乙酰苯胺制備及重結(jié)晶教學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)踐

強(qiáng)根榮，王 紅，楊振平

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，杭州310014）

0 引 言

在我校的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅱ-有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開(kāi)設(shè)有“乙酰苯胺的制備及重結(jié)晶”實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕?個(gè)方面：①掌握苯胺乙酰化反應(yīng)的原理和實(shí)驗(yàn)操作；②掌握固體有機(jī)物提純的方法-重結(jié)晶；③了解用紅外光譜鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的方法。該實(shí)驗(yàn)完全符合并很好地體現(xiàn)了大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的理念，即把基本操作融入有機(jī)合成中，少開(kāi)或不開(kāi)單一的基本操作實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在有機(jī)合成中學(xué)會(huì)、熟練基本操作，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。近15年來(lái)，通過(guò)對(duì)該實(shí)驗(yàn)不斷摸索，不斷改進(jìn)，形成了比較成熟的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式。

1 拓展教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)內(nèi)容的拓展過(guò)程中，基本原則是：① 增強(qiáng)系統(tǒng)性，建設(shè)“基礎(chǔ)性-綜合性-研究性實(shí)驗(yàn)”的系列化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；②注重實(shí)用性，建設(shè)與生產(chǎn)、生活緊密相關(guān)的新穎實(shí)驗(yàn)內(nèi)容［1-2］。

1.1 以基礎(chǔ)性?xún)?nèi)容為龍頭，拓展學(xué)習(xí)范圍，培育研究性學(xué)習(xí)思維

“乙酰苯胺的制備及重結(jié)晶”是一個(gè)經(jīng)典的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，研究與改進(jìn)此實(shí)驗(yàn)的目的是以基礎(chǔ)性?xún)?nèi)容為龍頭，了解苯胺乙酰化反應(yīng)的實(shí)用性，拓展學(xué)習(xí)視野，提高學(xué)生綜合能力，為此，開(kāi)設(shè)了與該實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)的綜合性實(shí)驗(yàn)，即以乙酰苯胺為原料合成其下游產(chǎn)品-磺胺類(lèi)藥物的合成實(shí)驗(yàn)［3-4］（見(jiàn)圖1）。同時(shí)，作為選修研究或拓展性實(shí)驗(yàn)，以4-氨基水楊酸為原料，用合成乙酰苯胺的基本方法，先進(jìn)行“氨基保護(hù)”以降低氨基對(duì)氧化降解的敏感性，來(lái)合成“胃復(fù)安”原料藥［5-6］（見(jiàn)圖2）。通過(guò)學(xué)習(xí)和親身實(shí)踐，學(xué)生一方面加深了對(duì)苯胺乙酰化反應(yīng)原理的了解，另一方面實(shí)驗(yàn)與生活、生產(chǎn)緊密結(jié)合，實(shí)驗(yàn)的興趣大大提高。

圖1 磺胺類(lèi)藥物的合成

圖2 胃復(fù)安的合成路線

雖然人們已經(jīng)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(duì)初學(xué)有機(jī)合成的大二學(xué)生來(lái)說(shuō)，反應(yīng)條件的控制往往是不知所措的，因此，為了培育學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)思維，引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)學(xué)習(xí)的理解，在教學(xué)中將學(xué)生分成若干組，每組采用不同的反應(yīng)條件（見(jiàn)表1）來(lái)模擬研究合成乙酰苯胺，最后各組分別得出最佳條件，總結(jié)交流，在基礎(chǔ)教學(xué)中營(yíng)造研究性學(xué)習(xí)氛圍，創(chuàng)造研究性學(xué)習(xí)條件。

表1 研究性學(xué)習(xí)分組研究?jī)?nèi)容

1.2 以學(xué)科性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，拓展工程內(nèi)容，推動(dòng)“理工”一體化教學(xué)

我校化學(xué)化工國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的特色是：強(qiáng)化多元融合，學(xué)科基礎(chǔ)與專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練緊密銜接，以某一“產(chǎn)品（或任務(wù)）”為紐帶，組建化學(xué)化工一體化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組群。在學(xué)科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段，著重探究科學(xué)規(guī)律（例如，物質(zhì)的制備方法、物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定方法、化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，等），在專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段，著重各單元操作的工程技術(shù)基礎(chǔ)（例如，不同分離方法的對(duì)比和因素的影響等），在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)訓(xùn)階段，著重單元操作的組合運(yùn)用。以此，推動(dòng)“理工”一體化教學(xué)。

以“結(jié)晶技術(shù)”單元操作為例（見(jiàn)圖3），在本實(shí)驗(yàn)和“二苯基乙二酮制備”兩個(gè)學(xué)科基礎(chǔ)（基礎(chǔ)化學(xué)）實(shí)驗(yàn)階段，以合成乙酰苯胺和二苯基乙二酮兩個(gè)產(chǎn)品為任務(wù)，用重結(jié)晶的方法來(lái)提純產(chǎn)品。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要求學(xué)生針對(duì)不同產(chǎn)品會(huì)選擇不同的溶劑和實(shí)驗(yàn)裝置，掌握重結(jié)晶的操作方法，理清得到純度高、外觀好的產(chǎn)品必須注意的影響因素。在專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段，以工業(yè)產(chǎn)品草甘膦為任務(wù)，進(jìn)行結(jié)晶工藝研究。要求學(xué)生厘清冷卻結(jié)晶過(guò)程的操作參數(shù)（如結(jié)晶溫度、攪拌速度、是否加入晶種、雜質(zhì)含量等）對(duì)晶體產(chǎn)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(shí)、基本技能學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)入化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)階段學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)原料為教師科研項(xiàng)目生物質(zhì)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(fā)濃縮后低溫冷卻結(jié)晶方式回收主要成分氫氧化鈉，并畫(huà)出在實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上改進(jìn)的帶控制點(diǎn)的工業(yè)化氫氧化鈉回收工藝流程圖，討論實(shí)驗(yàn)過(guò)程在能耗、安全、經(jīng)濟(jì)性、操作方面存在的問(wèn)題。通過(guò)“學(xué)科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)-專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)-化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)”的連貫式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)，逐步樹(shù)立起工程觀、經(jīng)濟(jì)觀和社會(huì)價(jià)值觀。

圖3 化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)一體化教學(xué)（結(jié)晶技術(shù)）實(shí)施示例圖

2 改進(jìn)教學(xué)方式

在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法方面，傳統(tǒng)的知識(shí)、技能傳授比重過(guò)大，教學(xué)中又偏重對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，學(xué)生追求的是實(shí)驗(yàn)產(chǎn)量的高低，考核中存在著僅以實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)衡量實(shí)驗(yàn)掌握程度的現(xiàn)象，而忽視了實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)用性，對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體性要求和社會(huì)價(jià)值考慮較少。

2.1 承上啟下，聯(lián)系實(shí)際了解實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的合理性和特殊性

實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾w現(xiàn)，其合理與否關(guān)系著實(shí)驗(yàn)的成敗。乙酰苯胺制備的反應(yīng)裝置是一個(gè)簡(jiǎn)化了的分餾裝置，與常規(guī)的分餾裝置相比，主要是采用錐形瓶作反應(yīng)瓶，并省略了直形冷凝管。一般在有機(jī)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，都是采用圓底燒瓶作反應(yīng)瓶的，而該實(shí)驗(yàn)為便于反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)混合物倒出，采用了錐形瓶。聯(lián)系到生產(chǎn)實(shí)際，也有設(shè)備選型的問(wèn)題。另外，該實(shí)驗(yàn)蒸出來(lái)的水比較容易冷凝，即使有少量未冷凝的水蒸氣逸出，對(duì)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)產(chǎn)量不會(huì)造成影響，故省去了冷凝管，聯(lián)系到工業(yè)生產(chǎn)，就省去了一個(gè)設(shè)備（冷凝器），生產(chǎn)成本降低了。

作為“乙酰苯胺制備”的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，我校開(kāi)設(shè)有“分餾”實(shí)驗(yàn)，以便讓學(xué)生熟練掌握分餾裝置和操作。在分餾實(shí)驗(yàn)中，提出“分餾的效果與哪些因素有關(guān)”這個(gè)思考題。由于學(xué)生初學(xué)有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(jiàn)圖4）、各種分餾柱（見(jiàn)圖5）實(shí)物來(lái)介紹這些知識(shí)點(diǎn)，直觀明了，對(duì)本實(shí)驗(yàn)操作起到了直接的指導(dǎo)作用。

圖4 精密精餾頭

圖5 各種分餾柱

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于加熱溫度沒(méi)有控制好或者室溫太低，出現(xiàn)柱頂溫度波動(dòng)的現(xiàn)象，學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為到了反應(yīng)終點(diǎn)，從而過(guò)早地結(jié)束反應(yīng)。故讓學(xué)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(wěn)定。這些實(shí)物、實(shí)際的體驗(yàn)，促使學(xué)生加深了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，親身感悟了其中的真諦［11］。

2.2 突出重點(diǎn)，歸納總結(jié)重結(jié)晶操作的知識(shí)點(diǎn)和操作要訣

乙酸苯胺重結(jié)晶常用的溶劑有甲苯、乙醇與水的混合溶劑、水等。本實(shí)驗(yàn)要求用水作溶劑進(jìn)行重結(jié)晶，要求是通過(guò)重結(jié)晶后，產(chǎn)品純度要高、外觀要好。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)知道，乙酰苯胺在水中的含量為5.2%時(shí)，重結(jié)晶效果好，乙酰苯胺重結(jié)晶產(chǎn)率最大。在體系中的含量稍低于5.2%，加熱到83.2℃時(shí)不會(huì)出現(xiàn)油相，水相又接近飽和溶液，繼續(xù)加熱到100℃，進(jìn)行熱過(guò)濾除去不溶性雜質(zhì)和脫色用的活性炭。濾液冷卻，乙酰苯胺晶體析出。過(guò)濾得到高純度的乙酰苯胺晶體，可溶性雜質(zhì)留在母液中。

學(xué)生在操作中必須了解這些知識(shí)，注重重結(jié)晶的各個(gè)環(huán)節(jié)和操作要訣（見(jiàn)表2），了解各種影響因素［12-15］。學(xué)生在操作中經(jīng)常會(huì)問(wèn)加的溶劑量和最后冷卻結(jié)晶的溫度夠不夠。故把乙酰苯胺在各個(gè)溫度下的溶解度告訴學(xué)生，讓學(xué)生自己去思考。實(shí)際上這就非常明了地告訴學(xué)生，操作條件是可以改變的，根據(jù)需要而定。要得到多少產(chǎn)品，需要怎樣來(lái)控制溶劑量和冷卻溫度。

3 結(jié) 語(yǔ)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革不求理論有多精深、操作有多困難，但必須能觸類(lèi)旁通、舉一反三，從一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軐W(xué)到更多的知識(shí)，掌握更多的技能，創(chuàng)造更多的想法，從而提高實(shí)驗(yàn)的效率和效果。我們歷來(lái)的觀點(diǎn)和做法是要讓學(xué)生厘清這一步為什么要這樣做、不這樣做行不行，還有沒(méi)有別的方法。比如在本實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)問(wèn)學(xué)生：①常用的乙酰化試劑有哪些？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？②為什么反應(yīng)原料中采用乙酸過(guò)量而不是苯胺過(guò)量？③反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)瓶冷卻即會(huì)有產(chǎn)品析出，為什么要將反應(yīng)混合物倒入水中？④實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氫氧化鋅如何處理或利用？等諸如問(wèn)題。通過(guò)這些問(wèn)題的思考，極大地發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行打下了很好的基礎(chǔ)。10多年來(lái)的實(shí)踐證明，對(duì)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究和改革是成功的，得到了學(xué)生的肯定，被譽(yù)為“金課”。今后，將進(jìn)一步著力探索和完善本實(shí)驗(yàn)，從而能在更高層次、更寬領(lǐng)域促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，培養(yǎng)新時(shí)代的新型人才。

表2 重結(jié)晶操作相關(guān)知識(shí)和技能