第五章 酯化技术

第五章 酯化技术

5.1 概述5.2 酯化反应的基本原理（主要介绍以醇为原料的酯化、以酯为原料的酯化、水解和皂化）5.3 酯化方法（主要介绍以醇为原料的酯化、酯化技术） 5.4 应用实例。

5.1 概 述

• 定义：• 酯化反应通常是指醇或酚与含氧的酸（包括有

机和无机酸）作用生成酯和水的反应。• 由于它是在醇或酚羟基的氧原子上引入酰基的

过程，故又称为 O- 酰化反应。• 其通式为：

• RˊOH + RCOZ RCOORˊ + HZ •Rˊ 可以是脂肪族或芳香烃基 ;•RCOZ 为酰化剂，其中的 Z 可以代表 OH ， X ， OR″ ， OCOR″ ， NHR″ 等。

• 即，主要有以下几种：• ① 羧酸与醇或酚作用：• RˊOH + RCOOH RCOORˊ + H2O• ② 酸酐与醇或酚作用：• RˊOH +(RCO)2O RCOORˊ+ RCOOH• ③ 酰氯与醇或酚作用：• RˊOH + RCOCl RCOORˊ + HCl• ④ 酯交换：• R″OH + RCOORˊ RCOO R″ + RˊOH• R″COOH + RCOORˊ R ″COORˊ + RCOOH• R″COOR + RCOORˊ RCOOR + R″COORˊ‴ ‴

• 用途：• 工业上酯化是将羧酸与醇在催化剂存在

下进行的反应生产羧酸酯；羧酸酯最重要的用途是溶剂及增塑剂，

• 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、医药等。

• 本章着重学习羧酸与醇的反应

5.2 酯化反应原理• （一）反应机理 －最常用、最重要的是羧酸与醇在

酸催化下的酯化 • （ 1 ） 酸催化酯化反应机理：• 醇和羧酸的酸催化酯化是双分子反应机理。• 即，首先质子加成到羧酸中羧基的氧原子上，• 然后，醇分子对羰基碳原子发生亲核进攻，这一步是

整个反应最慢的阶段。• （ 2 ）特点：所有的各步反应均处于平衡中。• 酯化反应平衡常数为：

OHRRCOOH

OHRRCOOK

2

• 双分子反应机理：

R C OH

O

H2O

R C OH

OHR OH

/

R OH/

R C

OH

OH

O

H

R/

R C

OH

O

H

R/

OH2

H2OR C

OH

O R/

H

HR C O R/

O

H

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亲核进攻

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• （ 3 ）酯的水解反应机理：• 酯的水解是羧酸与醇进行酯化反应的逆反应。• 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，此碱性水解又称皂化。 • 特点：• ① 酯的水解反应也是一个可逆平衡反应； • ② 可在酸或碱催化下进行；• ③ 反应过程中，进攻的亲核试剂是水，离去

基团是醇。 即，• RCOORˊ + H2O RˊOH + RCOOH

H+ / OH¯

（二）主要影响因素

• 1 反应物的结构

• （ 1 ）醇或酚结构的影响

• 酯化反应活性：

• 甲醇 伯醇 仲醇 叔醇 酚。≻ ≻ ≻ ≻

• （见表 5.1 醇或酚的结构对酯化反应影响的结果 ）

•通常，叔醇和酚的酯化要选用活泼的酸酐或酰化剂。

•空间位阻

表 5.1 乙酸与各种醇的酯化反应情况

序 号 醇或酚

转化率／％

平衡常数 K

1h 后 极 限

123456789

10111213141516

CH3OH

C2H5OH

C3H7OH

C4H9OH

CH2=CHCH2OH

C6H5CH2OH

(CH3)2CHOH

(C4H9)(C2H5)CHOH

(C2H5)2CHOH

(CH3)(C6H13)CHOH

(CH2=CHCH2)2CHOH

(C4H9)3COH

(CH9)2(C2H5)COH

(CH3)2(C3H7)COH

C6H5OH

(CH3)(C3H7)C6H3OH

55.5946.9546.9246.8535.7238.6426.5322.5916.9321.1910.311.430.812.151.450.55

69.5966.5766.8567.3059.4160.7560.5259.2858.6662.0350.126.592.530.838.649.46

5.243.964.074.242.182.392.352.122.012.671.01

0.00490.000670.00890.0192

（ 2 ）羧酸的结构

• 酯化反应活性：• 甲酸 直链羧酸 有侧链羧酸 芳香族羧酸。≻ ≻ ≻

• （见表 5-2 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。

•空间位阻

• 表 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， 155℃）

序 号

羧 酸 转 化 率／％ 平衡常数 K

1h 后① 平衡极限

123456789

10111213

HCOOH CH3COOH

C2H5COOH

C3H7COOH

(CH3)2CHCOOH

CH3)(C2H5)CHCOOH

(CH3)3CCOOH

(CH3)2(C2H5)CCOOH

(C6H5)CH2COOH

(C6H5)C2H4COOH

(C6H5)CH=CHCOOH

C6H5COOH

p-(CH3)C6H4COOH

61.6944.3641.1833.2529.0321.508.283.45

48.8240.2611.558.626.64

64.2367.3868.7069.5269.5173.7372.6574.1573.8772.0274.6172.5776.52

3.22 4.27 4.82 5.20 5.20 7.88 7. 06 8.23 7.99 7.60 8.63 7.00 10.62

•① 1h后的转化率可表示相对酯化速度。

（ 3 ） 催 化 剂• 作用：可降低反应活化能，加快反应的速度。• 种类：• ① 酸： H2SO4 、 HCl （或氯化氢）、 H3PO4 、 F3CCOOH 、

C6H5SO3H 、 р- （ CH3 ） C6H4SO3H 等；

• ② 无水酸式盐： AlCl3 、 FeCl3 、 KHSO4 、 CH3COONa等；

• ③ 氧化物： Al2O3 、 SiO2 、 ZnO 、 TiO2 、钛酸四丁酯［Ti(OC4H9)4］等；

• ④ 强酸性阳离子交换树脂；• ⑤ 分子筛。

• 选择催化剂应考虑：

• ① 醇和酸的种类和结构

• ② 酯化温度

• ③ 设备耐腐情况

• ④ 成本

•⑤ 催化剂来源

•⑥ 是否易于分离等。

几种常用催化剂的性能：• ① 浓硫酸 •优点：酸性强、催化剂效果好、性质稳定、吸

水性强及价格低廉等，是应用最为广泛的催化剂。

•缺点：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，产品色泽较深等。

•注意：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，因为它能引起加成、脱水或脱羧等副反应。

• ② 干燥氯化氢或盐酸 •优点：酸性强、催化效果好、无氧化性和易于

分离等。•缺点：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。• 应用：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，也用于氨基酸的酯化。

H2NCH2COOH C2H5OH H2NCH2COOC2H5 H2O¸ÉÔïHCl

HCl

③ 对甲苯磺酸• 具有浓硫酸的一切优点，而且无氧化性，碳化作用较弱，但价格较高。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。

• （ 4 ）酸性阳离子交换树脂 • 特点：操作简便、反应条件温和、催化剂可再生和易

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。

• 缺点：耐高温性能较差，使用温度低于 120℃，因此限制了它们的应用范围。

H2OCH3COOH CH3(CH2)3OHSO3H CaSO4

CH3COOC4H9

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ÊÒΣ¨100£¥£©

5.3 酯化方法 • 1 、羧 酸 法 • ⑴ 特点：羧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快反应速度，但不能提高平衡转化率。

• ⑵ 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

方法：• 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；

• 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。

2 、羧酸酐法• 特点： ① 羧酸酐是比羧酸更强的酰化剂• ② 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、无水乙酸钠、吡啶以及二甲基苯胺等。

• ③ 醇的结构对酸酐法合成酯的影响，酯化速度顺序为：伯醇 >仲醇 >叔醇。

• 应用：• ①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：

• RˊOH +(RCO)2O RCOORˊ+ RCOOH

• ② 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：OCH3

NHCOCH3

N(C2H4OH)2C

O

CH3

CH3 C

O

O

OCH3

NHCOCH3

N(C2H4OCCH3)2

O

2CH3COOH

•乙酰水杨酸（即阿司匹林）的合成： COOH

OH

(CH3CO)2O

COOH

OCCH3

O

CH3COOH

③ 二元酸酐与醇共热反应，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增塑剂邻苯二丁酯（ DBP）及二辛酯（ DOP）就是以苯酐和过量醇在硫酸催化下进行酯化而得的。

苯酐 辛醇

3 、酰氯法 • 特点：① 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；对于一些空间位阻较大的叔醇，也能顺利完成酯化反应。

• ② 是一个不可逆反应。 • 酰氯和醇反应生成酯：• 通式： RCOCl + RˊOH → RCOORˊ + HCl •缺点：反应中释放出氯化氢 ，易产生多种副

反应（如氯化、脱水和异构化等）

• 常采用吡啶、三乙胺、等有机碱或碳酸钠无机弱碱中和 HCl 。

•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。

• 如，

R COCl

N

N COR ClROH

/

RCOOR/

NH

Cl

4 、酯交换法

• 定义：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的交换，从而生成新的酯的反应。

• 应用场合：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。

• 反应方式：• 酯交换除原料酯外，参与反应的另一反应剂可能是醇、酸或另一种酯。

• 即，三种方式：• 1 、酯醇交换法，即醇解法或醇交换法

2 、酯酸交换法，即酸解法或酸交换法

3 、酯酯交换法，即醇酸互换

R/

R C

O

OR OHR OOR// / /

C /R OH

/R C

O

OR//

R C OH

O

R C

O

OH//

R C

O/

OR

/R C

O

OR//

R C

O

R C

O//

R C

O/

OR/

OR/ / /

OR/ /

5 、腈的醇解

• 在硫酸或氯化氢作用下．腈与醇共热可直接成为酯：

RCN R OH H2O/

RCOOR/

NH3

•本法的优点在于腈可直接转变为酯，不必先制成羧酸。

• 例如，工业上大量生成的甲基丙烯酸甲酯就是应用此法。

• 合成过程分为二步：

(CH3)2C(OH)CN H2SO4100¡æ

CH2 CONH2

CH3

C H2SO4

CH2 CONH2

CH3

C H2SO4 CH3OH90¡æ

CH2

CH3

C COOCH3 NH4HSO4

• 5.4 反应实例• 1 、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 、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

果香。• 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。可由乙酸、乙酐或乙烯酮与乙醇反应制得。

• （ 1 ）方法：羧酸法• （ 2 ）反应式：

CH3COOH CH3CH2OH CH3COOC2H5 H2OŨH2SO4

• （ 3 ）工艺过程

•醋酸，乙醇，浓硫酸

•连续酯化生产乙酸乙酯工艺流程• 1—高位槽； 2—热交换器； 3—冷凝器； 4—酯化塔； 5 ， 10—分馏塔•6， 9—分凝器； 7—混合器； 8—分离器； 11—冷却器； 12—成

品贮槽

工艺过程方块流程图

• 醋酸• 乙醇• 浓硫酸

酯化 蒸（分）馏 洗涤 中和

洗涤 干燥 过滤 分馏

产品废渣废水

废水废水CaCl2 溶液

KCO3

5%NaClNaCl, NaOH

溶液