苯甲酸、對(duì)氨基苯甲酸乙酯、乙酰苯胺三組分分離實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

鄒應(yīng)萍，邱玉，陽(yáng)華，蔣佩希，陳國(guó)輝，袁俊，胡云賓，蔣歷輝，羅一鳴

中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083

為有助于學(xué)生更好地掌握有機(jī)混合物分離提純的方法和原理，熟悉含酸性、堿性、中性有機(jī)混合物的分離提純操作步驟，中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院有機(jī)課程組開(kāi)設(shè)了將苯甲酸、對(duì)甲苯胺、乙酰苯胺三種物質(zhì)從其乙酸乙酯溶液中分離出來(lái)的實(shí)驗(yàn)[1-4]。習(xí)近平總書(shū)記指出，“我們既要綠水青山，也要金山銀山。寧要綠水青山，不要金山銀山，而且綠水青山就是金山銀山?！碑?dāng)前，綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)提出了更高的要求，而對(duì)甲苯胺(4-甲基苯胺)毒性較大，其侵入途徑包括吸入、食入，還可以通過(guò)皮膚吸收導(dǎo)致急性中毒，中毒者臉部灼熱、劇烈頭痛、頭暈、呼吸困難，呈現(xiàn)紫紺癥，伴隨出現(xiàn)血尿、尿閉、精神障礙、肌肉抽搐[5-9]。經(jīng)常使用對(duì)甲苯胺給做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)授課教師、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室配制溶液的教師身體都造成了相當(dāng)大的危害，因此使用綠色環(huán)保的對(duì)氨基苯甲酸乙酯對(duì)環(huán)境、學(xué)生、教師都具有極為重要的意義。

對(duì)甲苯胺熔點(diǎn)為44 °C，當(dāng)在夏天氣候炎熱時(shí)開(kāi)設(shè)苯甲酸、對(duì)甲苯胺、乙酰苯胺三組分分離實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)甲苯胺必須在冰水浴中冷卻才能析出，而每次實(shí)驗(yàn)課同時(shí)至少開(kāi)3個(gè)班，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室冰箱制冰供不應(yīng)求，給同學(xué)、實(shí)驗(yàn)室教師帶來(lái)很大的困擾。對(duì)氨基苯甲酸乙酯(俗名：苯佐卡因，4-氨基苯甲酸乙酯)熔點(diǎn)89-90 °C，可以避免夏天因?yàn)閷?duì)甲苯胺熔點(diǎn)太低而導(dǎo)致析出困難這個(gè)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)教師也不需要再提供冰，不但節(jié)約很多電力，也減輕了實(shí)驗(yàn)室教師的工作量。另一方面，中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院有機(jī)課程組的實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排中，制備實(shí)驗(yàn)有乙酰苯胺、對(duì)氨基苯甲酸乙酯的制備等，因此用對(duì)氨基苯甲酸乙酯替代對(duì)甲苯胺，學(xué)生在進(jìn)行三組分分離實(shí)驗(yàn)時(shí)，能立即回想起這個(gè)堿性、中性組分是自己合成的對(duì)氨基苯甲酸乙酯和乙酰苯胺，有利于學(xué)生把有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)前后串聯(lián)，加深印象，加強(qiáng)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的連貫性和系統(tǒng)性，起到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。

本文探討了使用對(duì)氨基苯甲酸乙酯替代對(duì)甲苯胺進(jìn)行三組分實(shí)驗(yàn)，在保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果前提下，將三組分濃度從前期25 mL乙酸乙酯中含三種物質(zhì)各1.0 g調(diào)整為各0.8 g，精減試劑用量，凸顯綠色環(huán)保。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室反復(fù)多次做了先加酸或先加堿的兩種分離方案，制定了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了分別先加酸或先加堿的實(shí)驗(yàn)流程，然后在中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)B的教學(xué)中進(jìn)行了初步推廣，取得了很好的教學(xué)效果，國(guó)內(nèi)兄弟院校可以參照開(kāi)設(shè)此實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

1.1 原料和試劑

對(duì)氨基苯甲酸乙酯(上海麥克林生化科技有限公司，分析純)、無(wú)水硫酸鎂(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純)，乙酰苯胺、氫氧化鈉(沈陽(yáng)新興試劑廠，優(yōu)級(jí)純)，苯甲酸、濃鹽酸(沈陽(yáng)市新西試劑廠，分析純)，乙酸乙酯(湖南大興化學(xué)試劑有限公司，分析純)，氘代氯仿(安耐吉化學(xué)試劑公司，優(yōu)級(jí)純)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

瑞士梅特勒托利多XS204天平，德國(guó)Heidolph MR Hei-Tec型加熱磁力攪拌器，德國(guó)Bruker AVANCE NEO核磁共振儀(400 M)，南京實(shí)驗(yàn)儀器廠DGF30型電熱鼓風(fēng)干燥箱。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將苯甲酸、對(duì)氨基苯甲酸乙酯、乙酰苯胺三種物質(zhì)從乙酸乙酯溶液中分離出來(lái)。濃度：25 mL乙酸乙酯中含以上三種物質(zhì)各0.8 g，三個(gè)組分物理常數(shù)列在表1。

表1 三組分試劑物理常數(shù)

2.1 酸分離操作內(nèi)容

(1) 取25 mL樣品混合溶液于燒杯中，分批加入10% HCl (～5 mL)，調(diào)節(jié)pH約為1-2，室溫下高速攪拌5 min后轉(zhuǎn)入分液漏斗，放氣，充分振搖，靜置分層，分液，下口放出水層。有機(jī)層再用10 mL水萃取，合并水層。水層中加入10% NaOH水溶液，攪拌，調(diào)節(jié)pH約為13-14，自來(lái)水充分冷卻后，有白色晶體析出，冷抽濾得對(duì)氨基苯甲酸乙酯。于70 °C烘箱烘干，稱重，計(jì)算回收率。

(2) 將有機(jī)層從上口倒入燒杯中，分批加入10% NaOH (～5 mL)，調(diào)節(jié)pH約為12，轉(zhuǎn)入分液漏斗，放氣，充分振搖，靜置分層，分液。有機(jī)層再用10 mL水萃取，合并水層(留待下一步操作)。有機(jī)層用無(wú)水硫酸鎂干燥，水浴蒸餾(干燥的燒瓶，加沸石后恒重)，除去有機(jī)溶劑(回收)后得乙酰苯胺。以水為溶劑重結(jié)晶，計(jì)算回收率。

(3) 向步驟2的水液中加入10% HCl，有白色晶體析出，充分?jǐn)嚢?，調(diào)節(jié)pH約為2-3。充分冷卻后，冷抽濾得苯甲酸。于70 °C烘箱烘干，稱重，計(jì)算回收率。先加酸實(shí)驗(yàn)操作流程如圖1所示。

圖1 先加酸實(shí)驗(yàn)操作流程圖

2.2 堿分離操作內(nèi)容

(1) 取25 mL樣品混合溶液于燒杯中，分批加入10% NaOH (～5 mL)水溶液，調(diào)節(jié)pH約為12-13，轉(zhuǎn)入分液漏斗，放氣，充分振搖，靜置分層，分液。有機(jī)層再用10 mL水萃取，合并水層。水層中加入10% HCl，攪拌，調(diào)節(jié)pH約為2-3，冷卻后，抽濾得苯甲酸。70 °C烘干，稱重，計(jì)算回收率。

(2) 將有機(jī)層從上口倒入到燒杯中，分批加入10% HCl (～5 mL)，攪拌，調(diào)節(jié)pH約為1-2，室溫下高速攪拌5 min轉(zhuǎn)入分液漏斗，放氣，充分振搖，靜置分層，分液。有機(jī)層再用10 mL水萃取，合并水層(留待下一步操作)。有機(jī)層用無(wú)水硫酸鎂干燥，水浴蒸餾(干燥的燒瓶，加沸石后恒重)，除去有機(jī)溶劑(回收)后得乙酰苯胺。以水為溶劑重結(jié)晶，計(jì)算回收率。

(3) 向上述水相中加入10% NaOH，充分?jǐn)嚢?，調(diào)節(jié)pH約為13-14，自來(lái)水充分冷卻后，有白色晶體析出，冷抽濾得對(duì)氨基苯甲酸乙酯。于70 °C烘箱烘干，稱重，計(jì)算回收率。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程圖

圖2 先加堿實(shí)驗(yàn)操作流程圖

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將預(yù)備實(shí)驗(yàn)推廣至中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化工2001班進(jìn)行嘗試，實(shí)驗(yàn)臺(tái)編號(hào)為奇數(shù)號(hào)同學(xué)選用酸分離方案，實(shí)驗(yàn)臺(tái)編號(hào)為偶數(shù)號(hào)同學(xué)選用堿分離方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得三組分回收率列在表2。

表2 化工2001班三組分分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 pH計(jì)算

苯甲酸pKa= 4.1，用10%鹽酸調(diào)控溶液pH ≈ 2.0時(shí)，苯甲酸沉淀完畢，具體計(jì)算過(guò)程可參考文獻(xiàn)[4]。根據(jù)文獻(xiàn)檢索，對(duì)氨基苯甲酸乙酯鹽酸鹽的pKa= 2.5，基于共軛酸堿理論，推出苯佐卡因的pKb= 11.5，本文根據(jù)其pKb計(jì)算了對(duì)氨基苯甲酸乙酯最佳沉淀溶液pH：

若[p-EtOOCPhNH3+]/[p-EtOOCPhNH2] = 0.01沉淀完全，則pH ≥ pKb+ 2，而對(duì)氨基苯甲酸乙酯的pKb= 11.5，所以pH ≈ 13.5時(shí)，對(duì)氨基苯甲酸乙酯沉淀完畢。

由于對(duì)氨基苯甲酸乙酯含有酯基，理論上說(shuō)，強(qiáng)堿存在下酯基很容易被水解，因此首先擬使用飽和碳酸鈉溶液沉淀對(duì)氨基苯甲酸乙酯，然而飽和碳酸鈉溶液pH約12.5，達(dá)不到13.5，最終選用10%氫氧化鈉溶液。預(yù)實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)比了使用飽和碳酸鈉和10%氫氧化鈉溶液對(duì)氨基苯甲酸乙酯的沉淀效果。結(jié)果表明，使用飽和碳酸鈉，溶液pH不能調(diào)控至13，導(dǎo)致對(duì)氨基苯甲酸乙酯回收率在30%左右；而用10%氫氧化鈉，回收率可達(dá)70%。為了判斷對(duì)氨基苯甲酸乙酯在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是否水解，分別取回收得到的樣品進(jìn)行了薄層色譜實(shí)驗(yàn)(TLC)，色譜板顯色表明，回收得到的對(duì)氨基苯甲酸乙酯很純，沒(méi)有水解。

3.2 對(duì)氨基苯甲酸乙酯鹽酸鹽最佳反應(yīng)時(shí)間

前期預(yù)備實(shí)驗(yàn)中，先加酸或先加堿的兩個(gè)分離方案，對(duì)氨基苯甲酸乙酯回收率基本在30%-40%區(qū)間。為了提高回收率，在加10%鹽酸調(diào)pH時(shí)，我們有意識(shí)地略微多加鹽酸溶液，盡可能將其轉(zhuǎn)化為鹽酸鹽再萃取，然而收效甚微，回收率并沒(méi)有顯著提高。仔細(xì)思考分離方案，考慮到對(duì)甲苯胺的pKb= 8.9，對(duì)氨基苯甲酸乙酯的pKb= 11.5，表明對(duì)氨基苯甲酸乙酯的堿性比對(duì)甲苯胺弱了很多，這與電子效應(yīng)一致，因?yàn)轷セ俏娮踊?，降低了苯胺的堿性，而甲基是給電子基，增強(qiáng)了苯胺的堿性。因此用小燒杯加鹽酸調(diào)控溶液pH時(shí)，不能在溶液pH為2.0時(shí)(直觀顯示pH試紙變紅)就立即進(jìn)行分液，具體操作細(xì)節(jié)應(yīng)為：加入大約5.0 mL 10%鹽酸調(diào)控pH，并加入5.0 mL水后(加水的目的是盡可能調(diào)控萃取比為1 : 1)。再往小燒杯中加入攪拌子，在加熱磁力攪拌器上室溫高速攪拌5 min，對(duì)氨基苯甲酸乙酯與鹽酸充分反應(yīng)形成鹽后才可轉(zhuǎn)入分液漏斗進(jìn)行分液，再用10.0 mL水進(jìn)行二次萃取，合并水層。

值得說(shuō)明的是，苯甲酸酸性較強(qiáng)，pKa= 4.1，酸性比醋酸、碳酸都要強(qiáng)，與氫氧化鈉反應(yīng)快，因在加酸或加堿兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中，只有將對(duì)氨基苯甲酸乙酯轉(zhuǎn)換成鹽時(shí)，需要攪拌5 min。另外，著重強(qiáng)調(diào)的是，調(diào)溶液pH在小燒杯中完成，分液和萃取在分液漏斗中完成，每次的水層、有機(jī)層不可混淆，也不可丟棄。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論

分析表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大部分同學(xué)都分離得到三個(gè)組分，對(duì)氨基苯甲酸乙酯回收率基本在40%-70%之間，但先加酸和先加堿的情況下各有一位同學(xué)對(duì)氨基苯甲酸乙酯回收率為96.5%和90.5%，應(yīng)該是組分沒(méi)有充分烘干的原因，這種異常數(shù)據(jù)沒(méi)有在表格中列出。與對(duì)甲苯胺作為堿組分相比，對(duì)氨基苯甲酸乙酯的回收率基本都有所提高，特別是因?yàn)槠淙埸c(diǎn)較高，學(xué)生不需要再使用冰浴冷卻即可看到對(duì)氨基苯甲酸乙酯析出。而之前因?yàn)閷?duì)甲苯胺熔點(diǎn)低，每當(dāng)上半年開(kāi)設(shè)這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，天氣炎熱，氣溫較高，每次都是好幾個(gè)班的同學(xué)同時(shí)做實(shí)驗(yàn)，冰塊都要節(jié)省使用，有的同學(xué)冰塊都融化了，也沒(méi)能得到對(duì)甲苯胺，只能再去找點(diǎn)冰塊直接投入到溶液中促使固體析出，或者從已經(jīng)析出的同學(xué)借一點(diǎn)投入引發(fā)結(jié)晶。

苯甲酸的回收率基本在50%-80%之間，每次這個(gè)組分是最容易得到的，兩種實(shí)驗(yàn)方案都能得到很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這主要是因?yàn)楸郊姿崴嵝暂^強(qiáng)，與強(qiáng)堿性的氫氧化鈉反應(yīng)快速，所以能在第一步就大部分轉(zhuǎn)換為苯甲酸鈉鹽，從而在加鹽酸時(shí)很容易析出。對(duì)于中性組分乙酰苯胺，由于水浴蒸餾不能徹底蒸除乙酸乙酯，很多情況下只能得到黃色溶液，或者是黃色固體，因此本實(shí)驗(yàn)中仍然采取重結(jié)晶實(shí)驗(yàn)方案。當(dāng)水浴加熱蒸至沒(méi)有乙酸乙酯滴出后(必須盡可能蒸除乙酸乙酯，否則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)乙酰苯胺溶于乙酸乙酯無(wú)法析出)，直接將熱水浴的熱水加入30.0 mL到圓底燒瓶中進(jìn)行重結(jié)晶，為了節(jié)約時(shí)間，不再加活性炭脫色，而是加完熱水直接煮沸，再冷卻析出乙酰苯胺，部分同學(xué)得到淡黃色固體，部分同學(xué)得到黃色固體。也有個(gè)別同學(xué)加完熱水煮沸后，沒(méi)有固體析出，這應(yīng)該是未蒸除的乙酸乙酯太多，導(dǎo)致乙酰苯胺溶解于有機(jī)溶劑而無(wú)法析出。

3.4 苯佐卡因1H NMR表征

鑒于核磁1H NMR表征已經(jīng)在國(guó)內(nèi)很多院校得以普及，采用核磁共振儀(400 M)對(duì)三個(gè)組分進(jìn)行了1H NMR表征，苯甲酸、乙酰苯胺的1H NMR參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。對(duì)氨基苯甲酸乙酯譜圖數(shù)據(jù)解析如下：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.86 (d, J = 8.7 Hz, 2H), 6.64 (d, J = 8.7 Hz, 2H), 4.32 (q, J = 7.1 Hz,2H), 4.05 (s, 2H), 1.36 (t, J = 7.1 Hz, 3H)。在δ 7.86和6.64處，是苯環(huán)上的兩組質(zhì)子信號(hào)峰，在4.32處的四重峰是乙基上亞甲基的信號(hào)峰，4.06應(yīng)為NH2的寬吸收峰。圖3為對(duì)氨基苯甲酸乙酯的1H NMR譜圖。

圖3 對(duì)氨基苯甲酸乙酯1H NMR譜圖

4 結(jié)語(yǔ)

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是有機(jī)化學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，然而大多數(shù)有機(jī)實(shí)驗(yàn)會(huì)造成污染，實(shí)現(xiàn)有機(jī)實(shí)驗(yàn)的綠色化是現(xiàn)實(shí)社會(huì)的需要，也是現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，在人類對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視的今天，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的“綠色化”在人才培養(yǎng)過(guò)程中具有尤為重要的意義，找到綠色環(huán)保、廉價(jià)、常溫下為固體的有機(jī)胺替代對(duì)甲苯胺一直以來(lái)是筆者在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中思考的課題。為了優(yōu)化三組分分離實(shí)驗(yàn)，筆者嘗試過(guò)三聚氰胺、對(duì)硝基苯胺替代對(duì)甲苯胺，包括用己內(nèi)酰胺、環(huán)己酮、環(huán)己酸構(gòu)建一個(gè)新的三組分分離實(shí)驗(yàn)，但在前期預(yù)備實(shí)驗(yàn)中，均沒(méi)有取得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本文經(jīng)過(guò)前期反復(fù)多次的預(yù)備實(shí)驗(yàn)，用對(duì)氨基苯甲酸乙酯替代對(duì)甲苯胺進(jìn)行三組分分離實(shí)驗(yàn)，所用試劑量為參考文獻(xiàn)的80%[4]，所用輔助試劑相同，基本上學(xué)生都能得到三個(gè)組分。從操作上而言，因?yàn)閷?duì)氨基苯甲酸乙酯堿性弱于對(duì)甲苯胺，所以兩個(gè)分離方案中，當(dāng)加酸將其轉(zhuǎn)換成鹽酸鹽時(shí)，必須在調(diào)控溶液pH后，繼續(xù)高速攪拌5.0 min再進(jìn)行分液操作。兩種分離方案實(shí)驗(yàn)時(shí)間基本是一致的，由于對(duì)氨基苯甲酸乙酯熔點(diǎn)高于對(duì)甲苯胺，較易析出，對(duì)比文獻(xiàn)[4]的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生更能迅速地完成實(shí)驗(yàn)。本文可為國(guó)內(nèi)兄弟院校開(kāi)設(shè)有機(jī)混合物分離純化提供實(shí)踐參考。