大学化学, 2020, 35(4): 103-111 doi: 10.3866/PKU.DXHX201912001

 

苯甲醇和苯甲酸制备实验的改进与创新设计

全晓塞,, 门秀琴, 王军旗, 周颖, 姚俊

Improvement and Innovative Design on Preparation of Benzyl Alcohol and Benzoic Acid

Quan Xiaosai,, Men Xiuqin, Wang Junqi, Zhou Ying, Yao Jun

通讯作者: 全晓塞, Email: XsQUAN@nxu.edu.cn

收稿日期: 2019-12-2   接受日期: 2019-12-16  

基金资助: 宁夏回族自治区教育厅本科教育教学改革研究与实践项目.  nxbjy-19
宁夏高等学校一流学科建设资助项目.  NXYLXK2017A04

Received: 2019-12-2   Accepted: 2019-12-16  

摘要

以苯甲醛为原料,通过Cannizarro反应制备苯甲醇和苯甲酸是有机化学实验教学中的经典内容。鉴于现有实验方案已难满足日益提升的教学要求,对其进行了改进与创新设计:采用微波辐射法合成,引入正交设计优化条件;采用紫外分光光度法定量测定粗产品中苯甲醇的含量;采用柱层析法分离得到苯甲醇。改进结果表明:KOH溶液浓度50%(质量百分比),微波功率500 W时,反应15 min完成。光度法定量显示苯甲醇产率可达82.0%。萃取分离后的粗产品用50:1和15:1石油醚/乙酸乙酯(体积比)梯度洗脱,柱层析分离后可得苯甲醇纯品,水相酸化重结晶后得到苯甲酸。产物的相关测试与表征结果与文献吻合良好。与传统方案相比,新方案时间锐减99%,产率提高约15%,萃取剂更安全,产率测定快速准确,产物纯化方法优化。将之用于教学,可通过各要点功能的分别承载,综合实现研究性思维与方法的培养目标。

关键词: 微波辐射 ; 正交试验 ; 分光光度法 ; 改进与创新

Abstract

The preparation of benzyl alcohol and benzoic acid from benzaldehyde by Cannizarro reaction was the common content of organic chemistry laboratory teaching. Nevertheless, due to its time consuming, low yield and inefficient isolating method, this experimental design was far from satisfactory in teaching. The following improvements have been made:Microwave radiation method was introduced, and the synthesis conditions was optimized by orthogonal test design. Under optimized conditions which was 50% KOH, microwave radiation at 500 W for 15 min, the reaction was completed. The yield of benzyl alcohol could reach 82.0%. Benzyl alcohol was isolated by column chromatography instead of distillation, to avoid the formation of distillation by-products. The yield of benzyl alcohol in crude products was determined quickly and accurately by spectrophotometry without separation. The comparison showed that the improved method could reduce the time by 99% and increase the yield by 15%. In addition, the extraction agent was more safe. The improvement was more responsive to the increasing requirements of laboratory training development.

Keywords: Microwave radiation ; Orthogonal test ; Spectrophotometry ; Improvement and innovation

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全晓塞, 门秀琴, 王军旗, 周颖, 姚俊. 苯甲醇和苯甲酸制备实验的改进与创新设计. 大学化学[J], 2020, 35(4): 103-111 doi:10.3866/PKU.DXHX201912001

Quan Xiaosai. Improvement and Innovative Design on Preparation of Benzyl Alcohol and Benzoic Acid. University Chemistry[J], 2020, 35(4): 103-111 doi:10.3866/PKU.DXHX201912001

1 引言

苯甲酸和苯甲醇的制备实验是经典的有机合成实验,在各个高校基础有机化学实验中开课率较高。大部分教材的实验方法是在浓碱液中加入苯甲醛,振摇,放置24小时甚至更长时间,然后萃取、干燥,蒸去萃取剂乙醚后得到苯甲醇;水相加盐酸酸化,析出物重结晶可得苯甲酸。上述方法具有原料易得、流程简单、学生易上手等优点,但以下不足也是无法忽视的。

1)反应时需要的碱液浓度高达50% (质量百分比,后同),后续中和处理需大量加酸,环境友好性差且不利于苯甲酸纯品的获得;

2)反应时间长,一部分苯甲醛被空气氧化成苯甲酸,致使酸的产率过高,而苯甲醇的产率则相对较低;

3) NaHSO3洗涤不能完全除去乙醚相中的苯甲醛,使得后续蒸馏得到的苯甲醇纯度低;此外,蒸馏时还伴有副产物二苄醚生成[1]

4)蒸馏乙醚时安全风险高。

有关该实验的改进已有一些文献报道,主要涉及合成与萃取两个方面。如合成方法采用搅拌加热回流60 min [2],采用超声辐射60 min [3],采用微波密闭高压反应[4];萃取剂选用二氯甲烷、乙酸乙酯等[5]。但是上述工作仍未使该实验时间长、风险高和采用蒸馏法获得纯品所带来的缺陷得到系统性改善。

鉴于此,在已有文献工作的基础上,尝试对此实验进行进一步改进与创新设计。新方案采用常压微波辐射法合成,减少原料用量,缩短反应时间,提高实验效率;通过柱层析分离苯甲醇与苯甲醛,提高产物的产率和纯度,避免产生蒸馏副产物;选择甲基叔丁基醚代替乙醚作萃取剂,提高实验操作的安全性。此外,新方案中还引入了正交试验设计优化微波合成条件;采用薄层色谱跟踪,定性确定反应进行的程度;增加了紫外光度分析,快速准确地确定苯甲醇的产率;并通过熔点和折光率测定及红外光谱、核磁共振氢谱表征对所得产品进行确证。

本实验的改进与创新设计以问题为导向,以培养学生的研究性思维为目标,通过内容的改进与扩充,方法的引入与融合,提高教学训练的系统性与综合性,帮助学生发现问题,进而通过实验解决问题,在技能训练和方法学习的同时发展其分析与解决实际问题的能力。

2 实验部分

2.1 实验原理

本实验主反应如图1所示。

图1


2.2 试剂及材料

实验所需试剂与材料见表1

表1   试剂及材料

序号试剂纯度制造商
1苯甲醛分析纯天津市北联精细化学品开发有限公司
2氢氧化钾分析纯天津市光复科技发展有限公司
3甲基叔丁基醚分析纯天津市大茂化学试剂厂
4盐酸分析纯天津市北联精细化学品开发有限公司
5无水硫酸镁分析纯天津市北联精细化学品开发有限公司
6硅胶试剂级青岛海洋化工有限公司
7石油醚分析纯上海沃凯生物技术有限公司
8乙酸乙酯分析纯上海沃凯生物技术有限公司
9中性氧化铝层析用上海五四化学试剂有限公司
10石英砂分析纯国药集团化学试剂有限公司

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2.3 仪器

实验主要仪器设备见表2

表2   仪器设备

序号仪器型号制造商
1常压微波合成萃取系统APEX上海屹尧仪器科技发展有限公司
2显微熔点仪SGW X-4B上海仪电物理光学仪器有限公司
3台式永磁体核磁共振波谱仪Spinsolve新西兰Magritek公司
4傅里叶变换红外光谱仪WQF-510A FTIR北京瑞利分析仪器有限公司
5紫外/可见分光光度计UV-1801北京瑞利分析仪器有限公司

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2.4 步骤与方法

(1)配制碱溶液

在小烧杯里称取7.0 g KOH,加入7.0 mL的水,搅拌溶解,冷却至室温后待用。

(2)微波合成反应

在100 mL三口烧瓶中加入磁子和配制好的碱溶液,放置于微波反应器内,安装球形回流冷凝管和温度传感器。设置微波功率为500 W、反应时间15 min;打开冷凝水和磁力搅拌,向三口烧瓶中加入7 mL新蒸苯甲醛;启动装置,观察温度变化。待反应结束自动冷却后,取出三口烧瓶,加入30 mL水溶解。

(3)萃取分离

将检漏好的分液漏斗置于铁架台上,将三口烧瓶中的溶液倒入分液漏斗中。每次用5 mL甲基叔丁基醚萃取,共萃取水层3次。合并醚层,用无水硫酸镁干燥,同时保留水层。

(4)薄层色谱定性分析

取自制硅胶板,在距离薄层板一端1 cm处,用铅笔画好起始线,然后用毛细管点上粗产品混合样。量取8 mL展开剂(石油醚/乙酸乙酯,15 : 1,体积比,下同)倒入展开瓶中,将点样板放入其中,当展开剂接近板的上端下1 cm处时,将其取出,观察分离情况,并用铅笔画出展开剂前沿。将薄层板放在紫外灯下观察,用铅笔绕亮点作出记号,求出每个样点的比移值Rf

(5)紫外分光光度法定量测定

用吸量管移取0.50 mL醚层至25 mL容量瓶,用甲基叔丁基醚稀释定容,再继续取0.50 mL稀释定容至25 mL。在223.5和224 nm波长处分别测定其吸光度。计算比导数值,通过标准曲线求得苯甲醇浓度,进而计算出苯甲醇产率。

(6)柱层析分离苯甲醇

①层析柱的制备:取砂芯色谱柱,加入30 mL石油醚,再加入30 g中性氧化铝,待氧化铝自然沉降后再在其上加0.5 cm厚的石英砂(注意使用过程中要始终保持液面高于石英砂上层)。

②湿法上样:水浴蒸除甲基叔丁基醚后得到粗产品,将其全部转移至层析柱上,用少许溶剂冲洗柱内壁。

③洗脱分离:首先用50 : 1的石油醚-乙酸乙酯进行洗脱,必要时加压淋洗;此时极性较小的苯甲醛先被洗出;用薄层色谱法对洗脱液进行跟踪,直到苯甲醛全部被洗脱。改换15 : 1的石油醚-乙酸乙酯作为洗脱剂,更换接收瓶,收集苯甲醇,直至洗净为止,将苯甲醇的洗脱液蒸馏浓缩,称量得纯品3.1 g。

(7)测定苯甲醇的折光率和核磁共振氢谱

用丙酮擦拭棱镜。将2–3滴苯甲醇样品滴于棱镜,打开光源,调节手轮,进行折光率的测定,重复三次取平均值,并与文献对比。

核磁共振波谱仪匀场结束后,将苯甲醇样品(无溶剂)滴入核磁管,放入转子,用量规定好高度,擦拭干净后放入仪器,扫描得核磁共振氢谱图,进行分析。

(8)处理水层

用浓盐酸酸化萃取后的水溶液,直至使刚果红试纸变蓝,并充分冷却,抽滤后得产物苯甲酸。将抽滤后的粗品倒入烧杯,加入适量冷水洗涤,抽滤、干燥得苯甲酸纯品。

(9)测定苯甲酸的熔点和红外光谱

取少许苯甲酸固体放入研钵中研成粉末,装入毛细管内2–3 mm。将样品管置于热台中心,调节至能清晰看到毛细管中样品的状态。加热升温,观察样品的熔化过程,记录初熔和全熔时的温度,并与文献值比较。

将2–4 mg的苯甲酸放入玛瑙研钵中,加入200–400 mg的干燥KBr粉末,混合研磨均匀。用刮刀移取200 mg混合粉末于锭剂成型器中,加压(1.2 × 105 N) 5 min左右,制成透明锭片,然后将锭片置于固定样品架上进行红外光谱的测定。

3 结果与讨论

3.1 反应影响因素考查与最佳合成条件的确定

有机合成中,产物产率受多个因素影响,为寻找合适的合成反应条件常需同时考查多个因素对结果的影响。分析可知,以苯甲醛为原料,采用微波法合成苯甲醇与苯甲酸,产物产率主要受A (微波功率)、B (反应时间)和C (碱液浓度)等因素影响,因此可以采用正交试验设计的方法考查各因素的影响,选择恰当的合成条件。

本实验改进中,以苯甲醇的产率为指标,采用正交试验设计的方法,以L9(34)表安排实验,考查了上述3个不同因素3个不同水平对产率的影响,通过极差分析对各因素影响程度排序,筛选出主要影响因素并加以控制;同时确定各影响因素的优水平及其组合,进而形成微波合成的优方案。正交试验设计各因素及其水平见表3,实验方案及数据处理见表4

表3   正交试验设计因素水平表

水平因素
A功率/WB时间/minC碱液浓度/%
14002040
25001530
36001050

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表4   正交设计试验结果表

试验号列号产率/%
A功率/WB时间/minC碱液浓度/%
1400155070.4
2400103044.3
3400204063.0
4500104061.5
5500203049.2
6500155081.6
7600203056.7
8600155069.9
9600104064.6
K159.256.363.0
K264.174.050.1
K363.756.874.0
R4.917.723.9
因素影响排序C > B > A
优水平A2B2C3
优方案A2B2C3

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综上可知,优方案为A2B2C3,即微波功率500 W (A2),反应时间15 min (B2),碱液浓度50% (C3)。考查的三个影响产率的因素中碱浓度排序最前,其优水平为50%,当降低为40%时,产率降幅约10%。鉴于此,为获得高产率,改进方案依然选择碱液浓度50%,和传统方案保持一致,本次尝试降低碱液浓度的目标未能达成。但微波方法的使用使反应时间锐减(从24 h减小至15 min),且产率从68% (学生以往实验结果)提高到82%,改进显著。

为考查优化条件下合成的稳定性先后重复合成5次,结果如表5所示。

表5   优方案重复实验结果表

序号苯甲醇产率/%产率均值/%产率相对平均偏差/%
183.482.02.3
281.5
378.3
482.5
584.3

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综上,产率较传统方案高,产率数值波动小,且合成反应时间短,用于教学可行。

3.2 紫外分光光度法测定苯甲醇的产率

本改进方案中,微波合成、萃取分离并干燥后的醚相中,除产物苯甲醇外,还含有反应剩余的原料苯甲醛。采用紫外分光光度法测定其中的苯甲醇含量时,由于两者的吸收光谱彼此重叠(图2),苯甲醛将对测定产生干扰。

图2

图2   苯甲醇与苯甲醛的紫外吸收光谱


本改进实验中依据吸光光度法的基本原理,参考文献[6-9],采用吸光度比值-导数光谱法定量分析萃取液中苯甲醇的浓度(测定波长选择依据见图3),进而计算出苯甲醇产率。

图3

图3   比值-导数值与波长的关系


实验表明,在20–120 mg∙L−1范围内,吸光度的比值-导数值(D)与相应的苯甲醇浓度(c)间呈良好的线性关系:y = 539.06x − 0.0317,R2 = 0.9948 (图4)。方法用于模拟样分析,结果良好(见表6)。

图4

图4   比值-导数与苯甲醇浓度的关系


表6   模拟样比值-导数法测定结果表

序号理论值/(mg∙L−1)测定值/(mg∙L−1)相对误差/%
166.6866.47−0.32
283.3586.884.2
391.6990.191.6
4108.4112.63.9
5116.7119.92.7
6125.0128.22.5

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综上可见,吸光度比值-导数光谱法用于苯甲醇浓度测定可行。苯甲醇浓度测得后可方便地求出苯甲醇产率,计算公式具体如下:

$ω_{苯甲醇}=c_{苯甲醇} × V_{醚相产物}/m_{理论}$

其中c苯甲醇为干燥后醚相中苯甲醇的浓度,单位为mg∙L−1V醚相产物为干燥后醚相的体积,单位为mL;m理论为按反应计量关系计算出的苯甲醇产量,单位为g;以最佳反应条件得到的粗产物中苯甲醇的产率82.9%。

采用该法测定产率,快速准确,不但省去了分离、蒸馏等复杂步骤,丰富了产率测定的传统方法。也为以产率为指标的条件优化提供了保证,还可作为评价后续层析分离损失的依据。

3.3 薄层色谱展开剂的选择

根据粗产品中的苯甲醇及杂质苯甲醛的极性差异,可以判断它们可用柱色谱进行分离纯化。薄层色谱作为柱色谱的先导,即利用薄层色谱为柱色谱选择吸附剂和洗脱剂。首先选用有机合成分离中常用的展开剂石油醚和乙酸乙酯混合溶剂,根据“相似相溶”原则,配成不同比例,将粗品进行展开,在紫外灯下观察分离结果,作好标记,并计算苯甲醇和苯甲醛的Rf值,确定合适的展开剂比例,结果见表7

表7   展开剂配比与Rf值计算结果*

展开剂配比(石油醚/乙酸乙酯)苯甲醇的Rf苯甲醛Rf
50 : 10.030.26
40 : 10.070.33
30 : 10.110.39
20 : 10.140.46
15 : 10.200.51
10 : 10.260.61

*实验中所用硅胶板均为自制

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一般情况下,定量测定的各组分Rf值在0.2–0.8之间,且两组分Rf值相差0.3以上,采用相应配比的展开剂最终能使各组分之间有效地分开。因此,结合以上数结果,采用15 : 1或10 : 1的石油醚-乙酸乙酯均可以将苯甲醇和苯甲醛有效地分离。薄层色谱为柱色谱洗脱剂的选择提供了依据。

以15 : 1石油醚/乙酸乙酯为展开剂,苯甲醇粗品在薄层板上的展开结果如图5所示。

图5

图5   粗产物展开结果


3.4 柱层析分离洗脱剂的选择

由于苯甲醛和苯甲醇极性相差不是很大,因此,需要用梯度洗脱来进行分离。薄层色谱是柱色谱的“预试”,一般情况下,柱层析的洗脱剂极性较薄层层析展开剂(15 : 1)极性缩小2–3倍,故选择用30 : 1石油醚/乙酸乙酯进行洗脱。薄层跟踪结果发现,虽然极性小的苯甲醛很快被洗脱下来,但是苯甲醇也一起被洗脱下来,说明极性太大;又将展开剂的极性调至50 : 1,发现苯甲醛全部被洗脱出,未发现苯甲醇;因被分离的组分少,为了节约时间,节省溶剂,直接使用15 : 1的洗脱剂,将苯甲醇快速洗脱出来。因此,最终确定了梯度洗脱的洗脱剂为50 : 1洗脱,收集苯甲醛;15 : 1洗脱收集苯甲醇。最后不同的比例的洗脱剂分别回收,下次继续使用,避免浪费。

3.5 安全风险的降低

乙醚沸点(34.6 ℃)低,极易挥发,易燃易爆,在空气中久置或在玻璃瓶内光照射都会产生过氧化物,蒸馏时容易发生爆炸。甲基叔丁基醚沸点55.2 ℃,沸点相对高,挥发度也相对低,久置不会产生过氧化物,蒸馏时也不会发生爆炸危险,储存相对安全。本实验用甲基叔丁基醚代替乙醚作为萃取剂一定程度上可降低实验的安全风险并减少挥发损失。

3.6 产率计算

(1)苯甲醇:柱层析分离后得:2.6 g,理论产量:3.71 g

实际收率:ω = (2.6 ÷ 3.71) × 100% = 70%,而光度法测得粗产品中苯甲醇收率为82.9%,表明在柱层析分离过程中损失了11.9%。

(2)苯甲酸:实际产量:3.8 g,理论产量:4.2 g

收率:ω = (3.8 ÷ 3. 71) × 100% = 90%。根据反应式计算,生成苯甲醇的物质的量和生成苯甲酸的物质的量是相等的,即苯甲酸的产量应为3.4 g,但实际得到3.8 g,说明0.4 g的苯甲酸是由苯甲醛氧化(副反应)而来,这进一步表明,微波反应与常规反应相比,时间短,副反应程度小。

3.7 产物表征

产物的相关测试与表征结果与文献吻合良好。

4 结语

通过改进与创新设计,现有实验的教学功能得到拓展与升级,一方面,提供了更加综合的技能训练,另一方面,也能够培养学生在进行有机合成实验时应具备的一些科研思维方法,如合成方面,分析影响产率的因素以及反应条件的优化;分离纯化方面,如何选择合适的分离方法以及分离方法的优化;安全方面,对实验进行安全风险分析与防控等。

5 创新点

本改进方案以问题为导向,以能力发展与思维培养为目标,对现行实验进行了创新设计,具体包括:

1)采用微波辐射法合成,引入正交试验设计优化条件;

2)采用紫外分光光度法定量测定粗产品中苯甲醇的产率;

3)采用柱层析法分离得到苯甲醇。

理想的实验教学内容,不但要作为学生知识学习和技能训练的承载体,更要提供思维培养和能力发展的阶梯。

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