乙酰水楊酸(阿司匹林)的制備及純化實驗教學研究

田德美

化學國家級實驗教學示范中心(華中師范大學)，武漢 430079

化學是一門以實驗為基礎的科學，因此實驗教學顯得尤為重要。如何突破實驗教學從“照方抓藥”到“手腦并用、主動學習、活學活用”的轉變，提高學生綜合素質和創新能力是當前實驗教學的改革重點[1]。阿司匹林即乙酰水楊酸，是一種歷史悠久的解熱鎮痛藥，近年來發現其具有治療心臟病以及抗癌功效，具有良好的開發前景[2]。阿司匹林一般通過水楊酸的酰化來制備，由于水楊酸具有羧基和酚羥基兩個官能團，酰基化試劑也有很多選擇，其合成條件對反應產物的產率、純度等有影響，是經典的有機化學教學實驗項目。有大量論文也對該實驗教學進行了改進研究[3-6]。研究主要集中在兩個方面，一是綠色環保催化劑的研究[3,4]，二是合成、純化、含量測定等綜合實驗設計[5,6]。在這些教學研究中，一般是把乙酰水楊酸的合成及含量測定實驗安排在綜合設計實驗階段，需要大量課時才能完成，因為儀器數量的限制，通過高效液相色譜法測定產品含量的實驗難以實現每個學生都能對自己合成的產物進行測試，難以達到應有的實驗教學效果。我們在教學中發現，該實驗反應時間并不長，涉及到多種有機化學實驗基本理論和操作，更適合作為基礎實驗進行教學。針對水楊酸與乙酸酐反應生成乙酰水楊酸的反應物、反應原理及雜質的特征，我們設計以問題討論引導預習、以不同實驗條件分組實驗、共享實驗數據進行實驗總結的教學方法，能夠在相對少的教學時間內進行綜合性實驗教學，提高學生主動學習、團隊合作、合理設計、分析問題和解決問題的能力。

1 實驗目的

(1) 了解阿司匹林的相關知識；

(2) 了解酚羥基酰化成酯的原理及影響因素；

(3) 掌握水楊酸的檢測原理和方法；

(4) 掌握干燥回流、抽濾、薄層層析、柱層析等實驗操作；

(5) 掌握熔點測定、紅外光譜圖、核磁共振氫譜圖的分析及正確記錄；

(6) 學習查閱文獻、合理選擇實驗方法、正確記錄及分析實驗數據。

2 實驗原理

乙酰水楊酸一般由水楊酸乙酰化得到。其主要反應式為：

在比較高的溫度下有可能發生以下副反應：

反應后粗產物中主要包括的物質有：乙酰水楊酸、水楊酸、乙酸、水楊酰水楊酸酯以及乙酰水楊酰水楊酸酯。可通過薄層層析了解產物中含雜質情況及混合物分離條件，通過柱層析分離提純產物。

3 實驗部分

3.1 試劑

水楊酸(AR)，乙酸酐(AR)，濃硫酸(AR)，石油醚(60-90 °C，CP)，乙酸乙酯(CP)，硅膠(100-200 目)，三氯化鐵溶液(1%)，乙醇(CP)，鹽酸水溶液(20%)。

3.2 儀器

圓底燒瓶，球形冷凝管，干燥管，水浴鍋，布氏漏斗，抽濾瓶，展開缸，層析柱(2.5 cm × 30 cm)，硅膠板GF254，錐形瓶，玻璃棒，滴管，恒溫加熱磁力攪拌器，循環水泵，干燥箱，旋轉蒸發儀，紫外燈，電子天平，熔點測定儀(SGWX-4A)，核磁共振儀(Varian Mercury UX400)，紅外光譜儀(Nicolet Nexus)。

3.3 實驗步驟

3.3.1 乙酰水楊酸的制備

在25 mL圓底燒瓶中依次加入水楊酸(1.38 g，10 mmol)，乙酸酐(2.5 mL，30 mmol)和濃硫酸(2滴)。搖勻，使水楊酸溶解。將圓底燒瓶置于75-80 °C (或80-85 °C、85-90 °C，選擇其中一個溫度范圍進行實驗)的熱水浴中，磁力攪拌下加熱約10 min。停止加熱，待反應混合物冷卻至室溫后，將圓底燒瓶放在冷水浴中，攪拌下緩緩加入15 mL水(注意，反應放熱，操作應小心)。靜置，使晶體完全析出，抽濾，并用少量冷水洗滌，抽干，得乙酰水楊酸粗產品。

用三氯化鐵溶液檢驗酚羥基是否存在：取少量粗產品，溶入幾滴乙醇中，并滴加1-2滴1%三氯化鐵溶液，如果發生顯色反應，說明有水楊酸存在。

3.3.2 薄層層析(TLC)法分析粗產物成份

取少量上述粗產品、乙酰水楊酸以及水楊酸分別配成乙酸乙酯溶液，待用。將三種樣品溶液點在硅膠板的同一條線上，在展開劑(V石油醚: V乙酸乙酯: V冰醋酸= 30 : 10 : 1)中展開，然后取出揮發干溶劑，在紫外燈下觀察各樣品點展開后的位置，并標記并計算各點的Rf值。

3.3.3 產品的純化及結構表征

(1) 柱層析法(A)

① 樣品準備：將上述粗產品置于50 mL圓底燒瓶中，加少量乙酸乙酯溶解，然后加入約0.5 g硅膠，旋干，得到柱層析樣品。

② 裝柱：在層析柱下端收緊處輕輕塞入一小團棉花，稱取約7 g硅膠作吸附劑，干法裝入層析柱中，用橡膠管輕敲柱身使硅膠填充緊密，在硅膠頂端加入2-3 mm厚的石英砂。然后將上述柱層析樣品通過長頸漏斗均勻平鋪在石英砂上端，并使其表面水平，再裝3-5 mm厚的石英砂在樣品的上端。(或按照教學視頻濕法裝柱)

③ 洗脫：先加入約20 mL石油醚，打開活塞并用橡皮管輕輕敲打柱身使硅膠均勻潤濕，然后加入洗脫劑(V石油醚: V乙酸乙酯: V乙酸= 50 : 10 : 1)洗脫收集所需要的色帶(用試管收集滴出液，通過TLC確定各試管中的成分)。合并同一組分溶液，旋干，稱量各組分質量，計算產物回收率并回收溶液。

(2) 碳酸氫鈉溶解-鹽酸沉淀法(B)

將粗產品轉入到100 mL燒杯中，加入飽和碳酸氫鈉水溶液，邊加邊攪拌，直到不再有二氧化碳產生為止。抽濾，除去不溶性聚合物。再將濾液倒入100 mL燒杯中，并置于冰水浴中，滴加20%鹽酸，邊加邊攪拌，調節pH至3-4，使固體完全析出。抽濾，用少量冰水洗滌濾餅2-3次。收集固體，干燥、稱重并計算回收率。

(3) 乙醇-水混合溶劑重結晶法(C)

先將粗產品溶于少量沸乙醇中，再向乙醇溶液中添加熱水直至溶液中出現混濁，再加熱至溶液澄清透明(注意：加熱不能太久，以防乙酰水楊酸分解)，靜置慢慢冷卻、過濾、干燥、稱重并計算回收率。

純化后的產品用1%三氯化鐵溶液檢驗酚羥基是否存在，并用薄層色譜判斷其成分。測定熔點并進行核磁共振氫譜、紅外光譜表征。

4 結果與討論

4.1 實驗結果

所得產品(乙酰水楊酸)為白色針狀晶體，熔點 134-136 °C。理論產量為 1.80 g，實驗產率可達85%。1H NMR (400 M, CDCl3): δ = 8.11 (dd, J1= 1.6Hz, J2= 8Hz, 1H), 7.62 (td, J1= 1.6Hz, J2= 8Hz,1H), 7.35 (t, J = 8Hz, 1H), 7.13 (d, J = 8Hz, 1H), 2.39 (s, 3H); IR (KBr) cm?1: 1740, 1719 (C＝O), 1695(O―C=O), 1603, 1426 (Ar)；MS (EI) (m/z): 181.2 [M+1]+。

4.2 實驗討論

4.2.1 合成條件

有大量文獻討論了阿司匹林的合成條件[7,8]，包括用固體環保型催化劑硫酸氫鈉、硫酸二氫鉀、維生素C等做催化劑，或用濃硫酸在不同的反應條件合成。一般最佳的實驗條件為：反應物物質的量配比為水楊酸:乙酸酐:濃硫酸= 1 : 1.5-2.5 : 0.15-4.2；反應溫度為80-90 °C；反應時間為20-40 min。預實驗發現，用濃硫酸做催化劑，在80-85 °C的條件下反應10 min時，薄層層析發現水楊酸基本反應完全。但是反應溫度較低時，反應后的產品中有水楊酸，反應溫度較高時，反應后的產品中則有高聚物。各反應溫度條件下的薄層層析分析結果見圖 1。因此，本實驗選取固定反應物配比，固定反應時間為 10 min的條件下，考查溫度對實驗結果的影響為教學重點，進而結合文獻指導學生怎樣研究反應條件對實驗結果的影響。

圖1 各溫度范圍反應粗產物薄層層析情況

4.2.2 純化方法

本實驗討論了三種純化方法：(A) 柱層析，(B) 碳酸氫鈉溶解后鹽酸酸化沉淀，(C) 乙醇-水重結晶。純化干燥后的產品稱重，計算回收率，并用1% FeCl3溶液測定水楊酸的存在情況，以及用薄層層析法檢驗產品純度。其結果見表1。從實驗結果看，柱層析分離效果最好，但缺點是時間長，溶劑需要量大，最好重復套用溶劑。在用碳酸氫鈉處理粗產物時，往往會引起產品分解，即使是產物中沒有水楊酸存在，經過此過程處理后，都有可能產生水楊酸。所以該方法純化產物并不可取。而乙醇-水重結晶的純化方法，有部分學生在沒控制好溫度時也會產生少量分解。

表1 不同純化方法的結果

5 實驗教學指導方案及教學效果

“照方抓藥”式的實驗教學存在的主要問題是：學生學習興趣不大、缺乏自主學習、分析問題的能力。

阿司匹林的合成是經典的有機基礎實驗之一。反應原料結構特殊、產物組成較為復雜，是一個很好的教學實驗項目。目前這個實驗一般是用硫酸做催化劑，在80-90 °C反應10-20 min，碳酸氫鈉溶解-鹽酸酸化沉淀來純化產品。通過測定熔點或FeCl3溶液檢測酚羥基是否存在來判斷產物的純度。主要訓練的基本操作有：控溫回流、抽濾、重結晶、熔點的測定等。學習的基本知識有：酚羥基的酯化反應、雙官能團化合物反應條件的選擇、烯醇結構的性質及定性檢測方法等。實驗時長約1 h。教學中主要通過講解來學習合成條件的選擇以及產物的精制方法和純度鑒定方法。實驗過程中學生按照老師的講解完成實驗。由于實驗訓練內容單一，難以充分調動學生的學習積極性，容易導致“照方抓藥”的結果。

鑒于此，我們對實驗內容進行了改進，增加了薄層色譜、柱色譜的操作，一方面鞏固和升華這兩項操作訓練(在已做色譜分析實驗中，主要訓練的是有色物質的分離，而本實驗中所有組分都沒有顏色，需要顯色才能看到樣點，在原有實驗基礎上難度加大)；另一方面，通過薄層色譜，能清晰地看到未反應完的原料、產物以及溫度過高時可能產生的副產物，比單純 FeCl3溶液檢測酚羥基提供更多的信息，結合實驗結果及反應條件，分析實驗結果產生的原因。并且，實驗內容還增加了產物核磁共振氫譜和紅外光譜圖的分析及歸屬，使整個實驗訓練過程比較完整，培養了學生嚴謹的科學研究態度。

5.1 實驗指導方案

在實驗預習教學過程中，應用現代網絡技術，利用翻轉課堂，上傳實驗中可能遇到的實驗微課以及實驗預習要求，學生按照自己所掌握的知識架構選擇性學習，查閱相關文獻，進行深度預習，寫出預習報告。本實驗需要的實驗微課內容有：回流操作、磁力加熱攪拌器的使用、薄層層析、柱層析、重結晶、抽濾。

預習要求：

(1) 查閱文獻，總結文獻用到的催化劑及其特點；

(2) 查閱每一種試劑及各主要產物的化學安全信息并寫在預習報告本上；

(3) 在查閱文獻的基礎上，分析實驗試劑要求、實驗裝置的設計、實驗溫度控制依據、產品純化依據；

(4) 預測水楊酸、乙酰水楊酸薄層層析展開后的相對位置；

(5) 預測產物紅外光譜特征峰，與水楊酸相比較，最主要的變化是什么；

(6) 預測產物核磁共振氫譜信號數目，裂分情況，峰的位置。

(7) 寫出預習中不懂的問題或覺得實驗講義不對的地方，并說明自己的觀點。

實驗前教師不再統一講解實驗，主要針對反應溫度選擇、純化方法進行分組介紹以及提出實驗安全衛生要求。學生選擇好實驗組別后獨立實驗，教師巡查，糾正錯誤操作，督促學生做好實驗記錄，實驗時就可能出現的問題進行提問，并適時組織小組討論。

每個教師指導16-18位學生進行實驗，分成三組，每一組選取一個溫度范圍進行合成。每一組再分成三組分別選取不同的方法進行純化。

實驗過程中可能存在的問題及教學措施：

(1) 反應溫度沒有控制好，串到其他溫度范圍。如實記錄，其結果直接加入另一組條件討論。

(2) 反應過程中反應混合物固化，組織討論。

(3) 柱層析時試管中溶液點板沒有樣點，組織討論。

(4) 薄層色譜中，展開后沒有清晰的樣點，而是一長條或在溶劑前沿有樣品帶。組織討論。

實驗后，每個學生上傳自己的實驗記錄。實驗記錄包括實驗人員、天氣情況、實驗藥品相關信息，每一步的實驗現象及相應數據，還應包括薄層層析照片及可能的實驗失誤。學生通過分析歸納大家的實驗結果，綜合分析后寫出一份實驗研究報告。實驗報告必須有自己的實驗數據，以及對本實驗的改進思考。

本實驗安排在基礎實驗后半期，在學習完所有基本實驗操作技能后，鞏固操作技能，學習應用有機化學理論知識指導實驗階段。整個實驗過程需要3 h (不包括預習和實驗報告時間)。強化了實驗預習和實驗報告的分析深度。充分調動了學生的自主學習能力和探索精神。

5.2 實驗教學成果

(1) 本實驗過程中，學生提出的低級問題明顯降低，主動思考和獨立思考訓練效果明顯；

(2) 實驗過程中錯誤率降低，大多數學生能統籌安排實驗，學生做實驗的全局觀思維提高顯著；

(3) 學生更加重視實驗記錄，研究興趣有所增加。

本實驗進一步改進和拓展方向：可以從兩方面入手，一方面從理論方面，后續可加入阿司匹林水解實驗；另一方面，可將自己制備的原料藥制成片劑，放置一個月后應用藥典方法和薄層色譜法分析藥片中藥品成分，并與市售阿司匹林腸溶片進行比較。與生活緊密聯系起來，更能提高學生的學習熱情。

6 實驗教學心得

基礎實驗教學是比較困難的一個實驗教學階段，此階段要注重“三基”教育，夯實基礎。因此，教師往往會對實驗講解面面俱到，學生依葫蘆畫瓢，保證實驗順利進行。正因如此，學生往往處于被動學習地位，對教師苦口婆心的講解并沒有吸收多少，缺乏主動性。鑒于此，在反應時間較短的實驗中，設計小綜合，允許學生具有變通性，允許學生犯錯[9]，提高學生實驗設計的參與性，更能達到實驗教學效果，提升學生的綜合素質。