经典有机化学实验绿色化改进与教学实践

白 蓝，李 蕾，刘 媛

经典有机化学实验绿色化改进与教学实践

白 蓝，李 蕾，刘 媛

（四川大学 化学实验教学中心 化学学院，四川 成都 610064）

以绿色化学的理念，在传统实验中引入新技术、新方法，将经典的“苯甲醛Cannizzaro反应制备苯甲酸和苯甲醇”实验改进为一个结合了超声波/相转移催化、反应过程紫外光谱监测和产物核磁表征分析的探索性综合实验，充分发挥学生的主观能动性，既激发了学生的学习积极性，又培养了学生的创新思维和研究能力，获得了良好的实验教学效果。

Cannizzaro反应；绿色化学；教学实践；创新能力

传统化学实验教学着重培养学生的实验操作技能，而对实验的新颖性、综合性以及绿色性少有要 求[1]。例如“苯甲醛Cannizzaro反应制备苯甲酸和苯甲醇”作为经典的有机化学实验，可以比较全面地训练学生的实验操作基本技能，因此该实验被大多数有机化学实验教材收录并在很多高校化学相关本科专业中开展[2]。然而，现行的教学方案中存在实验反应时间长、反应进程难以直观监测判断、操作连续性差、合成产率低等问题，严重有悖于绿色化学的理念[3]，已不能满足新时期高校化学实验教学的发展。因此，本文基于绿色化学高效率、低能耗、低污染和低毒害的理念[4-5]，在“苯甲醛Cannizzaro反应制备苯甲酸和苯甲醇”这一经典实验教学内容中引入新技术，提高实验效率，降低实验能耗和污染性[6-7]，并在实践教学中充分发挥学生的主观能动性，对培养学生的创新意识、研究能力和绿色环保理念起到了积极作用[7]。

1 实验设计原理

1.1 超声波相转移催化剂促进反应效率

Cannizzaro反应的实质是羰基的亲核加成，首先是羟基负离子对一分子不含α-H的醛亲核加成，碳原子带有电荷，排斥电子的能力大大加强，使碳上的氢带着一对电子以氢负离子的形式转移到另一分子醛的羰基碳原子上，然后再进行酸碱交换，其反应机理如图1所示。

从反应机理可以看出，反应进行的关键在于亲核试剂OH–能否有效并迅速地进攻羰基碳。在传统实验方案中，采用高浓度氢氧化钾溶液意在提高OH–进攻羰基的几率，但形成的白色蜡状物将苯甲醛包裹在其中，反应体系成固-液非均相，离子迁移速度受阻，反应效率受到影响。

图1 苯甲醛Cannizzaro反应机理

由于在超声波作用下体系中能产生空穴作用，局部产生高温高压，所释放出的能量增加分子间的碰撞，从而可以增加化学反应活性，缩短反应时间、提高反应效率。在有机化学实验中引入超声技术，是减少环境污染、节约能耗的有效途径，是有机化学实验“绿色化”的一个重要手段[8]。因此，本文设计采用超声法促进苯甲醛Cannizzaro反应，以大大缩短现行实验方案中静置12 h以上的反应时间，并有效提高苯甲醇和苯甲酸的产率。

相转移催化剂（PTC）是一种促进反应物从一个相迁移入另外一个相发生反应的物质[9-10]。离子型的反应物通常可溶于水相，但不溶于有机相。PTC可以通过将离子溶解到有机相中，从而加速反应的进行，获得更高的转化率或产率[11]。文献调研表明，β-环糊精（β-CD）具有分子内的空腔结构，可与反应物分子形成包结物超分子结构，并将客体分子带入另一相中释放，从而使两相之间的反应得以发生[12]；而聚乙二醇（PEG）“柔性”长链分子，可以折叠、弯曲成合适的形状结构与不同大小的离子络合，是应用更广泛的相转移催化剂[13-14]。因此，实验选用β-CD和PEG这2种环境友好、价格低廉的物质作为相转移催化剂，将OH–从水相中转入有机相，促进其与苯甲醛的反应。

1.2 紫外-可见光谱（UV-Vis）监测反应过程

在有机化学实验教学中，让学生自己监测有机反应的反应可行性、反应进行程度与反应完成时间，而不再是通过教师或教材获得答案，对学生提高观察能力和启发探索思维都有积极的意义[15]。薄层色谱法（TLC）是目前广泛应用于有机实验教学中的反应监控方法，但其存在展开时间长、挥发性易燃溶剂使用量大、结构相近化合物分离效果差等缺点[16-17]。特别是在本反应体系中，原料苯甲醛、产物苯甲酸和苯甲醇3类物质具有相近的化学结构，采用常规的TLC方法不易进行分离鉴别。

由于苯甲醛、苯甲酸和苯甲醇3种化合物可产生紫外吸光信号，因此可以采用紫外分光光度法测定体系中3组分的含量，监测反应进行程度[18-19]。实验预先对浓度均为4 ppm的苯甲醛、苯甲醇、苯甲酸的乙醇溶液进行紫外吸收光谱测试，结果如图2所示。

图2 苯甲醛、苯甲醇、苯甲酸乙醇溶液的紫外吸收光谱

从图2可以看出，苯甲醛、苯甲酸和苯甲醇的最大吸收波长分别为246 nm、228 nm和210 nm。根据紫外分光光度法的测定原理比尔朗博定律，由于物质的吸光度具有加和性，在某一特定波长处，混合物的吸光度等于混合物中各组分在此波长下的吸光度之和[20-21]。因此混合物中各组分的含量与吸光度值有如下关系:

246= ε1,2461+ ε1,2282+ ε1,2103（1）

228= ε2,2461+ ε2,2282+ ε2,2103（2）

210= ε3,2461+ ε3,2282+ ε3,2103（3）

其中，为石英比色皿的光程，εi,波长为3种物质在对应吸收波长下的摩尔吸光系数（= 1，2，3，分别代表苯甲醛、苯甲酸和苯甲醇），1，2，3分别为混合物中苯甲醛、苯甲酸和苯甲醇的浓度。

在波长246 nm处，苯甲酸和苯甲醇的吸光度值几乎为零，因此，公式（1）可简化为

246=ε1,2461（4）

在波长228 nm处，在浓度相同的情况下，苯甲醛的吸光度值小于苯甲酸吸光度值的10%，而苯甲醇的吸光度值几乎为零，因此，公式（2）可简化为

228=ε2,2282（5）

在波长210 nm处，苯甲醛和苯甲酸均有较高的吸光度值，因此公式（3）不可做简化。

由于在一定测试条件下ε2,228/ε1,246为定值，因此反应混合体系中产物苯甲酸和原料苯甲醛的相对含量2/1正比于苯甲酸在其最大吸光波长处吸光强度与苯甲醛在其最大吸光波长处吸光强度的比值228/246（228/246）。因此，在反应过程中每隔一定时间点从各反应体系中移取等量样品，进行紫外光谱分析，通过考察228/246随反应时间的变化，可以定性比较各个体系反应速率的快慢。

2 实验内容

2.1 不同条件下的苯甲醛Cannizzaro反应

实验设置了4组平行实验，以考察超声/相转移催化对苯甲醛Cannizzaro反应的促进作用，各体系反应条件如表1所示。在100 mL的锥形瓶中，加入10 g NaOH和10 mL水，搅拌至溶解，冷却至室温后，第1、2组静置，第3、4组一边搅拌一边加入一定质量催化剂；然后向4组反应体系中分4次加入12.6 mL苯甲醛，第1组静置，第2、3、4组反应体系置于40 kHz，300 W超声下，室温反应120 min；之后4个反应体系参照教材以相同步骤进行后处理[22]：加入40 mL水搅拌溶解，30 mL乙醚分3次萃取，将水相倒入100 mL烧杯，加入约30 mL浓盐酸（使pH=3），冰水浴冷却，减压过滤，固体用冰水洗涤，挤压水分，自然晾干，称重；油相依次用5 mL饱和NaHSO4、10 mL10%Na2CO3、10 mL水洗涤，最后用无水MgSO4干燥，旋蒸除去乙醚（接收瓶提前称量质量，用冰水浴冷却），改蒸馏装置常压蒸馏，收集198~204 ℃馏分，称重。

表1 不同条件下的甲醛Cannizzaro反应

2.2 紫外-可见光谱监测反应过程

在反应进行过程中，每隔30 min用移液枪吸取1 μL反应混合物溶于9 μL无水乙醇中，测定前将待测液用去离子水稀释400倍，使用紫外-可见光谱仪在波长200~350 nm范围内进行测试。

2.3 产物核磁表征

采用Bruker Advance 400核磁共振仪（Bruker公司，德国）对所得产物苯甲醇和苯甲酸结构进行1H NMR表征。以氘代氯仿（CDCl3）为溶剂，四甲基硅烷（TMS）为内标物质。

3 结果与讨论

3.1 不同条件下反应催化效果

不同体系不同反应时间紫外吸光度比值228/246结果如图3所示。

图3 不同反应时间各体系I228/I246结果

由于苯甲醛为反应物，苯甲酸为产物，因此随着反应的进行，反应体系中苯甲醛的含量逐渐降低，而苯甲酸在体系中的含量会逐渐增大。如图3所示，在所有组别中228/246均随着反应时间的延长而逐渐增大。

在原料苯甲醛的初始用量一致的情况下，228/246绝对值越大，则代表产物苯甲酸生成量相对较多，反应程度越高。在图3中，在每一个反应时间点，各组的228/246值都遵循以下规律：体系4>体系2>体系3>体系1，表明4个反应体系在一定反应时间内，反应速率的大小为：超声+PEG>超声>超声+β-CD>常规。由此可见，超声波和相转移催化剂的加入，都对Cannizzaro反应效率起到了提升作用；特别是当超声波与相转移催化剂同时作用时比单一超声条件有更好的反应催化效果。值得一提的是，超声+β-CD体系的催化效果反而次于仅超声体系。这是由于体系3中β-CD的加入使反应体系中产生了黏稠结块现象（如图4所示），导致反应体系均一性降低，离子迁移速度受阻，反应效率受到影响。

图4 反应120 min后体系1 (a)、体系2 (b)、体系3 (c)和体系4 (d)内物质状态

3.2 产物产率

反应120 min后停止反应，各体系经相同常规后处理步骤，均得到苯甲酸产物，产物照片如图5所示。

图5 反应120 min后体系1 (a)、体系2 (b)、体系3 (c)和体系4 (d)所得苯甲酸产物

各体系苯甲酸和苯甲醇产率如表2所示。由表2可以看出，在仅有的120 min反应时间内，常规条件下苯甲醛仅有20.56%的产率，而苯甲醇产量极少，无法量取体积或称量质量，因此无法计算产率。而超声+PEG条件下，苯甲酸和苯甲醇的产率分别为48.79%和12.65%，在各组中表现出最好的催化效果。这一结果和紫外光谱监测结果一致。

表2 各反应条件下苯甲酸和苯甲醇产率

*产量极少，无法量取体积或称量质量

3.3 产物结构表征

无论是紫外监测结果，还是产物产率结果，都表明超声波+PEG协同催化条件对苯甲醛的Cannizzaro反应有最优的反应促进效果。因此，对体系4反应所得的苯甲酸和苯甲醇产物分别进行1H NMR检测，结果如图6所示。

谱图解析结果：

4 教学实践特色

本实验既着眼于传统经典有机化学实验绿色化改进，又立足于化学及化学相关专业本科学生综合能力和创新思维的培养。因此在本实验的实践教学环节中，始终将学生置于研究者的主体地位，积极发挥“教学相长”的作用。

4.1 文献调研——知识原理储备

针对本项目的2大改进方向——使用新技术提高实验效率以及采用新方法监测反应进程，在教师系统讲授科技文献查阅方法的基础上，学生分为3个小组，分别以“超声催化有机反应”“环糊精与聚乙二醇相转移剂催化反应”和“紫外分光光度法测定有机物相对含量”为主题开展实验基本原理的文献调研工作。各组阅读文献并加以整理，总结出每个主题中的基本原理、实验方法、预期实验结果等信息。接着，3个小组的学生将各组文献信息汇报交流，对比讨论每个实验方案的优缺点，例如实验原理对本实验的适用性、实验操作难易程度、预期实验效果优劣等。特别是“紫外分光光度法检测混合体系中有机物相对含量”，学生需要将比尔朗伯定律应用到多组分混合的复杂实际体系中，充分锻炼了学生学以致用、发散思维的能力。

4.2 实验方案设计——研究能力训练

由于使用新技术提高实验效率以及采用新方法监测反应进程是本项目的最重要的两大改进方向，因此本文仅对合成反应所涉及实验步骤进行改进探索，后续仍然采用课本上经典实验方案的对产物进行后处理，以便将新方法的实验结果（反应时间、产物产率等）与经典方案结果对比，使学生获得直观的对比效果。因此，学生在教师指导下，设计了2.1节所述实验方案。

4.3 实验结果分析——思维能力提升

实验结束以后，学生从以下几个方面对实验结果进行分析、总结，从而获得思维能力的提升：

（1）通过直观比较不同反应条件下苯甲醇和苯甲酸产量和产率的差异，总结出各反应条件对Cannizzaro反应催化效果的差异，并从催化机理解释造成不同效果的原因。

（2）对反应过程中以及反应结果中出现的不符合常规现象进行总结分析。如β-CD的加入使反应体系变为粘稠不均一的状态，导致了反应效果降低。这使学生意识到，在机理可行的基础上，需要进一步考察实验操作的可行性，建立起对研究方案多层次全方位思考评价的理念。

5 结语

针对影响实验教学效果最重要的2个因素——实验内容和实验方法，本文用新技术、新方法和新手段对经典的苯甲醛Cannizzaro反应实验进行创新改进。以苯甲醇和苯甲酸的制备为主线，结合超声/相转移催化、反应过程紫外光谱监测、终产物核磁表征分析，使实验由原来单一的合成实验，改进为有机合成—波谱分析—仪器表征相结合的综合性探索实验。这一系列改进不仅提高了实验的绿色化程度，更让学生深入了解了科学研究的新技术和新方法，培养了学生的创新意识和研究能力。

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Green improvement and teaching practice of classical organic chemistry experiment

BAI Lan, LI Lei, LIU Yuan

(Teaching Center of Chemistry Experiment, College of Chemistry, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

Based on the concept of green chemistry, new technologies and methods are introduced into traditional experiments, and the classical experiment of “Cannizzaro reaction to prepare benzoic acid and benzyl alcohol” is improved into an exploratory comprehensive experiment which combines together the ultrasonic/phase transfer catalysis, ultraviolet spectroscopy monitoring of reaction process and NMR characterization analysis of products, giving full play to students’ subjective initiative, which not only stimulates their learning enthusiasm, but also trains their innovative thinking and research ability. It has achieved good experimental teaching effect.

Cannizzaro reaction; green chemistry; teaching practice; innovative ability

G642.423

A

1002-4956(2019)10-0247-05

2019-02-19

国家自然科学基金项目（51603129）；四川大学实验技术项目（20170031）

白蓝（1988—），女，四川成都，博士，实验师，主要从事有机实验教学和有机高分子功能材料研究。E-mail: bailanchem@scu.edu.cn