实验二  乙酰乙酸乙酯的制备

一、实验目的

1、学习制备乙酰乙酸乙酯的原理和方法，加深对Claisen酯缩合反应原理的理解和认识；

2、熟悉在酯缩合反应中金属钠的应用和操作；

3、复习无水操作和液体干燥；

4、了解减压蒸馏的原理和应用范围，认识减压蒸馏的主要仪器设备，并初步掌握减压蒸馏仪器的安装和操作方法。

二、实验原理

含有α-H的酯在碱性催化剂存在下，能和另一分子酯发生缩合反应生成β-酮酸酯，这类反应称为Claisen酯缩合反应。乙酰乙酸乙酯就是通过这个反应制备的。

反应式：

反应机理：

其催化剂是乙醇钠。因为金属钠和残留在乙酸乙酯中少量乙醇（少于3%）作用后就有乙醇钠生成。乙酰乙酸乙酯的生成是经过如下一系列平衡反应：

C₂H₅OH＋Na→C₂H₅ONa＋H₂

随着反应的进行，也不断地生成了醇，所以反应就能不断地进行下去，直至金属钠消耗。乙酸乙酯中总是含有少量乙醇副产物，所以此对反应有利。但如果作原料的酯中乙醇的含量过大时，对反应也是不利的。因为Claisen酯缩合反应是可逆的，β-酮酯在醇和醇钠的作用下可分解为两分子酯，使产率降低：

三、实验部分

1、实验仪器：圆底烧瓶、分液漏斗、球形冷凝管、直形冷凝管、干燥管、减压蒸馏装置、烧杯、锥形瓶、量筒、滴管、玻璃棒、电热套等

2、实验药品：乙酸乙酯、Na、二甲苯、HOAc（50%）、饱和NaCl、无水Na₂SO₄、CaCl₂

【主要反应试剂及产物的物理常数】

【乙酰乙酸乙酯沸点与压力的关系】

3、操作步骤

1．安装回流反应装置

2．制钠珠：将金属0.9g（39.1 mmol）Na迅速切成薄片，放入50mL的圆底烧瓶中，并加入10mL经过干燥的二甲苯，小火加热回流使熔融，拆去冷凝管，用橡皮塞塞住瓶口，用力振摇即得细粒状钠珠。稍冷后将二甲苯滗入回收瓶。

3．加酯回流：迅速放入10mL（9g,102.2mmol）乙酸乙酯，反应开始。若慢可温热。回流至钠基本消失，得橘红色溶液，有时析出黄白色沉淀（均为烯醇盐）。

4．酸化：加入50%醋酸至反应液呈弱酸性（pH=5~6），固体未溶完可加少量水溶完。

5．分液：反应液转入分液漏斗，加等体积饱和氯化钠溶液，振摇，静置，分液。水层（下层）用8mL乙酸乙酯萃取，萃取液和有机层合并，倒入锥形瓶中，并用适量的无水Na₂SO₄干燥。

6．蒸馏：将已充分干燥的有机混合液水浴加热蒸馏出未反应的乙酸乙酯，停止蒸馏，冷却。

7．将蒸馏得到的剩余物移至10mL圆底瓶中进行减压蒸馏，收集馏分。

【实验装置图】

【实验流程】

4、实验注意事项：

（1）仪器干燥，严格无水。金属钠遇水即燃烧爆炸，故使用时应严格防止钠接触水或皮肤。钠的称量和切片要快，以免氧化或被空气中的水气侵蚀。多余的钠片应及时放入装有烃溶剂（通常二甲苯）的瓶中。

（2）本实验的关键：是所用仪器必须是干燥的，所用的乙酸乙酯必须是无水的。水的存在金属钠易与水反应生成放出氢气及大量的热易导致燃烧和爆炸。NaOH的存在易使乙酸乙酯水解成乙酸钠，更重要的是水的存在使金属钠消耗难以形成碳负离子中间体，导致实验失败。

（3）摇钠为本实验关键步骤，因为钠珠的大小决定着反应的快慢。钠珠越细越好，应呈小米状细粒。否则，应重新熔融再摇。钠珠的制作过程中间一定不能停，且要来回振摇，使瓶内温度下降不至于使钠珠结块。

（4）醋酸不能多加，否则会造成乙酰乙酸乙酯的溶解损失。用醋酸中和时，若有少量固体未溶，可加少许水溶解，避免加入过多的酸。

（5）体系压力（mmHg）= 外界大气压力（mmHg）— 水银柱高度差（mmHg）[开口式压力计]

（6）在系统充分抽空后通冷凝水，再加热蒸馏。一旦减压蒸馏开始，就应密切注意蒸馏情况，调整体系内压，经常记录压力和相应的沸点值，根据要求，收集不同馏分。

（7）蒸馏完毕，移去热源，慢慢旋开螺旋夹（防止倒吸），并慢慢打开二通活塞，平衡内外压力，使测压计的水银柱慢慢地回复原状，（若打开得太快，水银柱很快上升，有冲破测压计的可能），然后关闭油泵和冷却水。

（8）液体样品不得超过容器的1/2。

（9）减压蒸馏前先抽真空，真空稳定后再慢慢升温。

（10）装仪器时，首先要求检查磨口仪器是否有裂纹。安装仪器时每一个磨口都必须配合好同时为了提高气密性要求在磨口上涂凡士林。

四、结果与讨论

1、实验步骤及现象

制钠珠       加热后钠成熔融状态，趁热摇匀后得到小钠珠。

回流、酸化   金属钠逐渐消失，溶液呈红棕色透明液体。加入酸后先有黄白色固体生成，继续加酸后固体消失，溶液呈黄棕色。

分液、干燥   分液干燥后得到黄棕色液体。

减压蒸馏     气压为8.2kpa，温度为31℃时有前馏分蒸出，气压为4.6kpa温度为83℃时有馏分蒸出，此时开始收集产物。收集到的产物为淡黄色透明液体。

2、实验思考

（1）为什么使用二甲苯做溶剂，而不用苯或甲苯？

答：因为二甲苯：b.p.140℃，苯：b.p.80.1℃，甲苯：b.p.110.6℃，而钠的熔化温度为97.5℃，所以选用二甲苯比较好。

（2）为什么要做钠珠？ 答：增大钠的比表面积，利于反应。

（3）为什么用醋酸酸化，而不用稀盐酸或稀硫酸酸化？

答：因为用稀盐酸或稀硫酸的话，酸性太强，会增大乙酸乙酰乙酯在水中的溶解度，而醋酸的酸性比较适合。

（4）加入饱和食盐水的目的是什么？ 答：降低酯在水中的溶解度，提高收率。

（5）中和过程开始析出的少量固体是什么？ 答：析出的是烯醇盐。

（6）乙酰乙酸乙酯沸点并不高，为什么要用减压蒸馏的方式？

答：因为乙酰乙酸乙酯在常压蒸馏时易分解，产生去水乙酸。所以为了减少副反应的发生，提高产率，采用减压蒸馏的方式比较好。

（7）在怎样的情况下才用减压蒸馏？

答：沸点高的物质以及在普通蒸馏时还没达到沸点温度就已分解，氧化或聚合的物质才用减压蒸馏。

（8）使用油泵减压时，实有哪些吸收和保护装置？其作用是什么？

答：油泵的结构较精密，工作条件要求较严，蒸馏时如有挥发性的有机溶剂、水、酸蒸气都会损坏泵和改变真空度。所以要有吸收和保护装置。

主要有：①冷阱：使低沸点（易挥发）物质冷凝下来不致进入真空泵；②无水CaCl₂干燥塔：吸收水汽；③粒状氢氧化钠塔：吸收酸性气体；④切片石蜡：吸收烃类物质。

（9）在进行减压蒸馏时，为什么必须用热浴加热，而不能用直接火加热？为什么进行减压蒸馏时须先抽气才能加热？

答：用热浴的好处是加热均匀，可防止暴沸，如果直接用火加热的话，情况正好相反。因为系统内充满空气，加热后部分溶液气化，再抽气时，大量气体来不及冷凝和吸收，会直接进入真空泵，损坏泵改变真空度。如先抽气再加热，可以避免或减少之。

（10）当减压蒸完所要的化合物后，应如何停止减压蒸馏？为什么？

答：蒸馏完毕移去热源，慢慢旋开螺旋夹，并慢慢打开二通活塞，（这样可以防止倒吸），平衡内外压力，使测压计的水银柱慢慢地回复原状（若放开得太快，水银柱很快上升，有冲破压力计的可能）然后关闭油泵和冷却水。

 

第二篇：乙酰二茂铁的合成与分离实验-学生用

有机合成与制备实验

实验一  乙酰二茂铁的合成

一、实验目的：

1.      通过乙酰二茂铁的合成，了解用Friendel-Crafts酰基化反应制备非苯芳酮的原理和方法。

2.      学习用薄层色谱跟踪反应进程和检测产品纯度的方法。

二、实验原理：

二茂铁，又称二环戊二烯合铁、环戊二烯基铁，是一种具有芳香族性质的有机过渡金属化合物。二茂铁是最重要的金属茂基配合物，也是最早被发现的夹心配合物，包含两个环戊二烯环与铁原子成键。常温下为橙黄色粉末，有樟脑气味。熔点172°C-174°C，沸点249°C，100°C以上能升华；不溶于水，易溶于苯、乙醚、汽油、柴油等有机溶剂。与酸、碱、紫外线不发生作用，化学性质稳定，400°C以内不分解。其分子呈现极性，具有高度热稳定性、化学稳定性和耐辐射性，其在工业、农业、医药、航天、节能、环保等行业具有广泛的应用。二茂铁是火箭固体燃烧过程的加速剂、柴油的消烟节能添加剂、汽油抗爆助燃剂等。目前约90%的二茂铁是作为燃烧添加剂消耗的。

    二茂铁具有类似苯的一些芳香性，比苯更容易发生亲电取代反应，例如Fridel-Crafts反应：

 

由于二茂铁分子中存在亚铁离子，对氧化的敏感限制了它在合成中的应用，如不能用混酸对其硝化。

一般认为，如用无水三氯化铝为催化剂，酰氯或酸酐为酰化剂，当酰化剂与二茂铁的摩尔比为2:1时，反应物以1,1’-二元取代物为主。以乙酸酐为酰化剂，三氟化硼、氢氟酸或磷酸为催化剂，主要生成一元取代物。在此反应条件下，主要生成单乙酰二茂铁，双乙酰二茂铁很少，但同时有未反应的二茂铁，利用层析分离法可以在混合物中分离这几种配合物，先使用薄层层析探索分离这些配合物的层析条件，然后利用这些条件在柱层析中分离而得到纯的配合物。

薄层层析是将吸附剂均匀地铺在一块玻璃板表面形成薄层（其厚度一般为0.1~2mm），在此薄层上进行色谱分离的方法。由于吸附剂对不同组分的吸附能力不同，对极性大的组分吸附力强，反之，则吸附力弱。因此当选择适当溶剂（称为洗脱剂或展开剂）流过吸附剂时，组分便在吸附剂和溶剂间发生连续的吸附和解吸，经过一定时间，各组分便达到相互分离。

试样中各组分的分离效果可以用它们的比移值R_f的差来衡量。R_f值是某组分的斑点中心到原点的距离与溶剂前沿到原点的比值，R_f值一般在0~1之间，其值大表示该组分的分配比大，易随溶剂流动，且两组分的R_f值相差越大，则它们的分离效果越好。

薄层层析所使用的吸附剂和溶剂的性质直接影响试样中各组分的分离效果，应根据试样中各组分的极性大小来选择合适的吸附剂。为了避免试样的组分在吸附剂上吸附过于牢固而不展开，致使保留时间过长，斑点扩散，因此对极性小的组分可选择吸附活性较大的吸附剂。反之，对极性大的组分可选择吸附活性较小的吸附剂。最常用的吸附剂是硅胶和氧化铝，硅胶略带酸性，适合于分离酸性和中性物质，氧化铝略带碱性，适合于分离碱性和中性物质。若有必要可以将氧化铝转变成中性或酸性氧化铝，或把硅胶转变成中性或碱性硅胶再用。

吸附剂所吸附试样的组分由洗脱剂在薄层中展开，当洗脱剂在薄层板上移动时被溶解的组分也跟着向上移动，若组分上移过快，则应选择极性较小的溶剂，若组分上移过慢，则应选择极性较大的溶剂。通常使用的溶剂有石油醚、四氯化碳、甲苯、苯、二氯甲烷、氯仿、乙醚、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、甲醇、水。其极性按序增大。

三、实验试剂：1g（0.0054mol）二茂铁，10.8g（10ml，0.1mol）乙酸酐，磷酸，碳酸氢钠，石油醚（60—90℃）

四、实验装置：

五、实验步骤：

1、              乙酰二茂铁的合成

在50ml圆底烧瓶中，加入1g（0.0054mol）二茂铁和10ml（0.1mol）乙酸酐，在振荡下用滴管慢慢加入2ml 85%的磷酸。投料毕，用装有无水氯化钙干燥管的球形冷凝管塞住瓶口，60°C水浴上加热15min，并时加振荡。将反应化合物倾入盛有40g碎冰的400ml烧杯中，并用10ml冷水涮洗烧瓶，将涮洗液并入烧杯。在搅拌下，分批加入固体碳酸氢钠，到溶液呈中性为止(要避免溶液溢出和碳酸氢钠过量，但要足量，否则乙酰二茂铁析出不充分，pH7-8)。将中和后的反应化合物置于冰浴中冷却15min，抽滤收集析出的橙黄色固体，每次用40ml冰水洗两次，压干后在空气中干燥得粗品。

2、用薄层色谱检测粗产品纯度。

（1）薄层板的制备与活化

    薄层板的制备方法主要有干法和湿法两种，其中主要的方法为湿法制版。硅胶板的制备方法为：在100mL烧杯中加入8g硅胶GF254和24mL0.5%羧甲基纤维素钠水溶液，用玻璃棒充分搅拌，调成均匀的糊状。将硅胶均匀倒在10块载玻片上。用玻璃棒铺平后轻轻振动至水平，放到水平桌面上自然晾干。

薄层板干燥后，使用前需要在烘箱中活化。硅胶板的活化条件是在105-110°C温度下活化0.5h。

（2）点样与展开

吸附剂：薄层色谱用硅胶

  溶剂：乙醚

展开剂: 3：1石油醚/乙醚混合溶剂（学生自己配制）

将粗产品与二茂铁标准样对照展开，然后将产品与二茂铁标准样对照展开比较之。

六、实验注意事项：

1、烧瓶要干燥，反应时应用干燥管，避免空气中的水进入烧瓶内。

2、因为磷酸有氧化性，因此滴加磷酸时一定要在振摇下用滴管慢慢加入，否则易产生深棕色粘稠氧化聚合物。

3、  用碳酸氢钠中和粗产物时，应小心操作，防止因加入过快使产物逸出。

4、乙酰二茂铁在水中有一定的溶解度，用冰量不可太多，洗涤时最好用冰水，洗涤次数也切忌过多。

七、参考书目：

1、兰州大学、复旦大学主编《有机化学实验》（第二版）

2、浙江大学、南京大学、北京大学、兰州大学主编主编《综合化学实验》（第一版）

八、思考题：

    1、二茂铁酰化时形成二酰基二茂铁时，第二个酰基为什么不能进入第一个酰基所在的环上？

    2、二茂铁比苯更容易发生亲电取代，为什么不能用混酸进行硝化？

实验二  乙酰二茂铁的柱色谱分离与表征

一、实验目的：

1.      巩固柱色谱分离技术。

2.      巩固减压蒸馏操作。

3.  学会用红外光谱、熔点测定等方法对产物进行表征。

二、实验原理：

二茂铁及其衍生物的分离最好用层析法。

柱层析是在层析柱中装入作为固定相的吸附剂，把试样流经固定相而被吸附，然后利用薄层层析中探索到的能分离组分的溶剂流经层析柱，试样中的各组在固定相和溶剂间重新分配，分配比大的组分先流出，分配比小的组分后流出，对于不易流出的组分可另选择合适的溶剂再进行洗脱，这样就可以达到各组分的分离提纯。

柱色谱（柱上层析）常用的有吸附色谱和分配色谱两类。吸附色谱常用氧化铝和硅胶作固定相；而分配色谱中以硅胶、硅藻土和纤维素作为支持剂，以吸收较大量的液体作固定相，而支持剂本身不起分离作用。

吸附柱色谱通常在玻璃管中填入表面积很大经过活化的多孔性或粉状固体吸附剂。 当待分离的混合物溶液流过吸附柱时，各种成分同时被吸附在柱的上端。当洗脱剂流下时，由于不同化合物吸附能力不同，往下洗脱的速度也不同，于是形成了不同层次，即溶质在柱中自上而下按对吸附剂的亲和力大小分别形成若干色带，再用溶剂洗脱时，已经分开的溶质可以从柱上分别洗出收集；或将柱吸干，挤出后按色带分割开，再用溶剂将各色带中的溶质萃取出来。

三、实验试剂：自制乙酰二茂铁粗品，石油醚（60—90℃），乙醚

四、实验装置：

   

五、实验步骤：

1、用柱色谱分离纯化乙酰二茂铁

  吸附剂:色谱柱用中性氧化铝或色谱柱用硅胶

  溶剂:乙醚

洗脱剂: 3：1石油醚/乙醚混合溶剂（学生自己配制）

用2ml乙醚将乙酰二茂铁粗品配成悬浊液上柱。

二茂铁黄色、乙酰二茂铁橙色。根据二茂铁、乙酰二茂铁颜色的不同分别收集之。

(1)    吸附剂的填装

    ①干法 将吸附剂一次加入色谱柱，振动管壁使其均匀下沉，

然后沿管壁缓缓加入洗脱剂；或在色谱柱下端出口处连接活塞，加入适量的洗脱剂，旋开活塞使洗脱剂缓缓滴出，然后自管顶缓缓加入吸附剂，使其均匀地润湿下沉，在管内形成松紧适度的吸附层。操作过程中应保持有充分的洗脱剂留在吸附层的上面。

    ②湿法 将吸附剂与洗脱剂混合，搅拌除去空气泡，徐徐倾入色谱柱中，然后加入洗脱剂将附着管壁的吸附剂洗下，使色谱柱面平整。

俟填装吸附剂所用洗脱剂从色谱柱自然流下，液面和柱表面相平时，即加供试品溶液。

(2) 样品的加入

    将样品溶于开始洗脱时使用的洗脱剂中，再沿色谱管壁缓缓加入，注意勿使吸附剂翻起。或将供试品溶于适当的溶剂中，与少量吸附剂混匀，再使溶剂挥发去尽使呈松散状，加在已制备好的色谱柱上面。如供试品在常用溶剂中不溶，可将供试品与适量的吸附剂在乳钵中研磨混匀后加入。

(3)洗脱

    通常按洗脱剂洗脱能力大小递增变换洗脱剂的品种和比例，分别分部收集流出液，至流出液中所含成分显著减少或不再含有时，再改变洗脱剂的品种和比例。操作过程中应保持有充分的洗脱剂留在吸附层的上面。

2、回收溶剂

将柱色谱收集到的乙酰二茂铁溶液，进行常压蒸馏回收乙醚。（水浴控制在50℃以下）。减压蒸馏回收石油醚（至溶液体积约为10ml止），让其自然挥发得产品。

将柱色谱收集到的二茂铁溶液，进行常压蒸馏回收乙醚。（水浴控制在50℃以下）。减压蒸馏回收石油醚。

3、用薄层色谱检测粗产品纯度。

吸附剂: 薄层色谱用硅胶

  溶剂:乙醚

展开剂: 3：1石油醚/乙醚混合溶剂（学生自己配制）

将粗产品与二茂铁标准样对照展开，然后将产品与二茂铁标准样对照展开比较之。

4、产品表征

（1）    测定乙酰二茂铁的熔点，与文献值比较（熔点的文献值：二茂铁为173°C，乙酰二茂铁为85°C，1，1ˊ-乙酰基二茂铁为130°C）。

（2）    用KBr压片法测定乙酰二茂铁的红外光谱，与文献的标准图谱进行比较，并指出特征吸收峰的归属。

六、注意事项：

1、装柱要紧密结实，不能有气泡，否则影响分离效果。

2、在装柱、洗脱过程中，始终保持有溶剂覆盖吸附剂。一个色带与另一色带的洗脱液的接受不要交叉。

七、参考书目：

1、 兰州大学、复旦大学主编《有机化学实验》（第二版）

2、浙江大学、南京大学、北京大学、兰州大学主编主编《综合化学实验》（第一版）

八、思考题：

1、乙酰二茂铁的纯化为什么要用柱色谱法？可以用重结晶法吗？它们各有什么优缺点。