乙酰苯胺制备及重结晶教学实验的研究与实践

强根荣，王 红，杨振平

（浙江工业大学化学化工国家级实验教学示范中心，杭州310014）

0 引 言

在我校的基础化学实验Ⅱ-有机化学实验教学中，开设有“乙酰苯胺的制备及重结晶”实验，该实验目的主要有3个方面：①掌握苯胺乙酰化反应的原理和实验操作；②掌握固体有机物提纯的方法-重结晶；③了解用红外光谱鉴定有机化合物结构的方法。该实验完全符合并很好地体现了大学有机化学实验教学改革的理念，即把基本操作融入有机合成中，少开或不开单一的基本操作实验，让学生在有机合成中学会、熟练基本操作，增强学习兴趣，提升教学效果。近15年来，通过对该实验不断摸索，不断改进，形成了比较成熟的教学内容和教学方式。

1 拓展教学内容

在教学内容的拓展过程中，基本原则是：① 增强系统性，建设“基础性-综合性-研究性实验”的系列化实验内容；②注重实用性，建设与生产、生活紧密相关的新颖实验内容［1-2］。

1.1 以基础性内容为龙头，拓展学习范围，培育研究性学习思维

“乙酰苯胺的制备及重结晶”是一个经典的基础性实验，研究与改进此实验的目的是以基础性内容为龙头，了解苯胺乙酰化反应的实用性，拓展学习视野，提高学生综合能力，为此，开设了与该实验密切相关的综合性实验，即以乙酰苯胺为原料合成其下游产品-磺胺类药物的合成实验［3-4］（见图1）。同时，作为选修研究或拓展性实验，以4-氨基水杨酸为原料，用合成乙酰苯胺的基本方法，先进行“氨基保护”以降低氨基对氧化降解的敏感性，来合成“胃复安”原料药［5-6］（见图2）。通过学习和亲身实践，学生一方面加深了对苯胺乙酰化反应原理的了解，另一方面实验与生活、生产紧密结合，实验的兴趣大大提高。

图1 磺胺类药物的合成

图2 胃复安的合成路线

虽然人们已经研究了乙酰苯胺的各种合成方法［7-10］，有些已非常成熟了，但对初学有机合成的大二学生来说，反应条件的控制往往是不知所措的，因此，为了培育学生的研究性学习思维，引导学生加深对学习的理解，在教学中将学生分成若干组，每组采用不同的反应条件（见表1）来模拟研究合成乙酰苯胺，最后各组分别得出最佳条件，总结交流，在基础教学中营造研究性学习氛围，创造研究性学习条件。

表1 研究性学习分组研究内容

1.2 以学科性实验为基础，拓展工程内容，推动“理工”一体化教学

我校化学化工国家级实验教学示范中心建设的特色是：强化多元融合，学科基础与专业训练紧密衔接，以某一“产品（或任务）”为纽带，组建化学化工一体化实验项目组群。在学科基础实验阶段，着重探究科学规律（例如，物质的制备方法、物质物理化学性质的测定方法、化学反应的机理，等），在专业基础实验阶段，着重各单元操作的工程技术基础（例如，不同分离方法的对比和因素的影响等），在专业实验和工程实训阶段，着重单元操作的组合运用。以此，推动“理工”一体化教学。

以“结晶技术”单元操作为例（见图3），在本实验和“二苯基乙二酮制备”两个学科基础（基础化学）实验阶段，以合成乙酰苯胺和二苯基乙二酮两个产品为任务，用重结晶的方法来提纯产品。在实验过程中，要求学生针对不同产品会选择不同的溶剂和实验装置，掌握重结晶的操作方法，理清得到纯度高、外观好的产品必须注意的影响因素。在专业基础实验阶段，以工业产品草甘膦为任务，进行结晶工艺研究。要求学生厘清冷却结晶过程的操作参数（如结晶温度、搅拌速度、是否加入晶种、杂质含量等）对晶体产品的粒度、粒度分布和母液浓度的影响。在掌握这些基本知识、基本技能学习的基础上，进入化工专业实验阶段学习。实验原料为教师科研项目生物质裂解油的固体残留物，加水溶解形成废碱液后，采用真空蒸发浓缩后低温冷却结晶方式回收主要成分氢氧化钠，并画出在实验室基础上改进的带控制点的工业化氢氧化钠回收工艺流程图，讨论实验过程在能耗、安全、经济性、操作方面存在的问题。通过“学科基础实验-专业基础实验-化工专业实验”的连贯式实验内容的教学，逐步树立起工程观、经济观和社会价值观。

图3 化学化工实验一体化教学（结晶技术）实施示例图

2 改进教学方式

在基础实验的教学方法方面，传统的知识、技能传授比重过大，教学中又偏重对实验原理的理解，学生追求的是实验产量的高低，考核中存在着仅以实验报告来衡量实验掌握程度的现象，而忽视了实验的经济性和实验方法的实用性，对实验的整体性要求和社会价值考虑较少。

2.1 承上启下，联系实际了解实验装置设计的合理性和特殊性

实验装置的设计是实验能力的重要体现，其合理与否关系着实验的成败。乙酰苯胺制备的反应装置是一个简化了的分馏装置，与常规的分馏装置相比，主要是采用锥形瓶作反应瓶，并省略了直形冷凝管。一般在有机反应实验中，都是采用圆底烧瓶作反应瓶的，而该实验为便于反应结束后将反应混合物倒出，采用了锥形瓶。联系到生产实际，也有设备选型的问题。另外，该实验蒸出来的水比较容易冷凝，即使有少量未冷凝的水蒸气逸出，对环境和实验产量不会造成影响，故省去了冷凝管，联系到工业生产，就省去了一个设备（冷凝器），生产成本降低了。

作为“乙酰苯胺制备”的准备实验，我校开设有“分馏”实验，以便让学生熟练掌握分馏装置和操作。在分馏实验中，提出“分馏的效果与哪些因素有关”这个思考题。由于学生初学有机合成实验，对其中的柱子填充物、回流比、柱子绝热性等这些影响因素模棱两可。为此用科研中用到的精密精馏接头（见图4）、各种分馏柱（见图5）实物来介绍这些知识点，直观明了，对本实验操作起到了直接的指导作用。

图4 精密精馏头

图5 各种分馏柱

在实验过程中，由于加热温度没有控制好或者室温太低，出现柱顶温度波动的现象，学生错误地认为到了反应终点，从而过早地结束反应。故让学生用保温棉将分馏柱包裹，提高柱子的保温性能，使柱顶温度趋于稳定。这些实物、实际的体验，促使学生加深了对知识点的理解，亲身感悟了其中的真谛［11］。

2.2 突出重点，归纳总结重结晶操作的知识点和操作要诀

乙酸苯胺重结晶常用的溶剂有甲苯、乙醇与水的混合溶剂、水等。本实验要求用水作溶剂进行重结晶，要求是通过重结晶后，产品纯度要高、外观要好。根据以往经验知道，乙酰苯胺在水中的含量为5.2%时，重结晶效果好，乙酰苯胺重结晶产率最大。在体系中的含量稍低于5.2%，加热到83.2℃时不会出现油相，水相又接近饱和溶液，继续加热到100℃，进行热过滤除去不溶性杂质和脱色用的活性炭。滤液冷却，乙酰苯胺晶体析出。过滤得到高纯度的乙酰苯胺晶体，可溶性杂质留在母液中。

学生在操作中必须了解这些知识，注重重结晶的各个环节和操作要诀（见表2），了解各种影响因素［12-15］。学生在操作中经常会问加的溶剂量和最后冷却结晶的温度够不够。故把乙酰苯胺在各个温度下的溶解度告诉学生，让学生自己去思考。实际上这就非常明了地告诉学生，操作条件是可以改变的，根据需要而定。要得到多少产品，需要怎样来控制溶剂量和冷却温度。

3 结 语

基础实验教学的改革不求理论有多精深、操作有多困难，但必须能触类旁通、举一反三，从一个实验能学到更多的知识，掌握更多的技能，创造更多的想法，从而提高实验的效率和效果。我们历来的观点和做法是要让学生厘清这一步为什么要这样做、不这样做行不行，还有没有别的方法。比如在本实验中，经常会问学生：①常用的乙酰化试剂有哪些？各有什么优缺点？②为什么反应原料中采用乙酸过量而不是苯胺过量？③反应结束后，反应瓶冷却即会有产品析出，为什么要将反应混合物倒入水中？④实验中产生的氢氧化锌如何处理或利用？等诸如问题。通过这些问题的思考，极大地发挥了学生的主观能动性，为后续实验的进行打下了很好的基础。10多年来的实践证明，对该实验教学的研究和改革是成功的，得到了学生的肯定，被誉为“金课”。今后，将进一步着力探索和完善本实验，从而能在更高层次、更宽领域促进学生知识、能力、素质的协调发展，培养新时代的新型人才。

表2 重结晶操作相关知识和技能