实验八乙酰苯胺的制备

实验八乙酰苯胺的制备实验八乙酰苯胺的制备 一、实验目的 熟悉氨基酰化反应的原理及意义，掌握乙酰苯胺的制备方法； 进一步掌握分馏装置的安装与操作； 熟练掌握重结晶、趁热过滤和减压过滤等操作技术。 二、二、实验原理 乙酰苯胺的用途乙酰苯胺的用途： 乙酰苯胺，白色有光泽片状结晶或白色结晶粉末，是磺胺类药物的原料，可用作 止痛剂、退热剂（俗称“退热冰”） 、防腐剂和染料中间体。稳定性：在空气中稳定， 遇 酸或碱性水溶液易分解成苯胺及乙酸。由于芳环上的氨基易氧化，在有机合成中为了保 护氨基，往往先将其乙酰化转化为乙酰苯胺，然后再进行其他反应，最后水解除去乙酰基。 苯胺乙酰化的必要性苯胺乙酰化的必要性： （1）作为一种保护措施，将一级和二级芳胺（就是伯胺和仲胺）在合成中转化为其乙酰 衍生物，降低芳胺对氧化性试剂的敏感性，使其不被反应试剂破坏； （2）氨基经酰化后，降低了氨基在亲电取代反应（特别是卤化）中的活化能力，使其由 很强的第 I 类定位基变成中等强度的第 I 类定位，使反应由多元取代变为有用的一元取代； （3）由于乙酰基的空间效应，往往选择性地生成对位取代产物； （4） 在某些情况下， 酰化可以避免氨基与其它功能基或试剂 （如 RCOCl， SO2Cl， HNO2 等）之间发生不必要的反应； （5）作为氨基保护基的酰基基团可在酸或碱的催化下脱除。 芳胺的乙酰化试剂选择：芳胺的乙酰化试剂选择： 芳胺可用酰氯、酸酐或冰醋酸加热来进行酰化，反应活性是乙酰氯乙酐乙酸。使用 冰醋酸试剂易得，价格便宜，但需要较长的反应时间，适合于规模较大的制备。 酸酐一般来说是比酰氯更好的酰化试剂，用游离苯胺与纯乙酸酐进行酰化时，常伴有 二乙酰胺PhN(COCH3)2副产物的生成，如果在醋酸醋酸钠缓冲溶液中酰化，由于酸酐 水解速度比酰化速度慢得多， 可得到高纯度产物， 但此方法不适用于硝基苯胺和其它碱性很 弱的芳胺的酰化。 C6H5NH2 HCl C6H5NH3Cl (CH3CO)2O CH3CO2Na C6H5NHCOCH3 + CH3CO2HNaCl + 2 盐酸的作用：生成胺基正离子，降低了苯胺的亲核能力，减少副产物的生成。 【实验原理】【实验原理】 由于乙酰氯和乙酐的价格较贵，本实验选用纯的乙酸（俗称冰醋酸）作为乙酰化试剂。 反应式如下： H2O+ NHCOCH3 CH3COOH + NH2 冰醋酸与苯胺的反应速率较慢，且反应是可逆的，为了提高乙酰苯胺的产率，一般采 用冰醋酸过量的方法，同时利用分馏柱将反应中生成的水从平衡中移去。由于苯胺易氧化， 加入少量锌粉，防止苯胺在反应过程中氧化。 乙酰苯胺在水中的溶解度随温度的变化差异较大（20，0.46g；100，5.5g） ，因此生 成的乙酰苯胺粗品可以用水重结晶进行纯化。其操作流程如下： 苯胺冰醋酸锌粉 酰化分馏装置 馏出液 水乙酸（少量）乙酰苯胺苯胺乙酸杂质 加水搅拌析出结晶 过滤 抽滤装置 苯胺 乙酸水 乙酰苯胺粗品 液相固相 保温漏斗 脱色 热过滤 液相 固相 乙酰苯胺水 水溶性杂质 活性炭 有色杂质 冷却结晶 活性炭 过滤 固相液相 抽滤装置 水水溶性杂质 乙酰苯胺 【实验装置】 乙酰苯胺的重结晶乙酰苯胺的重结晶 固体有机物在溶剂中的溶解度一般随温度的升高而增大。 把固体有机物溶解在热的溶剂 中使之饱和，冷却时由于溶解度降低，有机物又重新析出晶体。利用溶剂对被提纯物质及杂 质的溶解度不同，使被提纯物质从过饱和溶液中析出。让杂质全部或大部分留在溶液中， 从 而达到提纯的目的。 重结晶只适宜杂质含量在 5%以下的固体有机混合物的提纯。从反应粗产物直接重结晶 是不适宜的，必须先采取其他方法初步提纯，然后再重结晶提纯。 重结晶提纯的一般过程为： （1） 将不纯的固体有机物在溶剂的沸点或接近沸点的温度下溶解在溶剂中， 制成接近饱 和的浓溶液。若固体有机物的熔点较溶剂沸点低，则应制成在熔点温度以下的饱和溶液； （2）若溶液含有色杂质，可加入活性炭煮沸脱色； （3）过滤此热溶液以除去其中的不溶性物质及活性炭； （4）将滤液冷却，使结晶自过饱和溶液中析出，而杂质留在母液中； （5）抽气过滤，从母液中将结晶分出，洗涤结晶以除去吸附的母液。所得的固体结晶， 经干燥后测定其熔点，如发现其纯度不符合要求，则可重复上述重结晶操作直至熔点达标。 重结晶的关键是选择适宜的溶剂，合适的溶剂必须具备以下条件： （1）不与被提纯物质发生化学反应； （2）在较高温度时能溶解多量的被提纯物质，而在室温或更低温度时只能溶解少量； （3） 对杂质的溶解度非常大或非常小， 前一种情况可让杂质留在母液中不随提纯物质一 同析出，后一种情况是使杂质在热过滤时被滤去； （4）溶剂易挥发，易与结晶分离除去，但沸点不宜过低； （5）能给出较好的结晶； （6）价格低、毒性小、易回收、操作安全。 当一种物质在一些溶剂中的溶解度太大， 而在另一些溶剂中的溶解度又太小， 同时又不 能找到一种合适的溶剂时，常可使用混合溶剂而得到满意的结果。 三、三、实验参数 名称分子量性状 密度 /g/cm3 熔点 / 沸点 / 溶解度 水油 苯胺93.12 无色油状 液体 1.02-6.2184.4微溶 易溶于乙醇、乙 醚等 乙酸60.05无色液体1.049216.6117.9易溶 易溶于乙醇、乙 醚和 CCl4 乙酰 苯胺 135.17 白色结晶 或粉末 1.2190114.3304 微溶于冷水， 溶 于热水 溶 【仪器试剂】 圆底烧瓶(100mL)刺形分馏柱直形冷凝管接液管量筒(10mL)温度计(200) 烧杯(250mL)吸滤瓶布氏漏斗电热套锥形瓶玻璃棒 苯胺冰醋酸锌粉活性炭 四、实验步骤 1酰化 在 100 mL 圆底烧瓶中加入新蒸馏过的苯胺 5 mL，冰乙酸 7.5 mL，锌粉 0.1 g，安装仪 器。用加热，使反应溶液在微沸状态下回流，调节加热温度，使柱顶温度 105左右，反应 约 6080min。反应生成的水及少量醋酸被蒸出，当柱顶温度下降或烧瓶内出现白色雾状时， 反应已基本完成，停止加热。 2结晶抽滤 在搅拌下，趁热将烧瓶中的物料以细流状倒入盛有 100mL 冰水的烧杯中，剧烈搅拌， 并冷却烧杯至室温，粗乙酰苯胺结晶析出，抽滤。用玻璃瓶子塞将滤饼压干，再用 510mL 冷水洗涤，再抽干。得到乙酰苯胺粗产品。 3重结晶 将此粗乙酰苯胺滤饼放入盛有 150mL 热水的锥形瓶中，加热，使粗乙酰苯胺溶解。若 溶液沸腾时仍有未溶解的油珠，应补加热水，直至油珠消失为止。稍冷后，加入约 0.2g 活 性炭，在搅拌下加热煮沸 12min，趁热用保温漏斗过滤或用预先加热好的布氏漏斗减压过 滤，将滤液慢慢冷至室温，待结晶完全后抽滤，尽量压干滤饼。产品放在干净的表面皿中晾 干，称重。计算产率。 五、五、实验注意事项 1久置的苯胺色深有杂质（暴露于空气中或在日光下变为棕色） ，会影响乙酰苯胺的质 量， 故最好用新蒸的苯胺。 另一原料乙酸酐也最好用新蒸的。 苯胺有毒， 苯胺有强致癌作用， 使用时要注意安全，有伤口的同学注意不要与伤口接触。 2加入锌粉的目的，是防止苯胺在反应过程中被氧化，生成有色的杂质。通常加入后 反应液颜色会从黄色变无色。 但不宜加得过多， 因为被氧化的锌生成氢氧化锌为絮状物质会 吸收产品。 3反应温度的控制：保持分馏柱顶温度不超过 105。开始时要缓慢加热，待有水生 成后，调节反应温度，以保持生成水的速度与分出水的速度之间的平衡。切忌开始就强烈加 热。 4因乙酰苯胺熔点较高，稍冷即会固化，因此，反应结束后须立即倒入事先准备好的 水中。否则凝固在烧瓶中难以倒出。 5本实验用水作重结晶的溶剂，其优点是价格便宜，操作简化，减少实验环境污染等， 又将用活性炭脱色与重结晶两个操作结合在一起，进一步简化了分离纯化操作过程。 6 不可用过量的水处理乙酰苯胺。 乙酰苯胺于不同温度在 100g 水中的溶解度为： 0.56g （25） 、3.5g（80） 、5.5g（100） ；乙醇：36.9g（20）甲醇：69.5g（20）氯仿：3.6g （20） 。乙酰苯胺在水中的含量为 5.2时，重结晶效率好，乙酰苯胺重结晶产率最大。 在 体系中的含量稍低于 5.2，加热到 83.2时不会出现油相，水相又接近饱和溶液，继续加 热到 100， 进行热过滤除去不溶性杂质和脱色用的活性炭， 滤液冷却， 乙酰苯胺开始结晶， 继续冷却至室温（20） ，过滤得到的晶体乙酰苯胺纯度很高，可溶性杂质留在母液中。一 个经验的办法是按操作步骤给出的产量 5g（初做的学生很难达到） ，估计需水量为 100mL， 加热至 83.2，如果有油珠，补加热水，直至油珠溶完为止。个别同学加水过量，可蒸发部 分水，直至出现油珠，再补加少量水即可。 7不应将活性炭加入沸腾的溶液中，否则会引起暴沸，会使溶液溢出容器。 8减压过滤：用布氏漏斗趁热过滤时，为了避免在漏斗中析出晶体，需用热水浴或蒸 气浴把漏斗预热，然后用来减压过滤。抽滤瓶也可同时预热。布氏漏斗中铺的圆形滤纸要剪 得比漏斗内径小，使其紧贴于漏斗的底壁。在抽滤前先用少量溶剂把滤纸润湿，然后打开水 泵将滤纸吸紧，防止固体在抽滤时从滤纸边沿吸入瓶中。布氏漏斗的斜口要远离抽气口， 用 玻璃棒引导将脱色后的固液混合物分批倒入布氏漏斗中抽滤。 过滤完成后， 关闭水泵前应先 将抽滤瓶与水泵间连接的橡皮管断开，以免水倒流入抽滤瓶内。 9滤饼的洗涤：把滤饼尽量抽干、压干，拔掉抽气的橡皮管，使恢复常压。把少量溶 剂均匀地洒在滤饼上，使溶剂恰能盖住滤饼。静置片刻，使溶剂渗透滤饼，待有滤液从漏斗 下端滴下时，重新抽气，再把滤饼抽干。这样反复几次，就可洗净滤饼。 10结晶的析出：结晶时，让溶液静置，使之慢慢地生成完整的大晶体，若在冷却过程 中不断搅拌则得较小的结晶。若冷却后仍无结晶析出，可用下列方法使晶体析出： 用玻璃棒摩擦容器内壁； 投入晶种； 用冰水或其他冷冻溶液冷却，如果不析出晶体而得油状物时，可将混合物加热到澄 清后，让其自然冷却至开始有油状物析出时，立即用玻璃棒剧烈搅拌，使油状物分散在溶液 中，搅拌至油状物消失为止，或加入少许晶种。 六、问题讨论 1乙酰苯胺制备实验为什么加入锌粉？锌粉加入量对操作有什么影响？ 答：苯胺易氧化，锌与乙酸反应放出氢，防止氧化。锌粉少了，防止氧化作用小，锌粉 多了，消耗乙酸多，同时在后处理分离产物过程中形成不溶的氢氧化锌，与固体产物混杂在 一起，难分离出去。 2乙酰苯胺重结晶时，制备乙酰苯胺热的饱和溶液过程中出现油珠是什么？它的存在 对重结晶质量有何影响？应如何处理？ 答：油珠是未溶解的乙酰苯胺。它的存在，冷却后变成固体，里面包夹一些杂质，影响 重结晶的质量。应该再补加些水，使它溶解，保证重结晶物的纯度。 3乙酰苯胺制备实验加入活性炭的目的是什么？怎样进行这一操作？ 答：目的是脱去产物中的有色物质。加入活性炭的量要适当，在较低温度下加入，然后 再加热煮沸几分钟，过滤出活性炭。 4在布氏漏斗中如何洗涤固体物质？ 答： 将固体物压实压平， 加入洗涤剂使固体物上有一层洗涤剂， 待洗涤剂均匀渗入固体， 当漏斗下端有洗涤剂滴下后，再抽空过滤，达到洗涤的目的，反复进行几次，即可洗净。 5乙酰苯胺制备用什么方法鉴定乙酰苯胺？ 答：用测熔点的方法鉴定乙酰苯胺，有条件的可作红外光谱。 6合成乙酰苯胺时，柱顶温度为什么要控制在 105C 左右？ 答：为了提高乙酰苯胺的产率，反应过程中不断分出产物之一水，以打破平衡，使反应 向着生成乙酰苯胺的方向进行。因水的沸点为 100C，反应物醋酸的沸点为 118C，且醋酸 是易挥发性物质，因此，为了达到即要将水份除去，又不使醋酸损失太多的目的，必需控制 柱顶温度在 105C 左右。 7合成乙酰苯胺时，为什么选用韦氏分馏柱？ 答：韦氏分馏柱的作用相当于二次蒸馏，用于沸点差别不太大的混合物的分离，合成乙 酰苯胺时， 为了把生成的水分离除去， 同时又不使反应物醋酸被蒸出， 所以选用韦氏分馏柱。 8加热溶解乙酰苯胺的重结晶的粗产物时，为何先加入计算量少的溶剂，然后渐渐添 加至刚好溶解，最后再多加少量溶剂？ 答：重结晶的溶剂要刚刚好将物质溶解，多加溶剂会使大量的物质溶在母液中。刚好多 一点是为了使物质更充分溶解，重结晶更纯净。 9为什么活性炭要在固体物质完全溶解后加入？ 答：活性炭是靠吸附分子来除杂质，没有溶解时，杂质分子包裹在未溶的物质中，不能 除杂。 10合成乙酰苯胺的实验是采用什么方法来提高产品产量的？ 答：(1)增加反应物之一的浓度(使冰醋酸过量一倍多)。(2)减少生成物之一的浓度(不断 分出反应过程中生成的水)。两者均有利于反应向着生成乙酰苯胺的方向进行。 11还可以用其它什么方法用苯胺制备乙酰苯胺？ 答：用苯胺与乙酰氯、乙酸酐进行酰化反应制备乙酰苯胺；或用苯乙酮先与盐酸羟胺作 用生成肟， 再在酸作用下进行贝克曼重排反应制备乙酰苯胺； 或用乙酸酯进行酯的苯胺解作 用可得。 12在重结晶操作中，必须注意哪几点才能使产品产率高，质量好？ 答： （1）正确选择溶剂； （2）溶剂的加入量要适当； （3）活性炭脱色时，一是加入量要适当，二是切忌在沸腾时加入活性炭； （4）吸滤瓶和布氏漏斗必需充分预热； （5）滤液应自然冷却，待有晶体析出后再适当加快冷速度，以确保晶形完整； （6）最后抽滤时要尽可能将溶剂除去，并用母液洗涤有残留产品的烧杯。 13试计算重结晶时留在母液中的乙酰苯胺的量。 答：假设在室温 25时用 100 mL 水对 4.5 g 乙酰苯胺重结晶，25时乙酰苯胺在水中 的溶解度是 0.563g，于是在室温 25时，经过重结晶抽滤后得到 100mL 母液，100mL 母液 中溶解 0.563g 乙酰苯胺处于饱和状态，即留在母液中的乙酰苯胺的量为 0.563g。就是说要 有 0.563g 乙酰苯胺不能沉淀析出，只能析出 4.5g-0.563g=3.937g，重结晶能得到的产物质量 最多为 3.937g，即重结晶的最大收率为 3.937/4.5100%=87.5%。 14从苯胺制备乙酰苯胺时