微波法快速合成己二酸及熔點(diǎn)測定裝置設(shè)計(jì)

王亞玲， 茍如虎,2， 丁玉蘭， 安秀娟， 馬永奇, 王鵬宇， 焦玉喜， 李 強(qiáng)， 楊小明， 達(dá)娃頓珠

(1. 甘肅民族師范學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)系， 甘肅 合作 747000;2. 蘭州大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 甘肅 蘭州 730000)

己二酸的制備實(shí)驗(yàn)是重要的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，常見的制備方法有濃硝酸氧化法、高錳酸鉀氧化法[1-6]及其催化法[7-9]，濃硝酸氧化在制備的過程中實(shí)驗(yàn)時(shí)間長并且產(chǎn)生有毒氣體氧化氮，逸散在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，污染環(huán)境。高錳酸鉀氧化法反應(yīng)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物二氧化錳不易處理。

以上兩種方法都需要較長的時(shí)間，且產(chǎn)率較低。為了提高產(chǎn)率縮短時(shí)間，對己二酸的制備實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，用微波加熱法制備己二酸，該實(shí)驗(yàn)方法原理簡單、原料清潔、操作簡單，時(shí)間短，產(chǎn)量高，整個(gè)反應(yīng)過程中綠色化、無毒害，完全符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的要求。

1 熔點(diǎn)測定裝置的改進(jìn)

熔點(diǎn)是鑒定固體有機(jī)化合物的重要物理常數(shù)，也是化合物純度的判斷標(biāo)準(zhǔn)，熔點(diǎn)測定是大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中必不可少的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。目前，實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用毛細(xì)管熔點(diǎn)測定儀。Thiele管熔點(diǎn)測定裝置在使用過程中主要存在以下問題：酒精燈的火焰容易受到外界的干擾，且加熱速度很難準(zhǔn)確控制，尤其在熔點(diǎn)附近；Thiele管導(dǎo)熱效果一般，滯后較嚴(yán)重。為此，石秀梅[10]將圖1中1型Thiele管設(shè)計(jì)為2型Thiele管，受熱的溶液作沿管上升運(yùn)動，使得溫度較均勻，而王雅珍[11]提出加裝放大裝置的建議。在以上改進(jìn)基礎(chǔ)上，王富強(qiáng)等[12]為使電加熱升溫速度易于控制[13-14]，在b形管支管上纏上石棉紗包裹的電熱絲(圖2(a))，通過小型變壓器來調(diào)節(jié)。另外，設(shè)計(jì)1根長為200～250 mm，內(nèi)徑為4 mm的不銹鋼管(圖2(b))，樣品管用螺釘1、2固定，位置通過支架3調(diào)節(jié)，測定完成后只需將不銹鋼管抽出，便可以方便地更換。本文在以上基礎(chǔ)上，對Thiele管熔點(diǎn)測定裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)(見圖3)，該裝置具有導(dǎo)熱效果好、比較安全、自動顯示讀數(shù)、節(jié)省石蠟油等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 Thiele管熔點(diǎn)測定改進(jìn)裝置一

圖2 Thiele管熔點(diǎn)測定改進(jìn)裝置二

圖3 Thiele管熔點(diǎn)自動化測定裝置

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

以濃硫酸為介質(zhì)，重鉻酸鉀(K2Cr2O7)為氧化劑合成己二酸的原理如下:

2.2 儀器與試劑

儀器：紅外光譜用Nicolet Nexus670FT-IR紅外光譜儀(KBr片)；1H NMR譜：Varion VR 300 MHz核磁共振儀；試管，燒杯，量筒，美的微波爐，磁力加熱攪拌器，缺口橡膠塞，玻璃棒。

試劑：2.5 mL環(huán)己醇，9 g重鉻酸鉀，20 mL蒸餾水，13 mL濃硫酸、氫氧化鈉和乙醇。

2.3 合成己二酸實(shí)驗(yàn)裝置

合成己二酸實(shí)驗(yàn)裝置見圖4。

圖4 合成己二酸的實(shí)驗(yàn)裝置

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 稱量：稱取9 g重鉻酸鉀固體于250 mL燒杯中，再量取2.5 mL的環(huán)己醇加入至250 mL的燒杯中，然后量取20 mL水倒入燒杯中攪拌，另量取13 mL濃硫酸。

(2) 常溫反應(yīng)：將加有反應(yīng)物的燒杯放置于冰水浴中，將量好的13 mL濃硫酸分少量多次用玻璃棒引流，緩慢地加入至燒杯中并不斷攪拌。

(3) 微波加熱反應(yīng)：待濃硫酸加完后，在其上方罩一大燒杯，然后將其放入美的微波爐電器中進(jìn)行加熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后冷卻，進(jìn)行減壓抽濾，所得濾液用氫氧化鈉或氫氧化鈣處理。

(4) 物質(zhì)純化：對抽濾所得粗產(chǎn)物溶于乙醇溶液中，然后再進(jìn)行減壓抽濾，將其中的副產(chǎn)物硫酸鉻除去，然后再將其濾液進(jìn)行蒸發(fā)，蒸出其中的乙醇而得到較純的己二酸，并將其干燥，稱量。

(5) 熔點(diǎn)測定：原理為毛細(xì)管法微量法[4]，若要測定某物質(zhì)的沸點(diǎn)，按3圖組裝，裝石蠟油和樣品，固定位置，設(shè)計(jì)溫度，慢速攪拌，加熱，觀察到有大量氣泡產(chǎn)生時(shí)關(guān)閉加熱，直至最后一個(gè)氣泡出來時(shí)記錄熔點(diǎn)溫度。

3 結(jié)果與討論

3.1 反應(yīng)時(shí)間的影響

將燒杯放入微波爐中反應(yīng)，在功率為P50檔不變的情況下，設(shè)定反應(yīng)時(shí)間，研究反應(yīng)時(shí)間對己二酸產(chǎn)率的影響，結(jié)果如表1。

表1 反應(yīng)時(shí)間對己二酸產(chǎn)率的影響

表1表明：反應(yīng)時(shí)間為1 min和2 min的己二酸產(chǎn)量相同,都為2.0 g;反應(yīng)時(shí)間為4 min和5 min的己二酸的產(chǎn)量也相同,為2.2 g;反應(yīng)時(shí)間為3 min的實(shí)驗(yàn)組得到的產(chǎn)量最高為2.6 g;反應(yīng)時(shí)間為10 min的實(shí)驗(yàn)組因時(shí)間過長而完全碳化未得到己二酸。綜上所述，用微波法制備己二酸的最佳時(shí)間為3 min，此時(shí)反應(yīng)基本完全且產(chǎn)率較高。

3.2 產(chǎn)品的分析鑒定

產(chǎn)品經(jīng)熔點(diǎn)、紅外(IR)、核磁(1HNMR)等的檢測結(jié)果如下：熔點(diǎn)為151～152 ℃(溫度計(jì)未校正),文獻(xiàn)值為153.0～153.1 ℃;IR(KBr, cm-1)峰值波數(shù)為3 038、2 930、1 698 cm-1;1HNMR(DMSO-d6,δ/ppm):1.62(t,4H,CH2CH2),2.41(t,4H, CH2COOH ),11.87( s, 2H, COOH)。

3.3 微波法加熱反應(yīng)與普通加熱反應(yīng)方法的比較

在相同條件下，對微波法加熱反應(yīng)與普通加熱反應(yīng)制備己二酸的方法進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。

表2 微波法加熱與普通加熱制備己二酸的比較

由此可見，微波法加熱反應(yīng)時(shí)間明顯較短且產(chǎn)率高，而普通法加熱反應(yīng)時(shí)間過長，且產(chǎn)率低于微波法加熱的產(chǎn)率。表明采用微波法加熱制備己二酸有利于提高產(chǎn)率和減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

4 結(jié)論

(1) 本文采用微波法制備己二酸，提高了己二酸的產(chǎn)率，縮短了反應(yīng)所需的時(shí)間，得到了明顯的效果。

(2) 用微波法制備己二酸的最佳條件為：重鉻酸鉀9 g，環(huán)己醇2.5 mL，水20 mL，濃硫酸13 mL，功率為P50擋，加熱時(shí)間為3 min。

(3) 本文設(shè)計(jì)的熔點(diǎn)測定裝置操作簡單，既可測定熔點(diǎn)，又可測定沸點(diǎn)。磁力加熱攪拌器導(dǎo)熱效果好。使用溫度傳感器，攪拌子攪拌比較安全，且自動顯示讀數(shù)。使用試管節(jié)省石蠟油。

(4) 實(shí)驗(yàn)裝置操作簡便，安全可靠，節(jié)能環(huán)保，本實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)用于本院有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，師生評價(jià)很好。

[1] 蘭州大學(xué)化學(xué)系有機(jī)化學(xué)教研室,復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系有機(jī)化學(xué)教研室.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，1994.

[2] 北京大學(xué)化學(xué)系有機(jī)化學(xué)教研室.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1990.

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