苯甲酸乙酯制備實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究

王志會(huì)　袁桂梅　蔡文登

摘要：通過(guò)乙醇、苯和水的三元共沸現(xiàn)象將苯甲酸和乙醇反應(yīng)生成的水帶出反應(yīng)體系，促進(jìn)酯化反應(yīng)的進(jìn)行而合成苯甲酸乙酯，這是本科有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要反應(yīng)。本文針對(duì)此反應(yīng)中一些可待改進(jìn)的方面（如苯溶劑的使用、反應(yīng)終點(diǎn)的判定、后處理操作以及產(chǎn)物純度和結(jié)構(gòu)的檢測(cè)），提出改進(jìn)方案并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，提供了一個(gè)更加安全、更加環(huán)保的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：苯甲酸乙酯合成；苯；環(huán)己烷；核磁共振

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）29-0255-02

苯甲酸乙酯的合成實(shí)驗(yàn)是本科有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)經(jīng)典案例?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方案通過(guò)乙醇、苯和水的三元共沸現(xiàn)象將反應(yīng)進(jìn)行中生成的產(chǎn)物水帶出反應(yīng)體系，從而起到拉動(dòng)平衡、使反應(yīng)朝著酯化方向移動(dòng)的效果；反應(yīng)終點(diǎn)依靠分水器中水的體積或冷凝管中回流液是否有水珠掛壁來(lái)判定。反應(yīng)結(jié)束后通過(guò)乙醚萃取來(lái)分離剩余濃硫酸，接著，先采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去低沸點(diǎn)物質(zhì)（如乙醚、苯、乙醇等），然后通過(guò)減壓蒸餾（用旋片式真空泵）收集苯甲酸乙酯，最后稱產(chǎn)品質(zhì)量并測(cè)其折光率以判斷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和純度。[1]

通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，本科生可以對(duì)共沸分水拉動(dòng)平衡反應(yīng)有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀以及減壓蒸餾的操作有直觀的把握。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和后處理的設(shè)計(jì)都非常適合本科生有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，然而，這個(gè)實(shí)驗(yàn)還是存在著一些值得改進(jìn)的地方：

第一，實(shí)驗(yàn)所采用的苯雖然可以通過(guò)共沸來(lái)帶走反應(yīng)體系中的水。然而，苯具有潛在的致白血病的可能性，[2]而且，本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的通風(fēng)效果并不是太好，學(xué)生操作時(shí)也沒(méi)有手套和面罩防護(hù)，考慮到本科生大多實(shí)驗(yàn)操作技能還不夠熟練、操作時(shí)也不夠冷靜，這樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很可能會(huì)導(dǎo)致皮膚接觸到苯，從而對(duì)學(xué)生的健康造成一定的潛在危害。

第二，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用觀察分水器的水量以及觀察冷凝管中回流液是否有水珠掛壁來(lái)監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度，以判斷反應(yīng)是否到達(dá)終點(diǎn)。由于乙醇和水的溶解性，導(dǎo)致分出的水量不好把握，另外，觀察冷凝管中回流液是否有水珠掛壁具有很大的主觀性，這些都導(dǎo)致學(xué)生對(duì)反應(yīng)進(jìn)度的跟蹤不夠直觀、很難準(zhǔn)確把握。

第三，反應(yīng)結(jié)束后通過(guò)乙醚萃取的方式將產(chǎn)物和體系中殘余的濃硫酸分離。這樣的操作涉及到濃硫酸的分液，考慮到學(xué)生的操作條件，具有一定的危險(xiǎn)性；另外，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去體系的苯時(shí)，考慮到普通教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的冷卻效果，有相當(dāng)一部分苯?jīng)]有冷凝在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，而是被水泵抽到了泵水中，從而揮發(fā)在教室中，有可能被操作中的學(xué)生和老師吸入。

第四，通過(guò)折光率來(lái)確定產(chǎn)物純度。此方法簡(jiǎn)單、快速，但是無(wú)法提供有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)信息，無(wú)法有效地說(shuō)明所合成產(chǎn)物的純度和結(jié)構(gòu)。

針對(duì)以上情況，我們提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施：

第一，用環(huán)己烷代替苯。正如乙醇、苯和水可以形成三元共沸物（乙醇/苯/水=18.5%/74.1%/7.4%，體積比；共沸點(diǎn)為64.9℃），環(huán)己烷也可以和水形成共沸物（共沸點(diǎn)69.0℃，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），而且環(huán)己烷的沸點(diǎn)81℃，和苯的沸點(diǎn)（80℃）接近，這樣就不需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的加熱條件進(jìn)行太多改動(dòng)。[3]而環(huán)己烷的毒性，相對(duì)于苯，相當(dāng)?shù)男?，這樣就避免了學(xué)生攝入苯的可能性，大大提高了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的安全性。

第二，采用硅膠TLC（薄層色譜法，Thin-Layer Chromatography）來(lái)檢測(cè)反應(yīng)，并判定反應(yīng)的終點(diǎn)。硅膠TLC是一種簡(jiǎn)單有效的有機(jī)實(shí)驗(yàn)日常檢測(cè)手段，它通過(guò)不同極性的有機(jī)化合物在硅膠板上隨著展開(kāi)劑移動(dòng)時(shí)的移動(dòng)距離不同而簡(jiǎn)單高效地區(qū)分不同化合物。在苯甲酸乙酯合成實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)原料苯甲酸和反應(yīng)產(chǎn)物苯甲酸乙酯在紫外光（254nm）下有吸收，而且這兩個(gè)化合物的極性有顯著差別，可以通過(guò)有機(jī)展開(kāi)劑（石油醚/乙酸乙酯=4/1，體積比）進(jìn)行分離。這樣，實(shí)驗(yàn)人員可以憑借紫外燈，非常直觀地用肉眼來(lái)看到苯甲酸和苯甲酸乙酯在TLC上移動(dòng)的情況，從而可以準(zhǔn)確判定反應(yīng)進(jìn)行的程度。

第三，反應(yīng)結(jié)束后，先在冰水浴冷卻的條件下加入水稀釋反應(yīng)，然后以NaHCO3固體來(lái)中和過(guò)量濃硫酸至弱堿性，接著用乙酸乙酯來(lái)萃取水相。這樣避免了對(duì)濃硫酸的萃取操作，也避免了易燃溶劑乙醚的使用。

第四，提純產(chǎn)品時(shí)，可以采用快速硅膠色譜柱的方法，然后配以旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，迅速分離得到苯甲酸乙酯。通過(guò)硅膠色譜柱進(jìn)行有機(jī)化合物的快速分離是有機(jī)合成中一種常用的分離手段，這種方法可以迅速地將不同極性的化合物（本實(shí)驗(yàn)中的苯甲酸和苯甲酸乙酯）分離，特別適合實(shí)驗(yàn)室里小規(guī)模的化合物分離。

第五，采用核磁共振的方法對(duì)所獲得化合物定性并確認(rèn)其純度。通過(guò)H-NMR可以很輕易地看到苯甲酸乙酯分子結(jié)構(gòu)中特征的苯環(huán)和乙基部分，還可以通過(guò)化學(xué)位移和峰面積積分確定所得化合物的純度。這樣，學(xué)生可以對(duì)所學(xué)的核磁共振知識(shí)有很具體的應(yīng)用，同時(shí)可以體會(huì)到核磁共振在有機(jī)合成中的巨大作用。

具體改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

在100ml圓底燒瓶中，加入8g（0.066mol）苯甲酸、20mL（0.34mol）無(wú)水乙醇和15mL環(huán)己烷，搖動(dòng)下慢慢加入3ml濃硫酸，加入磁力攪拌子。固定圓底燒瓶，安裝分水器，從分水器上端小心加水至距分水器支管下沿5mm左右，分水器上端接一個(gè)回流冷凝管。冷凝管中通冷卻水后，對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行加熱攪拌回流，并不斷將反應(yīng)生成的水從分水器中分離，注意分水時(shí)分水器中水層液面不要超過(guò)支管口的高度，以防止水倒流回?zé)?。反?yīng)進(jìn)行過(guò)程中，通過(guò)硅膠TLC（薄層色譜）監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度。反應(yīng)基本完成約需2小時(shí)。

待TLC顯示反應(yīng)進(jìn)行完全后，停止加熱，放置冷卻。然后，以冷水浴冷卻反應(yīng)體系，加水（20ml）稀釋，再緩慢加入碳酸氫鈉粉末至不再有氣泡生成。用乙酸乙酯對(duì)溶液進(jìn)行萃?。?0mlx3），將所得有機(jī)相合并，通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑（乙酸乙酯、乙醇和環(huán)己烷）。然后通過(guò)短硅膠柱（直徑6cm，高8cm）過(guò)柱，以石油醚和乙酸乙酯混合溶劑（4/1，體積比）作為洗脫劑，所得有機(jī)溶液通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀得到產(chǎn)品苯甲酸乙酯，同時(shí)回收石油醚和乙酸乙酯的混合液，最終在經(jīng)過(guò)旋片式真空油泵除溶劑后得到9.8g產(chǎn)品。產(chǎn)品苯甲酸乙酯通過(guò)核磁共振氫譜判斷純度（有無(wú)其他雜質(zhì)峰）和結(jié)構(gòu)（化學(xué)位移、峰的形狀和各峰的積分面積），如圖2所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳肇亮，俞英.基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)（下冊(cè)）[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003：186-187.

[2]Aksoy，M. Types of leukemia in chronic benzene poisoning. A study in thirty-four patients[J]. Acta Haemat，1976，（55）：65-72.

[3]Wilfred L. F. Armarego，Christina L. L. Chai. Purification of Laboratory Chemicals[M]. fifth edition. USA： Elsevier Science，2003：13-14.