介紹一個有機化學實驗
——微波輔助合成和水解乙酰水楊酸

楊小鋼

(武漢大學化學與分子科學學院 湖北武漢430072)

化學實驗

介紹一個有機化學實驗
——微波輔助合成和水解乙酰水楊酸

楊小鋼

(武漢大學化學與分子科學學院 湖北武漢430072)

設計了微波輔助合成和水解乙酰水楊酸的新型大學有機化學實驗。該方法具有反應時間短、試劑用量少和產率高等特點。將乙酰水楊酸回收進行微波輔助水解實驗，得原料水楊酸，減少了物耗和廢棄物的污染。

乙酰水楊酸(Aspirin)是人們熟悉的解熱鎮痛、抗風濕類藥物，可由水楊酸和乙酸酐合成得到。由于乙酰水楊酸的合成涉及水楊酸酚羥基的乙酰化和產品重結晶等操作，該合成被作為基本反應和操作練習而編入大學有機實驗教材中。現行教材中采用酸催化合成法，存在反應速度慢、乙酸酐用量大和副產物多等缺點［1］。微波輻射(microwave irradiation)用于促進有機反應始于1986年［2］，目前已發展成一項新興的化學合成技術［3-4］。本文參考有關文獻［2-7］，將微波輔助技術和綠色化學思想用于合成和水解乙酰水楊酸，設計了新型大學有機化學實驗。和傳統方法相比，新型實驗具有反應時間短、產率高和物耗低及污染少等特點，實現了新興技術的運用和大學化學實驗綠色化實驗教學改革目標。

1 實驗原理

微波是指波長為1mm～1m、頻率為300MHz～300GHz的電磁波，工業和民用的頻率一般是2.45GHz。微波能量對材料有很強的穿透力，能對被照射物質產生深層加熱作用。對于微波加熱促進有機反應的原理，目前較為普遍的看法是極性有機分子吸收微波輻射能量后會產生每秒幾十億次的偶極振動，產生熱效應，使分子間的相互碰撞及能量交換次數增加，因而使有機反應速度加快。另外，電磁場對反應分子間行為的直接作用而引起的所謂“非熱效應”，也是微波促進有機反應的重要原因。與傳統加熱法相比，其反應速度可加快幾倍至上千倍。

2 實驗方法

2.1 原料和儀器

水楊酸和乙酸酐為分析純試劑;其余試劑均為化學純。WP 750格蘭仕微波爐，QW-1001電子秤，計時秒表。

2.2 反應式及回收利用流程圖

反應及回收利用流程圖如下所示:

2.3 微波輔助堿催化合成乙酰水楊酸實驗

在100mL圓底燒瓶中加入2.0g(0.014mol)水楊酸和0.1g碳酸鈉，再用移液管加入2.8mL(3.0g，0.029mol)乙酸酐，振蕩，放入微波爐中，在微波輻射輸出功率495W(“中火”檔)下，微波輻射40s(反應溫度80～90℃)。稍冷，加入20mL pH 3～4的鹽酸水溶液，置于冰水浴中令其充分結晶。減壓過濾(濾液回收)，用少量冷水洗滌結晶2～3次，抽干，得乙酰水楊酸粗產品。粗產品用乙醇/水混合溶劑(1體積95%的乙醇+2體積的水)約16mL重結晶，干燥，得白色晶狀乙酰水楊酸2.4g(合成收率92%)，熔點133～135℃。產品結構可用2%FeCl3水溶液檢驗或紅外光譜儀測試。

2.4 微波輔助水解乙酰水楊酸實驗

在100mL錐形瓶中加入2.0g(0.01mol)乙酰水楊酸和40mL 2.0mol/L NaOH水溶液，在微波輻射輸出功率495W(“中火”檔)下，微波輻射40s(反應溫度95～100℃)。冷卻后，滴加6mol/L鹽酸水溶液至pH 2～3，置于冰水浴中令其充分析晶，減壓過濾，將水楊酸轉移到100mL燒杯中，用蒸餾水加活性炭重結晶，干燥，得白色針狀水楊酸約1.1g(回收率80%)，熔點:153～156℃。

3 結果與討論

3.1 實驗設計思想

實驗設計基于如下幾點考慮:一是乙酰水楊酸是廣泛應用于臨床治療和預防心血管疾病的藥物，近年來還不斷發現它的新用途，練習它的合成和水解能引起學生的學習興趣，而且該反應和實驗操作具有典型性，環境污染也比較小;二是微波輔助技術是新興的合成技術，可以提高反應速度幾百到上千倍［2-4］。作者認為，該項技術應在大學化學實驗中有具體的運用，以此讓學生親身感受新技術和新思路的運用帶來的明顯進步;三是注重回收利用和減少環境污染可以培養學生的綠色化學意識。

3.2 微波輔助堿催化合成法的優點

作者通過正交實驗，確定了微波輔助堿催化合成乙酰水楊酸的較優條件，以較優條件合成與傳統酸催化法［1］進行比較，結果見表1。

表1 微波輔助堿催化法與傳統酸催化法的比較

從表1可知，微波輔助堿催化法具有明顯的優點:反應時間縮短、酸酐用量減少和合成收率提高。獲得較好結果的原因是采用了較好的合成途徑和微波輔助技術，堿催化方法可避免副產物(主要是聚水楊酸)的生成，微波輔助技術則大大提高了反應速率。若增大微波輻射功率，反應時間更短，但從安全角度考慮，選擇中等功率的微波輻射進行實驗。

3.3 微波輔助水解法的優點

根據乙酰水楊酸水解反應參數［7］計算可知，在過量堿存在下，乙酰水楊酸完全水解在35℃時需要1h，在100℃時大約需10min。現在采用微波輔助水解，可很好地發揮微波輻射加熱速度快和加熱均勻的特長。實驗結果表明，在輸出功率495W下，微波輻射僅40s，水解回收率近100%;用蒸餾水加活性碳重結晶純化，得水楊酸針狀晶體(回收率約80%)。它與水楊酸的乙酰化構成了一個原料使用循環，避免了試劑浪費和環境污染。

3.4 實驗注意事項

(1)乙酸酐應是新開瓶的。如果打開使用過且放置較長時間，使用時應重新蒸餾，收集139～140℃的餾分。

(2)不同品牌的家用微波爐所用的微波條件略有不同，微波條件的選定以使反應溫度達80～90℃為原則。使用的微波功率一般選擇450～500W之間，微波幅照時間為20～40s。此外，微波爐不能長時間空載或近似空載操作，否則可能損壞磁控管。

(3)乙酰水楊酸易受熱分解，因此熔點不是很明顯，它的分解溫度為128～135℃，熔點的文獻值為136℃。測定熔點時，應先將熱載體加熱至120℃左右，然后再放入樣品進行測定。

3.5 殘液的回收利用

乙酰水楊酸合成的殘液主要含醋酸(約12%)，每組體積20mL，可用于萃取操作實驗(配制10%的醋酸水溶液)。乙酰水楊酸重結晶的殘液(含乙醇)用于分餾操作實驗。

4 結論

和傳統方法相比，新型實驗具有反應時間短、產率高和物耗低及污染少等特點，實現了新技術的運用和大學化學綠色化實驗教學改革目標，可作為新型有機實驗編入大學實驗教材中。

［1］ 王俊儒，馬柏林，李炳奇，等.有機化學實驗.北京:高等教育出版社，2007

［2］ Gedye R N，Smith F，Westaway K，et al.Tetra Lett，1986，27(3):279

［3］ 金欽漢，戴樹珊，黃卡瑪.微波化學.北京:科學出版社，1999

［4］ Kappe CO.Angew Chem Int Ed，2004，43:6250

［5］ 張國升，張懋森.化學試劑，1986，8:245

［6］ 常慧，楊建男.化學試劑，2000，22:313

［7］ 曾憲誠，劉清華，鄧郁.化學研究與應用，1993，5:50