乙酰苯胺制備實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐與探索

陳 靜，祝夢琴，胡 威

(四川文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，四川 達(dá)州 635000)

由于磺胺類化合物具有殺菌、抗病毒活性的良好效果，在感染性疾病的治療當(dāng)中有著不可替代的作用[1]。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾后含有對(duì)氨基苯磺酰胺母體的多種產(chǎn)物表現(xiàn)出廣泛的生物活性，顯示出巨大的藥用潛力和開發(fā)價(jià)值，因此許多研究致力于磺胺類化合物的深入開發(fā)[2]。對(duì)氨基苯磺酰胺的合成可以使用乙酰苯胺，經(jīng)過氯磺化、氨處理和水解三步得到。其中原料乙酰苯胺可由苯胺與乙酸或乙酸酐反應(yīng)制備，氨基上的氫原子被取代生成酰胺用于氨基的保護(hù)，然后在酸或堿的催化下脫去乙酰基。乙酰苯胺是用途廣泛的化工原料，主要應(yīng)用于醫(yī)藥、日用化工等諸多領(lǐng)域。結(jié)合近幾年實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，從以下三個(gè)方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐，使學(xué)生能夠深刻理解專業(yè)知識(shí)，增強(qiáng)綜合實(shí)驗(yàn)操作技能和創(chuàng)新意識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與基礎(chǔ)課程內(nèi)容緊密結(jié)合，加深對(duì)理論知識(shí)的理解

在有機(jī)化學(xué)課程[3]的學(xué)習(xí)中學(xué)生已經(jīng)了解到氨基與脂肪烴基相連組成脂肪胺，與芳香環(huán)相連組成芳香胺。氨基屬于化學(xué)性質(zhì)比較活潑的基團(tuán)，基團(tuán)中的氮有孤對(duì)電子，使其具有堿性和親核性，容易發(fā)生氧化、酰化和烴基化等反應(yīng)。當(dāng)?shù)由线B有一個(gè)或幾個(gè)烴基時(shí)，可使用興斯堡反應(yīng)來鑒別與分離伯、仲、叔胺。乙酰苯胺的制備是有機(jī)化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中保護(hù)氨基的一種簡便方法，在合成當(dāng)中通常使用酰化試劑與伯胺反應(yīng)，降低氨基的反應(yīng)活性。下一步合成中由于乙酰基的空間效應(yīng)通常選擇性的生成對(duì)位產(chǎn)物，最后可水解脫去乙酰基。乙酰苯胺是容易結(jié)晶的固體，有一定的熔點(diǎn)容易從水溶液中結(jié)晶析出。制備方法目前有分餾法、回流法、微波加熱以及射頻輻射等[4]。回流法使用冷凝管來加熱回流制備乙酰苯胺，反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響較大，而且反應(yīng)體系中生成的水不能及時(shí)除去，最終影響反應(yīng)物的產(chǎn)率[5]。目前有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中使用苯胺和乙酸為原料采取分餾法來制備乙酰苯胺[6]。該反應(yīng)屬于固體有機(jī)化合物的合成，其目的是通過實(shí)驗(yàn)操作讓學(xué)生熟練掌握苯胺乙酰化反應(yīng)原理及分餾和重結(jié)晶的操作方法。乙酸與苯胺的反應(yīng)較慢，且反應(yīng)是可逆的，所以一般使用過量的乙酸或者利用適當(dāng)?shù)姆椒皶r(shí)將反應(yīng)中生成的水從反應(yīng)體系中除去從而提高產(chǎn)率。

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2 乙酰苯胺制備實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的實(shí)踐與探索

2.1 明確實(shí)驗(yàn)步驟，熟悉各種儀器的使用及組裝方法

實(shí)驗(yàn)操作開始前先講解具體步驟：首先在燒瓶中加入苯胺、乙酸和少量鋅粉，安裝裝置，加熱。待溫度計(jì)示數(shù)穩(wěn)定后又開始下降或燒瓶中出現(xiàn)白色霧氣時(shí)停止加熱，然后將燒瓶中的溶液倒入燒杯冷卻結(jié)晶、抽濾，將得到的粗產(chǎn)品轉(zhuǎn)移至燒杯中加適量水，加熱完全溶解，稍冷后加入活性炭煮沸5～10 min，過濾、冷卻結(jié)晶，抽濾得重結(jié)晶的產(chǎn)物即乙酰苯胺。在介紹需要使用的實(shí)驗(yàn)儀器和藥品時(shí)演示各部分儀器的組裝和使用方法，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)。整個(gè)分餾裝置由圓底燒瓶、分餾柱、蒸餾頭、溫度計(jì)、溫度計(jì)套管、冷凝管、尾接管及接收瓶組成。在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中使用分餾柱有填充式分餾柱和韋氏分餾柱，填充式分餾柱內(nèi)可裝入不參與化學(xué)反應(yīng)的玻璃珠，要求填充的玻璃珠均勻分布，有一定的空隙。實(shí)驗(yàn)用的玻璃珠有幾種大小，在使用玻璃珠填充分餾柱的過程中，部分學(xué)生沒有注意選擇合適的玻璃珠，使其容易從分餾柱的底部掉出或者在加熱過程中墜入反應(yīng)燒瓶內(nèi)。因此在填充分餾柱時(shí)要求學(xué)生注意玻璃珠的大小或者在分餾柱的尾部填充少量棉花后再加入玻璃珠避免操作失誤。此外，分餾柱內(nèi)填充的玻璃珠過多或過少都會(huì)影響加熱分餾的效果。

2.2 細(xì)心觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，控制加熱分餾的時(shí)間和溫度

分餾的原理與蒸餾相似，通過分餾柱內(nèi)多次冷凝和氣化分離沸點(diǎn)相近的混合物。在實(shí)驗(yàn)過程中如果使用電熱套快速加熱升溫，接收瓶內(nèi)很快有液體餾出，由于柱內(nèi)溫度梯度較小，導(dǎo)致水和乙酸的分離效率不高，而且加熱溫度過高容易使反應(yīng)體系中的乙酸被蒸出來，導(dǎo)致反應(yīng)物的比例失調(diào)。另外高溫下苯胺自身容易被氧化使反應(yīng)不完全，因此得到制備產(chǎn)物產(chǎn)率較低。提醒學(xué)生在反應(yīng)過程中注意加熱溫度的調(diào)節(jié)，仔細(xì)觀察分餾柱內(nèi)的反應(yīng)現(xiàn)象，控制餾出液的速度。加熱分餾的時(shí)間可以通過觀察溫度計(jì)的讀數(shù)變化，當(dāng)溫度由98 ℃附近開始下降或者反應(yīng)瓶中出現(xiàn)白色霧氣時(shí)反應(yīng)結(jié)束。各個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展不一致，縮短加熱時(shí)間直接進(jìn)行下一步反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)率不理想或者沒有產(chǎn)物生成。

2.3 掌握正確的重結(jié)晶操作，訓(xùn)練良好的實(shí)驗(yàn)技能

加熱完成后抽濾得到粗產(chǎn)品需要重結(jié)晶，學(xué)生初次制備乙酰苯胺得到產(chǎn)品產(chǎn)量有多有少，重結(jié)晶當(dāng)中使用的溶劑用量也不相同，應(yīng)當(dāng)根據(jù)粗產(chǎn)品產(chǎn)量加入適量的溶劑。加熱使乙酰苯胺溶解，如果有不溶解的油珠可以添加少量水[7]。在實(shí)際操作當(dāng)中，部分學(xué)生按照教材內(nèi)容一次性加入100 mL水導(dǎo)致溶劑量過多，最后冷卻析出的結(jié)晶很少或者沒有結(jié)晶析出。出現(xiàn)這種情況后可適當(dāng)延長加熱時(shí)間，使溶劑蒸發(fā)掉一部分，其次把得到的濾液分成兩份分別冷卻結(jié)晶。加入活性炭煮沸后過濾操作中乙酰苯胺晶體容易析出在附著在濾紙上和漏斗下端，造成產(chǎn)品的損失。可以使用減壓裝置來抽濾，快速除去活性炭盡量減少產(chǎn)品的損失。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，各個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的精制產(chǎn)品產(chǎn)量在0.5～3 g左右，重結(jié)晶后產(chǎn)品產(chǎn)率降低。

3 引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行探索與改進(jìn)

為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新思維能力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、發(fā)揮自身特長，讓理論內(nèi)容和實(shí)際應(yīng)用更好地結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)乙酰苯胺的反應(yīng)條件進(jìn)行了探索和改進(jìn)。首先讓學(xué)生利用學(xué)校的資源自主查閱文獻(xiàn)，認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的出現(xiàn)問題，找出具體的改進(jìn)方向。其次根據(jù)文獻(xiàn)資料[8]整理設(shè)計(jì)合成路線的改進(jìn)方法。主要對(duì)以下三個(gè)方面進(jìn)行探討：(1)乙酸用量對(duì)乙酰苯胺產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)課程當(dāng)使用乙酸和苯胺的量分別為7.5 mL及5 mL，由于反應(yīng)是可逆，而且在加熱分餾的過程中會(huì)損失部分乙酸，因此一般使用過量乙酸來參與反應(yīng)。為了探究乙酸與苯胺用量比對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響，在不改變其他條件的情況下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。隨著冰乙酸用量的增加，乙酰苯胺的產(chǎn)率也增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在用量比為2:1時(shí)產(chǎn)品產(chǎn)率最高，再增加乙酸的用量會(huì)使合成產(chǎn)物產(chǎn)率降低。(2)催化劑對(duì)乙酰苯胺產(chǎn)率的影響。單質(zhì)碘作為催化劑具有較高的選擇性、反應(yīng)條件相對(duì)溫和，可用于親電及親核反應(yīng)，在合成當(dāng)中應(yīng)用廣泛[9-10]。在反應(yīng)中加入少量碘，其他條件保持不變的情況下觀察反應(yīng)現(xiàn)象和結(jié)果。當(dāng)加入的碘催化劑用量為1.5 g時(shí)，產(chǎn)物產(chǎn)率有明顯增加。(3)半微量實(shí)驗(yàn)制備乙酰苯胺。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是近年來迅速發(fā)展的綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)新方法，可以減少化學(xué)試劑的用量、節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，降低污染物的排放[11]。采用半微量即常量的50%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)現(xiàn)分餾和重結(jié)晶的時(shí)間縮短，由于反應(yīng)物用量少后期處理得到產(chǎn)品的損失比例較大，產(chǎn)率有所下降。因此實(shí)驗(yàn)過程中要求學(xué)生集中精力、細(xì)心操作，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提高綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

表1 乙酰苯胺實(shí)驗(yàn)條件的改進(jìn)

4 結(jié) 語

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是對(duì)理論課程內(nèi)容的驗(yàn)證，使學(xué)生通過實(shí)際操作充分理解抽象的原理，也是課堂教學(xué)的延伸。在乙酰苯胺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中注重具體實(shí)驗(yàn)操作的講解和演示、及時(shí)指導(dǎo)和糾正讓學(xué)生掌握正確的操作技能并得到滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，激發(fā)他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)和鉆研的興趣。讓學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)嘗試從不同角度的分析和歸納問題，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有助于增強(qiáng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)操作技能和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)與科研創(chuàng)新能力，達(dá)到良好的教學(xué)效果。