經(jīng)典有機化學實驗綠色化改進與教學實踐

白 藍，李 蕾，劉 媛

經(jīng)典有機化學實驗綠色化改進與教學實踐

白 藍，李 蕾，劉 媛

（四川大學 化學實驗教學中心 化學學院，四川 成都 610064）

以綠色化學的理念，在傳統(tǒng)實驗中引入新技術、新方法，將經(jīng)典的“苯甲醛Cannizzaro反應制備苯甲酸和苯甲醇”實驗改進為一個結合了超聲波/相轉(zhuǎn)移催化、反應過程紫外光譜監(jiān)測和產(chǎn)物核磁表征分析的探索性綜合實驗，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，既激發(fā)了學生的學習積極性，又培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維和研究能力，獲得了良好的實驗教學效果。

Cannizzaro反應；綠色化學；教學實踐；創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)化學實驗教學著重培養(yǎng)學生的實驗操作技能，而對實驗的新穎性、綜合性以及綠色性少有要 求[1]。例如“苯甲醛Cannizzaro反應制備苯甲酸和苯甲醇”作為經(jīng)典的有機化學實驗，可以比較全面地訓練學生的實驗操作基本技能，因此該實驗被大多數(shù)有機化學實驗教材收錄并在很多高?；瘜W相關本科專業(yè)中開展[2]。然而，現(xiàn)行的教學方案中存在實驗反應時間長、反應進程難以直觀監(jiān)測判斷、操作連續(xù)性差、合成產(chǎn)率低等問題，嚴重有悖于綠色化學的理念[3]，已不能滿足新時期高?；瘜W實驗教學的發(fā)展。因此，本文基于綠色化學高效率、低能耗、低污染和低毒害的理念[4-5]，在“苯甲醛Cannizzaro反應制備苯甲酸和苯甲醇”這一經(jīng)典實驗教學內(nèi)容中引入新技術，提高實驗效率，降低實驗能耗和污染性[6-7]，并在實踐教學中充分發(fā)揮學生的主觀能動性，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、研究能力和綠色環(huán)保理念起到了積極作用[7]。

1 實驗設計原理

1.1 超聲波相轉(zhuǎn)移催化劑促進反應效率

Cannizzaro反應的實質(zhì)是羰基的親核加成，首先是羥基負離子對一分子不含α-H的醛親核加成，碳原子帶有電荷，排斥電子的能力大大加強，使碳上的氫帶著一對電子以氫負離子的形式轉(zhuǎn)移到另一分子醛的羰基碳原子上，然后再進行酸堿交換，其反應機理如圖1所示。

從反應機理可以看出，反應進行的關鍵在于親核試劑OH–能否有效并迅速地進攻羰基碳。在傳統(tǒng)實驗方案中，采用高濃度氫氧化鉀溶液意在提高OH–進攻羰基的幾率，但形成的白色蠟狀物將苯甲醛包裹在其中，反應體系成固-液非均相，離子遷移速度受阻，反應效率受到影響。

圖1 苯甲醛Cannizzaro反應機理

由于在超聲波作用下體系中能產(chǎn)生空穴作用，局部產(chǎn)生高溫高壓，所釋放出的能量增加分子間的碰撞，從而可以增加化學反應活性，縮短反應時間、提高反應效率。在有機化學實驗中引入超聲技術，是減少環(huán)境污染、節(jié)約能耗的有效途徑，是有機化學實驗“綠色化”的一個重要手段[8]。因此，本文設計采用超聲法促進苯甲醛Cannizzaro反應，以大大縮短現(xiàn)行實驗方案中靜置12 h以上的反應時間，并有效提高苯甲醇和苯甲酸的產(chǎn)率。

相轉(zhuǎn)移催化劑（PTC）是一種促進反應物從一個相遷移入另外一個相發(fā)生反應的物質(zhì)[9-10]。離子型的反應物通?？扇苡谒?，但不溶于有機相。PTC可以通過將離子溶解到有機相中，從而加速反應的進行，獲得更高的轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率[11]。文獻調(diào)研表明，β-環(huán)糊精（β-CD）具有分子內(nèi)的空腔結構，可與反應物分子形成包結物超分子結構，并將客體分子帶入另一相中釋放，從而使兩相之間的反應得以發(fā)生[12]；而聚乙二醇（PEG）“柔性”長鏈分子，可以折疊、彎曲成合適的形狀結構與不同大小的離子絡合，是應用更廣泛的相轉(zhuǎn)移催化劑[13-14]。因此，實驗選用β-CD和PEG這2種環(huán)境友好、價格低廉的物質(zhì)作為相轉(zhuǎn)移催化劑，將OH–從水相中轉(zhuǎn)入有機相，促進其與苯甲醛的反應。

1.2 紫外-可見光譜（UV-Vis）監(jiān)測反應過程

在有機化學實驗教學中，讓學生自己監(jiān)測有機反應的反應可行性、反應進行程度與反應完成時間，而不再是通過教師或教材獲得答案，對學生提高觀察能力和啟發(fā)探索思維都有積極的意義[15]。薄層色譜法（TLC）是目前廣泛應用于有機實驗教學中的反應監(jiān)控方法，但其存在展開時間長、揮發(fā)性易燃溶劑使用量大、結構相近化合物分離效果差等缺點[16-17]。特別是在本反應體系中，原料苯甲醛、產(chǎn)物苯甲酸和苯甲醇3類物質(zhì)具有相近的化學結構，采用常規(guī)的TLC方法不易進行分離鑒別。

由于苯甲醛、苯甲酸和苯甲醇3種化合物可產(chǎn)生紫外吸光信號，因此可以采用紫外分光光度法測定體系中3組分的含量，監(jiān)測反應進行程度[18-19]。實驗預先對濃度均為4 ppm的苯甲醛、苯甲醇、苯甲酸的乙醇溶液進行紫外吸收光譜測試，結果如圖2所示。

圖2 苯甲醛、苯甲醇、苯甲酸乙醇溶液的紫外吸收光譜

從圖2可以看出，苯甲醛、苯甲酸和苯甲醇的最大吸收波長分別為246 nm、228 nm和210 nm。根據(jù)紫外分光光度法的測定原理比爾朗博定律，由于物質(zhì)的吸光度具有加和性，在某一特定波長處，混合物的吸光度等于混合物中各組分在此波長下的吸光度之和[20-21]。因此混合物中各組分的含量與吸光度值有如下關系:

246= ε1,2461+ ε1,2282+ ε1,2103（1）

228= ε2,2461+ ε2,2282+ ε2,2103（2）

210= ε3,2461+ ε3,2282+ ε3,2103（3）

其中，為石英比色皿的光程，εi,波長為3種物質(zhì)在對應吸收波長下的摩爾吸光系數(shù)（= 1，2，3，分別代表苯甲醛、苯甲酸和苯甲醇），1，2，3分別為混合物中苯甲醛、苯甲酸和苯甲醇的濃度。

在波長246 nm處，苯甲酸和苯甲醇的吸光度值幾乎為零，因此，公式（1）可簡化為

246=ε1,2461（4）

在波長228 nm處，在濃度相同的情況下，苯甲醛的吸光度值小于苯甲酸吸光度值的10%，而苯甲醇的吸光度值幾乎為零，因此，公式（2）可簡化為

228=ε2,2282（5）

在波長210 nm處，苯甲醛和苯甲酸均有較高的吸光度值，因此公式（3）不可做簡化。

由于在一定測試條件下ε2,228/ε1,246為定值，因此反應混合體系中產(chǎn)物苯甲酸和原料苯甲醛的相對含量2/1正比于苯甲酸在其最大吸光波長處吸光強度與苯甲醛在其最大吸光波長處吸光強度的比值228/246（228/246）。因此，在反應過程中每隔一定時間點從各反應體系中移取等量樣品，進行紫外光譜分析，通過考察228/246隨反應時間的變化，可以定性比較各個體系反應速率的快慢。

2 實驗內(nèi)容

2.1 不同條件下的苯甲醛Cannizzaro反應

實驗設置了4組平行實驗，以考察超聲/相轉(zhuǎn)移催化對苯甲醛Cannizzaro反應的促進作用，各體系反應條件如表1所示。在100 mL的錐形瓶中，加入10 g NaOH和10 mL水，攪拌至溶解，冷卻至室溫后，第1、2組靜置，第3、4組一邊攪拌一邊加入一定質(zhì)量催化劑；然后向4組反應體系中分4次加入12.6 mL苯甲醛，第1組靜置，第2、3、4組反應體系置于40 kHz，300 W超聲下，室溫反應120 min；之后4個反應體系參照教材以相同步驟進行后處理[22]：加入40 mL水攪拌溶解，30 mL乙醚分3次萃取，將水相倒入100 mL燒杯，加入約30 mL濃鹽酸（使pH=3），冰水浴冷卻，減壓過濾，固體用冰水洗滌，擠壓水分，自然晾干，稱重；油相依次用5 mL飽和NaHSO4、10 mL10%Na2CO3、10 mL水洗滌，最后用無水MgSO4干燥，旋蒸除去乙醚（接收瓶提前稱量質(zhì)量，用冰水浴冷卻），改蒸餾裝置常壓蒸餾，收集198~204 ℃餾分，稱重。

表1 不同條件下的甲醛Cannizzaro反應

2.2 紫外-可見光譜監(jiān)測反應過程

在反應進行過程中，每隔30 min用移液槍吸取1 μL反應混合物溶于9 μL無水乙醇中，測定前將待測液用去離子水稀釋400倍，使用紫外-可見光譜儀在波長200~350 nm范圍內(nèi)進行測試。

2.3 產(chǎn)物核磁表征

采用Bruker Advance 400核磁共振儀（Bruker公司，德國）對所得產(chǎn)物苯甲醇和苯甲酸結構進行1H NMR表征。以氘代氯仿（CDCl3）為溶劑，四甲基硅烷（TMS）為內(nèi)標物質(zhì)。

3 結果與討論

3.1 不同條件下反應催化效果

不同體系不同反應時間紫外吸光度比值228/246結果如圖3所示。

圖3 不同反應時間各體系I228/I246結果

由于苯甲醛為反應物，苯甲酸為產(chǎn)物，因此隨著反應的進行，反應體系中苯甲醛的含量逐漸降低，而苯甲酸在體系中的含量會逐漸增大。如圖3所示，在所有組別中228/246均隨著反應時間的延長而逐漸增大。

在原料苯甲醛的初始用量一致的情況下，228/246絕對值越大，則代表產(chǎn)物苯甲酸生成量相對較多，反應程度越高。在圖3中，在每一個反應時間點，各組的228/246值都遵循以下規(guī)律：體系4>體系2>體系3>體系1，表明4個反應體系在一定反應時間內(nèi)，反應速率的大小為：超聲+PEG>超聲>超聲+β-CD>常規(guī)。由此可見，超聲波和相轉(zhuǎn)移催化劑的加入，都對Cannizzaro反應效率起到了提升作用；特別是當超聲波與相轉(zhuǎn)移催化劑同時作用時比單一超聲條件有更好的反應催化效果。值得一提的是，超聲+β-CD體系的催化效果反而次于僅超聲體系。這是由于體系3中β-CD的加入使反應體系中產(chǎn)生了黏稠結塊現(xiàn)象（如圖4所示），導致反應體系均一性降低，離子遷移速度受阻，反應效率受到影響。

圖4 反應120 min后體系1 (a)、體系2 (b)、體系3 (c)和體系4 (d)內(nèi)物質(zhì)狀態(tài)

3.2 產(chǎn)物產(chǎn)率

反應120 min后停止反應，各體系經(jīng)相同常規(guī)后處理步驟，均得到苯甲酸產(chǎn)物，產(chǎn)物照片如圖5所示。

圖5 反應120 min后體系1 (a)、體系2 (b)、體系3 (c)和體系4 (d)所得苯甲酸產(chǎn)物

各體系苯甲酸和苯甲醇產(chǎn)率如表2所示。由表2可以看出，在僅有的120 min反應時間內(nèi)，常規(guī)條件下苯甲醛僅有20.56%的產(chǎn)率，而苯甲醇產(chǎn)量極少，無法量取體積或稱量質(zhì)量，因此無法計算產(chǎn)率。而超聲+PEG條件下，苯甲酸和苯甲醇的產(chǎn)率分別為48.79%和12.65%，在各組中表現(xiàn)出最好的催化效果。這一結果和紫外光譜監(jiān)測結果一致。

表2 各反應條件下苯甲酸和苯甲醇產(chǎn)率

*產(chǎn)量極少，無法量取體積或稱量質(zhì)量

3.3 產(chǎn)物結構表征

無論是紫外監(jiān)測結果，還是產(chǎn)物產(chǎn)率結果，都表明超聲波+PEG協(xié)同催化條件對苯甲醛的Cannizzaro反應有最優(yōu)的反應促進效果。因此，對體系4反應所得的苯甲酸和苯甲醇產(chǎn)物分別進行1H NMR檢測，結果如圖6所示。

譜圖解析結果：

4 教學實踐特色

本實驗既著眼于傳統(tǒng)經(jīng)典有機化學實驗綠色化改進，又立足于化學及化學相關專業(yè)本科學生綜合能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。因此在本實驗的實踐教學環(huán)節(jié)中，始終將學生置于研究者的主體地位，積極發(fā)揮“教學相長”的作用。

4.1 文獻調(diào)研——知識原理儲備

針對本項目的2大改進方向——使用新技術提高實驗效率以及采用新方法監(jiān)測反應進程，在教師系統(tǒng)講授科技文獻查閱方法的基礎上，學生分為3個小組，分別以“超聲催化有機反應”“環(huán)糊精與聚乙二醇相轉(zhuǎn)移劑催化反應”和“紫外分光光度法測定有機物相對含量”為主題開展實驗基本原理的文獻調(diào)研工作。各組閱讀文獻并加以整理，總結出每個主題中的基本原理、實驗方法、預期實驗結果等信息。接著，3個小組的學生將各組文獻信息匯報交流，對比討論每個實驗方案的優(yōu)缺點，例如實驗原理對本實驗的適用性、實驗操作難易程度、預期實驗效果優(yōu)劣等。特別是“紫外分光光度法檢測混合體系中有機物相對含量”，學生需要將比爾朗伯定律應用到多組分混合的復雜實際體系中，充分鍛煉了學生學以致用、發(fā)散思維的能力。

4.2 實驗方案設計——研究能力訓練

由于使用新技術提高實驗效率以及采用新方法監(jiān)測反應進程是本項目的最重要的兩大改進方向，因此本文僅對合成反應所涉及實驗步驟進行改進探索，后續(xù)仍然采用課本上經(jīng)典實驗方案的對產(chǎn)物進行后處理，以便將新方法的實驗結果（反應時間、產(chǎn)物產(chǎn)率等）與經(jīng)典方案結果對比，使學生獲得直觀的對比效果。因此，學生在教師指導下，設計了2.1節(jié)所述實驗方案。

4.3 實驗結果分析——思維能力提升

實驗結束以后，學生從以下幾個方面對實驗結果進行分析、總結，從而獲得思維能力的提升：

（1）通過直觀比較不同反應條件下苯甲醇和苯甲酸產(chǎn)量和產(chǎn)率的差異，總結出各反應條件對Cannizzaro反應催化效果的差異，并從催化機理解釋造成不同效果的原因。

（2）對反應過程中以及反應結果中出現(xiàn)的不符合常規(guī)現(xiàn)象進行總結分析。如β-CD的加入使反應體系變?yōu)檎吵聿痪坏臓顟B(tài)，導致了反應效果降低。這使學生意識到，在機理可行的基礎上，需要進一步考察實驗操作的可行性，建立起對研究方案多層次全方位思考評價的理念。

5 結語

針對影響實驗教學效果最重要的2個因素——實驗內(nèi)容和實驗方法，本文用新技術、新方法和新手段對經(jīng)典的苯甲醛Cannizzaro反應實驗進行創(chuàng)新改進。以苯甲醇和苯甲酸的制備為主線，結合超聲/相轉(zhuǎn)移催化、反應過程紫外光譜監(jiān)測、終產(chǎn)物核磁表征分析，使實驗由原來單一的合成實驗，改進為有機合成—波譜分析—儀器表征相結合的綜合性探索實驗。這一系列改進不僅提高了實驗的綠色化程度，更讓學生深入了解了科學研究的新技術和新方法，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和研究能力。

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Green improvement and teaching practice of classical organic chemistry experiment

BAI Lan, LI Lei, LIU Yuan

(Teaching Center of Chemistry Experiment, College of Chemistry, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

Based on the concept of green chemistry, new technologies and methods are introduced into traditional experiments, and the classical experiment of “Cannizzaro reaction to prepare benzoic acid and benzyl alcohol” is improved into an exploratory comprehensive experiment which combines together the ultrasonic/phase transfer catalysis, ultraviolet spectroscopy monitoring of reaction process and NMR characterization analysis of products, giving full play to students’ subjective initiative, which not only stimulates their learning enthusiasm, but also trains their innovative thinking and research ability. It has achieved good experimental teaching effect.

Cannizzaro reaction; green chemistry; teaching practice; innovative ability

G642.423

A

1002-4956(2019)10-0247-05

2019-02-19

國家自然科學基金項目（51603129）；四川大學實驗技術項目（20170031）

白藍（1988—），女，四川成都，博士，實驗師，主要從事有機實驗教學和有機高分子功能材料研究。E-mail: bailanchem@scu.edu.cn