011;accepted 29 November 2011 Abstract: Synthesis of tungst0phosphate with organic cation from acidic ionic liquids and 1 2一tungstophosphoric acid was reported.And its catalytic application in the synthesis of ethyl acetate had also been investigated.The effect of reaction time, reaction temperature,catalyst amount and the molhr ratio of acetic acid to ethano1 were studied,and found that higher conversion of acetic acid(94 )and good selectivity tO ethyl acetate(100 )can be obtained under the following conditions:60 ℃,4 h, (catalyst)/n(acetic acid)n(ethano1)一1:30:150.The catalyst was immiscible in the reaction system after reaction,providing a simple separation by decantation.The catalyst can be recycled for 4 times directly after vacuum drying without obvious loss in catalytic activity. Key words: D0decatungstophosphate;Ionic liquid;Esterification;Ethy1 acetate *Corresponding author.Te1.:+86—13841300912;e--mail:lzhb6684708@163.com 酯是一种重要的有机合成中间体,广泛应用于 溶剂、增塑剂、香料、粘合剂及印刷、纺织等工业,其 境l3]。随着对催化剂的广泛研究,发展绿色化学及 环境友好催化剂日益受到人们的关注。目前出现了 合成技术一直受到国内外广大学者的重视 。浓 固体超强酸、杂多酸、强酸性阳离子交换树脂等多种 酯化催化剂 ],但是这些催化剂的制备过程往往 比较复杂,或是重复利用比较困难,存在一定的局限 性。 硫酸是酯化反应的常用催化剂,但腐蚀设备,污染环 收稿日期:2011—11—04 作者简介:张彦佳(1985一),女,辽宁沈阳市,在读硕士。 基金项目:教育部重点项目(209031);辽宁省高等学校优秀 人才支持计划(LR2O1024);辽宁省自然基金 (20102131; 201102120);辽宁省教育厅 (2009A430;L2010243)。 近年来,利用离子液体作为有机反应催化剂的 报道已经有很多,其中以酯化反应为热点_7 ]。离 子液体用于催化酯化反应,其具有良好的催化活性。 离子液体具有优异的特性,对热稳定、不挥发、不可 燃、不氧化、不爆炸、低毒性,用于合成反应对环境友 好 ]。在环境问题日益引起重视的今天,开发环境 *通讯联系人。 石油化工高等学校学报 第24卷 友好的酯化催化剂显得更为重要 。 本研究利用不含卤素原子、成本较低廉的酸性 离子液体与磷钨酸反应,生成磷钨酸盐催化剂,研究 其在酯化反应中的应用,得到很好的催化效果,反应 结束后产物易于分离且催化剂可重复使用。 1 实验部分 1.1原料及仪器 原料:乙醇(分析纯,国药化学试剂有限公司); 乙酸(分析纯,沈阳化学试剂厂);1一甲基咪唑(分析 纯,百灵威进口);1,3一丙烷磺内酯(分析纯,山东瀛 寰化工有限公司);磷钨酸(Yt析纯,国药化学试剂有 限公司)。以上试剂均为分析纯或化学纯试剂,没有 特殊说明的均未进一步提纯。 仪器:日本理学D/max--RB X射线衍射仪;美 国Perkin—Elmer SPECTRUM GXIII型红外谱仪 (KBr压片);美国Pyris 1 TGA热重分析仪;循环水 式真空泵(巩义市予华仪器有限责任公司);85—1 型磁力搅拌器(山东鄄城华鲁电热仪器有限公司); PE Q—Mass 910 GC/MS气质联用仪。 1.2催化剂的合成和表征 1.2.1 离子液体的合成 在100 mL圆底烧瓶中 加入1一甲基咪唑(31.6 mL,0.4 mo1)和1,3一丙 烷磺内酯(48.8 g,0.4 too1)室温搅拌3 d,可得到白 色固体,用乙醚(80 mL乙醚洗涤5次)洗涤,除去非 离子残余物并进行真空干燥得到高纯度的两性盐。 1.2.2 催化剂的合成 将H。Pw 2 O 。(约0.01 mo1)溶于100 mL去离子水中制得溶液,然后将上 述制得的离子液(约0.03 mo1)加入到H。Pw 0 。 水溶液中,室温搅拌24 h,得到白色溶液,反应完全 后再将溶液经过减压蒸馏除去溶液中的水分,得到 白色固体,在真空干燥箱内8O℃干燥为白色粉末, 得到离子液体磷钨杂多酸盐(见式(1),简写为 EMIMPS]3 PW12 O4。)。 I cH/N/ m\ sO ㈣ [MIMPS]3Pwl2 O 。: C NMR(DMSO)8: 2 6.1 3,3 5.71,47.27,47.72,1 22.29,1 23.5 6, 136.78; H—NMR(DMSO) :2.O9(m,2H, CH2),2.44(S,2H,CH2),3.85(S,3H,CH。),4.30 (S,2H,CH2),7.70(S,H,CH),7.78(S,H,CH), 9.10(s,H,CH)。 1.2.3催化剂的表征核磁共振实验在Varian公 司的Varian Mercury—plus 300BB核磁共振光谱 仪上进行,对所合成的化合物进行 H—NMR和¨C —NMR测试,溶剂选用氘代二甲基亚砜(DMSO), 内标物选用四甲基硅烷(TMS)。 热重实验在美国Pyris 1 TGA热重分析仪上进 行,温度范围为室温至800℃,程序升温速度为10 ℃/min,以氮气作为保护气且气氛流速为2O mE/ min。 X射线粉末衍射实验在日本理学D/Max— RBX型X射线衍射仪上进行,使用Cu靶Ka射线, 射线管电压:3O kV,管电流:100 mA。 红外检测实验在NICOLET公司的 NESUS670傅里叶变化红外光谱仪GE/KBr分束 器DTGS检测器上进行。测试条件:样品及100~ 200倍的特殊处理过的KBr,经充分研磨使粒度小 于2.5 m,压制成直径为13 mm厚度约为0.5 mm 的透明薄片,中红外DTG检测器检测范围:4 000~ 400 cm~,扫描次数为16次,分辨率为4 cm一。 1.3酯化反应 在25 mL圆底烧瓶中依次加入乙醇 1.975 g(4.3 X 10_。mo1),离子液体磷钨杂多酸盐1 g (2.867 X 10 mo1),乙酸0.515 g(8.6×10 mo1),在磁力搅拌器上加热至60℃并持续4 h,反 应结束后,产物和催化剂分层,通过简单的过滤即可 分离产物和催化剂,催化剂在100℃干燥后即可重 复利用。 1.4定性及定量分析 本实验利用质谱进行定性分析,结果表明无副 反应产生。 本实验采用酸碱滴定的方法来测定反应的收 率。以乙醇溶液作为溶剂,经标定后浓度为0.05 mol/L的KOH溶液作为滴定溶液,质量分数1 酚酞溶液作为指示剂,氢氧化钾一乙醇标准溶液滴 定试样直到出现粉红色并保持30 s不褪色即为滴 定终点。 2 结果与讨论 2.1 反应时间 在催化剂物质的量为0.286 mmol, (催化剂)/ (乙酸)/n(乙醇)一1:30:150,反应温度为60℃ 的条件下,考察不同反应时间对酯化反应的影响,结 果见图1。从图1中可以看出,延长反应时间能够 提高酯化反应的收率,当达到4 h时,收率达到最 大,再增加反应时间,酯化反应的收率变化不大,说 明酯化已达到平衡,因此,反应时间4 h为最佳反应 条件。 第6期 张彦佳等.离子液体磷钨酸盐合成及在酯化反应中的应用 的影响,结果见图4。由图4中可以明显看出,随着 原料 cn c。on//2cn cn。on的不断减小,酯化反应的收 率逐渐提高,当酸醇物质的量比为1:5时,酯化反 应的收率达到最高。为了使酯化反应更为完全,乙 辞 醇应过量。但若乙醇的量太少,反应不完全;若乙醇 的量过多,造成乙酸在反应体系中相对浓度降低,减 少了反应物分子碰撞的机会,对收率产生影响,因此 酸醇物质的量比为1:5为最佳反应条件。 i 7h Fig.1 Esterification results under different reaction time 图1 不同反应时间下酯化反应结果 2.2反应温度 在催化剂物质的量为0.286 mmol, (催化剂)/ 辞 (乙酸)/n(乙醇)一1:30:15O,反应时间为4 h的 条件下,控制加热温度,考察不同反应温度对酯化反 应的影响,结果见图2。从图2中可以看出,升高温 度酯化反应的收率不断的上升,当温度达到60℃ ,l(催化剂)/n(乙酸) 时,催化剂的活性和选择性都非常高,但再提高温度 Fig.3 Esterification results under 收率并无提高且有略下降,因此酯化反应的最佳反 different amount of catalyst 应温度为60。C,在此温度下既有好的收率又有高的 图3不同催化剂用量下酯化反应结果 选择性,并节约能耗。 装 肄 舟 瘿 nC ̄/ncH c} oH qCOOHf/。C Fig.4 Esterification results under different Fig.2 Esterification resulst under different temperature ratio of raw materials 图2不同反应温度下酯化反应结果 图4不同原料配比下酯化反应结果 2.3催化剂用量 2.5 产物分离和催化剂的循环使用 其他条件不变(反应温度6O。C,72(乙酸)/n(乙 由于生成的酯不溶于催化剂,反应时体系为均 醇)一1:5,反应时间为4 h)的情况下,考察不同催 相,反应结束后,产物和催化剂分层,通过简单的过 化剂用量对酯化反应的影响。图3给出了不同用量 滤即可分离产物和催化剂。除去产物后,将催化剂 的催化剂对酯化反应的影响。从图3中可以看出提 干燥(100℃)4 h,催化剂可重复使用4次,结果见 高催化剂的用量,酯化反应的收率稳步上升,说明催 表1。由表1可见,收率分别为9 4 ,9 1.3 , 化剂具有非常高效的催化性能。当 (催化剂)//2 87.6 ,85.1 。催化剂催化4次后,催化活性变化 (乙酸)一1:3O时,酯化反应的收率为94 ,再增加 不大。 催化剂用量,收率提高很小。因此, (催化剂)//2 从表1可以看出,反应4次后催化剂的活性有 (乙酸)一1:3O为最佳反应条件。 所下降,原因可能由于催化剂在每次的过滤过程中 2.4反应酸醇物质的量比 略有损失,以上结果表明此催化剂用于酯化反应可 其他条件不变(催化剂物质的量为0.286 重复使用。本催化剂用于酯化反应具有以下优点: mmol,/2(催化剂)/,2(乙酸)一1:3O,反应时间为4 (1)具有很高的收率和选择性;(2)成本较低,对环境 h)的情况下,考察不同酸醇物质的量比对酯化反应 污染小;(3)产物和催化剂容易分离;(4)经过简单处 74 石油化工高等学校学报 第24卷 理就可重复使用。 表1催化剂的循环使用 Table 1 Recycle of FMIMPS-]3 PW12 o4o 由此可见,反应前后催化剂的结构未发生明显变化, 催化剂活性变化不大,催化剂可重复使用。 注:乙醇43 mmol,乙酸8.6 mmol,催化剂0.287 mmol, 6O℃,加热4 h。 10 20 3O 2 0/(。) Fig.6 XRD patterns for[MIMPS ̄3 Pw12 040 2.6催化剂的表征 before and after reaction 2.6.1 催化剂的热重表征 图5为磷钨酸盐 FMIMPS ̄。Pw O 。的热重曲线。由图5可知,催化 剂的失重过程包含了两个过程:100~310℃,31O~ 720℃。在第一阶段的重量损失主要是由于少量水 图6[MIMPS]。Pw O 。反应前后的XRD谱图 2.6.3 反应前后催化剂的IR表征 图7给出了催 化剂反应前后的IR谱图。由图7可以看出,反应前 后的催化剂在801,896,977,1 079 cm 处均出现特 的存在。第二阶段的重量损失可能是由于化合物中 阳离子MIMPS 的分解,其次是与有机阳离子相连 的Keggin阳离子发生分解。 征峰,其归属于阴离子[Pw 。0 。]。一中的v(W—O 一w),v(W—Ob—W),v(W—Od)和v(P—O )振 动;而在520 cm-1和1 169~3 150 am 有特征峰出 现,可归属为阳离子1一甲基咪唑产生。由图7可 知,催化剂反应前后IR谱图基本一致,说明反应前 后催化剂的结构基本无明显的变化。 讣 悯 1U【 Z【JJl J jIJll 400 500 600 700 800 900 t/oC Fig.5 The TG curve of FMIMPS ̄3 PWl2 040 图5[MIMPS]。Pw 0 。的热重曲线 2.6.2 反应前后催化剂的XRD表征 图6给出了 催化剂反应前后的XRD谱图。从图6中可以看出, 反应前后催化剂在2 为9.4。,18.9。,25.8。,31。9。, 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 盯X 10—3/cm一’ Fig.7 IR spectra of[MIMPS]3 PWI2 04o before and after the reaction 34.4。时均出现主要特征峰,反应前后没有发生明显 变化,这说明催化剂FMIMPS]。Pw O 。结构稳定。 图7反应前后[MIMPS]。Pw 20 。的IR谱图 参 考 文 献 [1] 吴如春,童张法,谢涛,等.金属离子负载修饰阳离子树脂在酯化反应中的研究[J].离子交换与吸附,2003,19(1):83— 87. 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