任德財，杜宇虹，趙冬梅，張宏坤，劉　宇

(黑龍江東方學(xué)院　食品與環(huán)境工程學(xué)部，哈爾濱　150086)

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研究性實驗：雙酚A的合成與分析

任德財，杜宇虹，趙冬梅，張宏坤，劉宇

(黑龍江東方學(xué)院食品與環(huán)境工程學(xué)部，哈爾濱150086)

將“雙酚A的合成與分析”設(shè)計為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的研究性實驗。利用FTIR、DSC、HPLC對產(chǎn)物進行了表征，并探究了投料比例、硫酸濃度、反應(yīng)溫度對實驗結(jié)果的影響。三屆學(xué)生的教學(xué)實踐表明，該實驗設(shè)計合理，能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的獨立實驗?zāi)芰桶l(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，可以進一步推廣。

雙酚A；研究性實驗；實驗教學(xué)改革；應(yīng)用化學(xué)研究性實驗

研究性實驗可以使學(xué)生利用所學(xué)的理論知識，在充分利用實驗室資源的基礎(chǔ)上，設(shè)計實驗并探究科學(xué)問題，對學(xué)生綜合素質(zhì)的提高、創(chuàng)新意識的培養(yǎng)具有一定的意義[1-3]。

現(xiàn)代儀器分析技術(shù)是化學(xué)學(xué)科研究和生產(chǎn)中不可或缺的手段。對于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，要了解化學(xué)領(lǐng)域中常用儀器的結(jié)構(gòu)、原理、制樣、譜圖解析、數(shù)據(jù)處理等基本知識，還要將這些方法綜合應(yīng)用，不斷提高專業(yè)素質(zhì)與技能[4-5]。

雙酚 A 是一種重要的精細化工原料，作為中間體被廣泛用于聚碳酸酯、聚苯醚樹脂、聚砜樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等高分子材料的生產(chǎn)中，也被用于增塑劑、抗氧劑、防老劑、穩(wěn)定劑、涂料、農(nóng)藥等精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)中，對新型合成材料的制備、應(yīng)用和開發(fā)具有重要意義[6-7]。

因此，我們在本科教學(xué)中開展“雙酚A的合成與分析”研究型實驗，使學(xué)生可以掌握雙酚A的合成方法，了解FTIR、DSC、HPLC的基本原理和操作要求，培養(yǎng)生分析問題和解決問題的能力。幾年來，我們增加了該實驗的課時，補充了師資，購置了儀器。經(jīng)過一系列的改革，該綜合實驗取得了良好的教學(xué)效果，為學(xué)生從事化學(xué)化工行業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。

1　實驗原理與設(shè)計思路

雙酚A的合成是在催化劑的作用下，兩當(dāng)量的苯酚與一當(dāng)量的丙酮進行縮合反應(yīng)而制得的，其實驗結(jié)果的影響因素主要有投料的比例、催化劑的用量、反應(yīng)的溫度和反應(yīng)的時間等。本實驗采用硫酸法，即苯酚與丙酮在硫酸的催化下縮合脫水，生成雙酚A[8]，其反應(yīng)式如圖1所示。由于實驗課程時間不宜過長，因此讓學(xué)生探究投料比例、硫酸濃度、反應(yīng)溫度三個主要因素對實驗結(jié)果的影響規(guī)律。

圖1　雙酚A的反應(yīng)式

學(xué)生每2人一小組，每組配方不同(見表1)，每1～9小組組成一個團隊，實驗完成后將實驗結(jié)果匯總，進行表征與分析，完成實驗報告。其過程按圖2所示進行。

表1　實驗結(jié)果計算及分析

圖2　開展研究性實驗的流程圖

2　實驗步驟

3　產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)表征

化合物在合成過程中最重要的一個環(huán)節(jié)是對產(chǎn)品進行表征，證明合成出來的物質(zhì)就是所設(shè)計的化合物。如果熔點符合，液相色圖譜出峰唯一，紅外圖譜與標準圖譜相一致即可判定合成出的化合物就是目標產(chǎn)物。親自動手制備紅外溴化鉀壓片，液相及DSC樣品的前處理，操作分析儀器，并利用圖譜表征產(chǎn)品，是在基礎(chǔ)化學(xué)實驗中接觸不到的。同時，要求學(xué)生對譜圖進行分析，使學(xué)生認識到儀器分析在有機化學(xué)合成中的重要性，在實踐中提高學(xué)生認識譜圖和解析譜圖的能力。

3.1產(chǎn)品的純度分析

圖3　產(chǎn)物的高效液相譜圖

圖4是產(chǎn)物的DSC曲線，其樣品量為3～5 mg，升溫速度為10 ℃/min，氣氛為氮氣，溫度范圍為室溫～200 ℃。由圖4可以看出，曲線上只有一個銳峰，沒有其他的雜峰出現(xiàn)，且峰寬較窄，產(chǎn)物的熔點為160.93 ℃，與文獻中給出的雙酚A的熔點值159～160 ℃幾乎相同[10]。基本可以確定產(chǎn)物為雙酚A。

圖4　產(chǎn)物的DSC曲線

3.2產(chǎn)品的紅外光譜分析

紅外測試時，測定波數(shù)范圍為500～4 000 cm-1，測定反應(yīng)后產(chǎn)品的紅外光譜如圖5所示。通過與文獻中的標準譜圖對比發(fā)現(xiàn)，實驗產(chǎn)品的紅外譜圖與標準譜圖一致。圖5中，主要吸收峰:3 300～3 400 cm-1為O-H 鍵的伸縮振動峰；2 800～3 000 cm-1為C-H 鍵的伸縮振動峰；1 450～1 600 cm-1為單核芳環(huán)骨架C-C 的伸縮振動峰；1 020～1 275 cm-1為C-O 鍵的伸縮振動峰；750～1 200 cm-1為在C-C 鍵的伸縮振動峰。從而證明合成的產(chǎn)物是雙酚A[10]。

圖5　雙酚A的紅外光譜圖

4　結(jié)果與討論

對于一個化學(xué)反應(yīng)來講，投料的比例、催化劑的用量、反應(yīng)的溫度和反應(yīng)的時間是影響實驗結(jié)果的重要因素，學(xué)生在以往的實驗中，只知道控制這些因素，但多數(shù)情況下對為何要控制好這些參數(shù)并沒一個很好的理解，對實驗可能出現(xiàn)的一些現(xiàn)象沒有一定理性的判斷。通過研究性實驗，可以使學(xué)生對知識的理解從感性認識上升到理性認識，提高了學(xué)生的分析能力。

4.1投料比例對結(jié)果的影響

由表1可知，在制備雙酚A的過程中，苯酚過量會得到較多的產(chǎn)物。這是因為苯酚與丙酮等當(dāng)量反應(yīng)時，熔融的苯酚在取用過程中會因溫度降低，苯酚凝固，產(chǎn)生損失。若操作不當(dāng)可能會導(dǎo)致丙酮過量，過量的丙酮會與雙酚A 發(fā)生反應(yīng)，生成色滿化合物，減少了雙酚A的生成。同時，若丙酮過量，在水洗過程中易引起乳化，致使反應(yīng)失敗。因此提高投料比為3∶1時，使苯酚略過量有利于提高產(chǎn)率，同時減少了因操作失誤帶來的實驗失敗。

4.2硫酸濃度對結(jié)果的影響

4.3反應(yīng)溫度對結(jié)果的影響

實驗過程中的溫度選擇是有機化學(xué)中的化學(xué)反應(yīng)的重要參數(shù)。由表1可知，反應(yīng)溫度為40 ℃時，色滿化合物少，收率較高。溫度提高到60 ℃后，色滿化合物增多，同時增大了丙酮的揮發(fā)。因此雙酚A合成時，溫度選取40 ℃為宜。

5　結(jié)束語

在雙酚A的合成實驗中，采用了探究式的教學(xué)方法進行實驗教學(xué)，并將現(xiàn)代分析儀器引入到實驗中，將所學(xué)的理論知識與實驗技術(shù)融會貫通，培養(yǎng)了學(xué)生在實踐中研究問題、分析問題和解決問題的能力以及良好的科學(xué)道德和團隊精神等。

經(jīng)過多年的改革，本研究性實驗已應(yīng)用于本科教學(xué)中，教學(xué)效果良好。

[1]徐瑜，徐偉明，周晶.魔芋精粉中葡甘露聚糖含量的測定——開放性化學(xué)實驗探索[J].大學(xué)化學(xué)，2011，26(3)：58-61.

[2]李文杰.開放實驗室教學(xué)模式探索及實踐[J].重慶工學(xué)院學(xué)報，2006，20(6)：157-159.

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[4]郭斌，銀鵬，高勇，等.綜合性實驗——純凈水與果汁瓶材料的剖析[J].高分子通報，2003(3)：66-69.

[5]任德財，趙冬梅，杜宇虹，等.介紹一個綜合性實驗——可樂瓶材料的認知與剖析[J].高分子通報，2013(7)，84-88.

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Comprehensive Teaching Experiment for Undergraduate of Applied Chemistry

REN Decai，DU Yuhong，ZHAO Dongmei，ZHANG Hongkun，LIU Yu

(Department of Food and Environment Engineering，Heilongjiang East University，Harbin 150086，China)

A comprehensive teaching experiment for undergraduate of applied chemistry was designed in this paper.Through FT-IR，DSC and HPLC analysis，the production was determined，then the effect of factors on experiment results was studied.It showed that the experimental design was reasonable and can fully stimulate the students’ enthusiasm as well as effectively cultivate students’ abilities of discovery，understand and solve problems independently.Effective teaching performance was obtained.It is worthy of further promotion.

bisphenol A; comprehensive; experimental teaching reform; applied chemistry

2014-08-17；修改日期: 2014-10-29

黑龍江東方學(xué)院高等教育教學(xué)改革項目(HDJG13005)。

任德財(1982-)，男，博士生，講師，主要從事特種與高性能高分子材料方面的研究。

G642 0

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10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.005