介紹一個(gè)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)
——微波輔助合成和水解乙酰水楊酸

楊小鋼

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院 湖北武漢430072)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)

介紹一個(gè)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)
——微波輔助合成和水解乙酰水楊酸

楊小鋼

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院 湖北武漢430072)

設(shè)計(jì)了微波輔助合成和水解乙酰水楊酸的新型大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。該方法具有反應(yīng)時(shí)間短、試劑用量少和產(chǎn)率高等特點(diǎn)。將乙酰水楊酸回收進(jìn)行微波輔助水解實(shí)驗(yàn)，得原料水楊酸，減少了物耗和廢棄物的污染。

乙酰水楊酸(Aspirin)是人們熟悉的解熱鎮(zhèn)痛、抗風(fēng)濕類藥物，可由水楊酸和乙酸酐合成得到。由于乙酰水楊酸的合成涉及水楊酸酚羥基的乙?；彤a(chǎn)品重結(jié)晶等操作，該合成被作為基本反應(yīng)和操作練習(xí)而編入大學(xué)有機(jī)實(shí)驗(yàn)教材中?，F(xiàn)行教材中采用酸催化合成法，存在反應(yīng)速度慢、乙酸酐用量大和副產(chǎn)物多等缺點(diǎn)［1］。微波輻射(microwave irradiation)用于促進(jìn)有機(jī)反應(yīng)始于1986年［2］，目前已發(fā)展成一項(xiàng)新興的化學(xué)合成技術(shù)［3-4］。本文參考有關(guān)文獻(xiàn)［2-7］，將微波輔助技術(shù)和綠色化學(xué)思想用于合成和水解乙酰水楊酸，設(shè)計(jì)了新型大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。和傳統(tǒng)方法相比，新型實(shí)驗(yàn)具有反應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)率高和物耗低及污染少等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了新興技術(shù)的運(yùn)用和大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

微波是指波長(zhǎng)為1mm～1m、頻率為300MHz～300GHz的電磁波，工業(yè)和民用的頻率一般是2.45GHz。微波能量對(duì)材料有很強(qiáng)的穿透力，能對(duì)被照射物質(zhì)產(chǎn)生深層加熱作用。對(duì)于微波加熱促進(jìn)有機(jī)反應(yīng)的原理，目前較為普遍的看法是極性有機(jī)分子吸收微波輻射能量后會(huì)產(chǎn)生每秒幾十億次的偶極振動(dòng)，產(chǎn)生熱效應(yīng)，使分子間的相互碰撞及能量交換次數(shù)增加，因而使有機(jī)反應(yīng)速度加快。另外，電磁場(chǎng)對(duì)反應(yīng)分子間行為的直接作用而引起的所謂“非熱效應(yīng)”，也是微波促進(jìn)有機(jī)反應(yīng)的重要原因。與傳統(tǒng)加熱法相比，其反應(yīng)速度可加快幾倍至上千倍。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 原料和儀器

水楊酸和乙酸酐為分析純?cè)噭?其余試劑均為化學(xué)純。WP 750格蘭仕微波爐，QW-1001電子秤，計(jì)時(shí)秒表。

2.2 反應(yīng)式及回收利用流程圖

反應(yīng)及回收利用流程圖如下所示:

2.3 微波輔助堿催化合成乙酰水楊酸實(shí)驗(yàn)

在100mL圓底燒瓶中加入2.0g(0.014mol)水楊酸和0.1g碳酸鈉，再用移液管加入2.8mL(3.0g，0.029mol)乙酸酐，振蕩，放入微波爐中，在微波輻射輸出功率495W(“中火”檔)下，微波輻射40s(反應(yīng)溫度80～90℃)。稍冷，加入20mL pH 3～4的鹽酸水溶液，置于冰水浴中令其充分結(jié)晶。減壓過濾(濾液回收)，用少量冷水洗滌結(jié)晶2～3次，抽干，得乙酰水楊酸粗產(chǎn)品。粗產(chǎn)品用乙醇/水混合溶劑(1體積95%的乙醇+2體積的水)約16mL重結(jié)晶，干燥，得白色晶狀乙酰水楊酸2.4g(合成收率92%)，熔點(diǎn)133～135℃。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可用2%FeCl3水溶液檢驗(yàn)或紅外光譜儀測(cè)試。

2.4 微波輔助水解乙酰水楊酸實(shí)驗(yàn)

在100mL錐形瓶中加入2.0g(0.01mol)乙酰水楊酸和40mL 2.0mol/L NaOH水溶液，在微波輻射輸出功率495W(“中火”檔)下，微波輻射40s(反應(yīng)溫度95～100℃)。冷卻后，滴加6mol/L鹽酸水溶液至pH 2～3，置于冰水浴中令其充分析晶，減壓過濾，將水楊酸轉(zhuǎn)移到100mL燒杯中，用蒸餾水加活性炭重結(jié)晶，干燥，得白色針狀水楊酸約1.1g(回收率80%)，熔點(diǎn):153～156℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于如下幾點(diǎn)考慮:一是乙酰水楊酸是廣泛應(yīng)用于臨床治療和預(yù)防心血管疾病的藥物，近年來(lái)還不斷發(fā)現(xiàn)它的新用途，練習(xí)它的合成和水解能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且該反應(yīng)和實(shí)驗(yàn)操作具有典型性，環(huán)境污染也比較小;二是微波輔助技術(shù)是新興的合成技術(shù)，可以提高反應(yīng)速度幾百到上千倍［2-4］。作者認(rèn)為，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有具體的運(yùn)用，以此讓學(xué)生親身感受新技術(shù)和新思路的運(yùn)用帶來(lái)的明顯進(jìn)步;三是注重回收利用和減少環(huán)境污染可以培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)意識(shí)。

3.2 微波輔助堿催化合成法的優(yōu)點(diǎn)

作者通過正交實(shí)驗(yàn)，確定了微波輔助堿催化合成乙酰水楊酸的較優(yōu)條件，以較優(yōu)條件合成與傳統(tǒng)酸催化法［1］進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

表1 微波輔助堿催化法與傳統(tǒng)酸催化法的比較

從表1可知，微波輔助堿催化法具有明顯的優(yōu)點(diǎn):反應(yīng)時(shí)間縮短、酸酐用量減少和合成收率提高。獲得較好結(jié)果的原因是采用了較好的合成途徑和微波輔助技術(shù)，堿催化方法可避免副產(chǎn)物(主要是聚水楊酸)的生成，微波輔助技術(shù)則大大提高了反應(yīng)速率。若增大微波輻射功率，反應(yīng)時(shí)間更短，但從安全角度考慮，選擇中等功率的微波輻射進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.3 微波輔助水解法的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)乙酰水楊酸水解反應(yīng)參數(shù)［7］計(jì)算可知，在過量堿存在下，乙酰水楊酸完全水解在35℃時(shí)需要1h，在100℃時(shí)大約需10min?，F(xiàn)在采用微波輔助水解，可很好地發(fā)揮微波輻射加熱速度快和加熱均勻的特長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在輸出功率495W下，微波輻射僅40s，水解回收率近100%;用蒸餾水加活性碳重結(jié)晶純化，得水楊酸針狀晶體(回收率約80%)。它與水楊酸的乙?；瘶?gòu)成了一個(gè)原料使用循環(huán)，避免了試劑浪費(fèi)和環(huán)境污染。

3.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)乙酸酐應(yīng)是新開瓶的。如果打開使用過且放置較長(zhǎng)時(shí)間，使用時(shí)應(yīng)重新蒸餾，收集139～140℃的餾分。

(2)不同品牌的家用微波爐所用的微波條件略有不同，微波條件的選定以使反應(yīng)溫度達(dá)80～90℃為原則。使用的微波功率一般選擇450～500W之間，微波幅照時(shí)間為20～40s。此外，微波爐不能長(zhǎng)時(shí)間空載或近似空載操作，否則可能損壞磁控管。

(3)乙酰水楊酸易受熱分解，因此熔點(diǎn)不是很明顯，它的分解溫度為128～135℃，熔點(diǎn)的文獻(xiàn)值為136℃。測(cè)定熔點(diǎn)時(shí)，應(yīng)先將熱載體加熱至120℃左右，然后再放入樣品進(jìn)行測(cè)定。

3.5 殘液的回收利用

乙酰水楊酸合成的殘液主要含醋酸(約12%)，每組體積20mL，可用于萃取操作實(shí)驗(yàn)(配制10%的醋酸水溶液)。乙酰水楊酸重結(jié)晶的殘液(含乙醇)用于分餾操作實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)論

和傳統(tǒng)方法相比，新型實(shí)驗(yàn)具有反應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)率高和物耗低及污染少等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了新技術(shù)的運(yùn)用和大學(xué)化學(xué)綠色化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目標(biāo)，可作為新型有機(jī)實(shí)驗(yàn)編入大學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中。

［1］ 王俊儒，馬柏林，李炳奇，等.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:高等教育出版社，2007

［2］ Gedye R N，Smith F，Westaway K，et al.Tetra Lett，1986，27(3):279

［3］ 金欽漢，戴樹珊，黃卡瑪.微波化學(xué).北京:科學(xué)出版社，1999

［4］ Kappe CO.Angew Chem Int Ed，2004，43:6250

［5］ 張國(guó)升，張懋森.化學(xué)試劑，1986，8:245

［6］ ?；郏瑮罱?化學(xué)試劑，2000，22:313

［7］ 曾憲誠(chéng)，劉清華，鄧郁.化學(xué)研究與應(yīng)用，1993，5:50