硫酸氫鈉催化合成阿司匹林的研究

硫酸氫鈉催化合成阿司匹林的研究

阿司匹林也被稱為乙酰水楊酸，其化學(xué)名稱為2-羥色胺。這是一種歷史悠久的解熱鎮(zhèn)痛劑。它于1899年3月6日誕生。到目前為止,阿司匹林已應(yīng)用百年,成為醫(yī)藥史上三大經(jīng)典藥物之一,至今它仍是世界上應(yīng)用最廣泛的解熱、鎮(zhèn)痛和抗炎藥,也是作為比較和評價其他藥物的標準制劑。最新研究表明還可用于防治多種癌癥,如乳腺癌、食管癌等。傳統(tǒng)的實驗室合成方法是水楊酸和乙酸酐在濃硫酸催化下制備阿司匹林,這種方法一度作為經(jīng)典的合成方法應(yīng)用于各大高校的教研教學(xué)工作。然而隨著社會的發(fā)展,全世界范圍內(nèi)對環(huán)保、能源等問題的逐漸重視,針對化學(xué)工作提出了“綠色化學(xué)”的理念,要求化學(xué)實驗實現(xiàn)綠色、低耗能、無污染。傳統(tǒng)的濃硫酸催化合成阿司匹林于此理念相悖而行。濃硫酸應(yīng)用于實驗不僅有潛在的危險性,而且反應(yīng)后的排放對設(shè)備、管道的腐蝕嚴重,對水質(zhì)、土壤的污染更為嚴重。本實驗改進的是用硫酸氫鈉代替了濃硫酸做催化劑,而且本文通過設(shè)計正交實驗找到了最理想的合成條件,反應(yīng)產(chǎn)率較文獻報道的更高。改進后的合成反應(yīng)不僅在催化劑上可以回收重復(fù)使用,而且反應(yīng)更易控制,產(chǎn)率更高,應(yīng)用于實驗室教學(xué)更加理想。1實驗部分1.1學(xué)純試劑的制備水楊酸、乙酸酐為分析純,NaHSO4為化學(xué)純試劑,三氯化鐵,無水乙醇。分析天平,冷凝管,25mL雙頸瓶,HJ-6型磁力攪拌電熱套,溫度計,減壓抽濾裝置。1.2催化劑催化處理法按一定比例將水楊酸、乙酸酐、硫酸氫鈉投入雙頸瓶中,固定好冷凝管和溫度計,接入冷凝水,開啟磁力攪拌器,水浴回流一定時間,回收催化劑硫酸氫鈉。充分自然冷卻,加入一定量蒸餾水,轉(zhuǎn)移至冰水浴,充分析晶,抽濾,冷水洗滌2~3次,得水楊酸粗品。三氯化鐵檢驗后重結(jié)晶得到白色結(jié)晶產(chǎn)品,干燥稱重,計算產(chǎn)率。1.3水楊酸與乙酸酐物質(zhì)的量之比的選擇阿司匹林合成實驗屬于成酯反應(yīng),反應(yīng)原料配比對產(chǎn)率的影響較大,所以選擇水楊酸與乙酸酐物質(zhì)的量之比(水楊酸∶乙酸酐)作為考察的主要因素之一。催化劑硫酸氫鈉用量、反應(yīng)時間及反應(yīng)溫度均會影響合成效果,故把這3個因素也同時作為考察因素,實驗的影響因素和水平見表1。2結(jié)果與討論2.1影響阿斯匹林合成反應(yīng)的因素實驗結(jié)果本實驗考察了4個影響因素和3個水平,故選用4因素3水平9次試驗的正交實驗表,記為L9(34),“L”是正交表的代號。正交實驗設(shè)計及實驗結(jié)果見表2。表2中的R為各因素的極差,即任何一列各水平下指標值的最大值與最小值之差,R越大,說明該因素對實驗指標的影響越大,因此也就越重要。由極差分析結(jié)果可以看出,以合成產(chǎn)率為考察指標,4種因素對阿司匹林合成反應(yīng)的影響程度依次為:原料配比(A)>反應(yīng)溫度(D)>催化劑用量(B)≥反應(yīng)時間(C)。同時,可以得到正交實驗范圍內(nèi)的最佳合成條件為A1B3C3D2,而正交實驗中合成產(chǎn)率最高的條件為A1B3C3D3,此條件下阿司匹林的合成產(chǎn)率為84.66%。2.2反應(yīng)時間及溫度對總反應(yīng)物總質(zhì)量的影響由方差分析所確定的最佳組合為A1B3C3D2。即水楊酸與乙酸酐物質(zhì)的量比1∶l.5,硫酸氫鈉用量4.2%反應(yīng)物總質(zhì)量,反應(yīng)時間40min,反應(yīng)溫度75~80℃。在此條件下重復(fù)3次,進行實驗驗證,結(jié)果見表4。由表4可知,按照最佳合成條件制備阿司匹林的平均合成產(chǎn)率為85.10%,收率高且具有重復(fù)性,并與第2號正交實驗的結(jié)果(84.66%)接近,驗證了所選合成工藝參數(shù)的合理性。3硫酸氫鈉作催化劑以硫酸氫鈉為催化劑合成阿司匹林的最佳反應(yīng)條件是:n(水楊酸)∶n(乙酸酐)=1∶1.5,即水楊酸2.5g,乙酸酐2.6mL,硫酸氫鈉用量為反應(yīng)物總量的4.2%,反應(yīng)溫度75~80℃,反應(yīng)時間40min,產(chǎn)率達85.10%。用硫酸氫鈉代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濃硫酸作催化劑,催化劑可回收重復(fù)使用,實現(xiàn)了化學(xué)實驗的綠色化,減少了酸性物質(zhì)的排放,減輕了對環(huán)境的污染,真正達到了綠色、低耗、環(huán)保的要求,符合當前綠色化學(xué)發(fā)展的方向。而實驗的整合,使得本實驗成為一個綜合性很好,操作性很強的教學(xué)實驗。4正交實驗優(yōu)化阿斯匹林合成實驗項目筆者根據(jù)教學(xué)工作需要,確定了4個影響因素,即水楊酸與乙酸酐物質(zhì)的量之比(水楊酸∶乙酸酐)、催化劑硫酸氫鈉用量、反應(yīng)時間及反應(yīng)溫度作為考察因素,通過正交實驗的方法來探索這些因素對阿司匹林合成產(chǎn)量的影響,從而確定一個比較好的合成工藝條件。正交實驗是常用的安排實驗的方法,也是藥學(xué)類專業(yè)本科生統(tǒng)計學(xué)課程的主要內(nèi)容之一。在新工藝、新方法的研究中,實驗者為獲得可靠的實驗結(jié)果,就必須進行實驗設(shè)計與優(yōu)化。正交實驗設(shè)計是能夠大幅度減少實驗次數(shù)而又不會降低可信度的方法。這種方法有一系列可供選擇的實驗表,實驗者只需要找到對應(yīng)需要的即可。正交實驗法優(yōu)化阿司匹林合成實驗項目把學(xué)生放在應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)原理環(huán)境中進行化學(xué)實驗教學(xué),讓學(xué)生把所學(xué)統(tǒng)計方法,在專業(yè)實驗課程中進行拓展,培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力。方差分析又稱變異數(shù)分析或F檢驗,是對多個水平平均數(shù)差異顯著性檢驗的方法。F值是各因素的平均離差平方和與誤差的平均離差平方和之比,比值的大小反映了各因素對實驗結(jié)果影響程度的大小。F值與臨界值F0比較,若F>F0,說明該因素對實驗結(jié)果的影響顯著,兩數(shù)差別越大,說明該因素影響的顯著性越大。P值即概率,統(tǒng)計學(xué)根據(jù)顯著性檢驗方法所得到的P值,一般以P<0.05為顯著,P<0.01為非常顯著。由方差分析(表3)可得出:原料配比(A)