“苯乙酮的制備”實驗替代
——推薦一個合成化學(xué)實驗

劉軍，周仕東

東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，長春 130024

“苯乙酮的制備”實驗是化學(xué)專業(yè)合成化學(xué)實驗中一個經(jīng)典的基礎(chǔ)實驗[1]，其教學(xué)目的是使學(xué)生學(xué)習(xí)利用Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)[2]制備芳香酮的原理和方法。實驗用苯作為反應(yīng)物，乙酸酐作為酰化試劑，三氯化鋁作為路易斯酸催化劑，在芳環(huán)上發(fā)生親電取代反應(yīng)生成苯乙酮。原料苯既作為反應(yīng)物又作為反應(yīng)的溶劑，反應(yīng)結(jié)束后需要在水浴上蒸餾回收過量的苯。苯的揮發(fā)性大，具有神經(jīng)毒性，可致癌，吸入苯會對人體造成危害[3]。目前，綠色、安全是化學(xué)發(fā)展的主要方向[4]。因此，在保留由Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)制備芳香酮實驗的前提下，尋找更安全的反應(yīng)物替代苯成為必然。

本文介紹了用苯胺替代苯，經(jīng)Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)制備對氨基苯乙酮[5]。本實驗涉及到的知識點和訓(xùn)練內(nèi)容較多，不僅可以使學(xué)生學(xué)習(xí)利用Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)制備芳香酮的原理和方法，而且還能提高學(xué)生通過連續(xù)多步驟合成目標(biāo)產(chǎn)物的實驗?zāi)芰Γ龑?dǎo)學(xué)生思考氨基保護(hù)在合成中的應(yīng)用[6]，有利于對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法和科學(xué)思維的訓(xùn)練。所使用的原料苯胺在相同溫度下的飽和蒸氣壓不到苯的1% (表1)，揮發(fā)出的有機(jī)物蒸氣濃度遠(yuǎn)低于苯，對人體危害小。

表1 苯和苯胺的飽和蒸氣壓(kPa，26 °C)

1 實驗?zāi)康?/h2>

(1) 學(xué)習(xí)利用Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)制備芳香酮的原理和方法。

(2) 掌握氨基保護(hù)在合成中的應(yīng)用，熟練掌握無水實驗操作的基本實驗技能。

(3) 基本掌握連續(xù)多步驟合成目標(biāo)產(chǎn)物的方法。

2 實驗原理

實驗總共分為四步(圖1)：第一步以乙酸酐為酰化試劑，將苯胺的氨基乙酰化，得到乙酰苯胺。其目的是保護(hù)氨基，避免在第二步中影響芳環(huán)酰化反應(yīng)，形成的保護(hù)基在第二步反應(yīng)條件下能穩(wěn)定存在[6]；第二步以乙酸酐為酰化試劑，無水三氯化鋁作催化劑，干燥的二氯甲烷作溶劑，進(jìn)行芳環(huán)乙酰化反應(yīng)。由于乙酰氨基的空間位阻作用，乙酰基主要取代苯環(huán)上乙酰氨基對位的氫，得到對乙酰氨基苯乙酮；第三步將對乙酰氨基苯乙酮在鹽酸水溶液中加熱回流，使其水解為對氨基苯乙酮鹽酸鹽；第四步用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)對氨基苯乙酮鹽酸鹽水溶液的酸度至出現(xiàn)對氨基苯乙酮沉淀，第三步和第四步可連續(xù)操作。

圖1 合成路線

3 實驗試劑與主要儀器

3.1 試劑

苯胺(AR)、醋酸酐(AR)、乙酸鈉(AR)、濃鹽酸(AR)、無水三氯化鋁(AR)、二氯甲烷(干燥，AR)、氫氧化鈉(AR)、無水硫酸鎂(AR)和1-14廣泛pH試紙。

3.2 儀器

電子分析天平(0.0001 g)、烘箱(30-250 °C)、電加熱磁力攪拌器(30-380 °C)、三頸圓底燒瓶(50 mL)、恒壓滴液漏斗(10 mL)、回流冷凝管、干燥管、分液漏斗(250 mL)、燒杯(100 mL，250 mL)、量筒(10 mL)、攪拌磁子、表面皿、玻璃棒、溫度計、藥匙和滴管。

4 實驗步驟

4.1 第一步：乙酰苯胺的合成

在100 mL小燒杯中加入4.92 g (0.06 mol)無水醋酸鈉和20 mL去離子水，溫?zé)釛l件下攪拌溶解，得醋酸鈉水溶液備用。向250 mL配有攪拌磁子的圓底燒瓶中加入3.72 g (0.04 mol)苯胺和80 mL去離子水，攪拌下滴加4.2 mL (0.05 mol)濃鹽酸。滴加完畢后，將反應(yīng)液加熱至50 °C左右，再加入5.6 mL(0.06 mol)醋酸酐，并立即加入所配制的醋酸鈉水溶液。充分?jǐn)嚢韬笪龀霭咨恋恚瑢⒎磻?yīng)液冷卻至室溫后抽濾，用少量去離子水洗滌沉淀。粗產(chǎn)品用水重結(jié)晶，經(jīng)干燥后得產(chǎn)物乙酰苯胺(產(chǎn)率73%-80%)，用核磁表征。

4.2 第二步：對乙酰氨基苯乙酮的合成

在配有攪拌磁子的50 mL三頸圓底燒瓶上安裝恒壓滴液漏斗和回流冷凝管，恒壓滴液漏斗中加入2.2 mL (0.022 mol)醋酸酐，回流冷凝管的上端安裝氯化鈣干燥管并將干燥管與氯化氫氣體吸收裝置相連。向三頸圓底燒瓶中迅速加入研細(xì)的8.8 g (0.066 mol)無水三氯化鋁、2.7 g (0.02 mol)乙酰苯胺和25 mL干燥二氯甲烷。攪拌均勻后，自恒壓滴液漏斗慢慢滴加醋酸酐，控制滴加速度，使三頸圓底燒瓶稍熱為宜。滴加完畢待反應(yīng)稍緩和后，水浴加熱回流。利用薄層色譜監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程，每隔10 min用毛細(xì)管取樣，在薄層板上輕快點樣1次，干燥后在展開劑(V石油醚: V乙酸乙酯= 5 : 1)中展開。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)混合物冷卻至室溫后，在攪拌下倒入盛有9 mL濃鹽酸和50 g碎冰的燒杯中。若仍有固體不溶物，可補(bǔ)加適量濃鹽酸使之完全溶解。將混合物轉(zhuǎn)入分液漏斗中，靜置后分出有機(jī)層，水相用二氯甲烷萃取(8 mL × 2次)，合并有機(jī)相，依次用15 mL 10%氫氧化鈉溶液和15 mL水洗滌，然后用無水硫酸鎂干燥。將干燥后的反應(yīng)混合液在水浴上蒸餾回收二氯甲烷，得到的粗產(chǎn)物對乙酰氨基苯乙酮用水重結(jié)晶(產(chǎn)率51%-68%)，用核磁表征。

4.3 第三步：水解和第四步：中和

向配有攪拌磁子的50 mL圓底燒瓶中加入30 mL 1 : 1鹽酸溶液，安裝回流裝置，加熱回流30 min使乙酰氨基水解完全。將反應(yīng)溶液冷卻至室溫后過濾，濾液倒入100 mL燒杯中，用3 mol·L-1氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶液pH至8-9，即可觀察到有黃色沉淀析出。粗產(chǎn)品經(jīng)抽濾后用水重結(jié)晶，在80 °C烘箱中干燥，得對氨基苯乙酮(產(chǎn)率為87%-90%)，用核磁表征。

對氨基苯乙酮四步合成總產(chǎn)率為32%-49% (黃色固體粉末，m.p. 105-106 °C)。

5 實驗討論

5.1 氨基乙酰化

本實驗涉及到的知識點和訓(xùn)練內(nèi)容較多，教師在講授過程中可根據(jù)各院校的教學(xué)安排選擇性地講解實驗原理、各步操作的目的和試劑的作用，加深學(xué)生對實驗的認(rèn)知，提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力。例如在講授氨基乙酰化步驟時，首先要引導(dǎo)學(xué)生思考為什么要對氨基進(jìn)行酰化以保護(hù)氨基，如果不保護(hù)會產(chǎn)生什么后果[6]，進(jìn)而引出氨基保護(hù)在有機(jī)合成中的作用：(1) 避免氨基發(fā)生反應(yīng)；(2) 降低氨基對芳環(huán)的致活作用；(3) 乙酰氨基的空間位阻作用有利于在其對位發(fā)生親電取代反應(yīng)。其次，可用對比的形式講解乙酰氯、醋酸酐和冰醋酸三種酰化試劑的優(yōu)缺點。乙酰氯的優(yōu)點是活性高、反應(yīng)速度快。缺點是價格貴、易水解。醋酸酐的反應(yīng)活性比乙酰氯弱，用醋酸酐對氨基進(jìn)行乙酰化反應(yīng)時，容易生成二乙酰化產(chǎn)物，反應(yīng)需在緩沖溶液中進(jìn)行。冰醋酸作乙酰化試劑時活性低，反應(yīng)需要很長時間。但冰醋酸價格便宜，適合大規(guī)模生產(chǎn)時使用。本實驗設(shè)計選用醋酸酐作酰化試劑，在講授及實驗過程中要引導(dǎo)學(xué)生思考，加入鹽酸和醋酸鈉的作用分別是什么，反應(yīng)是如何構(gòu)建醋酸-醋酸鈉緩沖溶液環(huán)境的。

5.2 芳環(huán)Friedel-Crafts酰基化

苯環(huán)Friedel-Crafts酰基化是本實驗的核心內(nèi)容。首先，教師可通過機(jī)理的講解使學(xué)生掌握利用Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)制備芳香酮的原理和方法。其次，要再次強(qiáng)調(diào)如果不對氨基進(jìn)行保護(hù)會影響苯環(huán)酰基化反應(yīng)的正常進(jìn)行。然后，要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到乙酰氨基的空間位阻作用使苯環(huán)乙酰化主要發(fā)生在乙酰氨基的對位。最后，通過反應(yīng)機(jī)理的講解使學(xué)生明白使用過量路易斯酸催化劑的原因：當(dāng)使用酸酐作酰化試劑，無水三氯化鋁作為路易斯酸催化劑時，由于反應(yīng)原料中的乙酰氨基和產(chǎn)物芳環(huán)上的酰基會與三氯化鋁形成配合物，以及酸酐反應(yīng)后產(chǎn)生的有機(jī)酸會與三氯化鋁反應(yīng)，所以三氯化鋁與乙酰苯胺投入量的摩爾比應(yīng)為3.3 : 1。

5.3 水解乙酰氨基去保護(hù)

教師要講解乙酰氨基可以在酸性或堿性水溶液中加熱實現(xiàn)保護(hù)基脫除，當(dāng)使用酸性溶液時，氨基脫保護(hù)后會和酸反應(yīng)生成鹽，還需經(jīng)堿中和后得到對氨基苯乙酮，而在堿性溶液中可一步水解得到產(chǎn)物。本實驗選用在稀鹽酸溶液中加熱水解乙酰氨基的目的是使對氨基苯乙酮轉(zhuǎn)變成對氨基苯乙酮鹽酸鹽而溶于水，通過過濾除去不溶性雜質(zhì)，有利于提高產(chǎn)物純度。

6 實驗教學(xué)安排

本實驗共需7學(xué)時，其中教師講授1學(xué)時，學(xué)生實驗操作6學(xué)時，可安排在一次實驗課內(nèi)完成。實驗可以分為三個階段來進(jìn)行學(xué)時安排，第一階段是乙酰苯胺的合成及干燥，需要1.5學(xué)時；第二階段為對乙酰氨基苯乙酮的合成，需要3學(xué)時；第三階段是水解和中和，需要1.5學(xué)時。

7 與“苯乙酮的制備”實驗的對比

“苯乙酮的制備”實驗具有產(chǎn)物單一的優(yōu)點，但其所用苯對人體危害大，而且該實驗考查知識點少，學(xué)生訓(xùn)練內(nèi)容少。與之相比，本實驗所用原料苯胺揮發(fā)性小，用量少，對學(xué)生身體不造成危害，實驗安全性更強(qiáng)。且本實驗訓(xùn)練內(nèi)容多，可以在學(xué)生掌握Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)和無水實驗操作的基礎(chǔ)之上，引導(dǎo)學(xué)生思考氨基保護(hù)在合成化學(xué)中的應(yīng)用以及練習(xí)連續(xù)多步驟合成目標(biāo)產(chǎn)物，有利于對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法和科學(xué)思維的訓(xùn)練。雖然本實驗在合成步驟上增加了三步，但所增加三步操作簡單，用時少。總學(xué)時只比“苯乙酮的制備”實驗增加2學(xué)時，可在一次實驗課內(nèi)完成(表2)。

表2 實驗對比

8 結(jié)語

本實驗以苯胺作為原料制備對氨基苯乙酮，替代以苯作為原料制備苯乙酮的實驗。實驗在保留學(xué)習(xí)利用Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)制備芳香酮的原理和方法的基礎(chǔ)之上，不僅避免使用有致癌毒性、易揮發(fā)的苯，而且可以使學(xué)生學(xué)習(xí)氨基保護(hù)在有機(jī)合成中的應(yīng)用和提高學(xué)生通過連續(xù)多步驟合成目標(biāo)產(chǎn)物的實驗?zāi)芰Α？傊緦嶒炦m合作為大學(xué)合成化學(xué)實驗課中利用Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)制備芳香酮的實驗。