苯甲酸乙酯制备实验的改进研究

王志会　袁桂梅　蔡文登

摘要：通过乙醇、苯和水的三元共沸现象将苯甲酸和乙醇反应生成的水带出反应体系，促进酯化反应的进行而合成苯甲酸乙酯，这是本科有机实验教学的一个重要反应。本文针对此反应中一些可待改进的方面（如苯溶剂的使用、反应终点的判定、后处理操作以及产物纯度和结构的检测），提出改进方案并通过实验进行验证，提供了一个更加安全、更加环保的改进方案。

关键词：苯甲酸乙酯合成；苯；环己烷；核磁共振

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）29-0255-02

苯甲酸乙酯的合成实验是本科有机实验教学的一个经典案例。现有实验方案通过乙醇、苯和水的三元共沸现象将反应进行中生成的产物水带出反应体系，从而起到拉动平衡、使反应朝着酯化方向移动的效果；反应终点依靠分水器中水的体积或冷凝管中回流液是否有水珠挂壁来判定。反应结束后通过乙醚萃取来分离剩余浓硫酸，接着，先采用旋转蒸发仪除去低沸点物质（如乙醚、苯、乙醇等），然后通过减压蒸馏（用旋片式真空泵）收集苯甲酸乙酯，最后称产品质量并测其折光率以判断产品结构和纯度。[1]

通过这样的实验过程，本科生可以对共沸分水拉动平衡反应有一个形象的认识，同时也会对旋转蒸发仪以及减压蒸馏的操作有直观的把握。整个实验过程和后处理的设计都非常适合本科生有机实验教学，然而，这个实验还是存在着一些值得改进的地方：

第一，实验所采用的苯虽然可以通过共沸来带走反应体系中的水。然而，苯具有潜在的致白血病的可能性，[2]而且，本科生教学实验中的通风效果并不是太好，学生操作时也没有手套和面罩防护，考虑到本科生大多实验操作技能还不够熟练、操作时也不够冷静，这样在实验过程中很可能会导致皮肤接触到苯，从而对学生的健康造成一定的潜在危害。

第二，实验过程中采用观察分水器的水量以及观察冷凝管中回流液是否有水珠挂壁来监测反应进度，以判断反应是否到达终点。由于乙醇和水的溶解性，导致分出的水量不好把握，另外，观察冷凝管中回流液是否有水珠挂壁具有很大的主观性，这些都导致学生对反应进度的跟踪不够直观、很难准确把握。

第三，反应结束后通过乙醚萃取的方式将产物和体系中残余的浓硫酸分离。这样的操作涉及到浓硫酸的分液，考虑到学生的操作条件，具有一定的危险性；另外，用旋转蒸发仪除去体系的苯时，考虑到普通教学实验室中旋转蒸发仪的冷却效果，有相当一部分苯没有冷凝在旋转蒸发仪，而是被水泵抽到了泵水中，从而挥发在教室中，有可能被操作中的学生和老师吸入。

第四，通过折光率来确定产物纯度。此方法简单、快速，但是无法提供有机分子的结构信息，无法有效地说明所合成产物的纯度和结构。

针对以上情况，我们提出了相应的改进措施：

第一，用环己烷代替苯。正如乙醇、苯和水可以形成三元共沸物（乙醇/苯/水=18.5%/74.1%/7.4%，体积比；共沸点为64.9℃），环己烷也可以和水形成共沸物（共沸点69.0℃，1个标准大气压），而且环己烷的沸点81℃，和苯的沸点（80℃）接近，这样就不需要对实验的加热条件进行太多改动。[3]而环己烷的毒性，相对于苯，相当的小，这样就避免了学生摄入苯的可能性，大大提高了整个实验的安全性。

第二，采用硅胶TLC（薄层色谱法，Thin-Layer Chromatography）来检测反应，并判定反应的终点。硅胶TLC是一种简单有效的有机实验日常检测手段，它通过不同极性的有机化合物在硅胶板上随着展开剂移动时的移动距离不同而简单高效地区分不同化合物。在苯甲酸乙酯合成实验中，反应原料苯甲酸和反应产物苯甲酸乙酯在紫外光（254nm）下有吸收，而且这两个化合物的极性有显著差别，可以通过有机展开剂（石油醚/乙酸乙酯=4/1，体积比）进行分离。这样，实验人员可以凭借紫外灯，非常直观地用肉眼来看到苯甲酸和苯甲酸乙酯在TLC上移动的情况，从而可以准确判定反应进行的程度。

第三，反应结束后，先在冰水浴冷却的条件下加入水稀释反应，然后以NaHCO3固体来中和过量浓硫酸至弱碱性，接着用乙酸乙酯来萃取水相。这样避免了对浓硫酸的萃取操作，也避免了易燃溶剂乙醚的使用。

第四，提纯产品时，可以采用快速硅胶色谱柱的方法，然后配以旋转蒸发，迅速分离得到苯甲酸乙酯。通过硅胶色谱柱进行有机化合物的快速分离是有机合成中一种常用的分离手段，这种方法可以迅速地将不同极性的化合物（本实验中的苯甲酸和苯甲酸乙酯）分离，特别适合实验室里小规模的化合物分离。

第五，采用核磁共振的方法对所获得化合物定性并确认其纯度。通过H-NMR可以很轻易地看到苯甲酸乙酯分子结构中特征的苯环和乙基部分，还可以通过化学位移和峰面积积分确定所得化合物的纯度。这样，学生可以对所学的核磁共振知识有很具体的应用，同时可以体会到核磁共振在有机合成中的巨大作用。

具体改进的实验过程如下：

在100ml圆底烧瓶中，加入8g（0.066mol）苯甲酸、20mL（0.34mol）无水乙醇和15mL环己烷，摇动下慢慢加入3ml浓硫酸，加入磁力搅拌子。固定圆底烧瓶，安装分水器，从分水器上端小心加水至距分水器支管下沿5mm左右，分水器上端接一个回流冷凝管。冷凝管中通冷却水后，对反应液进行加热搅拌回流，并不断将反应生成的水从分水器中分离，注意分水时分水器中水层液面不要超过支管口的高度，以防止水倒流回烧瓶。反应进行过程中，通过硅胶TLC（薄层色谱）监测反应进度。反应基本完成约需2小时。

待TLC显示反应进行完全后，停止加热，放置冷却。然后，以冷水浴冷却反应体系，加水（20ml）稀释，再缓慢加入碳酸氢钠粉末至不再有气泡生成。用乙酸乙酯对溶液进行萃取（20mlx3），将所得有机相合并，通过旋转蒸发仪除去溶剂（乙酸乙酯、乙醇和环己烷）。然后通过短硅胶柱（直径6cm，高8cm）过柱，以石油醚和乙酸乙酯混合溶剂（4/1，体积比）作为洗脱剂，所得有机溶液通过旋转蒸发仪得到产品苯甲酸乙酯，同时回收石油醚和乙酸乙酯的混合液，最终在经过旋片式真空油泵除溶剂后得到9.8g产品。产品苯甲酸乙酯通过核磁共振氢谱判断纯度（有无其他杂质峰）和结构（化学位移、峰的形状和各峰的积分面积），如图2所示。

参考文献：

[1]吴肇亮，俞英.基础化学实验（下册）[M].北京：石油工业出版社，2003：186-187.

[2]Aksoy，M. Types of leukemia in chronic benzene poisoning. A study in thirty-four patients[J]. Acta Haemat，1976，（55）：65-72.

[3]Wilfred L. F. Armarego，Christina L. L. Chai. Purification of Laboratory Chemicals[M]. fifth edition. USA： Elsevier Science，2003：13-14.