介绍一个有机化学实验——微波辅助合成和水解乙酰水杨酸

杨小钢

(武汉大学化学与分子科学学院 湖北武汉430072)

化学实验

介绍一个有机化学实验
——微波辅助合成和水解乙酰水杨酸

杨小钢

(武汉大学化学与分子科学学院 湖北武汉430072)

设计了微波辅助合成和水解乙酰水杨酸的新型大学有机化学实验。该方法具有反应时间短、试剂用量少和产率高等特点。将乙酰水杨酸回收进行微波辅助水解实验，得原料水杨酸，减少了物耗和废弃物的污染。

乙酰水杨酸(Aspirin)是人们熟悉的解热镇痛、抗风湿类药物，可由水杨酸和乙酸酐合成得到。由于乙酰水杨酸的合成涉及水杨酸酚羟基的乙酰化和产品重结晶等操作，该合成被作为基本反应和操作练习而编入大学有机实验教材中。现行教材中采用酸催化合成法，存在反应速度慢、乙酸酐用量大和副产物多等缺点［1］。微波辐射(microwave irradiation)用于促进有机反应始于1986年［2］，目前已发展成一项新兴的化学合成技术［3-4］。本文参考有关文献［2-7］，将微波辅助技术和绿色化学思想用于合成和水解乙酰水杨酸，设计了新型大学有机化学实验。和传统方法相比，新型实验具有反应时间短、产率高和物耗低及污染少等特点，实现了新兴技术的运用和大学化学实验绿色化实验教学改革目标。

1 实验原理

微波是指波长为1mm～1m、频率为300MHz～300GHz的电磁波，工业和民用的频率一般是2.45GHz。微波能量对材料有很强的穿透力，能对被照射物质产生深层加热作用。对于微波加热促进有机反应的原理，目前较为普遍的看法是极性有机分子吸收微波辐射能量后会产生每秒几十亿次的偶极振动，产生热效应，使分子间的相互碰撞及能量交换次数增加，因而使有机反应速度加快。另外，电磁场对反应分子间行为的直接作用而引起的所谓“非热效应”，也是微波促进有机反应的重要原因。与传统加热法相比，其反应速度可加快几倍至上千倍。

2 实验方法

2.1 原料和仪器

水杨酸和乙酸酐为分析纯试剂;其余试剂均为化学纯。WP 750格兰仕微波炉，QW-1001电子秤，计时秒表。

2.2 反应式及回收利用流程图

反应及回收利用流程图如下所示:

2.3 微波辅助碱催化合成乙酰水杨酸实验

在100mL圆底烧瓶中加入2.0g(0.014mol)水杨酸和0.1g碳酸钠，再用移液管加入2.8mL(3.0g，0.029mol)乙酸酐，振荡，放入微波炉中，在微波辐射输出功率495W(“中火”档)下，微波辐射40s(反应温度80～90℃)。稍冷，加入20mL pH 3～4的盐酸水溶液，置于冰水浴中令其充分结晶。减压过滤(滤液回收)，用少量冷水洗涤结晶2～3次，抽干，得乙酰水杨酸粗产品。粗产品用乙醇/水混合溶剂(1体积95%的乙醇+2体积的水)约16mL重结晶，干燥，得白色晶状乙酰水杨酸2.4g(合成收率92%)，熔点133～135℃。产品结构可用2%FeCl3水溶液检验或红外光谱仪测试。

2.4 微波辅助水解乙酰水杨酸实验

在100mL锥形瓶中加入2.0g(0.01mol)乙酰水杨酸和40mL 2.0mol/L NaOH水溶液，在微波辐射输出功率495W(“中火”档)下，微波辐射40s(反应温度95～100℃)。冷却后，滴加6mol/L盐酸水溶液至pH 2～3，置于冰水浴中令其充分析晶，减压过滤，将水杨酸转移到100mL烧杯中，用蒸馏水加活性炭重结晶，干燥，得白色针状水杨酸约1.1g(回收率80%)，熔点:153～156℃。

3 结果与讨论

3.1 实验设计思想

实验设计基于如下几点考虑:一是乙酰水杨酸是广泛应用于临床治疗和预防心血管疾病的药物，近年来还不断发现它的新用途，练习它的合成和水解能引起学生的学习兴趣，而且该反应和实验操作具有典型性，环境污染也比较小;二是微波辅助技术是新兴的合成技术，可以提高反应速度几百到上千倍［2-4］。作者认为，该项技术应在大学化学实验中有具体的运用，以此让学生亲身感受新技术和新思路的运用带来的明显进步;三是注重回收利用和减少环境污染可以培养学生的绿色化学意识。

3.2 微波辅助碱催化合成法的优点

作者通过正交实验，确定了微波辅助碱催化合成乙酰水杨酸的较优条件，以较优条件合成与传统酸催化法［1］进行比较，结果见表1。

表1 微波辅助碱催化法与传统酸催化法的比较

从表1可知，微波辅助碱催化法具有明显的优点:反应时间缩短、酸酐用量减少和合成收率提高。获得较好结果的原因是采用了较好的合成途径和微波辅助技术，碱催化方法可避免副产物(主要是聚水杨酸)的生成，微波辅助技术则大大提高了反应速率。若增大微波辐射功率，反应时间更短，但从安全角度考虑，选择中等功率的微波辐射进行实验。

3.3 微波辅助水解法的优点

根据乙酰水杨酸水解反应参数［7］计算可知，在过量碱存在下，乙酰水杨酸完全水解在35℃时需要1h，在100℃时大约需10min。现在采用微波辅助水解，可很好地发挥微波辐射加热速度快和加热均匀的特长。实验结果表明，在输出功率495W下，微波辐射仅40s，水解回收率近100%;用蒸馏水加活性碳重结晶纯化，得水杨酸针状晶体(回收率约80%)。它与水杨酸的乙酰化构成了一个原料使用循环，避免了试剂浪费和环境污染。

3.4 实验注意事项

(1)乙酸酐应是新开瓶的。如果打开使用过且放置较长时间，使用时应重新蒸馏，收集139～140℃的馏分。

(2)不同品牌的家用微波炉所用的微波条件略有不同，微波条件的选定以使反应温度达80～90℃为原则。使用的微波功率一般选择450～500W之间，微波幅照时间为20～40s。此外，微波炉不能长时间空载或近似空载操作，否则可能损坏磁控管。

(3)乙酰水杨酸易受热分解，因此熔点不是很明显，它的分解温度为128～135℃，熔点的文献值为136℃。测定熔点时，应先将热载体加热至120℃左右，然后再放入样品进行测定。

3.5 残液的回收利用

乙酰水杨酸合成的残液主要含醋酸(约12%)，每组体积20mL，可用于萃取操作实验(配制10%的醋酸水溶液)。乙酰水杨酸重结晶的残液(含乙醇)用于分馏操作实验。

4 结论

和传统方法相比，新型实验具有反应时间短、产率高和物耗低及污染少等特点，实现了新技术的运用和大学化学绿色化实验教学改革目标，可作为新型有机实验编入大学实验教材中。

［1］ 王俊儒，马柏林，李炳奇，等.有机化学实验.北京:高等教育出版社，2007

［2］ Gedye R N，Smith F，Westaway K，et al.Tetra Lett，1986，27(3):279

［3］ 金钦汉，戴树珊，黄卡玛.微波化学.北京:科学出版社，1999

［4］ Kappe CO.Angew Chem Int Ed，2004，43:6250

［5］ 张国升，张懋森.化学试剂，1986，8:245

［6］ 常慧，杨建男.化学试剂，2000，22:313

［7］ 曾宪诚，刘清华，邓郁.化学研究与应用，1993，5:50