乙酰苯胺制備及重結晶教學實驗的研究與實踐

強根榮，王 紅，楊振平

（浙江工業大學化學化工國家級實驗教學示范中心，杭州310014）

0 引 言

在我校的基礎化學實驗Ⅱ-有機化學實驗教學中，開設有“乙酰苯胺的制備及重結晶”實驗，該實驗目的主要有3個方面：①掌握苯胺乙酰化反應的原理和實驗操作；②掌握固體有機物提純的方法-重結晶；③了解用紅外光譜鑒定有機化合物結構的方法。該實驗完全符合并很好地體現了大學有機化學實驗教學改革的理念，即把基本操作融入有機合成中，少開或不開單一的基本操作實驗，讓學生在有機合成中學會、熟練基本操作，增強學習興趣，提升教學效果。近15年來，通過對該實驗不斷摸索，不斷改進，形成了比較成熟的教學內容和教學方式。

1 拓展教學內容

在教學內容的拓展過程中，基本原則是：① 增強系統性，建設“基礎性-綜合性-研究性實驗”的系列化實驗內容；②注重實用性，建設與生產、生活緊密相關的新穎實驗內容［1-2］。

1.1 以基礎性內容為龍頭，拓展學習范圍，培育研究性學習思維

“乙酰苯胺的制備及重結晶”是一個經典的基礎性實驗，研究與改進此實驗的目的是以基礎性內容為龍頭，了解苯胺乙酰化反應的實用性，拓展學習視野，提高學生綜合能力，為此，開設了與該實驗密切相關的綜合性實驗，即以乙酰苯胺為原料合成其下游產品-磺胺類藥物的合成實驗［3-4］（見圖1）。同時，作為選修研究或拓展性實驗，以4-氨基水楊酸為原料，用合成乙酰苯胺的基本方法，先進行“氨基保護”以降低氨基對氧化降解的敏感性，來合成“胃復安”原料藥［5-6］（見圖2）。通過學習和親身實踐，學生一方面加深了對苯胺乙酰化反應原理的了解，另一方面實驗與生活、生產緊密結合，實驗的興趣大大提高。

圖1 磺胺類藥物的合成

圖2 胃復安的合成路線

雖然人們已經研究了乙酰苯胺的各種合成方法［7-10］，有些已非常成熟了，但對初學有機合成的大二學生來說，反應條件的控制往往是不知所措的，因此，為了培育學生的研究性學習思維，引導學生加深對學習的理解，在教學中將學生分成若干組，每組采用不同的反應條件（見表1）來模擬研究合成乙酰苯胺，最后各組分別得出最佳條件，總結交流，在基礎教學中營造研究性學習氛圍，創造研究性學習條件。

表1 研究性學習分組研究內容

1.2 以學科性實驗為基礎，拓展工程內容，推動“理工”一體化教學

我校化學化工國家級實驗教學示范中心建設的特色是：強化多元融合，學科基礎與專業訓練緊密銜接，以某一“產品（或任務）”為紐帶，組建化學化工一體化實驗項目組群。在學科基礎實驗階段，著重探究科學規律（例如，物質的制備方法、物質物理化學性質的測定方法、化學反應的機理，等），在專業基礎實驗階段，著重各單元操作的工程技術基礎（例如，不同分離方法的對比和因素的影響等），在專業實驗和工程實訓階段，著重單元操作的組合運用。以此，推動“理工”一體化教學。

以“結晶技術”單元操作為例（見圖3），在本實驗和“二苯基乙二酮制備”兩個學科基礎（基礎化學）實驗階段，以合成乙酰苯胺和二苯基乙二酮兩個產品為任務，用重結晶的方法來提純產品。在實驗過程中，要求學生針對不同產品會選擇不同的溶劑和實驗裝置，掌握重結晶的操作方法，理清得到純度高、外觀好的產品必須注意的影響因素。在專業基礎實驗階段，以工業產品草甘膦為任務，進行結晶工藝研究。要求學生厘清冷卻結晶過程的操作參數（如結晶溫度、攪拌速度、是否加入晶種、雜質含量等）對晶體產品的粒度、粒度分布和母液濃度的影響。在掌握這些基本知識、基本技能學習的基礎上，進入化工專業實驗階段學習。實驗原料為教師科研項目生物質裂解油的固體殘留物，加水溶解形成廢堿液后，采用真空蒸發濃縮后低溫冷卻結晶方式回收主要成分氫氧化鈉，并畫出在實驗室基礎上改進的帶控制點的工業化氫氧化鈉回收工藝流程圖，討論實驗過程在能耗、安全、經濟性、操作方面存在的問題。通過“學科基礎實驗-專業基礎實驗-化工專業實驗”的連貫式實驗內容的教學，逐步樹立起工程觀、經濟觀和社會價值觀。

圖3 化學化工實驗一體化教學（結晶技術）實施示例圖

2 改進教學方式

在基礎實驗的教學方法方面，傳統的知識、技能傳授比重過大，教學中又偏重對實驗原理的理解，學生追求的是實驗產量的高低，考核中存在著僅以實驗報告來衡量實驗掌握程度的現象，而忽視了實驗的經濟性和實驗方法的實用性，對實驗的整體性要求和社會價值考慮較少。

2.1 承上啟下，聯系實際了解實驗裝置設計的合理性和特殊性

實驗裝置的設計是實驗能力的重要體現，其合理與否關系著實驗的成敗。乙酰苯胺制備的反應裝置是一個簡化了的分餾裝置，與常規的分餾裝置相比，主要是采用錐形瓶作反應瓶，并省略了直形冷凝管。一般在有機反應實驗中，都是采用圓底燒瓶作反應瓶的，而該實驗為便于反應結束后將反應混合物倒出，采用了錐形瓶。聯系到生產實際，也有設備選型的問題。另外，該實驗蒸出來的水比較容易冷凝，即使有少量未冷凝的水蒸氣逸出，對環境和實驗產量不會造成影響，故省去了冷凝管，聯系到工業生產，就省去了一個設備（冷凝器），生產成本降低了。

作為“乙酰苯胺制備”的準備實驗，我校開設有“分餾”實驗，以便讓學生熟練掌握分餾裝置和操作。在分餾實驗中，提出“分餾的效果與哪些因素有關”這個思考題。由于學生初學有機合成實驗，對其中的柱子填充物、回流比、柱子絕熱性等這些影響因素模棱兩可。為此用科研中用到的精密精餾接頭（見圖4）、各種分餾柱（見圖5）實物來介紹這些知識點，直觀明了，對本實驗操作起到了直接的指導作用。

圖4 精密精餾頭

圖5 各種分餾柱

在實驗過程中，由于加熱溫度沒有控制好或者室溫太低，出現柱頂溫度波動的現象，學生錯誤地認為到了反應終點，從而過早地結束反應。故讓學生用保溫棉將分餾柱包裹，提高柱子的保溫性能，使柱頂溫度趨于穩定。這些實物、實際的體驗，促使學生加深了對知識點的理解，親身感悟了其中的真諦［11］。

2.2 突出重點，歸納總結重結晶操作的知識點和操作要訣

乙酸苯胺重結晶常用的溶劑有甲苯、乙醇與水的混合溶劑、水等。本實驗要求用水作溶劑進行重結晶，要求是通過重結晶后，產品純度要高、外觀要好。根據以往經驗知道，乙酰苯胺在水中的含量為5.2%時，重結晶效果好，乙酰苯胺重結晶產率最大。在體系中的含量稍低于5.2%，加熱到83.2℃時不會出現油相，水相又接近飽和溶液，繼續加熱到100℃，進行熱過濾除去不溶性雜質和脫色用的活性炭。濾液冷卻，乙酰苯胺晶體析出。過濾得到高純度的乙酰苯胺晶體，可溶性雜質留在母液中。

學生在操作中必須了解這些知識，注重重結晶的各個環節和操作要訣（見表2），了解各種影響因素［12-15］。學生在操作中經常會問加的溶劑量和最后冷卻結晶的溫度夠不夠。故把乙酰苯胺在各個溫度下的溶解度告訴學生，讓學生自己去思考。實際上這就非常明了地告訴學生，操作條件是可以改變的，根據需要而定。要得到多少產品，需要怎樣來控制溶劑量和冷卻溫度。

3 結 語

基礎實驗教學的改革不求理論有多精深、操作有多困難，但必須能觸類旁通、舉一反三，從一個實驗能學到更多的知識，掌握更多的技能，創造更多的想法，從而提高實驗的效率和效果。我們歷來的觀點和做法是要讓學生厘清這一步為什么要這樣做、不這樣做行不行，還有沒有別的方法。比如在本實驗中，經常會問學生：①常用的乙酰化試劑有哪些？各有什么優缺點？②為什么反應原料中采用乙酸過量而不是苯胺過量？③反應結束后，反應瓶冷卻即會有產品析出，為什么要將反應混合物倒入水中？④實驗中產生的氫氧化鋅如何處理或利用？等諸如問題。通過這些問題的思考，極大地發揮了學生的主觀能動性，為后續實驗的進行打下了很好的基礎。10多年來的實踐證明，對該實驗教學的研究和改革是成功的，得到了學生的肯定，被譽為“金課”。今后，將進一步著力探索和完善本實驗，從而能在更高層次、更寬領域促進學生知識、能力、素質的協調發展，培養新時代的新型人才。

表2 重結晶操作相關知識和技能