酯化反应机理催化剂酯化方法.ppt

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1、第五章第五章 酯化技术酯化技术 5.15.1概述概述5.2 5.2 酯化反应的基本酯化反应的基本原理（主要介绍以醇原理（主要介绍以醇为原料的酯化、以酯为原料的酯化、以酯为原料的酯化、水解为原料的酯化、水解和皂化）和皂化）5.3 5.3 酯化方法（主要酯化方法（主要介绍以醇为原料的酯介绍以醇为原料的酯化、酯化技术）化、酯化技术）5.4 5.4 应用实例。应用实例。5.1 5.1 概概 述述 定义：定义：酯化反应通常是指酯化反应通常是指醇或酚与含氧的酸醇或酚与含氧的酸（包括有（包括有机和无机酸）作用生成酯和水的反应。机和无机酸）作用生成酯和水的反应。由于它是在由于它是在醇或酚羟基醇或酚羟基的氧原子

2、上引入酰基的的氧原子上引入酰基的过程，故又称为过程，故又称为O-O-酰化反应酰化反应。其通式为：其通式为：R ROH+RCOZ RCOOROH+RCOZ RCOOR+HZ+HZ RR可以是脂肪族或芳香烃基可以是脂肪族或芳香烃基;RCOZRCOZ为酰化剂，其中的为酰化剂，其中的Z Z可以代表可以代表OHOH，X X，OR OR，OCOROCOR，NHRNHR等。等。即，主要有以下几种：即，主要有以下几种：羧酸与醇或酚作用：羧酸与醇或酚作用：ROH+RCOOH RCOOR+HROH+RCOOH RCOOR+H2 2O O 酸酐与醇或酚作用：酸酐与醇或酚作用：ROH+(RCO)ROH+(RCO)2

3、2O RCOOR+RCOOHO RCOOR+RCOOH 酰氯与醇或酚作用：酰氯与醇或酚作用：ROH+RCOCl RCOOR+HClROH+RCOCl RCOOR+HCl 酯交换：酯交换：ROH+RCOOR RCOO R+ROHROH+RCOOR RCOO R+ROHRCOOH+RCOOR R COOR+RCOOHRCOOH+RCOOR R COOR+RCOOHRCOORRCOOR+RCOOR RCOOR +RCOOR RCOOR +RCOOR+RCOOR用途：用途：工业上酯化是将羧酸与醇在催化剂存在下工业上酯化是将羧酸与醇在催化剂存在下进行的反应生产进行的反应生产羧酸酯羧酸酯；羧酸酯羧酸酯最重

4、要最重要的用途是的用途是溶剂及增塑剂溶剂及增塑剂，其他的用途还包括有树脂、涂料、合成润其他的用途还包括有树脂、涂料、合成润滑油、香料、化妆品、表面活性剂、医滑油、香料、化妆品、表面活性剂、医药等。药等。本章着重学习本章着重学习羧酸与醇的反应羧酸与醇的反应5.2 5.2 酯化反应原理酯化反应原理（一）反应机理（一）反应机理 最常用、最重要的是最常用、最重要的是羧酸与醇羧酸与醇在在酸催化酸催化下的酯化下的酯化 （1 1）酸催化酯化反应酸催化酯化反应机理：机理：醇和羧酸的酸催化酯化是醇和羧酸的酸催化酯化是双分子反应机理双分子反应机理。即，首先质子加成到羧酸中羧基的氧原子上，即，首先质子加成到羧酸中羧

5、基的氧原子上，然后，醇分子对羰基碳原子发生亲核进攻，这一步是然后，醇分子对羰基碳原子发生亲核进攻，这一步是整个反应整个反应最慢最慢的阶段。的阶段。（2 2）特点：所有的各步反应均）特点：所有的各步反应均处于平衡处于平衡中。中。酯化反应平衡常数为：酯化反应平衡常数为：双分子反应机理：亲核进亲核进攻攻重排重排（3 3）酯的水解反应机理：）酯的水解反应机理：酯的水解酯的水解是羧酸与醇进行酯化反应的是羧酸与醇进行酯化反应的逆反应。逆反应。工业上最重要的酯类水解是由油脂与苛性钠共工业上最重要的酯类水解是由油脂与苛性钠共热生产肥皂，此碱性水解又称热生产肥皂，此碱性水解又称皂化皂化。特点：特点：酯的水解反应

6、也是一个可逆平衡反应；酯的水解反应也是一个可逆平衡反应；可在酸或碱催化下进行；可在酸或碱催化下进行；反应过程中，进攻的亲核试剂是水，离去反应过程中，进攻的亲核试剂是水，离去基团是醇。基团是醇。即，即，RCOOR+H RCOOR+H2 2O O ROH+RCOOHROH+RCOOHH+/OH（二）主要影响因素主要影响因素 1 1 反应物的结构反应物的结构（1 1）醇或酚结构的影响）醇或酚结构的影响酯化反应活性：酯化反应活性：甲醇甲醇 伯醇伯醇 仲醇仲醇 叔醇叔醇 酚。酚。（见表（见表5.1 5.1 醇或酚的结构对酯化反应影响的结果醇或酚的结构对酯化反应影响的结果 ）通常，叔醇和酚的酯化要通常，叔

7、醇和酚的酯化要选用活泼的酸酐或酰化剂。选用活泼的酸酐或酰化剂。空间位阻表表5.5.1 1 乙乙酸酸与与各各种种醇醇的的酯酯化化反反应应情情况况序序 号号醇或酚醇或酚转化率转化率平衡常数平衡常数K K1h 后后极极 限限12345678910111213141516CH3OHC2H5OHC3H7OHC4H9OHCH2=CHCH2OHC6H5CH2OH(CH3)2CHOH(C4H9)(C2H5)CHOH(C2H5)2CHOH(CH3)(C6H13)CHOH(CH2=CHCH2)2CHOH(C4H9)3COH(CH9)2(C2H5)COH(CH3)2(C3H7)COHC6H5OH(CH3)(C3H7

8、)C6H3OH55.5946.9546.9246.8535.7238.6426.5322.5916.9321.1910.311.430.812.151.450.5569.5966.5766.8567.3059.4160.7560.5259.2858.6662.0350.126.592.530.838.649.465.243.964.074.242.182.392.352.122.012.671.010.00490.000670.00890.0192（2 2）羧酸的结构）羧酸的结构酯化反应活性：酯化反应活性：甲酸甲酸 直链羧酸直链羧酸 有侧链羧酸有侧链羧酸 芳香族羧酸。芳香族羧酸。（见表（见表5

9、2 5-2 异丁醇与各种羧酸的酯化反应影响的结果异丁醇与各种羧酸的酯化反应影响的结果 ）如：以苯甲酸为例，当邻位有取代基时，酯化反如：以苯甲酸为例，当邻位有取代基时，酯化反应速度减慢；当两个邻位均有取代基时，酯化应速度减慢；当两个邻位均有取代基时，酯化更难，而且形成的酯不易皂化。更难，而且形成的酯不易皂化。空间位阻表表5-2 5-2 异丁醇与各种羧酸的酯化反应转化率、平衡常数（等摩尔混合，异丁醇与各种羧酸的酯化反应转化率、平衡常数（等摩尔混合，155155）序 号 羧 酸转 化 率 平衡常数K1h后平衡极限12345678910111213 HCOOH CH3COOH C2H5COOH C3

10、H7COOH (CH3)2CHCOOH CH3)(C2H5)CHCOOH (CH3)3CCOOH(CH3)2(C2H5)CCOOH(C6H5)CH2COOH(C6H5)C2H4COOH(C6H5)CH=CHCOOH C6H5COOH p-(CH3)C6H4COOH61.6944.3641.1833.2529.0321.508.283.4548.8240.2611.558.626.6464.2367.3868.7069.5269.5173.7372.6574.1573.8772.0274.6172.5776.52 3.22 4.27 4.82 5.20 5.20 7.88 7.06 8.23 7

11、99 7.60 8.63 7.00 10.62 1 1h h后的转化率可表示相对酯化速度。后的转化率可表示相对酯化速度。（3 3）催催 化化 剂剂作用：作用：可降低反应活化能，加快反应的速度。可降低反应活化能，加快反应的速度。种类种类：酸：酸：H H2 2SOSO4 4、HClHCl（或氯化氢）、（或氯化氢）、H H3 3POPO4 4、F F3 3CCOOHCCOOH、C C6 6H H5 5SOSO3 3H H、-（CHCH3 3）C C6 6H H4 4SOSO3 3H H等；等；无水酸式盐：无水酸式盐：AlClAlCl3 3、FeClFeCl3 3、KHSOKHSO4 4、CHCH3

12、 3COONaCOONa等；等；氧化物：氧化物：AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2、ZnOZnO、TiOTiO2 2、钛酸四丁酯、钛酸四丁酯Ti(OCTi(OC4 4H H9 9)4 4等；等；强酸性阳离子交换树脂；强酸性阳离子交换树脂；分子筛。分子筛。选择催化剂应考虑：选择催化剂应考虑：醇和酸的种类和结构醇和酸的种类和结构 酯化温度酯化温度 设备耐腐情况设备耐腐情况 成本成本 催化剂来源催化剂来源 是否易于分离等。是否易于分离等。几种常用催化剂的性能：几种常用催化剂的性能：浓硫酸浓硫酸 优点优点：酸性强、催化剂效果好、性质稳定、吸：酸性强、催化剂效果好、性质稳定、吸水性强及价格低

13、廉等，是应用最为广泛的催化水性强及价格低廉等，是应用最为广泛的催化剂。剂。缺点缺点：氧化性，易使反应物发生磺化、碳化或：氧化性，易使反应物发生磺化、碳化或聚合等副反应，对设备腐蚀严重，后处理麻烦，聚合等副反应，对设备腐蚀严重，后处理麻烦，产品色泽较深等。产品色泽较深等。注意注意：不饱和酸、羟基酸、甲酸、草酸和丙酮：不饱和酸、羟基酸、甲酸、草酸和丙酮酸等的酯化，不宜用硫酸催化，因为它能引起酸等的酯化，不宜用硫酸催化，因为它能引起加成、脱水或脱羧等副反应。加成、脱水或脱羧等副反应。干燥氯化氢或盐酸干燥氯化氢或盐酸 优点优点：酸性强、催化效果好、无氧化性和易于：酸性强、催化效果好、无氧化性和易于分离

14、等。分离等。缺点缺点：设备腐蚀严重、操作较复杂、反应时间：设备腐蚀严重、操作较复杂、反应时间过长时易发生醇羟基氯代副反应等。过长时易发生醇羟基氯代副反应等。应用：应用：一般用于某些以浓硫酸作为催化剂时发一般用于某些以浓硫酸作为催化剂时发生脱水等副反应的含羟基化合物的酯化，也用生脱水等副反应的含羟基化合物的酯化，也用于氨基酸的酯化。于氨基酸的酯化。对甲苯磺酸对甲苯磺酸具有浓硫酸的一切优点，而且无氧化性，碳化作用较具有浓硫酸的一切优点，而且无氧化性，碳化作用较弱，但弱，但价格较高价格较高。常用于反应温度较高及浓硫酸不能。常用于反应温度较高及浓硫酸不能使用的场合，如长碳链脂肪酸和芳香酸的酯化。使用的

15、场合，如长碳链脂肪酸和芳香酸的酯化。（4 4）酸）酸性性阳离子交换树脂阳离子交换树脂 特点：操作简便、反应条件温和、催化剂可再生和易特点：操作简便、反应条件温和、催化剂可再生和易于分离、副反应少、产率高、可连续化生产等。如果于分离、副反应少、产率高、可连续化生产等。如果加入适量酸钙，可加快反应速度并提高收率。加入适量酸钙，可加快反应速度并提高收率。缺点：耐高温性能较差，使用温度低缺点：耐高温性能较差，使用温度低于于120120，因此，因此限制了它们的应用范围。限制了它们的应用范围。5.3 5.3 酯化方法酯化方法 1 1、羧、羧 酸酸 法法 特点：羧酸与醇作用生成酯的反应（羧酸法）是双特点：羧

16、酸与醇作用生成酯的反应（羧酸法）是双分子的平衡可逆反应，虽经加热和催化剂的作用可加分子的平衡可逆反应，虽经加热和催化剂的作用可加快反应速度，但不能提高平衡转化率。快反应速度，但不能提高平衡转化率。酯化转化率：酯化转化率：为提高酯的收率，制取更多的酯类产物，可采用两种为提高酯的收率，制取更多的酯类产物，可采用两种方法：方法：其一是原料配比中，对于便宜原料可以采用过量，以其一是原料配比中，对于便宜原料可以采用过量，以提高酯的平衡转化率；提高酯的平衡转化率；其二是通过不断蒸发反应生成的酯和水破坏反应的其二是通过不断蒸发反应生成的酯和水破坏反应的平衡，使酯化进行完全，这种方法比前者更为有效。平衡，使酯

17、化进行完全，这种方法比前者更为有效。2 2、羧酸酐法、羧酸酐法特点：特点：羧酸酐是比羧酸更强的酰化剂羧酸酐是比羧酸更强的酰化剂 反应在少量酸或碱的催化下进行。常用的催反应在少量酸或碱的催化下进行。常用的催化剂有浓硫酸、对甲苯磺酸、高氯酸、氯化锌、化剂有浓硫酸、对甲苯磺酸、高氯酸、氯化锌、无水乙酸钠、吡啶以及二甲基苯胺等。无水乙酸钠、吡啶以及二甲基苯胺等。醇的结构对酸酐法合成酯的影响，酯化速度醇的结构对酸酐法合成酯的影响，酯化速度顺序为：伯醇顺序为：伯醇 仲醇仲醇 叔醇。叔醇。应用：应用：适用于较难反应的酚类化合物及空间阻碍较大适用于较难反应的酚类化合物及空间阻碍较大的醇的直接酯化：的醇的直接酯

18、化：ROH+(RCO)ROH+(RCO)2 2O RCOOR+O RCOOR+RCOOHRCOOH 酸酐法主要用于乙酸酯的制备酸酐法主要用于乙酸酯的制备.例如，分散染料中间体的合成：例如，分散染料中间体的合成：乙酰水杨酸（即阿司匹林）的合成：乙酰水杨酸（即阿司匹林）的合成：二元酸酐与醇共热反应，二元酸酐与醇共热反应，即，能如按下式首先生成单烷基酯：即，能如按下式首先生成单烷基酯：工业上大规模生产的各种型号的工业上大规模生产的各种型号的增塑剂增塑剂邻苯二丁邻苯二丁酯（酯（DBPDBP）及二辛酯（及二辛酯（DOPDOP）就是以就是以苯酐和过量醇在苯酐和过量醇在硫酸催化下进行酯化硫酸催化下进行酯化而

19、得的。而得的。苯酐苯酐辛醇辛醇3 3、酰氯法、酰氯法 特点：特点：酰氯的酯化能力比相应的酸酐强，酰氯的酯化能力比相应的酸酐强，用它作酯化剂，酯化反应极易进行；对于一些用它作酯化剂，酯化反应极易进行；对于一些空间位阻较大的叔醇，也能顺利完成酯化反应。空间位阻较大的叔醇，也能顺利完成酯化反应。是一个不可逆反应。是一个不可逆反应。酰氯和醇反应生成酯：酰氯和醇反应生成酯：通式：通式：RCOCl+ROH RCOOR+HCl RCOCl+ROH RCOOR+HCl 缺点：反应中释放出氯化氢缺点：反应中释放出氯化氢 ，易产生多种副，易产生多种副反应（如氯化、脱水和异构化等）反应（如氯化、脱水和异构化等）常采

20、用吡啶、三乙胺、等有机碱或碳酸钠无机常采用吡啶、三乙胺、等有机碱或碳酸钠无机弱碱中和弱碱中和HClHCl。另外，为了防止酰氯分解小，一般均采用分批另外，为了防止酰氯分解小，一般均采用分批加碱以及低温反应的方法。加碱以及低温反应的方法。如，如，4 4、酯交换法、酯交换法 定义：定义：酯交换，是指在反应过程中原料酯与另酯交换，是指在反应过程中原料酯与另一种参加反应的反应剂间发生了烷氧基或烷基一种参加反应的反应剂间发生了烷氧基或烷基的交换，从而生成新的酯的反应。的交换，从而生成新的酯的反应。应用场合：应用场合：当用酸对醇进行直接酯化不易取得当用酸对醇进行直接酯化不易取得良好效果时，常常要用酯交换法。

21、良好效果时，常常要用酯交换法。反应方式：反应方式：酯交换除原料酯外，参与反应的另一反应剂可酯交换除原料酯外，参与反应的另一反应剂可能是能是醇、酸或另一种酯醇、酸或另一种酯。即，三种方式：即，三种方式：1 1、酯醇交换法，即醇解法或醇交换法、酯醇交换法，即醇解法或醇交换法 2 2、酯酸交换法，即酸解法或酸交换法、酯酸交换法，即酸解法或酸交换法 3 3、酯酯交换法，即醇酸互换、酯酯交换法，即醇酸互换 5 5、腈的醇解、腈的醇解在硫酸或氯化氢作用下腈与醇共热可直接成在硫酸或氯化氢作用下腈与醇共热可直接成为酯：为酯：本法的本法的优点优点在于在于腈可直接转变为酯腈可直接转变为酯，不必先制成，不必先制成羧

22、酸。羧酸。例如，工业上大量生成的例如，工业上大量生成的甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯就是就是应用此法。应用此法。合成过程分为二步：合成过程分为二步：5.4 5.4 反应实例反应实例1 1、酯化反应装置、酯化反应装置下图中列举了四种不同类型的酯化反应装置。下图中列举了四种不同类型的酯化反应装置。2 2、乙酸乙酯的生产、乙酸乙酯的生产乙酸乙酯为无色透明液体，具有挥发性，有水乙酸乙酯为无色透明液体，具有挥发性，有水果香。果香。它是一种快干性溶剂，具有优异的溶解能力，它是一种快干性溶剂，具有优异的溶解能力，是极好的工业溶剂及重要的香料添加剂。可由是极好的工业溶剂及重要的香料添加剂。可由乙酸、乙酐或乙烯酮

23、与乙醇反应制得。乙酸、乙酐或乙烯酮与乙醇反应制得。（1 1）方法：羧酸法）方法：羧酸法（2 2）反应式：）反应式：（3 3）工艺过程）工艺过程醋酸，乙醇醋酸，乙醇，浓硫酸，浓硫酸连续酯化生产乙酸乙酯工艺流程连续酯化生产乙酸乙酯工艺流程 1 1高位槽；高位槽；22热交换器；热交换器；33冷凝器；冷凝器；44酯化塔；酯化塔；5 5，1010分馏塔分馏塔6 6，99分凝器；分凝器；77混合器；混合器；88分离器；分离器；1111冷却器；冷却器；1212成品贮槽成品贮槽 工艺过程方块流程图醋酸醋酸乙醇乙醇浓硫酸浓硫酸酯化酯化蒸（分）馏蒸（分）馏洗涤洗涤中和中和洗涤洗涤干燥干燥过滤过滤分馏分馏产品产品废渣废渣废水废水废水废水废水废水CaCl2溶液KCO35%NaClNaCl,NaOH溶液