三聚磷酸铝催化合成阿司匹林的热力学分析

谢威,王,黄增尉,韦冬萍,袁爱群Δ,马少妹

(1.广西工业职业技术学院，广西 南宁 530001；2.广西民族大学 化学与生态工程学院，广西 南宁 530006)



三聚磷酸铝催化合成阿司匹林的热力学分析

谢威1,王2,黄增尉2,韦冬萍2,袁爱群2Δ,马少妹2

(1.广西工业职业技术学院，广西 南宁 530001；2.广西民族大学 化学与生态工程学院，广西 南宁 530006)

目的 探索三聚磷酸铝替代硫酸催化合成阿司匹林的可行性。方法 采用Benson基团贡献法、Joback基团贡献法，估算水杨酸与乙酸酐的反应体系的热力学函数，分析了该反应的焓变、熵变和吉布斯自由能随温度的变化，以及反应物酐酸摩尔比对平衡转化率的影响。结果 在298.15 K～358.15 K的温度区间，该反应的焓变小于零，为放热反应，升温不利反应进行；在计算温度范围内提高反应的酐酸比，有利于增大平衡的转化率，当酐酸比为3时，理论转化率可达99.58%。结论 从热力学角度考虑该催化合成反应是可行的。

热力学分析；三聚磷酸铝；阿司匹林；水杨酸；乙酸酐

阿司匹林(aspirin ，ASP)又名乙酰水杨酸，是一种解热镇痛药，此外对防治心血管疾病和结肠癌也有很好疗效，市场需求量日益增加[1]。药剂工作者的首要任务就是设计开发出无毒、高效的基因治疗载体[2]。阿司匹林经典制备方法是使用乙酸酐或乙酰氯在浓硫酸催化下对水杨酸酰化制得。该生产工艺成熟，产率在60%左右，但是使用硫酸作催化剂不仅副反应多使产品色泽深，不利于提纯，而且对设备腐蚀严重，废酸液排放更会对环境带来严重污染[3]。

目前有关用三聚磷酸铝代替浓硫酸催化合成阿司匹林的热力学计算与分析尚未见报道。本文以Benson基团贡献法、Joback基团贡献法[4-5]为主，结合其他基团加和法[6]，通过热力学分析和估算，以期对该催化合成反应的工艺条件进行预测，更好地指导合成工艺。

1 材料与方法

1.1 主要仪器 MAGNA-IR型傅立叶变换红外光谱仪(美国 Nicolet公司)。

1.2 药品与试剂 ATP/载硫硅藻土(自制)；水杨酸和乙酸酐(AP，天津市科密欧化工试剂有限公司)。

1.3 方法 水杨酸和乙酸酐合成阿司匹林的反应计量方程如下：

1.3.1 反应焓、绝对熵和热容的估算

(1)

(2)

式中ni为对应的基团数量；δ为对称数，其中水杨酸的δ=3，乙酸酐的δ=1，乙酸的δ=9，阿司匹林的δ=3；θ为光学异构体数，由于水杨酸、乙酸酐、乙酸和阿司匹林均无光学异构体，故θ=1。

1.3.2 液态条件各组分生成焓的估算：由于采用Benson计算的焓值均为气态值，而反应的体系为液态，故需要进行气液换算，采用公式:

(3)

(4)

其中n为基团数目，ε为汽化能，1 cal≈4.1868 J，

1.3.3 各温度下液态反应体系各物质热容的计算：水杨酸液态热容的计算采用Rùzicka-Domalski基团贡献法进行估算，计算公式为：

(5)

其中R=8.314 J/(mol-1·K)，A=∑niai，B=∑niai，D=∑nidi

2 结果

采用公式(1)计算得各物质的焓值和熵值见表1。

表1 在298.15 K下各物质反应中的热力学数据Tab. 1 The thermodynamic data of substances in the reaction under 298.15 K

*为根据对应状态法(CSGC法)公式估算的结果(L)=1.4×Cp(L)[11]

合成阿司匹林反应的各物质的基团拆分以及对热力学函数的贡献值结果见表2。

表2 各物质含基团数和各种基团对和CP,m的贡献值[12-16]Tab. 2 Contribution value of substance containing group number and various groups contribution to and CP,m

2.2 液态反应体系焓值的估算

各物质拆分后费多斯基团贡献值见表3。

表3 各物质的费多斯基团贡献值Tab. 3 Contribution values of Fedors’ groups in substances

根据公式(5)计算得各物质的气化焓，由此根据公式(4)计算出各物质的估算焓值并与文献测定值比较见表4。表4结果表明，各物质的热力学函数估算值与文献值误差均小于2%，说明本次的估算结果具有较高的准确性和可靠性。

表4 各物质的气化焓及估算焓值、熵值与文献值的比较Tab.4 Comparison of some vaporization enthalpy and enthalpy, entropy estimation with literature values

2.3 各温度下液态反应体系各物质热容的估算 乙酸酐热容采用Missenard基团法进行估算，其所有基团贡献值见表5。

表5 液态乙酸酐各基团热容贡献值[10]Tab.5 Heat capacity contribution values of liquid acetic anhydride groups

根据多项式拟合得到乙酸酐热容与温度的关系式公式：

CP,m=170.1-0.0282×T+0.0004×T2

(6)

水杨酸液态热容的计算采用Rùzicka-Domalski基团贡献法进行估算，计算公式为：

(7)

其中R=8.314 J/(mol·K)，A=∑niai，B=∑nibi，D=∑nidi水杨酸各基团值。

根据此数据计算出公式(6)中的a、b、d值，得到水杨酸热容与温度的关系式，即：

(8)

乙酸热容估算采用Rozicka-Domalski法进行估算其公式为：

CP=8.314×[∑niai+(∑nibi)T+(∑nidi)T2]

(9)

根据文献查得水杨酸和乙酸各基团值见表6。

表6 液态水杨酸和乙酸各基团热容贡献值[10]Tab. 6 Heat capacity contribution value of liquid salicylic acid and acetic groups

将表6中的数据代入公式(9)可得出的乙酸热容与温度的关系式，即公式：

=45.762+0.2429T+4×10-5T2

(10)

由于阿司匹林个别基团的热容贡献值查找不完整，故只好引用文献[10]的公式：

CP，m=176.65+90.192X-5.2548X2+15.951X3+19.086X4

(11)

根据以上公式计算出反应物和产物的热容随温度变化数值见表7。

表7 反应中各物质在不同温度下的热容数据Tab. 7 Reaction heat capacity data of different substances in different temperature

2.4 酯化反应的热力学计算

2.4.1 反应焓变和吉布斯自由能的计算：水杨酸与乙酸酐合成阿司匹林反应的焓变和熵变的计算过程如下：

(12)

(13)

由于无法估算水杨酸的熵值，则采用文献值进行计算，根据表4的数据结果计算得到该合成反应的反应焓变和熵变：

该反应的热容ΔCp,m为：

ΔCp,m=∑niCp,m,i

(14)

再根据以下公式计算:

(15)

(16)

(17)

Kθ=exp(-ΔG/RT)

(18)

得该反应的焓变、熵变和吉布斯自由能变结果见表8。

表8 反应的焓变、熵变及吉布斯自由能变随温度变化表Tab. 8 The reaction enthalpy, entropy and Gibbs free energy change with the change of temperature meter

2.4.2 反应平衡常数和转化率的计算：现假设反应物水杨酸和乙酸酐的摩尔比(酐酸比)为r，阿司匹林的转化率为η，根据平衡关系可得到：

(19)

根据(18)(19)两式计算得到本反应平衡常数和平衡时转化率随温度变化，见表9。由表9可知：随着反应温度的升高，反应的平衡常数和转化率逐渐减小，与提高温度不利于放热反应进行的结论一致。表10可知：当增加酐酸比时，平衡时的反应转化率增大，在酐酸比为2和3时转化率的提升特别明显；在酐酸比为1和2以及3和4之间时转化率增加较为缓慢；说明：当反应的酐酸比达到3以后，继续增加酐酸比，转化率提高得不明显，而造成生产成本增加。因此，选取酐酸比为3较适宜。

表9 平衡常数随温度变化表Tab.9 Equilibrium constants with temperature change table

表10 转化率随酐酸比变化表Tab. 10 Conversion rate with anhydride acid ratio change table

3 结论

以Benson基团贡献法、Joback基团贡献法为主，其他基团贡献为辅，估算三聚磷酸铝催化水杨酸与乙酸酐进行酯化反应生成阿司匹林的相关热力学数据，结果表明：在298.15～358.15 K的温度区间，该反应的焓变小于零，为放热反应，温度的升高不利于反应的进行。

在计算温度范围内提高反应的酐酸比，有利于增大平衡的转化率，当酐酸比为3时，理论转化率可达99.58%，如果酐酸比到达一定程度后，继续增大酐酸比对反应的转化率影响不大，反而会增加成本。

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(编校：王冬梅)

Thermodynamic analysis for synthesis of aspirin catalyzed by aluminum tripolyphosphate

XIE Wei1,WANG Jing2,HUANG Zeng-wei2,WEI Dong-ping2,YUAN Ai-qun2Δ,MA Shao-mei2

(1.Guangxi Vocational & Technical Institute of Industry, Nanning 530001, China; 2.College of Chemistry and Ecological Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China)

ObjectiveTo explore the feasibility using aluminum tripolyphosphate as the synthesis of aspirin model instead of sulfuric acid catalyst.MethodsThe thermodynamic functions of the reaction system of salicylic acid and acetic anhydride were calculated according to the Benson group contribution method and Joback group contribution method. The enthalpy change，entropy and Gibbs free energy along with the change of temperature as well as the influence of the molar rate of reactants on the equilibrium conversation rate were also studied.ResultsIn the temperature range of 298.15 K to 358.15 K，the reaction enthalpy was less than zero，and was exothermic reaction，and increase of temperature was not conducive to the reaction. The improvement of mole ratio of salicylic acid and acetic anhydride was helpful to improve the equilibrium conversation rate. The theoretical conversion rate could reach 99.58% when the mole ratio of salicylic acid and acetic anhydride was 3.ConclusionFrom the viewpoint of thermodynamics, the reaction is practical and feasible.

thermodynamic analysis;aluminum tripolyphosphate;aspirin;salicylic; acetic anhydride

广西教育厅科研项目基金(2013YB105，200103YB041)，广西工业院科研项目基金(2014056005)

谢威，男，本科，副教授，研究方向：天然产物化学的教学和科学研究；E-mail：gxgyxyxw@sina.com；袁爱群，通讯作者，女，博士，教授，研究方向：材料化学的研究，E-mail：aiqunyuan1999@sina.com。

TQ35

A

1005-1678(2015)03-0169-03