科研反哺教學(xué)下的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)：乙酸苯酯的制備

周曉玉,陳 霞

(六盤(pán)水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院,貴州 六盤(pán)水 553004)

“科教融合，育未來(lái)科學(xué)人”的戰(zhàn)略在高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和啟迪專(zhuān)業(yè)思維的一種有效途徑，是實(shí)現(xiàn)科教融合的關(guān)鍵[2]。在科研反哺教學(xué)的指導(dǎo)思想下，持續(xù)深化本科教學(xué)改革，每一位教育工作者都應(yīng)該盡自己的綿薄之力，為教育事業(yè)的進(jìn)步和民族復(fù)興的偉大戰(zhàn)略做出努力[3-7]。

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，缺乏新型的、實(shí)用性強(qiáng)的合成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目前，酯類(lèi)化合物的制備實(shí)驗(yàn)主要采用的方法是羧酸及其衍生物和醇、酚在強(qiáng)酸的催化下合成相應(yīng)的羧酸酯，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡(jiǎn)單、陳舊，不能夠體現(xiàn)現(xiàn)代有機(jī)合成的趨勢(shì)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)將科研成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂，開(kāi)發(fā)了具有前沿性、實(shí)用性的“乙酸苯酯的制備”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1 設(shè)計(jì)思路

酯類(lèi)化合物常以乙酸酐、乙酰氯、乙酸和醇發(fā)生酯化反應(yīng)制備，但羧酸芳基酯的制備相對(duì)較困難[8-15]。乙酸苯酯是重要的藥物中間體，它可以轉(zhuǎn)化為鄰羥基苯乙酮和對(duì)羥基苯乙酮的混合物，可以治療黃疸型肝炎、膽囊炎等疾病[15]。為了增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)用性，教學(xué)團(tuán)隊(duì)以乙酸苯酯的合成方法進(jìn)行研究。

根據(jù)“堿催化羧酸芳基酯制備”的科研成果[16]，經(jīng)實(shí)驗(yàn)可操作性和安全性驗(yàn)證后，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)使其可作為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。通過(guò)將科學(xué)研究成果與教學(xué)有機(jī)的結(jié)合，有效促進(jìn)學(xué)生專(zhuān)業(yè)思想的建立，提升學(xué)生的專(zhuān)業(yè)自豪感，同時(shí)激勵(lì)教師對(duì)教育事業(yè)的熱愛(ài)，教學(xué)相長(zhǎng)，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

酸酐、酰鹵、羧酸可以與醇或酚發(fā)生酯化反應(yīng)，獲得相應(yīng)的酯類(lèi)化合物，但常伴隨副產(chǎn)物的產(chǎn)生。其中，酸酐和酰鹵的活性較高，官能團(tuán)兼容性較差；羧酸反應(yīng)活性相對(duì)較低，一般需要濃硫酸等強(qiáng)酸為催化劑，且只適用于醇的酯化，不能通過(guò)羧酸與酚反應(yīng)制備羧酸芳基酯。

在碳酸鈉的催化作用下，以乙腈作為溶劑，苯酚與羧酸乙烯酯在加熱回流的條件可以合成乙酸苯酯，如圖1。

圖1 合成乙酸苯酯的反應(yīng)方程式

為了提高乙酸苯酯的產(chǎn)率，反應(yīng)可以通過(guò)加入過(guò)量乙酸乙烯酯或適當(dāng)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間來(lái)促進(jìn)酚完全反應(yīng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)研究

2.2.1 條件優(yōu)化與結(jié)果

綜合經(jīng)濟(jì)性、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可操作性、安全性等因素，結(jié)合科研所取得的結(jié)果，選擇苯酚為基礎(chǔ)原料、以乙酸乙烯酯為?；噭M(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。

首先對(duì)催化劑進(jìn)行了優(yōu)化，見(jiàn)表1。在催化劑優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，無(wú)催化劑存在條件下，苯酚與乙酸乙烯酯不能發(fā)生酯化反應(yīng)。隨后，分別對(duì)甲酸鈉、三乙胺、碳酸鉀、碳酸鈉及其用量進(jìn)行了考察，結(jié)果表明，碳酸鈉是最佳的催化劑。經(jīng)對(duì)碳酸鈉用量考察發(fā)現(xiàn)，碳酸鈉摩爾分?jǐn)?shù)20%是最佳催化劑用量。

表1 催化劑優(yōu)化

在確定最佳催化劑的基礎(chǔ)上，開(kāi)展溶劑條件優(yōu)化，見(jiàn)表2。研究發(fā)現(xiàn)，甲苯、1,4-二氧六環(huán)、乙醇、四氫呋喃等溶劑中，反應(yīng)產(chǎn)率均有不同程度降低，因此乙腈是此反應(yīng)的最佳溶劑。

表2 溶劑優(yōu)化

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

經(jīng)反應(yīng)條件優(yōu)化和多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了由苯酚和乙酸乙烯酯制備乙酸苯酯的操作條件和步驟。

(1)合成乙酸苯酯的步驟

①室溫下，向干燥的50 mL圓底燒瓶中加入苯酚0.38g、乙腈30mL和碳酸鈉0.09g，組裝回流裝置，在加熱型磁力攪拌器中回流4h左右。

②用薄層層析色譜監(jiān)測(cè)反應(yīng)情況(并記錄原料和產(chǎn)物的Rf值，并分析是否存在副產(chǎn)物)，盡量控制苯酚完全反應(yīng)。

③反應(yīng)結(jié)束，撤掉加熱裝置，冷卻至室溫。

(2)后處理過(guò)程

①將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至干燥的100mL圓底燒瓶中，加入硅膠(100-200目)1.0～2.0g后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至干。

②用柱層析法分離產(chǎn)物：濕法裝柱，干法裝樣，柱層析硅膠用量10-15g，洗脫劑為石油醚/乙酸乙酯。用薄層層析色譜分析和判斷洗脫過(guò)程，并依次接收洗脫液。

③將產(chǎn)物溶液合并于另一個(gè)干燥的50 mL的圓底燒瓶中，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮后，真空干燥。

④干燥完全后，稱(chēng)重，計(jì)算反應(yīng)產(chǎn)率。

2.3 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)原料的用量和比例

①為了實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的半微量化，不宜大幅度提高原料的投入量。

②控制催化劑的投入量(摩爾分?jǐn)?shù))在20%～30%。

(2)操作方法

①由于乙酸乙烯酯沸點(diǎn)相對(duì)較低，故回流反應(yīng)時(shí)需通入冷凝水充分冷卻。

②在投料和反應(yīng)過(guò)程中，避免引入大量水分，否則將影響反應(yīng)產(chǎn)率。

③反應(yīng)液濃縮時(shí)，確保溶劑盡量旋出，以避免對(duì)后續(xù)柱層析分離操作造成干擾，影響分離效果。

3 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的“乙酸苯酯的制備”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目反應(yīng)條件溫和，所用試劑用量小，實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)現(xiàn)了半微量化和資源節(jié)約化。同時(shí)，將薄層層析色譜和柱層析色譜融入合成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，有助于學(xué)生基本操作技能和綜合實(shí)驗(yàn)技能的提高。

通過(guò)將“堿催化羧酸芳基酯制備”的科研成果帶入有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，重視對(duì)學(xué)生學(xué)科前沿的引導(dǎo)教育，融科學(xué)研究引導(dǎo)和專(zhuān)業(yè)思想教育于教學(xué)實(shí)踐中，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)意識(shí)，啟迪其專(zhuān)業(yè)思維。同時(shí)，提升了學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)熱情和專(zhuān)業(yè)忠誠(chéng)度，有效的提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，尤其是科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。該項(xiàng)目符合現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，可以在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中繼續(xù)推廣，以期對(duì)科研反哺教學(xué)理念下的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供一點(diǎn)借鑒意義。