基础有机化学技术

来源：美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的 Lara Al Hariri 和 Ahmed Basabrain

1. 苯甲酸的合成扩展

   在本实验中，你将学习在本课程中会反复使用的一些重要技术。这些技术包括反应物和产物的质量或体积测量、反应混合物的加热与冷却方法、玻璃器皿的正确选择与操作，以及通过真空过滤分离固体和液体。首先，你将使用水作为溶剂，通过盐酸（HCl）对苯甲酸钠进行质子化反应来合成苯甲酸。苯甲酸钠在水中具有很高的溶解度，而苯甲酸则难溶于水，因此可通过过滤将生成的固体产物从溶液中分离出来。

   将使用适用于粉末状固体的真空抽滤法过滤出苯甲酸。由于苯甲酸在较低温度的水中溶解度较低，因此在过滤前先冷却反应溶液可提高产物收率。进行本实验时，请注意盐酸（HCl）具有毒性且为强酸，操作强酸和有机溶剂时务必在通风橱中进行。若发生盐酸泄漏，请依照实验室关于强酸中和与清理的标准操作程序进行处理。

   • 穿上实验服、护目镜和丁腈手套。若手套沾染酸或有机溶剂，请立即更换。
   • 取一个洁净的50 mL烧杯和实验记录本至天平处，然后将一个洁净的空称量舟放在天平上归零。
   • 使用洁净的刮勺称取约 2 g 苯甲酸钠。 注意： 保持在1.9至2.1克之间。
   • 将多余的苯甲酸钠放入指定的废液容器中。使用完毕后，请盖好苯甲酸钠瓶盖。
   • 记录苯甲酸钠的质量，并将其倒入烧杯中。用实验室擦拭纸清洁药匙，以便再次使用，然后返回通风橱。

     表1：苯甲酸的反应产率

     钠的质量 苯甲酸（g）	钠的摩尔数 苯甲酸盐	体积 HCl（mL）	摩尔数 HCl	苯甲酸的摩尔数 酸	苯甲酸的质量 酸（g）
     				理论产量
     -	-	-	-	产率百分比

     点击此处下载表1
   • 取一个洁净的10 mL量筒，量取10 mL去离子水。将水倒入含有苯甲酸钠的烧杯中。用玻璃棒搅拌溶液，直至苯甲酸钠完全溶解。
   • 取一个洁净的5 mL量筒，量取5 mL的3 M HCl。 注意： 如果倒入过多，可用巴斯德移液管将多余的液体转移至贴有“酸性废液”标签的小烧杯中。使用完毕后，盖上瓶盖并放回原处。
   • 使用一支洁净的巴斯德吸管从量筒中吸取少量盐酸。以大约每6秒一滴（即每分钟10滴）的速度将盐酸逐滴加入苯甲酸钠溶液中。用玻璃棒频繁搅拌溶液。此过程应持续约10分钟。 注意： 随着加入更多的盐酸，您将开始看到苯甲酸从溶液中析出。
   • 实验结束后，取一个600 mL烧杯，装入约半杯碎冰，再加入自来水，直至液面刚好填满冰块之间的空隙，制成冰浴。
   • 将冰浴置于通风橱内的实验台旁，并使用中号夹子将反应烧杯固定在冰浴中。确保溶液液面低于冰面。
   • 在反应溶液中固定一支温度计。
   • 反应冷却的同时，用量筒量取25 mL去离子水。将量筒放入600 mL烧杯中，并在周围加入冰块冷却水。
   • 当反应液温度降至10 °C时，即可进行过滤。另设一个实验台架，取一个洁净的250 mL抽滤瓶，将其用夹子垂直固定在实验台架上。
   • 确保真空管路已连接至真空源，然后小心地将管路的自由端推到烧瓶的带刺接头臂上。
   • 将橡胶接头和布氏漏斗放入烧瓶口。确认反应溶液已降至10 °C，然后从烧杯中取出温度计。
   • 取一张圆形滤纸，放入布氏漏斗中，确保完全覆盖小孔。
   • 取一支新的巴斯德吸管，用几滴冷的去离子水润湿滤纸。 注意： 这有助于在将溶液倒入漏斗时固定滤纸的位置。
   • 打开真空管路的阀门至半开状态，以降低烧瓶内的压力。
   • 将烧杯从冰浴中取出，用玻璃棒充分搅拌溶液，直至固体在液体中均匀悬浮，然后缓慢将其倒入滤纸上。 注意： 如果液体不能快速通过漏斗，请确保漏斗、接头和烧瓶之间无间隙，然后逐渐打开真空，直至液体迅速流入烧瓶。
   • 使用一支洁净的巴斯德移液管，用约10 mL冷的去离子水冲洗烧杯内壁，并将洗涤液倒入漏斗中。将剩余的冷去离子水倒在滤膜上的苯甲酸上，以洗涤该物质。 注意： 这是去除杂质、副产物和未反应化合物的重要步骤。
   • 让苯甲酸留在漏斗中，并保持抽真空，直至完全干燥。 注意： 这通常需要约 2 小时，因此我们在此期间继续进行实验的第二部分。
2. 回流四氢呋喃（THF）及产物质量测定展开

   在苯甲酸干燥的同时，你将练习回流四氢呋喃（THF），其沸点为 66 °C。THF 具有挥发性、易燃性且对皮肤有刺激性，因此应避免接触皮肤，并始终在通风橱中操作。回流是一种持续将蒸气冷凝并返回反应瓶的技术，可使反应在高温下（例如溶剂的沸点温度）进行，同时避免溶剂因蒸发而损失。

   回流通过一种称为冷凝管的特殊玻璃仪器实现，该冷凝管直接连接到您的烧瓶上。冷凝管的外层通有冷却水。当蒸气上升通过冷凝管时，会向冷却的管壁释放热量，冷凝成液体后滴回烧瓶中。

   回流通常在圆底烧瓶中进行。这些烧瓶必须使用加热浴或专用设备进行加热，但由此可实现比锥形瓶或烧杯更均匀的加热效果。水浴通常用于温度低于80 – 100 °C的实验。

   • 安装回流用的玻璃器皿和设备。将实验室升降台放置在可用的实验架旁，并在其上方放置搅拌加热板。用夹具将一个50 mL圆底烧瓶固定在加热板上方至少12 cm处。
   • 将一个50 mL量筒带到溶剂通风橱中，量取25 mL THF。若倒入过多，可用一个小烧杯贴上“有机废液”标签，并用移液器将多余液体移入该烧杯中。操作完成后记得盖紧试剂瓶盖。
   • 将THF小心倒入圆底烧瓶中，如有洒出，用实验室擦拭纸或纸巾清理干净，然后向烧瓶中加入一根小型椭圆形搅拌子。
   • 在烧瓶上方约 20 cm 处安装一个中型夹。取一根冷凝管，将真空润滑脂涂抹于其下端磨口接头处。
   • 将冷凝器插入烧瓶中，并朝相反方向旋转，直至真空润滑脂在两个磨砂玻璃表面间均匀分布。
   • 将冷凝管固定好，并用实验室擦拭纸擦去玻璃器皿连接处多余的润滑脂。
   • 将橡胶管连接至冷凝器的每个接口。将连接顶部接口（即出口）的橡胶管自由端放入下水道。将连接底部接口（即入口）的橡胶管自由端接至供水管。
   • 将约200 mL自来水倒入250 mL烧杯中，并将该水浴置于加热板上。使用实验室升降台将水浴抬高，使水位达到圆底烧瓶球形部分约三分之二高度处。这将确保四氢呋喃均匀受热。
   • 使用温度计夹将一支量程为 0 – 100 °C 的温度计固定在水浴中。
   • 缓慢打开水龙头，观察冷凝管在注水过程中是否有泄漏，并确认水已流入排水口。
   • 缓慢调高磁力搅拌器的转速，直至四氢呋喃充分搅拌。如果搅拌子发生跳动，应降低搅拌电机的转速，再更缓慢地重新尝试。
   • 将水浴加热至约 70 °C，直至 THF 开始沸腾。 注意： 你会看到蒸气在冷凝管的下部冷凝。
   • 监测回流的 THF 10 分钟。 注意： 如果浴温超过 70 °C 或冷凝器有蒸汽逸出，请调低加热温度。
   • 10分钟后，取出温度计并关闭加热和搅拌电机。小心降低实验升降台，直至烧瓶完全离开水浴。至少再等待10分钟使装置冷却，然后拔掉电源并移除加热板。
   • 关闭水龙头，松开冷凝管夹，小心地将冷凝管从烧瓶上取下。倾斜冷凝管，使大部分水通过出口管流入下水道。然后，将进水管从冷凝管上断开，让剩余的水流入下水道。对出水管也采取同样的操作。
   • 使用实验室擦拭纸从冷凝器和烧瓶上清除真空润滑脂，然后从烧瓶中取出搅拌子。
   • 将烧瓶移至废液通风橱，倒入非卤化有机废液容器中。将过量的盐酸或四氢呋喃分别倒入酸性废液和有机废液容器中。将冰浴和水浴中的冰和水倒入水槽，并用自来水冲洗烧杯。
   • 在按照实验室的标准操作使之前制备的苯甲酸完成干燥的同时，清洗大部分其他玻璃器皿。通常，需先用有机溶剂（如丙酮）冲洗玻璃器皿，再用去污剂和去离子水清洗。 注意： 您的实验室可能对使用酸类的玻璃器皿有特定的处理规程。如果有，请遵循该规程清洗使用过盐酸的量筒以及酸废液杯（如适用）。
   • 移除可重复使用的移液球，并将移液管丢弃至玻璃废液容器中。将使用过的实验擦拭纸和纸巾扔进实验室垃圾桶。
   • 检查你的苯甲酸。如果已干燥，关闭真空泵，并通过断开连接过滤瓶的管路来解除真空密封。将漏斗轻轻放入一个250 mL烧杯中，连同实验记录本一起带到天平处。
   • 将称量纸去皮归零，使用洁净的药匙将产物转移至称量纸上。在实验记录本中记录产物的质量。
   • 然后，将产物放入实验室垃圾桶，并擦净刮刀。将滤液倒入盛装废液的容器中。
   • 清洗其余玻璃器皿，将滤纸和其他废弃物丢入实验室垃圾桶，并收好实验仪器。最后，用湿润的纸巾擦拭通风橱的内部地面。
3. 结果展开
   • 计算苯甲酸钠质子化反应的产率。确定反应中首先耗尽的试剂，即限制性试剂。
   • 计算所用苯甲酸钠和 HCl 的摩尔数。 注意： 你使用了约 0.014 摩尔的苯甲酸钠和 0.015 摩尔的 HCl。因此，苯甲酸的理论最大产量等于起始苯甲酸钠的摩尔量。
   • 将苯甲酸的质量转换为摩尔数，除以所用苯甲酸钠的摩尔数，再乘以 100，得到产率百分比。 注意： 该反应的回收产率通常介于80%至98%之间，因为有少量苯甲酸残留在溶液中。若产率超过100%，则很可能是在称重时产物仍含有水分。杂质、未反应的化合物以及副反应产物也可能影响产率计算的准确性。