离子液体合成苯甲酸酯的应用研究(2)
功能化酸性离子液体[7]具有固体酸与液体酸的优点，有取代工业酸催化剂的潜力。选择合适的功能化酸性离子液体催化剂在室温下进行酯化反应，更适合于替代目前的浓硫酸催化剂。鉴于本论文所选的反应为酸性催化剂来催化苯甲酸和甲醇合成苯甲酸甲酯，因此本文需要设计方案[8,9]并且合成具有酸性的离子液体。本文合成了硫酸氢根甲基咪唑盐[Hmim]HSO4 酸性离子液体，同时对合成所得到的离子液体进行红外光谱测定，来检验其分子结构。
本文以酸性离子液体为催化剂，以苯甲酸和甲醇为原料的苯甲酸甲酯的效果进行研究。并讨论催化剂用量及重复使用性，反应时间、反应温度、原料配比等反应条件的影响。酯化反应完毕，离子液体与反应体系不能分层，需采取萃取的方式将离子液体回收。本文就上述问题苯甲酸酯的合成进行了考察，并取得了较好的效果。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
仪器：Elementar Vario EL Ш，DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器；FAl004型电子天平；日本分光公司生产的WQF-510红外光谱仪（KBr压片）；X-6A精密显微熔点测定仪（北京福凯仪器有限公司）温度计未校正；100mL三颈瓶；50mL三颈瓶；回流冷凝管；直行冷凝管；氯化钙干燥管；减压蒸馏装置；抽滤瓶；布氏漏斗；恒压滴液漏斗；锥形瓶；接液管；温度计。
所用试剂：苯甲酸；甲醇；乙酸乙酯；N-甲基咪唑；正溴丁烷；浓硫酸；乙醇；碳酸钠（所用试剂均为分析纯或化学纯，反应溶剂用前均作无水处理）。
1.2 离子液体的制备[13,14]
用电子天平称取N-甲基咪唑16.4 g，加入到含有磁子的三颈烧瓶(100 mL)中，冰浴冷却至0-5 ºC，剧烈搅拌1min，用恒压滴液漏斗缓慢滴加20.4 g 98％的浓硫酸，整个加料时间控制在40min左右。加料完毕后，在水浴中缓慢升温到80 ºC下反应2h。反应结束后，用差不多等量乙酸乙酯洗涤三次，除去未反应的残留物，然后反应物在75 ºC下减压蒸馏除去水，真空干燥得淡黄色粘稠状液体，即为硫酸氢根甲基咪唑盐[Hmim]HSO4。其反应式如图1所示：
图1 离子液体[Hmim]HSO4的合成
1.3 苯甲酸甲酯的制备[15-19]
以苯甲酸和甲醇为原料合成苯甲酸甲酯，相关文献报道苯甲酸甲酯的合成采用苯做带水剂，一方面反应体系的温度较低；另一方面苯毒性较大，应尽量避免使用，一般依靠延长反应时间、加大酸醇比来提高酯收率，这无论在工艺上还是经济上都不尽合理。
本文采用甲醇-水共沸的原理，以甲醇自身做反应溶剂及带水剂，从而避免了苯污染及资源浪费。苯甲酸甲酯在冷的蒸馏水中即可结晶，结晶的同时离子液体进入水相，可以通过简单的回收再利用，其合成流程如下图2所示：
图2 苯甲酸甲酯的合成流程
具体的合成步骤如下：在装有温度计、回流冷凝装置的50 mL三口烧瓶中依次加入苯甲酸、甲醇、一定量的硫酸氢根甲基咪唑盐[Hmim]HSO4离子液体，磁力加热搅拌下保持回流反应3h。反应完毕，反应液趁热将其倒入已准备好的20mL冷的去离子水中，在不断搅拌下结晶，同时离子液体进入水相。过滤，滤液经减压蒸馏除去水来回收离子液体。滤饼将由5%Na2CO3水溶液和去离子水调节其pH = 7-8，50ºC下干燥2h，得白色固体或晶体即为苯甲酸甲酯。粗品由无水甲醇-水(V:V = 1:5)重结晶，得白色针状晶体。其反应式如图3所示：
图3 苯甲酸甲酯的合成
2 结果与讨论2.1 离子液体的表征
离子液体硫酸氢根甲基咪唑盐[Hmim]HSO4的IR谱图见图4，波谱数据见表1。
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