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实验三十七 多步骤有机合成聚己内酰胺的制备一、实验目的1了解聚合物合成的基本原理2初步掌握聚合物的合成方法。二、基本原理聚合物是由许多重复单元组成的高相对分子质量化合物。除了天然聚合物（淀粉、纤维素、蛋白质及天然橡胶）之外，人类已经合成了许多人造聚合物。所谓“三大合成材料”合成塑料、合成纤维与合成橡胶，已经渗透到我们日常生活的各个方面及工农业生产、军事、航天及科学研究等许多领域，对人类的文明产生了深刻的影响。高聚物由单体聚合反应制得。聚合反应可以分为加成聚合反应（简称加聚反应，包括共聚和定向聚合）和缩合聚合（简称缩聚反应）。加聚是由不饱和的低分子化合物（单体）经相互加成连接而成的高聚物反应；缩聚反应是由相同或不同的单体，通过连续的缩合反应形成高聚物的过程，在这一过程中同时伴有低分子物质的生成，并且很多反应都是可逆的平衡反应。本实验利用已合成的己内酰胺开环聚合生成尼龙6，掌握使用封管操作技术，制备聚己内酰胺的基本方法。醛和酮是重要的化工原料及有机合成中间体。工业上可用相应的醇在高温催化脱氢来进行制备，常用的催化剂有锌、铬、锰、铜的氧化物及金属银、铜等。实验室常用铬酸氧化伯醇和仲醇来制备相应的醛酮。铬酸是重铬酸盐与4050硫酸的混合物。制备相对分子量低的醛（丙醛、丁醛），可以将铬酸滴加到热的酸性醇溶液中，以防止反应混合物中有过量氧化剂存在，并采用将沸点较低的醛不断蒸出的方法，可以达到中等的产率。尽管如此，仍有部分醛被进一步氧化成羧酸，并生成少量的酯。铬酸氧化仲醇制备脂肪酮时，由于生成的酮对氧化剂比较稳定，不易进一步氧化，反应较容易控制。但铬酸氧化醇是放热反应，必须严格控制反应温度以免反应过于剧烈。叔醇在通常条件下对铬酸是稳定的，在更剧烈的条件下，叔醇和酮都可能发生断链和降阶反应。脂肪和芳香酮都可以和羟胺作用生成肟。肟受酸性催化剂如硫酸或五氯化磷等作用，发生分子重排生成酰胺的反应，称之为Beckmann重排反应。聚酰胺通常称为尼龙，其结构为含酰胺基团（CONH）的线性高分子化合物。己内酰胺具有不稳定的七元环结构，因此在高温和催化剂作用下，可以开环聚合成线性高分子，通常称为尼龙6，我国称之为锦纶，可以作纤维，也可以作塑料。聚合反应的催化剂，除了常用的水之外，含有有机酸碱或金属钠、锂等。采用不同的催化剂，聚合机理不同，从而聚合速度和所得的聚合物也不相同。用水作催化剂时，通常得到相对分子量为1044104的线型高聚物，其两端分别为氨基和羧基。三、主要仪器与药品环己醇10g（10.5mL，0.1mol），重铬酸钠10.5g（0.035mol），浓硫酸，乙醚，精盐，无水硫酸镁，环己酮（自制）9.8g（10.5mL，0.1mol），盐酸羟胺盐9.8g（0.14mol），结晶醋酸钠14g，环己酮肟（自制）10g，85硫酸溶液20mL，氨水，厚壁硬质玻璃封管，聚合炉，氮气钢瓶，己内酰胺（自制）3g，蒸馏水四、操作步骤1. 环己酮的制备在400mL烧杯中，溶解10.5g重铬酸钠于60mL水中，然后在搅拌下，慢慢加入9mL浓硫酸，得到橙红色溶液，冷却至30以下备用。在250mL圆底烧瓶中，加入10.5mL环己醇，然后一次加入上述制备好的铬酸溶液，振摇使充分混合。放入一温度计，测量反应初始温度，并观察温度变化情况。当温度上升至55时，立即用水浴冷却，保持反应温度在5560之间。约半小时后，温度开始下降，移去水浴再放置半小时以上。期间不时振摇，使反应完全，反应液呈墨绿色。在反应瓶中加入60mL水和几粒沸石，改成蒸馏装置。将环己酮与水一同蒸出（1），直至馏出液不再混浊后再多蒸1520mL，约收集50mL馏出液。馏出液用精盐饱和（2）（约12g），转入分液漏斗，静置后分出有机层。水层用15mL乙醚提取一次，合并有机层及提取液，用无水碳酸钾干燥，在水浴上蒸去乙醚后，蒸馏收集151155馏分。2. 环己酮肟的制备在250mL锥形瓶中，将9.8g羟胺盐酸盐及14g结晶醋酸钠溶于30mL水中，温热此溶液至3540。每次2mL分批加入10.5mL环己酮，边加边振荡，此时即有固体析出。加完后，用橡皮塞塞紧瓶口，激烈振荡23min，环己酮肟呈白色粉状结晶析出（3）。冷却后，抽滤并用少量水洗涤。抽干后在滤纸上进一步压干。干燥后环己酮肟为白色晶体。3. 己内酰胺的制备在800mL烧杯中（4），放置10g环己酮肟及20mL 85% H2SO4 ，旋动烧杯使二者很好混溶。在烧杯中放置一支250温度计，缓慢加热。当开始有气泡时（约120），立即移去热源，此时发生强烈的放热反应，温度很快自行上升至160，反应在几秒钟内完成。稍冷后，将此溶液倒入250mL三颈瓶中，并用冰盐浴冷却。在三颈瓶上分别装置搅拌器、温度计及滴液漏斗。当溶液温度下降至05时，在搅拌下小心滴入20氨水（5）。控制溶液温度20以下，以免己内酰胺在温度较高时发生水解，直至溶液恰对石蕊试纸呈碱性（通常需要60mL 20氨水，约1小时加完）。粗产物倒入分液漏斗中，分出水层，油层转入25mL克氏烧瓶，用油泵进行减压蒸馏。收集1271330.93kPa(7mmHg)，137140/1.6kPa(12mmHg)，140144/1.86kPa(14mmHg)的馏分（6）。馏出物在接受瓶中固化成无色结晶，己内酰胺易吸潮，应储存于密闭容器中。4. 聚己内酰胺的制备在一封管（7）中加入3g己内酰胺，再用滴管加入单体质量1的蒸馏水。用纯氮置换封管中的空气，封闭管口。加上保护套后放入聚合炉，于250加热约5h。反应后期应得到极粘稠的熔融物。将封管从聚合炉内取出，任其自然冷却，管内熔融物即凝成固体，再打开封管，取出聚合物称重。五、结果与讨论1. 环己酮产量约67g。纯粹环己酮沸点为155.7，折光率n20D 1.4507。2. 环己酮肟熔点8990。3. 己内酰胺熔点6970，产量56g。六、注意事项（1）这里实际上是一种简化的水蒸汽蒸馏，环己酮与水形成恒沸混合物，沸点95，含环己酮38.4。（2）环己酮31时在水中的溶解度为2.4g100g。加入精盐的目的是为了降低环己酮在水中的溶解度，并有利于环己酮的分层。水的馏出量不宜太多，否则即使使用盐析，仍不可避免有少量环己酮溶于水而损失。（3）若此时环己酮肟呈白色小球状，则表示反应还未完全，须继续振摇。（4）由于重排反应剧烈进行，故使用大烧杯以利于散热，使反应缓和。环己酮肟的纯度对反应有影响。（5）己内酰胺的制备中，重排反应后用氨水中和时，开始要加得很慢，因为此时溶液较为粘稠，发热严重，否则温度突然升高，影响收率。（6）己内酰胺也可以用重结晶方法提纯：将粗产物转入分液漏斗，每次用10mL四氯化碳萃取3次，合并萃取液，用无水硫酸镁干燥后，滤入一干燥的锥形瓶。加入沸石后，在水浴上蒸去大部分溶剂，到剩下8mL左右为止。小心向溶液中加入石油醚（3060），到恰好出现浑浊为止。加热重新溶解后，将锥形瓶置于冰浴中冷却结晶，抽滤，用少量石油醚洗涤晶体。如加入石油醚的量超过原溶液体积的45倍仍未出现浑浊，说明开始所剩下的四氯化碳的量过多。须加入沸石后重新蒸去大部分溶剂直到剩余很少量四氯化碳时，再加入石油醚进行结晶。（7）在实验室中常使用金属制的高压釜进行高压反应。但在小量操作中（如小于50mL液体或几十克固体），更常用厚壁硬质玻璃封管，文献上称作Carius管或聚合管等，要求管壁厚薄均匀，无结疤、裂纹等缺陷。清洗 封管在使用前，需经碱洗、水洗和蒸馏水洗涤，并在烘箱中烘干。装料 常温下是气体的原料，可直接把浸在冷冻剂中的封管与原料容器相连接，或用蒸馏的方法加料，借封管上事先做好的记号计算体积来确定投料量（也可用称重法）。至于液体或固体的原料，可以用长颈漏斗加料，不使药品玷污封管的颈部，以免熔封时碳化影响封管的质量。脱气（或使用保护气体）和熔封 为了避免空气和湿气对反应的影响，往往在封管封闭前要做脱气或用惰性气体如纯氮置换管中的空气。对于极易挥发的原料，应让封管浸在冷冻剂中，接上三通活塞。三通活塞的另两个通路，一个接真空泵，另一个接保护气体瓶，轮番抽空和置换保护气体数次。关闭活塞，然后进行封闭。封闭手续 调节煤气喷灯，先用大而温度不高的黄色火焰加热封管的颈部，并转动封管使受热均匀。至刚呈钠的黄色火焰时，开大喷灯的空气阀，用高温的氧化焰把颈部端软化熔融，最后粘在一起，慢慢拉去末端。封闭这一动作不能快，否则封闭的尖端处太薄不安全可靠。然后再调小喷灯的空气阀，用黄色火焰退火，消除封端玻璃的内应力。慢慢放冷，然后将封管装入防护套中，放入加热炉反应。起封 封管受热后，因内容物的汽化或膨胀，内压很大，象是一个不安全的炸弹，因此把它从加热炉中取出时应先在防护套中放冷。操作者戴好手套，用有机玻璃保护好身体和面部，然后把封管尖嘴部位抽出防护套。用煤气喷灯高温小尖焰对准封管尖端烧，当玻璃软化时，管中过剩的压力会将管吹破。以后进行一般玻璃工操作。七、思考题（1）环己醇的氧化反应严格控制反应温度在5560之间，温度过高或过低有什么不好？（2）醛的氧化和酮的氧化在操作上有何不同？为什么？（3）在制备环己酮肟时，为什么要加入醋酸钠？（4）己内酰胺的制