有机化学综合实验

有机化学综合实验α-苯乙胺的制备与拆分姓名：学号：班级：指导老师：罗梅实验室：5#实验楼401、403、404、406日期：2013.7.4～7.6有机化学综合实验任务书实验题目α-苯乙胺的制备与拆分指导教师罗梅学号/姓名/班级内容要求1、查阅资料，提出合理可行的实验方案及实验步骤；2、列出所需仪器及药品〔规格及用量〕清单；3、实验开始前提交设计方案；4、实验结束提交实验报告。实验路线〔方案〕苯乙酮 氮甲酰苯乙胺 氯化-2-氨基苯乙胺 α-苯乙胺实验步骤+2HCOONH+2HCOONH4-C-CH3O=CH3-CH-NHCHO+NH3↑+CO2↑+H2OCH3-CH-NHCHO+HCl+H2O+CH3-CH-NH3Cl-+HCOOH+CH3-CH-NH3Cl-+NaOHCH3-CH-NH2+NaCl+H2O仪器清单圆底烧瓶、三口烧瓶、球型冷凝管、直型冷凝管、空气冷凝管、烧杯、锥形瓶、蒸馏头、牛角管、分液漏斗、温度计、电热套、玻璃棒、滴管、量筒、布氏漏斗、抽滤瓶、蒸发皿、玻璃小漏斗、旋光仪等。药品清单苯乙酮、甲酸铵、氯仿、甲苯、浓HCl，25％NaOH溶液、固体NaOH、(±)-α-苯乙胺、(+)-酒石酸、甲醇、乙醚、50％氢氧化钠溶液、无水氯化钙、浓硫酸、丙酮、滤纸、沸石。参考资料复旦大学，兰州大学化学系有机化学教研室编.有机化学实验(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1994杨善中等，根底化学实验[M]，北京：化学工业出版社，2009-02。LeuckartandBach,Ber,1886,19,2128VincentJ.webers,WiuianF.Brwce.J.org.chem.1984.70;1442-1423实验目的了解α-苯乙胺的制备与拆分技术；了解重结晶、水蒸气蒸馏等操作技术；熟悉查文献的方法及如何写实验报告；培养良好的科学态度及严谨的工作作风。实验原理α-苯乙胺的制备醛、酮与甲酸和氨〔或伯、仲胺〕，或与甲酰胺作用发生复原胺化反响，称为鲁卡特〔Leuchart〕反响。反响通常不需要溶剂，将反响物混合在一起加热〔100～180℃〕即能发生。选用适当的胺〔或氨〕可以合成伯、仲、叔胺。反响中氨首先与羰基发生亲核加成，接着脱水生成亚胺，亚胺随后被复原生成胺。与复原胺化不同，这里不是用催化氢化，而是用甲酸作为复原剂。它是由羰基化合物合成胺的一种重要方法。本实验是苯乙酮与甲酸铵作用得到外消旋体(±)-α-苯乙胺。HCOONH4HCOOH+NH3HCOONH4HCOOH+NH3C=O+NH3-H2OC—OHNH2C=NHNH4++C=NH2+C=NH2-O-C-H+O=H-C-NH2+CO2依照前面的机理生成的α-苯乙胺再与过量的甲酸形成甲酰胺，经酸水解形成铵盐，再用碱将其游离，得到α-苯乙胺。+2HCOONH+2HCOONH4-C-CH3O=CH3-CH-NHCHO+NH3↑+CO2↑+H2OCH3-CH-NHCHO+HCl+H2O+CH3-CH-NH3Cl-+HCOOH+CH3-CH-NH3Cl-+NaOHCH3-CH-NH2+NaCl+H2Oα-苯乙胺的旋光异构体可作为碱性拆分剂用于拆分酸性外消旋体。α-苯乙胺是制备精细化学品的一种重要中间体，它的衍生物广泛用于医药化工领域，主要用于合成医药、染料、香料乳化剂等。α-苯乙胺的拆分由一般合成方法得到的手性化合物为等量的对映体组成的外消旋体，无旋光性。假设要得到纯洁左旋体或右旋体，需要使用某种方法将它们分开。用某种方法将外消旋体分开成纯的左旋体和右旋体的过程称为外消旋体的拆分。由于对映异构体除旋光性不同外，具有相同的物理和化学性质，用一般的蒸馏、结晶、色谱别离等方法难于将其别离。目前，拆分外消旋体最常用的方法是利用化学反响把对映体变为非对映体：利用外消旋混合物内含有一个易于反响的基团——拆分基团，如羧基或氨基等，可以使它与一个纯的旋光化合物——拆分剂发生反响，从而把一对对映体变成两种非对映体。由于非对映体具有不同的物理性质，便可采用常规的别离手段分开。然后经过一定的处理，去掉拆分剂，最后，得到纯的旋光化合物，到达拆分的目的。常用的拆分剂有：马钱子碱、奎宁和麻黄素等旋光纯的生物碱用来拆分外消旋的有机酸；酒石酸、樟脑磺酸、苯乙醇酸等旋光纯的有机酸用来拆分外消旋的有机碱。外消旋的醇通常先与丁二酸酐或邻苯二甲酸酐作用形成单酯，用旋光纯的碱把单酯分开，再经碱性水解得到单个的旋光性的醇。利用具有光学活性的吸附剂，通过柱层析把一对光学活性对映体拆开：一对光学活性对映体和一个光学活性吸附剂形成两个非对映的吸附物，它们被吸附剂吸附的强弱不同，可用适当的溶剂分别把它们淋洗出来。外消旋α-苯乙胺属碱性外消旋体，可用酸性拆分试剂进行拆分，本实验用D-(+)-酒石酸为拆分剂。具有光学活性的D-(+)-酒石酸广泛存在于自然界。在酿酒中所获得的一系列副产物中就有D-(+)-酒石酸。外消旋α-苯乙胺用D-(+)-酒石酸处理时产生的两个非对映体的盐在甲醇中的溶解度有明显差异，由于(-)-α-苯乙胺和(+)-酒石酸所形成的盐在甲醇中的溶解度比(+)-α-苯乙胺和(+)-酒石酸所形成的盐小。足以用分步结晶的方法将它们别离开。因此，前者从溶液中先结晶析出，经稀碱处理，即可得到(-)-α-苯乙胺。母体中所含的(+)-α-苯乙胺·(+)-酒石酸盐经过类似的处理，也可得到(+)-α-苯乙胺。在实际工作中，要得到单个旋光纯的对映体，并不是件容易的事情，往往需要冗长的拆分操作和反复的重结晶才能完成。而要完全别离也是很困难的。常用光学纯度表示被拆分后对映体的纯洁程度，它等于样品的比旋光度除以纯对映体的比旋光度。光学纯度〔OP〕＝×100%外消旋α-苯乙胺的拆分过程如下所示：((±)-α-苯乙胺(+)-酒石酸(-)-α-苯乙胺(+)-α-苯乙胺蒸馏乙醚萃取①通过甲醇分步结晶别离非对映体混合物+NaOHNaOH结晶乙醚萃取(-)-C6H5CH-NH3·(+)OOCCH-CHCOOHOHHOCH3-+(+)-C6H5CH-NH3·(+)OOCCH-CHCOOHOHHOCH3-+(-)-C6H5CH-NH3·(+)OOCCH-CHCOOHOHHOCH3-+(+)-C6H5CH-NH3·(+)OOCCH-CHCOOHOHHOCH3-+(-)-C6H5CH-NH2+(+)NaOOCCH-CHCOONaOHHOCH3(+)-C6H5CH-NH2+(+)NaOOCCH-CHCOONaOHHOCH3乙醚溶液水溶液(+)-酒石酸蒸馏乙醚溶液水溶液(+)-酒石酸母液②抽滤研究进展近些年来，对手性化合物的研究日益增加，有利用脂肪酶拆分外消旋a-苯乙胺，它是目前生产光学纯a-苯乙胺的重要方法。手性底物的对映体以不同方式定向和结合到酶活性中心，这一事实可以作为改变对映体选择性的依据。目前被普遍接受的是立体特异性口袋理论，在酶的立体结构中存在着一个氧负离子空洞，称为“活性口袋”，这个活性口袋是有几个氢键供体构成的，主要是酶骨架及其侧链中酰胺的质子。而决定脂肪酶底物选择性的最重要因素正是活性口袋的空间限制和疏水性质及其四面体中间体的稳定性。另一研究领域为超声辐射Pd/C催化合成a-苯乙胺，采用Pd/C催化剂，无水甲醇做溶剂，研究了超声波辐射下苯乙酮与甲酸胺反响制备a-苯乙胺的反响，考察了反响摩尔比、反响温度、反响时间、Pd/C用量、辐射功率对反响的影响并优化了反响工艺。结果说明：在超声波辐射下，甲酸铵与苯乙酮的摩尔比为2:1，10﹪Pd/C与苯乙酮的质量为1:10、水和甲醇的体积比为1:9,常压40℃反响30分钟，a-苯乙胺的收率为80.2％，实验的重复性良好，Pd/C易别离回收。鲁卡特〔Leuchart〕反响的改良方面:研究了，a-苯乙胺的微波合成及其影响因素。结果说明：采用微波辐射法合成a-苯乙胺，较常规加热合成相比，使反响物摩尔比更接近理论比，降低了反响物用量〔甲酸铵与苯乙酮摩尔比从3:8:1降至2:6:1〕，缩短了反响时间(从3小时降到2小时)，降低了反响温度〔从185℃降至165℃〕，产率可达44.5％—46.93％。这是很大的一个改良。四、实验内容1.实验装置图〔1〕α-苯乙胺的制备简单蒸馏装置 微沸回流装置水蒸气蒸馏装置空气蒸馏装置分液装置α-苯乙胺的拆分水浴蒸馏装置 空气蒸馏装置分液装置实验流程图(1)α-苯乙胺的制备(2)α-苯乙胺的拆分实验步骤7月4日实验目的、实验原理、实验操作讲解，对α-苯乙胺进行制备。时间实验步骤实验现象备注10:47安装实验所需装置11:07在100ml蒸馏瓶中参加11.7ml苯乙酮、20g甲酸铵和几粒沸石，蒸馏头的上口装入插入瓶底的温度计，连接成蒸馏装置，小心并开始加热。11:20加热混合物至150-155℃固体甲酸铵开始熔化并分为两相，后逐渐变为均相11:27继续加热至反响物剧烈沸腾。继续缓慢加热至温度到达185℃后，停止加热。通常需1.5h，冷凝管上有碳酸铵晶体析出，馏出物分层温度控制在185℃，不能超过185℃12:22将馏出物转入分液漏斗，别离出苯乙酮倒入反响瓶继续加热温度控制在185℃，不能超过185℃13:20加热完毕，冷却至室温，反响物转入分液漏斗，以15ml水洗，水层每次用6ml氯仿萃取，萃取两次，合并萃取液同粗产品一同倒回反响瓶得到棕黄色的N-甲酰-a-苯乙胺粗产品水洗目的是除去甲酸铵和甲酰胺，14:24向反响瓶中参加12ml浓盐酸和几粒沸石，加热，保持微沸状态，回流30-40分钟反响液颜色加深装置换为回流装置15:00换为蒸馏装置，加热蒸出所有氯仿反响液呈红棕色15:27不再有氯仿蒸出，停止加热，将反响物冷却至室温15:33将反响物每次用6ml氯仿萃取3次上层：水层下层：粘稠状液体分层现象15:45合并萃取液倒入指定容器回收氯仿，水层转入100ml三口烧瓶，置冰浴中，参加适量NaOH溶液NaOH溶液配制：在有20ml水的小锥形瓶中缓慢参加10gNaOH，振荡使之完全溶解16：00连接好蒸馏装置，在分液漏斗中参加50ml水准备水蒸气蒸馏装置连接完毕，检查其密闭性，待次日继续实验7月5日继续α-苯乙胺的制备实验，准备α-苯乙胺的拆分实验.时间实验步骤实验现象备注10:00加热，开始水蒸气蒸馏用pH试纸检验馏出液，开始为碱性加热三口烧瓶，至沸腾，再用滴液漏斗一滴一滴参加水进行水蒸气蒸馏11:00分液漏斗中水滴完，往里添加30.00ml水pH仍偏碱，为911:40收集馏出液，停止加热蒸馏镏出液pH=7左右11:53将镏出液每次用10ml甲苯萃取，萃取3次合并萃取液，参加粒状NaOH枯燥并封瓶口12:05将枯燥的甲苯溶液转入100ml圆底烧瓶进行蒸馏收集180～190℃馏分13:57蒸馏完毕，停止加热得产品3.2ml14:15准备α-苯乙胺的拆分实验14:20在250ml锥形瓶中参加6.3g〔+〕-酒石酸和甲醇90ml，搅拌使酒石酸完全溶解14:27在上述溶液中边搅拌边参加5.4mlα-苯乙胺，冷却至室温白色磷状晶体析出14:32将锥形瓶塞住，放入冰箱，冷冻24h以上7月6日时间实验步骤实验现象备注10:00取出锥形瓶，抽气过滤，并用少量冷甲醇洗涤枯燥得到〔-〕-胺〔+〕-酒石酸盐取出时，锥形瓶内析出棱状白色晶体因量太少，三组合并必须得到棱状晶体，这是实验成功关键10:20将合并后的〔-〕-胺〔+〕-酒石酸盐置于250ml锥形瓶中，参加10ml水，搅拌，局部结晶溶解，参加5ml50%NaOH，搅拌混合物至固体完全溶解10:32将溶液转入分液漏斗，用15ml乙醚萃取2次，合并乙醚萃取液，并用无水CaCl2枯燥，水层倒入指定容器中回收10:54将枯燥后的乙醚溶液用滴液漏斗转入25ml圆底烧瓶中，水浴蒸去乙醚，然后换空气冷凝管蒸馏，收集180～190℃馏分产物澄清产物3.5ml，转入容量瓶中，贴上标签，准备测定比旋光度五、实验结果和讨论1.产品与产率〔1〕制备的过程中得α-苯乙胺3.2mlα-苯乙胺的相对分子质量为121.18，密度为0.9395g/ml，那么得其质量为3.2ml×0.9395g/ml=3.01g理论产值计算：苯乙酮相对分子质量为120.15，密度为1.0281g/ml，用量11.7ml.α-苯乙胺理论产量：m=[(1.0281g/ml×11.7ml)/120.15]×121.18=12.13g∴产率W=〔3.01/12.13〕×100%=24.81%拆分S-(-)-α-苯乙胺质量m1=2.5958g，R-(+)-α-苯乙胺质量m2=0.8330g，比旋光度α[标]=-39.5比旋光度的测定〔南区做〕测得S-(-)-α-苯乙胺的旋光度为α1=-2.08R-(+)-α-苯乙胺的旋光度为α2=-0.75S-(-)-α-苯乙胺的比旋光度α1[实]===10.02R-(+)-α-苯乙胺的比旋光度α2[实]===11.25S-(-)-α-苯乙胺的光学纯度e.e%=α1[实]/α[标]=(10.02/39.5)×100%=25.37%R-(+)-α-苯乙胺的光学纯度e.e%=α2[实]/α[标]=〔11.25/39.5〕×100%=28.48%2.实验结果讨论〔1〕产率较低。由于在实验过程中，不可防止的会有一些质量上的损失，例如:在分液的过程中放的液体过多，在萃取的过程中萃取并不很完全，在蒸馏过程中蒸馏的时间不充分，蒸馏不完全；反响温度较高，造成产率低。.本实验要严格的控制反响温度，如果温度过高，可能导致局部碳酸铵凝结在冷凝管中，因此温度不宜超过185℃.苯乙酮与甲酸铵反响后要用水洗涤以除去反响体系中过量的甲酸铵。反响过程中要用溶剂对水解溶液进行萃取是因为水解溶液中含有局部α-苯乙胺。用苯乙酮与甲酸铵在常压下回流数小时合成,时间较长,能量消耗大。本实验采用的酒石酸法拆分出的产物纯度比拟高但存在一些缺点：①反响时间长；②酒石酸对R，S-n一苯乙胺的拆分过程复杂，以得到R一(+)一d一苯乙胺为例，需要经过溶解、萃取、减压蒸馏、重结晶两次、再溶解、再萃取、再减压蒸馏才能R一(+)一n一苯乙胺；③酒石酸作拆分剂时，R，S—a一苯乙胺的单一对映体的收率很低，仅为44％，而且酒石酸回收不方便，这样会使本钱提高很多。Leuckart反响的优缺点及评价1.缺点：温度太高，步骤太多，产率不高；优点：不用加催化剂。评价：醛或酮与氨反响形成QUOTE-氨基醇，QUOTE-氨基醇继而脱水成亚胺，亚胺经催化加氢转变为胺，这是有羧基化合物合成胺的一种重要方法。如果用甲酸作复原剂来代替H2/Ni，那么这个复原氨化过程