微波合成苯甲酸教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的條件優(yōu)化

馬晨晨　康永鋒

摘要：本文利用正交試驗(yàn)及極差分析對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中微波合成苯甲酸教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的條件優(yōu)化，結(jié)果表明型號(hào)XH-MC-1的微波合成儀在水總量為50ml，高錳酸鉀4.5g，碳酸鈉2.0g，四丁基溴化銨0.5g，苯甲醇2.5mL，微波功率700W，微波反應(yīng)時(shí)間為20min的條件下，相對(duì)和成苯甲酸的效率較高。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；苯甲酸；微波合成

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）52-0244-02

隨著微波合成技術(shù)在化學(xué)合成反應(yīng)中的廣泛應(yīng)用及發(fā)展，越來越多的高校在本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中均不同程度的設(shè)置了有關(guān)微波合成方法的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如微波輻射合成肉桂酸酯[1]、微波輻射合成己二酸二乙酯[2]、微波法合成（±）-α-苯乙胺[3]等。我校近年來也開設(shè)了有關(guān)微波合成的項(xiàng)目，如苯甲酸的微波合成，并設(shè)計(jì)一般火焰加熱合成方法與其進(jìn)行對(duì)比。本著綠色化學(xué)的宗旨，圍繞苯甲酸為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，另外分別設(shè)計(jì)了苯甲酸的重結(jié)晶（即在微波輔助合成而得的純的苯甲酸中加入一定量的硫酸銅、沙粒等物質(zhì)使其變成固體混合物，通過物質(zhì)的可溶性、活性炭吸附以及苯甲酸溶解度隨溫度的變化而變化的特點(diǎn)進(jìn)行分離純化）、熔點(diǎn)的測(cè)定（學(xué)生自得純化后的苯甲酸對(duì)比分析純標(biāo)準(zhǔn)品熔點(diǎn)）等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并將最后得到的苯甲酸再回收利用。而使用本校現(xiàn)有品牌的微波合成儀采用某實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料所述相應(yīng)的各參數(shù)條件并不能達(dá)到最理想的效果，故針對(duì)此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了各類條件優(yōu)化，以達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果。

一、實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

1.試劑。苯甲醇、高錳酸鉀、無水乙醇、碳酸鈉、四丁基溴化銨，以上試劑均為分析純，購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，實(shí)驗(yàn)所用蒸餾水為實(shí)驗(yàn)室自制。

2.儀器。（1）微波萃取合成萃取儀（型號(hào)XH-MC-1），北京祥鵠科技發(fā)展有點(diǎn)公司；（2）傅立葉變換紅外光譜儀（型號(hào)Nicolet iS10/THERMO），梅特勒-托利多；（3）全自動(dòng)熔點(diǎn)儀（型號(hào)MP100）。

二、實(shí)驗(yàn)方法

取250mL二口燒瓶一個(gè)，瓶中依次分別加入水、高錳酸鉀、碳酸鈉、四丁基溴化銨和苯甲醇，再加入10mL水和1～2粒沸石。將上述二口燒瓶放置于微波萃取合成萃取儀中聚四氟乙烯墊上，24#口插入相應(yīng)的球型冷凝管回流，19#口插入儀器自帶的感應(yīng)電極（將電極插入液面以下但不接觸瓶底），設(shè)定微波輔助合成儀的反應(yīng)時(shí)間和微波功率，并開啟實(shí)驗(yàn)。微波輔助合成結(jié)束后，將反應(yīng)容器降低至室溫，后用布氏漏斗及抽濾裝置減壓抽濾，棄去上層固體成分，收集濾液。濾液用1mol/L的鹽酸酸化至Ph=3-4析出固體。隨后冰浴冷卻，減壓抽濾，收集上層固體成分，并用濾液洗滌原容器2次，反復(fù)抽濾收集上層固體并合三次收集苯甲酸，得到苯甲酸粗制品合并純化后稱重計(jì)算產(chǎn)率。

1.實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)研究不同條件因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響分別為：微波功率（A）、反應(yīng)時(shí)間（B）、蒸餾水量、高錳酸鉀和苯甲醇的物質(zhì)的量比（D），見表1。

2.苯甲酸的測(cè)定。利用壓片法測(cè)定純化后所得苯甲酸紅外光譜㈠圖，并與標(biāo)準(zhǔn)品圖譜進(jìn)行對(duì)比分析。利用熔點(diǎn)儀測(cè)定純化后所得苯甲酸的熔點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行對(duì)比。

3.結(jié)果與分析。苯甲酸微波輔助合成實(shí)驗(yàn)各實(shí)驗(yàn)條件正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

（1）微波輔助合成微波功率的影響。微波合成功率的大小對(duì)實(shí)驗(yàn)的最終得率影響較大，當(dāng)確定其他條件不變的情況下（即：水總量為50ml，高錳酸鉀4.5g，碳酸鈉2.0g，四丁基溴化銨0.5g。苯甲醇2.5mL），反應(yīng)時(shí)間20min，微波功率選擇500W、600W、700W、800W、900W條件下，其苯甲酸得率如圖1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)功率達(dá)到700W時(shí)，苯甲酸的產(chǎn)率相對(duì)最高。

（2）微波輔助合成時(shí)間的影響。微波合成反應(yīng)時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)的最終得率影響最大。當(dāng)確定其他條件不變的情況下（即：水總量為50ml，高錳酸鉀4.5g，碳酸鈉2.0g，四丁基溴化銨0.5g，苯甲醇2.5mL），微波功率選擇700W條件下，微波反應(yīng)時(shí)間選擇10min、15min、20min、25min、30min條件下，其苯甲酸得率如圖2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)功率達(dá)到20min時(shí)，苯甲酸的產(chǎn)率相對(duì)最高。

（3）熔點(diǎn)測(cè)定。查閱文獻(xiàn)得知苯甲酸的熔點(diǎn)為122.13℃，利用全自動(dòng)熔點(diǎn)儀測(cè)得微波合成純化后苯甲酸熔點(diǎn)均在121℃～123℃之間，這表明所制得的苯甲酸具有較好的純度指標(biāo)。

（4）紅外光譜測(cè)定。微波輔助合成苯甲酸與標(biāo)準(zhǔn)品均進(jìn)行紅外光譜測(cè)定表明，利用本實(shí)驗(yàn)方法所得產(chǎn)品的紅外光譜圖與標(biāo)準(zhǔn)品譜圖的匹配率為94%。

三、結(jié)論

利用上述品牌微波合成儀條件為：水總量50ml，高錳酸鉀4.5g，碳酸鈉2.0g，四丁基溴化銨0.5g，苯甲醇2.5mL，微波功率700W，微波反應(yīng)時(shí)間為20min。

參考文獻(xiàn)：

[1]周金梅，林敏，徐炳渠，等.微波輻射合成肉桂酸酯[J].大學(xué)化學(xué)，2005，20（3）：43-46.

[2]劉鵬，周曉光，陸澄容，等.微波輻射合成己二酸二乙酯[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2008，（5）：74-76.

[3]吳海霞，虞大紅，蔡良珍，等.微波法合成（±）-α-苯乙胺教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與研究[J].化工高等教育，2006，（2）：101-102.