苯甲酸制備實驗的微型化研究

張振南，葉筱琴，孫 哲，鄭賢安

（溫州醫學院 分析測試中心，浙江 溫州 325035）

微型化學實驗（microscale chemical experiment）是近20年發展起來的一種化學實驗的新方法、新技術，在國內外基礎教育中受到普遍重視，它作為綠色化學的一項內容在21世紀將會推廣普及［1－2］。微型化學實驗是在微型化的儀器裝置中進行的化學實驗，具有試劑用量少、污染少、反應時間短、實驗獲得的信息量大等特點。其中微型合成實驗是把目標產物的產率控制在不超過后續分析測試的需要量為原則［3］，在滿足所要獲取的化學信息的要求下，大幅度地降低原料試劑的用量，具有省時、省力、安全、減少污染、節約經費等特點，同時它還可激發學生的學習興趣，培養學生的環保意識，強化學生的動手能力，有助于全面提高學生素質，是綠色化學的重要組成部分。隨著人們對環境保護重視程度的加強，采取微型化學實驗無疑將為環境保護做出很大的貢獻，它的研究與推廣已成為目前實驗教學改革的一大熱點。

高錳酸鉀氧化法制備苯甲酸［4－7］是目前高?；A有機化學實驗課教材中經常選用的實驗，但是由于高錳酸鉀是水溶性的，難與油溶性的甲苯反應，實驗過程中存在反應持續時間長、產率低等問題。針對這些問題，以苯甲酸的制備實驗為研究對象，我們采用常量實驗、微型實驗和催化劑選擇，做了一系列比較實驗。經過實驗，以十六烷基三甲基溴化銨為相轉移催化劑合成苯甲酸的微型實驗，取得較好的實驗結果。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器和藥品

儀器：圓底燒瓶（250mL，50mL），球形冷凝管，量筒，燒杯，刻度吸管，抽濾瓶，布氏漏斗，電熱套，電子天平。

藥品：甲苯，高錳酸鉀，十六烷基三甲基溴化銨（CTMAB），氧化鋁，氧化鐵，濃鹽酸，亞硫酸氫鈉（均為分析純）。

1.2 實驗過程

反應式：

實驗步驟：在圓底燒瓶中加入高錳酸鉀和水形成飽和溶液，再加入甲苯和催化劑混合、回流，直到甲苯層近乎消失，回流液不再出現油珠時，停止加熱。加少量亞硫酸氫鈉使混合物紫色褪去。將反應混合液趁熱減壓過濾，冷水浴冷卻濾液后用濃鹽酸酸化至苯甲酸全部析出為止。將析出的苯甲酸減壓過濾，冷水洗滌，擠壓水分，干燥稱重，計算產率。

1.3 實驗方法和實驗結果

為了準確考察微型、常量實驗，以及不同催化劑的反應情況，把做實驗的學生分成5個小組，每小組6人，每人獨立操作，且嚴格按以上實驗步驟完成本實驗。其中常量實驗用250mL圓底燒瓶作為反應瓶，微型實驗用50mL圓底燒瓶作為反應瓶。實驗條件及實驗結果見表1、表2。

表1 微型實驗和常量實驗比較

表2 催化劑對苯甲酸產率影響（微型實驗）

2 結果與討論

2.1 常量實驗和微型實驗對比

由表1可見，在不加催化劑的條件下，常量實驗所用原料為微型實驗藥品量的5倍，但微型實驗的產率要優于常量實驗。原因可能是常量實驗與微型實驗所用的反應瓶不同。微型實驗以50mL圓底燒瓶為反應瓶，在相同功率的電熱套中，受熱范圍較250mL反應瓶廣，能迅速達到并有效維持甲苯與高錳酸鉀反應所需溫度，使反應更完全，而常量實驗所用反應瓶較大，受熱不均勻，影響了實驗進程。另外，由于常量實驗所用藥品量為微型實驗的5倍，所需反應時間更長。在本研究相同反應時間的條件下，常量實驗較微型實驗反應不完全，甲苯可能不能夠被完全氧化，從而導致實驗產率比微型實驗低。由此可見，相同實驗條件下，微型實驗與常量實驗相比，大幅度降低了原料藥品的使用量，同時節約了反應時間，而且實驗產率較高。結果表明，微型實驗效果較好，因此在進一步研究催化劑對苯甲酸微型實驗效果的影響時，采用的實驗方法是微型實驗。

2.2 催化劑對實驗的影響

許多人對苯甲酸制備工藝進行過優化。韓雪峰等人［8］研究用氧化鋁做催化劑，使高錳酸鉀與氧化鋁形成固載氧化劑，改善高錳酸鉀活性。鄭公銘等人［9］的研究中曾用氧化鐵作為催化劑，取得了較好的實驗效果。楊挺［10］，覃超國［11］邢孔強［12］等人均進行過相轉移催化劑（PTC）的研究，PTC能夠促進反應進行，增大了苯甲酸產率，而馮喜蘭等人［13］則采用CTMAB作為PTC，進行過苯甲酸的常量實驗研究。在本研究中采用了氧化鋁、氧化鐵和CTMAB作為催化劑，進行微型對比實驗。由表2可見，幾種催化劑中CTMAB的催化效果最好，而氧化鋁，氧化鐵在微型實驗條件下并沒有起到較好的催化效果。出現此種原因，可能是少量的氧化鋁和高錳酸鉀無法很好地結合成為固載氧化劑，沒有很好地起到催化效果，而氧化鐵作為催化劑，對反應的溫度和時間要求比較高，在相同實驗條件下，催化效果不明顯。在微型實驗條件下，CTMAB使水溶液中的高錳酸鉀與甲苯能夠有效反應，發揮較好的催化作用，取得了較好的實驗效果。

3 結論

通過實驗和討論，可見苯甲酸制備實驗中，采用50mL圓底燒瓶作為反應瓶、CTMAB作為催化劑的微型實驗，與目前高?；A有機化學實驗教學中采用的苯甲酸制備常量實驗比較，具有試劑用料少、反應時間短、苯甲酸產率高等優勢，適合在實驗教學中推廣。

（References）

［1］林群.美國化學實驗教學改革：微型實驗簡介［J］.化學教育，1994（10）：46－48.

［2］周寧懷，王德琳.微型有機化學實驗［M］.北京：科學出版社，2000.

［3］周寧懷，宋學梓.微型化學實驗［M］.浙江：浙江科學技術出版社，1992.

［4］高占先.有機化學實驗 ［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.

［5］龍盛京，唐玉海，李壽芬，等.有機化學實驗教程［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［6］梁亮，余林.化學化工專業實驗［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［7］夏陽，張喜軒.有機化學實驗［M］.北京：科學出版社，2011.

［8］韓雪峰，孔潔，韓麗.KMnO4－Al2O3氧化法制備苯甲酸［J］.廊坊師范學院學報，2005，21（4）：106－107.

［9］鄭公銘，何建新，謝秋香，等.苯甲酸制備新工藝研究［J］.茂名學院學報，2004，14（3）：4－6.

［10］楊挺.相轉移催化合成苯甲酸［J］.貴州教育學院學報：自然科學，2004，15（4）：39－40.

［11］覃超國，李紅纓，郭海福.精細有機合成實驗中苯甲酸制備方法的改進［J］.肇慶學院學報，2006，27（2）：47－49.

［12］邢孔強，朱鴻.季銨鹽催化氧化制備苯甲酸的研究［J］.瓊州大學學報，2007，14（2）：26－28.

［13］馮喜蘭，祝勇.苯甲酸合成實驗教學的研究［J］.河南科技學院學報，2009，37（4）：78－81.