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有机合成中的固体酸催化剂及其催化作用机理

甘贻迪2008302037

安徽理工大学化学工程学院应化二班

摘要：在有机合成中硫酸等液态催化剂存在不能循环使用，后处理工序复杂，环

境污染大等缺点。因而具有高活性、高选择性、绿色环保等优点的固体酸催化剂

在有机合成中越来越受到人们的亲睐，成为有机合成中能够代替硫酸的良好催化

[1]

剂。本文将对固体酸催化剂作性质种类作简单介绍，并介绍其在酯的合成、酮

的合成、O-酰化反应等具体应用的原理。

关键词：固体酸催化剂、有机合成、酯、醛（酮）、喹啉

1固体酸催化剂简述

1.1固体酸催化剂的定义及特点

一般而言，固体酸可以理解为凡能使碱性指示剂改变颜色的固体，或者凡能

化学吸附碱性物质的固体[1]，它们是酸碱催化剂中的一类重要催化剂，催化功能

来源于固体表面上存在的具有催化活性的酸性部位。固体酸催化剂多数为非过渡

元素的氧化物或混合氧化物，其催化性能不同于含过渡元素的氧化物催化剂。它

与液体酸催化剂相比，固体酸催化剂具有容易处理和储存、对设备无腐蚀作用、

易实现生产过程的连续化、稳定性高、可消除废酸的污染等优点。因此固体酸催

化剂在实验室和工业上都得到了越来越广泛的应用。特别是随着人们环境保护意

识的加强以及环境保护要求的严格，有关固体酸催化剂的研究更是得到了长足的

发展。当然，固体酸催化剂除了具有许多优势的同时，也还存在一些急需解决的

不足地方，诸如固体酸的活性还远不及硫酸等液体酸、固体酸的酸强度高低不一、

不能适应不同反应需要、固体酸价格较贵、单位酸量相对较少，故其用量较大，

生产成本较高等

1.2固体酸催化剂可以分类：

按作用机理分为：B酸和L酸和超强酸

Bromated酸：能够给出质子的物质称为Bromated酸。

Lewis酸：能够接受电子对的物质称为Lewis酸1。

固体超强酸：固态表面酸强度大于100％硫酸的固体酸。由于100％硫酸的

酸强度Hammett酸函数Ho=-11.9，所以Ho-11.9的固体酸是固体超强酸5。

按其组成不同可大致分为以下几类：无机酸盐（AlP0BPOFeSO等）、金

4、4、4

属氧化物（简单：AlO、SiO复合：ALOSIO等）及其复合物、杂多酸（HPWO

23223231240

等）、沸石分子筛、阳离子交换树脂（苯乙烯、二乙烯基苯共聚物）、负载金属

氧化物、天然粘土矿负载化液体酸等[2]。

2固体酸催化剂在有机合成中的应用

自20世纪30年代法国胡德利首次研制与开发出第一个固体酸催化剂——硅

酸铝以来，固体酸催化剂的研究已经历了大约一个世纪。固体酸催化剂在化学工

业中的应用成了一个十分重要的领域，已广泛用于石油化工行业的催化裂化、加

氢裂化、催化重整、齐聚和聚合、脱氢、异构化、烷基化、酰基化、烯烃水合、

脱水反应、消除反应、酯化反应、缩合反应、水解反应、氧化．还原反应等。

2.1固体酸催化下酯的合成

2.1.1固体酸催化合成乳酸丁酯

乳酸正丁酯是重要的a一羟基酯类化合物，主要用作合成香料和工业溶剂，

[3]

并用于树脂、油漆、涂料和粘接剂等领域。而用金属掺杂的磷酸铝固体酸、杂

多磷钨酸及其负载催化剂合成乳酸正丁酯，产量高、环境污染小。

具体合成方法是在三颈瓶中加入一定量的催化剂、乳酸、正丁醇、环己烷和

分子筛，加热回流两小时，反应混合物依次用水、饱和碳酸钠溶液、水以及饱和

氯化钠溶液洗至中性，无水氯化钙干燥。

从其实验数据中我们可以看出随着磷酸铝中铜和铁含量的增加，酯收率有所

增加，特别地铁离子掺杂的磷酸铝酯收率增加明显，表明铜离子和铁离子的掺杂

增加磷酸铝的酸性。而随着磷酸铝中镍离子含量的增加，酯收率降低，掺杂镍离

子可能减少了磷酸铝的酸性。

2.1.2固体酸催化合成丁二酸二丁酯

丁二酸二丁酯是一种无色透明液体，常用作工业增塑剂昆虫（