酯化反应

来源：美国马萨诸塞大学阿默斯特分校 Lara Al Hariri

1. 酯化反应展开

   在本实验中，你将在硫酸存在下，由羧酸和醇合成一种酯。该反应称为费歇尔酯化反应。硫酸使羧酸对醇的反应活性增强。若无硫酸，酯化反应将缓慢且难以进行。酯化反应具有高度可逆性，因此你将使用过量的醇以推动反应向生成酯的方向进行。

   你将被分配七种羧酸-醇组合中的一种进行反应。七种可能的产物酯各自具有独特的果香味。反应完成后，你将用手轻轻扇动产物的蒸气，通过其气味判断其对应的水果种类。

   • 开始实验前，请穿上实验服、戴上护目镜和腈手套。注意：教师将在分发试剂前演示如何扇闻气味。务必通过扇闻方式嗅闻化合物，切勿直接吸入。
   • 准备就绪后，取用你被分配的羧酸和醇，并将试剂瓶带至通风橱。标签为“A”、“B”或“C”的试剂瓶为你的羧酸，另一瓶为醇。在实验记录本中记录羧酸和醇对应的字母。

     表1：羧酸、醇和酯的气味

     	字母	气味
     分配的羧酸
     分配的醇
     合成的酯

     点击此处下载表1
   • 取一张滤纸和一支巴斯德移液管。在通风橱内，用巴斯德移液管将一滴醇滴加到滤纸上。
   • 将滤纸移至通风橱前缘，轻轻扇动以嗅闻醇的气味。请注意，其气味可能令人不适。
   • 然后将滤纸放回通风橱，并在实验记录本中简要描述醇的气味。若你的羧酸为液体，使用新的移液管和滤纸重复上述步骤以测试其气味。注意：若你被分配的是固体羧酸，请在实验记录本中注明“固体”并跳过此步骤。
   • 现在，在通风橱内的铁架台上安装一个开口三爪夹。在铁架台底部放置一个升降台，并在其上放置搅拌器和加热套。将温度控制器移至装置旁。
   • 将一根小型搅拌子放入50 mL圆底烧瓶中，并用夹子将烧瓶牢固固定在加热套上方。
   • 使用漏斗将羧酸加入烧瓶中。用1至2 mL的醇冲洗羧酸试剂瓶，并将冲洗液倒入烧瓶，然后将剩余的醇全部加入烧瓶。
   • 接着，取一支10 mL量筒至专用于酸类的通风橱，小心量取4 mL的3 M硫酸。注意：该物质具有高毒性和强腐蚀性，操作时务必小心。
   • 用量筒口覆盖一层石蜡膜，然后将酸带回你的通风橱并加入烧瓶中。即使液体分层也属正常。
   • 使用一段橡胶管将标准冷凝管的下端接口连接至通风橱的水龙头，另一段橡胶管连接冷凝管上端并导向排水口。确保连接牢固。
   • 在冷凝管的下部磨口接头处涂抹真空脂。将冷凝管插入圆底烧瓶，并确保真空脂形成良好密封。
   • 用第二个三爪夹固定冷凝管，并确保橡胶管位置不妨碍操作。用实验室擦拭纸擦去多余真空脂，然后用接头夹固定连接处。
   • 缓慢打开水龙头，使水流平稳通过冷凝管。确保水流进入排水口且无泄漏。
   • 然后升高升降台，使圆底烧瓶完全置于加热套内。此时可开始加热反应混合物进行回流。
   • 将搅拌器调至中速，并以中等加热强度或约110 °C的设定温度开始加热混合物。
   • 混合物的初始沸点在65至100 °C之间。加热过程中需密切观察，并根据需要调整温度设定。
   • 当混合物达到稳定沸腾后，继续回流50分钟。
   • 然后关闭加热，降低升降台，并将加热套替换为圆底烧瓶支架。
   • 在冷凝管仍保持连接的情况下，让混合物冷却至室温，通常需要约10分钟。在此期间，准备一个600 mL烧杯的冰浴并带至通风橱。
   • 待混合物完全冷却后，关闭冷凝管的水流。小心将冷凝管从烧瓶上拆下并移开。然后将冰浴升至烧瓶位置，继续冷却10分钟。
   • 之后，取一支洁净的10 mL量筒至基础通风橱，取5 mL饱和碳酸氢钠溶液。
   • 回到你的通风橱，用擦拭纸清除圆底烧瓶颈部内侧的真空脂。
   • 然后准备几支洁净的巴斯德移液管和pH试纸。用移液管缓慢向烧瓶中加入1 mL饱和碳酸氢钠溶液，并用搅拌子或玻璃棒搅拌混合物。
   • 随后，每次加入1 mL碳酸氢钠溶液，逐次加入剩余溶液，每次加入后均需搅拌。
   • 然后用一支新的移液管检测溶液的pH值。若pH值< 7，再取几毫升碳酸氢钠溶液，每次加入1 mL，搅拌并检测pH值，直至中和。
   • 当溶液达到中性pH后，移除冰浴，并用纸巾擦干烧瓶外壁。
   • 让混合物静置数分钟，观察是否分层。
   • 然后取一支洁净的巴斯德移液管和一张新的滤纸。小心吸取少量产物溶液，并在滤纸上滴加一至两滴。若产物混合物已分层，请先测试上层液体。
   • 将滤纸移至通风橱边缘，轻轻扇动以嗅闻其气味。七种可能的气味分别为苹果、香蕉、葡萄、橙子、梨、菠萝和草莓。
   • 在实验记录本中记录你认为酯所对应的水果气味。若无法确定具体水果，可向教师索取参考气味样本以辅助判断。
   • 确定酯的气味后，取出搅拌子，并将反应混合物倒入非卤化有机废液容器中。按常规方法清洗玻璃器皿和搅拌子。
   • 接着，松开冷凝管的夹子，小心倾斜使其剩余水流经出口管排入下水道。断开进水管与水龙头的连接，保持管口抬高以防溢出，并让残余水流经冷凝管排入下水道。
   • 然后断开冷凝管与橡胶管的连接，并用擦拭纸清除底部接头的真空脂。按常规方法清洗冷凝管内壁。
   • 将滤纸留在通风橱内，直至果味基本消散。废弃的巴斯德移液管应放入玻璃废料桶，其他垃圾投入实验室垃圾桶。
   • 最后，收拾仪器设备，并在离开前清洁通风橱。
2. 结果展开

   以下是可能合成的七种酯及其气味：丙酸丙酯具有梨香味，乙酸异戊酯具有香蕉香味，乙酸辛酯具有橙子香味，丁酸丁酯具有菠萝香味，丁酸乙酯具有草莓香味，丁酸甲酯具有苹果香味，邻氨基苯甲酸甲酯具有葡萄香味。

   • 将你合成的酯的气味与上述描述对比，以确定其对应结构。例如，强烈的梨香味表明你合成了丙酸丙酯。
   • 确定你的起始羧酸和醇。注意：在此反应中，醇进攻羧酸。中间体经重排并脱去一分子水形成酯。
   • 研究表明，酯中的烷氧基氧原子来自醇而非羧酸。因此，我们将酯的结构在碳-氧单键处断开，并在断开处分别补上OH和H，即可得到起始原料。例如，将丙酸丙酯在该键处断开，向羰基碳加OH，向烷氧基氧加H，即可得到乙酸和1-丙醇作为起始原料。