周曉玉,陳 霞

(六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院,貴州 六盤水 553004)

“科教融合，育未來科學(xué)人”的戰(zhàn)略在高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和啟迪專業(yè)思維的一種有效途徑，是實現(xiàn)科教融合的關(guān)鍵[2]。在科研反哺教學(xué)的指導(dǎo)思想下，持續(xù)深化本科教學(xué)改革，每一位教育工作者都應(yīng)該盡自己的綿薄之力，為教育事業(yè)的進步和民族復(fù)興的偉大戰(zhàn)略做出努力[3-7]。

有機化學(xué)實驗教學(xué)中，缺乏新型的、實用性強的合成實驗項目。目前，酯類化合物的制備實驗主要采用的方法是羧酸及其衍生物和醇、酚在強酸的催化下合成相應(yīng)的羧酸酯，實驗項目簡單、陳舊，不能夠體現(xiàn)現(xiàn)代有機合成的趨勢。教學(xué)團隊將科研成果引入實驗教學(xué)課堂，開發(fā)了具有前沿性、實用性的“乙酸苯酯的制備”實驗項目。

1 設(shè)計思路

酯類化合物常以乙酸酐、乙酰氯、乙酸和醇發(fā)生酯化反應(yīng)制備，但羧酸芳基酯的制備相對較困難[8-15]。乙酸苯酯是重要的藥物中間體，它可以轉(zhuǎn)化為鄰羥基苯乙酮和對羥基苯乙酮的混合物，可以治療黃疸型肝炎、膽囊炎等疾病[15]。為了增加實驗項目的實用性，教學(xué)團隊以乙酸苯酯的合成方法進行研究。

根據(jù)“堿催化羧酸芳基酯制備”的科研成果[16]，經(jīng)實驗可操作性和安全性驗證后，并進一步設(shè)計使其可作為本科實驗教學(xué)項目。通過將科學(xué)研究成果與教學(xué)有機的結(jié)合，有效促進學(xué)生專業(yè)思想的建立，提升學(xué)生的專業(yè)自豪感，同時激勵教師對教育事業(yè)的熱愛，教學(xué)相長，從而提高實驗教學(xué)效果。

2 實驗研究與結(jié)果

2.1 實驗原理

酸酐、酰鹵、羧酸可以與醇或酚發(fā)生酯化反應(yīng)，獲得相應(yīng)的酯類化合物，但常伴隨副產(chǎn)物的產(chǎn)生。其中，酸酐和酰鹵的活性較高，官能團兼容性較差；羧酸反應(yīng)活性相對較低，一般需要濃硫酸等強酸為催化劑，且只適用于醇的酯化，不能通過羧酸與酚反應(yīng)制備羧酸芳基酯。

在碳酸鈉的催化作用下，以乙腈作為溶劑，苯酚與羧酸乙烯酯在加熱回流的條件可以合成乙酸苯酯，如圖1。

圖1 合成乙酸苯酯的反應(yīng)方程式

為了提高乙酸苯酯的產(chǎn)率，反應(yīng)可以通過加入過量乙酸乙烯酯或適當延長反應(yīng)時間來促進酚完全反應(yīng)。

2.2 實驗研究

2.2.1 條件優(yōu)化與結(jié)果

綜合經(jīng)濟性、實驗項目可操作性、安全性等因素，結(jié)合科研所取得的結(jié)果，選擇苯酚為基礎(chǔ)原料、以乙酸乙烯酯為?；噭M行實驗項目開發(fā)。

首先對催化劑進行了優(yōu)化，見表1。在催化劑優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，無催化劑存在條件下，苯酚與乙酸乙烯酯不能發(fā)生酯化反應(yīng)。隨后，分別對甲酸鈉、三乙胺、碳酸鉀、碳酸鈉及其用量進行了考察，結(jié)果表明，碳酸鈉是最佳的催化劑。經(jīng)對碳酸鈉用量考察發(fā)現(xiàn)，碳酸鈉摩爾分數(shù)20%是最佳催化劑用量。

表1 催化劑優(yōu)化

在確定最佳催化劑的基礎(chǔ)上，開展溶劑條件優(yōu)化，見表2。研究發(fā)現(xiàn)，甲苯、1,4-二氧六環(huán)、乙醇、四氫呋喃等溶劑中，反應(yīng)產(chǎn)率均有不同程度降低，因此乙腈是此反應(yīng)的最佳溶劑。

表2 溶劑優(yōu)化

2.2.2 實驗步驟

經(jīng)反應(yīng)條件優(yōu)化和多次實驗驗證，確定了由苯酚和乙酸乙烯酯制備乙酸苯酯的操作條件和步驟。

(1)合成乙酸苯酯的步驟

①室溫下，向干燥的50 mL圓底燒瓶中加入苯酚0.38g、乙腈30mL和碳酸鈉0.09g，組裝回流裝置，在加熱型磁力攪拌器中回流4h左右。

②用薄層層析色譜監(jiān)測反應(yīng)情況(并記錄原料和產(chǎn)物的Rf值，并分析是否存在副產(chǎn)物)，盡量控制苯酚完全反應(yīng)。

③反應(yīng)結(jié)束，撤掉加熱裝置，冷卻至室溫。

(2)后處理過程

①將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至干燥的100mL圓底燒瓶中，加入硅膠(100-200目)1.0～2.0g后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至干。

②用柱層析法分離產(chǎn)物：濕法裝柱，干法裝樣，柱層析硅膠用量10-15g，洗脫劑為石油醚/乙酸乙酯。用薄層層析色譜分析和判斷洗脫過程，并依次接收洗脫液。

③將產(chǎn)物溶液合并于另一個干燥的50 mL的圓底燒瓶中，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮后，真空干燥。

④干燥完全后，稱重，計算反應(yīng)產(chǎn)率。

2.3 實驗注意事項

(1)原料的用量和比例

①為了實現(xiàn)反應(yīng)的半微量化，不宜大幅度提高原料的投入量。

②控制催化劑的投入量(摩爾分數(shù))在20%～30%。

(2)操作方法

①由于乙酸乙烯酯沸點相對較低，故回流反應(yīng)時需通入冷凝水充分冷卻。

②在投料和反應(yīng)過程中，避免引入大量水分，否則將影響反應(yīng)產(chǎn)率。

③反應(yīng)液濃縮時，確保溶劑盡量旋出，以避免對后續(xù)柱層析分離操作造成干擾，影響分離效果。

3 結(jié)語

教學(xué)團隊開發(fā)的“乙酸苯酯的制備”實驗項目反應(yīng)條件溫和，所用試劑用量小，實驗成本低，實現(xiàn)了半微量化和資源節(jié)約化。同時，將薄層層析色譜和柱層析色譜融入合成實驗項目中，有助于學(xué)生基本操作技能和綜合實驗技能的提高。

通過將“堿催化羧酸芳基酯制備”的科研成果帶入有機化學(xué)實驗教學(xué)中，重視對學(xué)生學(xué)科前沿的引導(dǎo)教育，融科學(xué)研究引導(dǎo)和專業(yè)思想教育于教學(xué)實踐中，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)意識，啟迪其專業(yè)思維。同時，提升了學(xué)生專業(yè)學(xué)習熱情和專業(yè)忠誠度，有效的提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，尤其是科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。該項目符合現(xiàn)代實驗教學(xué)改革，可以在本科實驗教學(xué)中繼續(xù)推廣，以期對科研反哺教學(xué)理念下的實驗項目開發(fā)提供一點借鑒意義。