酯化反应催化剂

一．酯化反应概述

酯化反应通常指醇或酚与含氧的酸类（包括有机

酸和无机酸）作用生成酯和水的过程,也就是在醇或酚

羟基的氧原子上引入酰基的过程，也称为O—酰化反

应。其通式如下:

Rˊ可以是脂肪族或芳香族,即醇或酚,R″COZ是酰

化剂，其中的Z可以代表—OH，—X，-OR，-OCOR，

-NHR等。生成羧酸酯分子中的R′和R″可以是相同

或不同，酯化的方法很多，主要可以分为以下四类：

1。酸和醇或酚直接酯化法

酸和醇的直接酯化法是最常用的方法，具有原料

易得的优点，这是一个可逆反应。

2。酸的衍生物与醇的酯化

酸的衍生物与醇的酯化主要包括醇与酰氯，醇与

酸酐，醇与羧酸盐等的反应，方程式如下：

3。酯交换反应

酯交换反应主要包括酯与醇，酯与酸,酯与酯之间

的交换反应,化学方程式如下：

4。其它

酯化方法还包括烯酮与醇的酯化，腈的醇解，酰

胺的醇解，醚与一氧化碳合成酯的反应。如：

二．几种主要的酯化反应

1．酸和醇或酚直接酯化法

上述反应的平衡点和酸、醇的性质有关.

（1）.直接酯化法的影响因素：

①。酸的结构

脂肪族羧酸中烃基对酯基的影响，除了电子效应

会影响羰基碳的亲电能力,空间位阻对反应速度也有

很大的影响。从表7—5-01可以看出，甲酸及其它直

链羧酸与醇的酯化反应速度均较大，而具有侧链的羧

酸酯化就很困难。当羧酸的脂肪链的取代基中有苯基

时，酯化反应并未受到明显影响;但苯基如与烯键共轭

时,则酯化反应受到抑制。至于芳香族羧酸,一般比脂

肪族羧酸酯化要困难得多，空间位阻的影响同样比电

子效应大得多，而且更加明显，以苯甲酸为例，当邻

位有取代基时，酯化反应速度减慢；如两个邻位都有

取代基时；则更难酯化,但形成的酯特别不易皂化.

②醇或酚结构

醇对酯化反应的影响也主要受空间位阻的影响，

这在表7-5—02可以看到。伯醇的酯化反应速度最

快，仲醇较慢，叔醇最慢。伯醇中又以甲醇最快。丙

烯醇虽也是伯醇，但因氧原子上的未共享电子与分子

中的不饱和双键间存在着共轭效应，因而氧原子的亲

核性有所减弱,所以其酯化速度就较碳原子数相同的

饱和丙醇为慢。苯甲醇由于存在苯基，酯化速度受到

影响。叔醇的酯化，由于空间位阻的缘故就更困难。

另一方面，叔醇在反应中极易与质子作用发生消除反

应脱水生成烯烃，而得不到酯。叔醇的酯化一般采用

酸酐和酰氯。

③催化剂

催化剂对酯化反应是很重要的，强酸催化剂可以

降低反应的活化能从而加速反应的进行。强酸催化剂

存在下的酯化反应依醇的结构可有酰氧键断裂（伯、

仲醇）和烷氧断裂（叔醇)两种机理。

酰氧键断裂机理

烷氧键断裂机理

强酸性催化剂的应用以浓硫酸、干燥氯化氢、对

甲苯磺酸为最多。除此之外,还有磺酸型阳离子交换树

脂,二环己基碳二亚胺，四氯铝醚络合物等。

浓硫酸具有酸性强，吸水性好,性质稳定,催化效果

好等优点，缺点是具有氧化性，且会导致磺化、碳化

或聚合等副反应，一般温度低于100℃,用量约为羧酸

量的1/3～1/5。碳链较长,分子量较大的羧酸和醇的酯

化反应，因其反应温度较高通常不宜使用硫酸作催化

剂。

干燥氯化氢具有酸性强，无氧化性和挥发易于除

去的优点，缺点主要是腐蚀性强,操作复杂。本法适用

于某些以浓硫酸催化时易发生脱水等副反应的含羟基

化合物的酯化，亦常用于氨基酸的酯化。例如

对甲苯磺酸具有浓硫酸的一切优点，且无氧化性，

碳化作用亦较浓硫酸弱，工艺较简单，惟独价格较高.

可用于温度较高和浓硫酸不能使用的场合。强酸性阳

离子交换树脂具有酸性强，易分离，副反应少的优点，

同时也可再生套用，是新型的高效催化剂.除此之外,

四氯铝醚络合物、三氟乙酸酐也是较常用的催化剂。

三氟乙酸酐适于空间位阻较大的羧酸和醇的酯化.二

环己基碳二亚胺(简称DCC）具有分离简单，可以回

收利用，以及反应常在室温下进行的优点，是较新型

的催化剂.

④平衡转化率

酸和醇的直接酯化法是可逆反应，其平衡常数K

为：

从K式可知,如果把水的浓度降低，则酯的浓度就

会增高,酸和醇的浓度就会相应地降低来维持K为常

数。因此酯化反应要把缩合所形成的水不断除去，以

提高酯的产率。

除去水的方法，有物理方法和化学方法。物理方

法可用恒沸蒸馏法,即在反应系统（酸、醇、催化剂）

中加入和水不相混溶的溶剂，如苯、甲苯、二甲苯、

氯仿、四氯化碳等，进行蒸馏。例如，有乙醇参与的

酯化反应，苯、乙醇和水可形成三组分最低共沸液，

沸点为64。8℃，苯:乙醇：水的成分比为74。1%：

18.5%：7。4%。馏液分为两层，上层为苯-乙醇层，

可使其回到反应器中,下层为水—乙醇层,可不断除去。

蒸馏到不再有水生成，酯化即告结束。又如用四氯化

碳，它与乙醇和水形成三组分最低共沸液，沸点为

61℃，成分比为四氯化碳：乙醇：水为10%：65%：

25％。馏液上层为水层,要不断分去，下层回到反应

液中。

化学除水方法，可以用无水盐类,如硫酸铜,它能同

水化合成水合晶体：

但效果不太好.硫酸和盐酸（实际上使用无水氯化

氢)是催化剂，同时也是去水剂。有效的去水剂如乙酰

氯、亚硫酰氯、氯磺酸等,这些去水剂的效果较好.另外

碳二酰亚胺(R-N=C=N-R）是极好的去水剂，可在室

温下进行酯化的脱水。三氟化硼和它的乙醚络合物则

既是催化剂也是去水剂.

而对于易挥发的酯,如甲酸甲酯、乙酸甲酯，甲酸

乙酯等酯的沸点比反应所用的醇的沸点更低，因此可

以全部从反应混合物中蒸出，而剩余的是醇和水。

2.酸的衍生物与醇的酯化

除了酸和醇直接酯化以外，可以将酸转变为它们

的衍生物再与醇缩合,这时除了酯外，放出的小分子不

是水而是其它化合物.这里的酸的衍生物主要是指酸

酐、酰氯、羧酸的盐.

(1）。酸酐与醇或酚的反应

酸酐为较强的酰化剂，适用于直接酯化法难以反

应的酚羟基或空间位阻较大的羟基化合物，反应生成

的羧酸不会使酯发生水解,所以这种酯化反应可以进

行完全.常用的酸酐是乙酸酐,反应常加入少量酸性或

碱性催化剂来加速反应.如硫酸、高氯酸、氯化锌、三

氯化铁、吡啶、无水乙醇钠、对甲苯磺酸或叔胺等。

强酸的催化作用可能是氢质子首先与酸酐生成酰

化能力较强的酰基正离子：

吡啶的催化作用一般认为是吡啶与酸酐形成活性

络合物：

醇和酸酐酯化反应的难易程度和醇的结构有关，

由表7—5-03可以看出，伯醇〉仲醇〉叔醇

(2）。酰氯与醇或酚的反应

酰氯与醇或酚的反应得到酯和氯化氢，是常用的

酯化反应。

这是一个不可逆反应,酰氯的酯化极易进行，其酰

化能力大于酸酐，反应生成的氯化氢较易除去。如果

采用六甲基磷酸三酰胺为溶剂对这一反应有利。镁屑

的存在,常常也有很好的效果.

有时不需先制成酰氯，只把醇（酚）和酸混合，

加入亚硫酰氯、三氯化磷之类即可.这对那些不易做成

酰氯的酸特别有利。

脂肪族酰氯活性较高，对水敏感，特别是低级脂

肪酰氯,遇水极易分解，如需用溶剂，可用非水溶剂，

如苯、二氯甲烷等。芳香族酰氯活泼性较次,对水不敏

感，可在碱的水溶液中进行，称为Schotten—Baumann

reaction.现在这一反应已不再常用,而改用Einhorn

reaction,即用吡啶代替碱的水溶液.吡啶不仅可以中和

反应所形成的氯化氢，还可使酰氯活化：

对于特别敏感的醇,还可将它转化为醇锂，再和酰

氯反应，如：

或是只用适量的吡啶，而用己烷为溶剂，使形

成的吡啶盐酸盐立即沉淀（吡啶盐酸盐留在溶液中，

能使之类的醇失水成为双烯）

由于酰氯化反应生成腐蚀性的HCl和SO2，为此采

用如下方法改进：

①酰氯化DMF（二甲基甲酰胺)改进法

主要是以DMF吸收SO2，反应中间体可不必分

离,生成的HCl和吡啶结合形成盐酸盐.反应在室温下

进行，工艺简单、周期短、收率亦高。唯DMF和吡啶

的回收较困难。以胺菊酯的合成为例：

成盐反应:

二氧化硫吸收于过量的DMF中。

酰氯化反应：

成酯反应略.

②酰氯化吡啶改进法

反应首先是使用过量的吡啶与SOCl2在低温下成

盐，既而酰氯化,再成酯,仍以胺菊酯合成为例：

成盐反应:

酰氯化反应：

成酯反应略。

本法不仅具有DMF改进法的优点，且吡啶易回收，

收率亦较DMF改进法高.

（3).羧酸盐与卤化物酯化法

羧酸盐（一般指钠盐或钾盐）可与活泼的氯化物

（或苄卤)反应生成酯.

该反应可进行完全,操作及后处理都较简单，反应

通常在乙醇、丙酮等有机溶剂中进行，为了使羧酸盐

溶解，宜使用含水溶剂,有时也使用相转移催化剂，例

如叔胺或季铵盐等。

其催化过程如下：

3。酯交换反应

酯交换反应包括醇解、酸解、酯交换三种：

这三种类型都是可逆反应，其中酯互换反应并

不常用，而醇解是应用最多的。其平衡反应式如下：

一般是把酯分子中的伯醇基由另一高沸点的伯

醇基所替代，甚至可以由仲醇基所替代.其中，伯醇最

易反应，仲醇次之。反应的平衡是通过不断的将生成

的醇蒸出而实现的。反应在酸或碱催化作用下均可进

行，而以碱用的较多。由于酯交换的醇解在酸性或碱

性条件下均易发生,因此，其它醇的酯，不宜在乙醇中

重结晶,或用乙醇为溶剂进行反应如氢化等，特别是

用骨架镍催化剂的氢化，因为骨架镍催化剂中可能有

微量的碱。

在硫酸或氯化氢的作用下，腈与醇也可发生醇解，

由于腈的合成方法较多，容易制取，因此该法也应用

较广。

这种方法的优点在于腈可以直接转变为酯，而不

必先制成羧酸。工业上利用此法大量生产甲基丙烯酸

甲酯，供制备有机玻璃用.丙酮与氰化钠反应生成丙酮

氰醇，再在100℃下用浓硫酸反应，生成相应的甲基

丙烯酰胺硫酸盐，然后在90℃与甲醇反应生成相应的

甲基丙烯酸甲酯：

腈的醇解还经常用于合成多官能团的酯，例如丙

二酸酯、氨基酸酯、酮酸酯等,都可通过相应的腈经醇

解来制取，如用α—氰乙酸酯合成丙二酸酯：

酸解是通过酯与羧酸的交换反应合成另一种酯，

虽然其反应不如醇解普遍，但这种方法特别适用于合

成二元酸单酯及羧酸乙烯酯等。酸解反应与其它可逆

反应相似,为了获得较高的转化率,必须使一种原料超

过理论量，或者使反应生成物不断地分离出来。各种

有机羧酸的反应活性相差不大,只有带支链的羧酸，某

些芳香族羧酸以及空间位阻较大的羟酸（如有邻位取

代基的苯甲酸衍生物），其反应活性比一般的羧酸为

弱。

乙酸乙烯酯及乙酸丙烯酯都是容易得到的原料,

通过酸解反应,可以合成多种羧酸乙烯酯或羧酸丙烯

酯。例如在催化剂乙酸汞及浓硫酸存在下，乙酸乙烯

酯与十二酸加热回流，即酸解成十二酸乙烯酯：

酯交换法的应用较少，是通过两种不同的酯之间

进行交换反应，生成两种新酯的反应,该法成本较高。

当有些酯不能采用直接酯化法或其它酰化方法来制备

时,可采用此法：

此反应完成的先决条件是在反应生成的酯中至少

有一种酯的沸点要比另一种酯的沸点低得多，这样在

反应过程中,就能不断蒸出沸点较低的生成的酯，同时

获得另一种生成的酯。例如对于其它方法不易制得的

叔醇的酯，可先制成甲酸的叔醇酯，再和指定羧酸的

甲酯进行反应：

因为甲酸甲酯的沸点很低（31。8℃），很容易从

反应产物中蒸出，就能使酯互换顺利进行。

4.其它

除了上面讲的这些常用的酯化方法，还有烯酮与

醇的加成酯化法.该法适用于反应活性较差的叔醇及

酚类的酯的合成，应用较广泛的烯酮是乙烯酮和双乙

烯酮.

乙烯酮是由乙酸在高温下热裂脱水而成，由于其

活性极高，与醇类反应可顺利制得乙酸酯，该反应是

烯酮与醇先发生加成反应，再通过互变异构而生成酯：

此法收率较高，可用酸性或碱性催化剂催化。如

硫酸、对甲苯磺酸、叔丁醇钾等。当含有α-氢的醛或

酮与乙烯酮反应生成乙酸烯醇酯。

此外，乙烯酮的二聚体，即双乙烯酮,也有很高

的反应活性,在酸或碱的催化下，双乙烯酮与醇能反应

生成β-酮酸酯。此法不仅产率较高，而且还可以合成

用其它方法难以制取的β-酮酸叔丁酯。例如叔丁醇、

乙酸钾和双乙烯酮一起加热,便生成乙酰乙酸叔丁酯：

又如工业上大批量制备的乙酰乙酸乙酯就是由

双乙烯酮与乙醇反应而成，合成路线较其它方法简便

得多。