文章关键字 ‘重结晶’

有机实验小结(11)——乙酰苯胺的制备

2007年12月23日,星期天

一、时间地点
时间:2007年12月20日上午。

地点:华东理工大学奉贤校区有机化学实验室己301

二、实验原理

本系列“有机实验小结”的重结晶操作实验中,涌泉曾介绍了粗乙酰苯胺的重结晶,本次我将介绍乙酰苯胺(Acetanilide)的实验室制备提纯方法。

在有机合成中,常将苯胺上的氨基乙酰化,然后在芳环上接目标基团,然后利用酰胺能水解成胺的性质,达到保护芳环上氨基的作用。这种基团保护方法在有机合成中应用广泛。乙酰苯胺可由苯胺和乙酰化试剂(乙酰氯、乙酐或乙酸等,反应活性上乙酰氯 > 乙酐 > 乙酸。)直接反应来制备。本实验采用成本较低的乙酸作为乙酰化试剂。反应为
Acetanilide Preparation

乙酸和苯胺的反应速率较慢,且反应是可逆反应,为了提高乙酰苯胺的产率:

  1. 反应物中乙酸过量。增加某种廉价或易得的反应物是提高反应速率和促进平衡向正反应反应方向进行的常用方法。
  2. 利用刺型分馏柱将反应中的生成的水从反应过程中移除。

另外,反应中还需要加入少量的锌粉以防止苯胺的反应过程中被氧化。

三、仪器装置及试剂
Acetanilide制备装置图

试剂:苯胺5.1g(5mL、0.055mol),乙酸7.8g(7.4mL、0.13mol),锌粉,活性炭。

四、实验步骤

在50ml锥形瓶(磨口)中,加入5 ml苯胺和7.4ml冰乙酸,再用骨匙约0.2g锌粉。安装好好实验装置。在电热套上上用小火加热至反应物沸腾。调节火焰,使分馏柱温度控制在105℃左右。反应进行约40min后,反应所生成的水基本蒸出。当温度计的读数不断下降或上、下波动时(或反应器中出现白雾),则反应达到终点,即可停止加热。

在烧杯中加入100ml冷水(也可用乙醇,或乙醇-水混合溶液),将反应液趁热以细流倒入水中,边倒边不断搅拌,此时有细粒状固体析出。冷却后抽滤,并用少量冷水洗涤固体,得到白色或带黄色的乙酰苯胺粗品。

粗产品加入100ml水,加热至沸腾。观察是否有未溶解的油状物,如有则补加水,直到油珠全溶。稍冷后,加入少量活性炭,并煮沸10min。期间将布氏漏斗和吸滤瓶在水浴中加热。趁热过滤除去活性炭。滤液倒入一热的烧杯。自然冷却至室温,抽滤、洗涤、烘干,得白色片状结晶,产量约4g,熔点 114.3℃。

称取5g乙酰苯胺粗品,加入100ml圆底烧瓶中,加入15%的乙醇-水约30ml,投入1~2粒沸石,安装上回流冷凝管,用水浴加热至溶剂沸腾,并保持回流数分钟,观察固体是否完全溶解。若有不溶固体或油状物,从冷凝管上口补加5ml溶剂,再加热回流数分钟,逐次补加溶剂,直至固体或油状物恰好完全溶解,制得热的饱和溶液。再过量5~10ml溶剂。移去水浴,溶液稍冷后,加入半匙活性炭,继续水浴加热,回流煮沸10~15min。期间将布氏漏斗和吸滤瓶,在热水浴中煮沸预热。安装好预热的抽滤装置,将热溶液趁热过滤,并尽快将滤液倒入一只洁净的热烧杯中。让滤液慢慢冷却至室温,晶析出,再进行抽滤,用少量水洗涤晶体,抽干得白色片状结晶。产品晾干、称重,计算重结晶收率。

五、注意事项

  1. 反应所用玻璃仪器必须干燥。
  2. 久置的苯胺因为氧化而颜色较深,最好使用新蒸馏过的苯胺。
  3. 冰乙酸在室温较低时凝结成冰状固体(凝固点 C),可将试剂瓶置于热水浴中加热熔化后量取。
  4. 锌粉的作用是防止苯胺氧化,只要少量即可。加得过多,会出现不溶于水的氢氧化锌。
  5. 反应时间至少30min。否则反应可能不完全而影响产率。
  6. 反应时分馏温度不能太高,以免大量乙酸蒸出而降低产率。
  7. 重结晶时,热过滤是关键一步。布氏漏斗和吸滤瓶一定要预热。滤纸大小要合适,抽滤过程要快,避免产品在布氏漏斗中结晶。
  8. 重结晶过程中,晶体可能不析出,可用玻棒摩烧杯壁或加入晶种使晶体析出。
  9. 以沸点较低的有机溶剂进行重结晶,选择水浴加热。
  10. 制饱和溶液刊,溶剂不可一下子加得太多,以免过量。造成被提纯物的损失。由于抽滤时有部分溶剂挥发,一般饱和溶液制成后,再过量15%~20%溶剂。补加溶剂时应移去热源。
  11. 加活性炭脱色时,要注意先让溶液稍冷后才加活性炭,故不可趁热加入以免暴沸冲料。加完活性炭,需煮沸一段时间才能达到脱色效果。活性炭用量为粗品的1%~5%。不宜加多,以免吸附部分产品。
  12. 热过滤是重结晶的关键步骤。布氏漏斗和吸滤瓶要先预热好。滤纸大小要合适,并先用少量溶剂润湿滤纸,使其紧贴后再抽滤,过滤要迅速,避免热溶液冷却而有结晶在漏斗内析出。
  13. 滤液要慢慢冷却,这样得到的结晶,晶形好,纯度高。如果没有晶体析出,可用玻棒摩擦产生静电,加强分子间引力,同时使分子相互碰撞吸力增大,使晶体加速析出,此外,蒸发溶剂、深度冷冻或加晶种都可使晶体加速析出。
  14. 停止抽滤前,应先将吸滤瓶上的橡皮管拨去,以防水泵的水发生倒吸。
  15. 洗涤时,应先拨开吸滤瓶上的橡皮管,加少量溶剂在滤饼上,溶剂用量以使晶体刚好湿润为宜,再接上橡皮管将溶剂抽干。

六、实验结果及思考讨论
这部分暂时待续。

有机实验小结(3)——粗乙酰苯胺的重结晶

2007年10月12日,星期五

一、时间、地点
时间:2007年10月11日上午。

地点:华东理工大学奉贤校区有机化学实验室己303。

二、实验原理

重结晶法(Recrystallization)是提纯固体有机物的常用方法。要从有机反应物或天然有机化学物中得到较纯的固体有机化合物往往要通过重结晶。重结晶在后续的制备实验——乙酰苯胺的制备中需要用到,因此要熟练掌握其诀窍。

固体有机化合物在溶剂(Solvent)中的溶解度(Solubility)随温度的变化而变化,一般随温度的升高溶解度增加,反之溶解度降低。如果把固体有机物溶解在热的溶剂中制成饱和溶液,然后冷却至室温以下,则原溶液变成过饱和溶液,这时又结晶固体析出。利用溶剂对被提纯物质和杂质的溶解度的不同,使杂质在趁热抽滤失被除去或冷却后留在母液中,可达到提纯固体化合物的目的。重结晶提纯法主要用于提纯杂质含量小于5%的固体有机化合物,杂质过多会影响结晶速度或者妨碍晶体的生长。

重结晶的关键是选择合适的溶剂。合适的溶剂必须具备以下条件:

  • 与被提纯的物质不起化学反应。
  • 被提纯物质在热溶剂中溶解度大,冷却时溶解度小,而杂质在冷、热溶剂溶解度都较大,杂质始终留在母液中。或者杂质在热溶剂中不溶解,这样在热抽滤时也可以把杂质除去。
  • 溶剂易挥发,但沸点(b.p.)不宜过低,便于与结晶分离。
  • 价格较低、毒性小、易回收、操作安全。

三、选择溶剂的试验方法:

取0.1g结晶固体于试管中,用滴管逐滴加入溶剂,并不断振荡试管,待加入溶剂约为1ml时,注意观察是否溶解,若完全溶解或者间接加热至沸完全溶解,但冷却物结晶析出,表明该溶剂是不适用的;若此物质完全溶解于1ml沸腾的溶剂中,冷却后析出大量结晶,这种溶剂一般认为是合适的;如果式样不溶于或未完全溶于1ml沸腾的溶剂中,则可逐步添加溶剂,每次约加0.5ml,并继续加热至沸,当溶剂总量达到4ml加热后样品仍未全溶(注意未溶的是否是杂质),表明此种溶剂也不适用;若该物质能溶于4ml以内热溶剂中,冷却后仍无结晶析出,必要时可以玻璃棒摩擦试管内壁或冷水冷却,促使结晶析出,若晶体仍不能析出,则该溶剂也是不合适的。

按上述方法对几种溶剂逐一试验、比较,可选择出较为理想的重结晶溶剂。当难以选出一种合适的溶剂时,常使用混合溶剂。混合溶剂一般由两行总彼此可互溶的溶剂组成,其中一种较易溶解结晶,另一种较难或不能溶解。常用的混合溶剂油乙醇-水,乙醇-乙醚,乙醇-丙酮,乙醚-石油醚,苯-石油醚等。

四、实验步骤及注意事项

  1. 称取5g粗乙酰苯胺放入100ml的圆底烧瓶中,加入15%的乙醇溶液约30ml,加入两粒沸石(Zeolite),装上回流冷凝管,打开冷却水。
  2. 在加热锅中加热,注意圆底烧瓶底部不能接触加热锅的石棉网,以免受热不均匀。观察固体溶解情况,若烧瓶底仍有固体或黄色油状物,可从冷凝管上口逐次加入乙醇溶液,每次5ml,直至固体恰好完全溶解。过量5ml。
  3. 移去加热锅,待液体稍微冷却后,加入少量活性炭, (活性炭的用量约为杂质含量的5-10%)继续加热,保持回流5-10min。此时可以剪好滤纸。并将布氏漏斗和吸滤瓶放在水浴中预热。
  4. 放置好热的抽滤装置,放好滤纸,用热水润湿,抽紧,将热溶液趁热抽滤,并尽快将滤液倒入干净的烧杯中。必须要趁热尽快,否则抽滤瓶中将大量结晶,并对产品纯度和产率造成不良影响。
  5. 将滤液自然冷却至室温,晶体析出后,抽滤,用少量水洗涤晶体,挤压晶体,抽干。
  6. 产品可晾干,如果要求时间较短,可用红外烘干法。称重,计算收率。

五、实验技巧及注意事项

  1. 重结晶所用的溶剂不能太多也不能太少。太多则母液中残留过多待提纯物,过少则样品不能充分溶解于溶剂中。
  2. 活性炭不能在液体沸腾时加入,否则将引起爆沸,溶液产生大量泡沫,漫出烧瓶。
  3. 如布氏漏斗和吸滤瓶加热不充分或者热抽滤时间过长,吸滤瓶中将有大量结晶,这时不要用溶剂冲洗。待烧杯中液体冷却后,用倾析法把母液小心倒入吸滤瓶中,小心冲洗瓶壁,使晶体进入母液,再倒入烧杯内。这样可减少产物的损失。

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