基本信息
- 项目名称：
- 新型氨基酸离子液体绿色、高效催化合成阿司匹林
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 阿司匹林是应用最广泛的消炎、解热、镇痛药之一。传统合成方法以浓硫酸为催化剂，对设备腐蚀较大，不仅产率低，且对环境污染严重。该作品使用绿色的氨基酸离子液体催化合成阿司匹林，克服了传统阿司匹林生产的诸多弊端，不仅平均产率高，催化剂可重复、稳定使用，降低了生产成本，且对环境污染较小。 该研究不仅为离子液体的发展提供了更为广泛的理论基础，而且对酯类药物的绿色生产具有很大的实际意义。
- 详细介绍：
- 阿司匹林即乙酰水杨酸，是重要的解热镇痛药和抗风湿类药，作为疗治和预防心脑血管疾病药物己被广泛应用于临床。目前在国内外，阿司匹林都是很受欢迎的药物，销量在同类药物中遥遥领先。阿司匹林的经典制备方法是使用乙酸酐或乙酰氯在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。虽然当今社会全世界范围内都更加重视对于化学废物的回收和处理，但是真正的绿色化学概念是从源头上杜绝污染的产生。为此，研究和开发新的催化剂合成阿司匹林己受到人们的关注。涉及到的催化剂有氢氧化钠、Lewis酸、三氯稀土、有机羧酸等。但是这些催化剂有些制备过程复杂、有些价格昂贵、有些对反应条件要求苛刻，而且多数仍存在潜在的污染问题。另外，这些催化剂多为固体，而产品阿司匹林也为固体，因此使用这些催化剂还必然会给产品的提纯和催化剂的重复使用带来很大的困难。离子液体可能正是解决上述问题的理想催化剂。离子液体因其具有稳定性高、溶解性和导电性好、不燃烧等优点而被认为是一类新型的绿色溶剂和反应介质。除此之外，离子液体在催化有机化学反应方面也显示出良好的应用前景。研究者发现，离子液体作为催化剂不仅表现出环保方面的优势，而且可以增强催化效率，提高产品质量。因此，利用离子液体催化合成阿司匹林值得尝试。但是随着离子液体的无毒论遭到质疑，世人对于离子液体的“绿色性”开始进行重新的评估和认识。 基于上述各种原因，本作品首次提出使用更为安全、绿色的氨基酸离子液体作为催化剂清洁合成阿司匹林。自2005年Ohno H报道合成出以20种天然氨基酸为原料的氨基酸离子液体以来，氨基酸离子液体的种类进一步增多，也逐渐被功能化。但是，对于氨基酸离子液体的应用研究很少，利用氨基酸离子液体催化合成阿司匹林更未见报道。本作品选择几种价格便宜的氨基酸作为原料合成出氨基酸离子液体，利用它们为催化剂催化水杨酸酰化合成阿司匹林，催化效果较好，过程简单，便于操作。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 作品撰写的目的： （1）降低阿司匹林的合成成本； （2）确定最佳合成条件； （3）减少生产过程中环境污染； （4）探讨工业化可行性。 作品撰写的基本思路： （1）氨基酸离子液体催化剂合成； （2）催化反应合成阿司匹林； （3）产品的结构表征与纯度确定； （4）在学术期刊上发表论文。
科学性、先进性及独特之处
- 作品的科学性、先进性： （1）收率高、污染小、成本低，具国内领先水平； （2）催化体系应用科学合理，并具独创性。 作品的独特之处： （1）首次引入环保、廉价的氨基酸离子液体，合成过程清洁； （2）减少原料用量，提高产品收率，降低成本。
应用价值和现实意义
- （1）阿司匹林需求量大，具有广阔的市场前景； （2）催化剂活性强，生产成本低，具有较大的工业化生产价值； （3）氨基酸离子液体为新近合成体系，具有重要研究理论意义； （4）解决传统方法环境污染及后处理问题，具有重要环保意义。
学术论文摘要
- 以氨基酸为原料一步法合成了氨基酸离子液体，将其用于催化乙酸酐和水杨酸的乙酰化反应，清洁合成阿司匹林，考察了离子液体种类及用量、原料配比、反应温度、时间等方面的影响。结果表明，该离子液体对于合成阿司匹林具有良好的催化效果，在水杨酸20 mmol、乙酸酐40 mmol、[Glu]HSO4 3 mmol、反应温度70 ℃、反应时间30 min条件下，阿司匹林分离产率可达80.1 %，增大投量，产率还会进一步提高，并且离子液体可重复使用。
获奖情况
- [1]王占军, 肖鹏, 杨悦, 等. 含钨化合物催化合成己二酸研究进展. 中国钨业, 2011, 己录用（中文核心）. [2]肖鹏, 王占军, 杨悦, 等. 阿司匹林合成催化剂研究进展. 当代化工, 2011, 己录用. [3]王占军, 肖鹏, 杨悦, 等. 离子液体在阿司匹林合成中的应用研究进展. 当代化工, 2011, 己录用.
鉴定结果
- 本课题经辽宁省科学技术情报研究所科技查新： “结论如下：分别用甘氨酸、谷氨酸与浓硫酸合成氨基酸离子液体催化合成阿司匹林，国内未见相同文献报道。” （详细内容见科技查新报告）
参考文献
- [1] Fukumoto K, et al. Room Temperature Ionic Liquids from 20 Natural Amino Acids[J]. JACS, 2005, 127(8): 2398- 2399. [2] 邓友全. 离子液体的性质、制备与应用[M]. 北京: 中国石化出版社, 2006, 8(6):560-567. [3] 张武, 李红喜, 顾巍. 三氯稀土催化合成阿司匹林[J]. 化学世界, 2002, (8): 422- 423. [4] 张伦. 阿司匹林出口分析[J]. 中国制药信息, 2009, 25(5): 34- 35. [5] 蒋栋, 李伟, 许成娣, 等. Brønsted酸性离子液体催化合成阿司匹林[J]. 应用化学, 2007, 24(9): 1080- 1082.
同类课题研究水平概述
- 阿司匹林，是一种有效的多功能药物，应用十分广泛。其需求量巨大，全球产量近5万吨/年，而国外阿司匹林原料药生产逐步减小，转向中国购买。中国是世界最大的阿司匹林生产大国，产量达2.5万吨/年，研究其合成新技术和新方法对进一步完善其生产工艺、降低生产成本有着重要的现实意义。 传统方法合成阿司匹林以浓硫酸为催化剂，该体系存在如下缺点： a.产品收率较低(65 %～70 %)，易被氧化导致成色不好； b.操作条件苛刻，需严格控制浓硫酸加入和搅拌速度防止反应物碳化； c.产品不能加热干燥，否则残余的浓硫酸会催化产品分解； d.催化体系腐蚀设备，并有排酸污染。 因此，新催化体系合成阿司匹林受到国内外高校、科研院所及相关单位的重视，相关报道不断地被提出。丁健桦等以三氯化铝为催化剂，所合成的阿司匹林产率为72.6 %。该方法消除了环境污染，产品质量好，但收率中等。隆金桥等采用磷酸二氢钠为催化剂，在以水杨酸与乙酸酐原料比1:8.7时所合成的阿司匹林收率为76 %。张晓丽利用固体超强酸在90 ℃催化下水杨酸和乙酸酐(原料比1:2)合成了阿司匹林，收率为77.8 %。但催化剂需要500 ℃的焙烧条件，增加了生产成本。这些合成方法成本普遍较高，催化剂重复使用性较差，不利于绿色化工业生产。 近年来离子液体作为一种新型清洁溶剂和催化剂，正受到学术界和化工界越来越多的关注。北京石油化工大学李汝雄教授及中国科学院兰州化学物理研究所邓友全教授相继撰写了关于离子液体合成与应用方面的著作，带动了国内离子液体的研究热潮。但是，近年来离子液体的“无毒论”已被驳回，研究发现含氮杂环类离子液体仍对哺乳动物及环境有一定影响。直至2005年，日本东京农业及技术大学Ohno.H教授于在著名JACS上首次发表合成出以20种天然氨基酸为原料合成氨基酸离子液体，引起离子液体发展史上的另一次巨大变革。此后更为绿色环保的氨基酸离子液体激起了研究者的兴趣。但是对于氨基酸离子液体的研究仍处于起步阶段，以氨基酸离子液体作为催化剂更是鲜有报道。 本课题正是以氨基酸离子液体为催化剂，其合成路径简易，价格低廉，在阿司匹林合成中效果颇佳，大大降低了生产成本，减小了环境污染。 该作品涉及学科领域前沿，理论依据充分，研究设计方案科学合理，满足了其在工业生产的高效化、绿色化发展的目标。
