田德美

化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心(華中師范大學(xué))，武漢 430079

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，因此實驗教學(xué)顯得尤為重要。如何突破實驗教學(xué)從“照方抓藥”到“手腦并用、主動學(xué)習(xí)、活學(xué)活用”的轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力是當(dāng)前實驗教學(xué)的改革重點[1]。阿司匹林即乙酰水楊酸，是一種歷史悠久的解熱鎮(zhèn)痛藥，近年來發(fā)現(xiàn)其具有治療心臟病以及抗癌功效，具有良好的開發(fā)前景[2]。阿司匹林一般通過水楊酸的?；瘉碇苽?，由于水楊酸具有羧基和酚羥基兩個官能團(tuán)，?；噭┮灿泻芏噙x擇，其合成條件對反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)率、純度等有影響，是經(jīng)典的有機(jī)化學(xué)教學(xué)實驗項目。有大量論文也對該實驗教學(xué)進(jìn)行了改進(jìn)研究[3-6]。研究主要集中在兩個方面，一是綠色環(huán)保催化劑的研究[3,4]，二是合成、純化、含量測定等綜合實驗設(shè)計[5,6]。在這些教學(xué)研究中，一般是把乙酰水楊酸的合成及含量測定實驗安排在綜合設(shè)計實驗階段，需要大量課時才能完成，因為儀器數(shù)量的限制，通過高效液相色譜法測定產(chǎn)品含量的實驗難以實現(xiàn)每個學(xué)生都能對自己合成的產(chǎn)物進(jìn)行測試，難以達(dá)到應(yīng)有的實驗教學(xué)效果。我們在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，該實驗反應(yīng)時間并不長，涉及到多種有機(jī)化學(xué)實驗基本理論和操作，更適合作為基礎(chǔ)實驗進(jìn)行教學(xué)。針對水楊酸與乙酸酐反應(yīng)生成乙酰水楊酸的反應(yīng)物、反應(yīng)原理及雜質(zhì)的特征，我們設(shè)計以問題討論引導(dǎo)預(yù)習(xí)、以不同實驗條件分組實驗、共享實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗總結(jié)的教學(xué)方法，能夠在相對少的教學(xué)時間內(nèi)進(jìn)行綜合性實驗教學(xué)，提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)、團(tuán)隊合作、合理設(shè)計、分析問題和解決問題的能力。

1 實驗?zāi)康?/h2>

(1) 了解阿司匹林的相關(guān)知識；

(2) 了解酚羥基酰化成酯的原理及影響因素；

(3) 掌握水楊酸的檢測原理和方法；

(4) 掌握干燥回流、抽濾、薄層層析、柱層析等實驗操作；

(5) 掌握熔點測定、紅外光譜圖、核磁共振氫譜圖的分析及正確記錄；

(6) 學(xué)習(xí)查閱文獻(xiàn)、合理選擇實驗方法、正確記錄及分析實驗數(shù)據(jù)。

2 實驗原理

乙酰水楊酸一般由水楊酸乙?；玫?。其主要反應(yīng)式為：

在比較高的溫度下有可能發(fā)生以下副反應(yīng)：

反應(yīng)后粗產(chǎn)物中主要包括的物質(zhì)有：乙酰水楊酸、水楊酸、乙酸、水楊酰水楊酸酯以及乙酰水楊酰水楊酸酯。可通過薄層層析了解產(chǎn)物中含雜質(zhì)情況及混合物分離條件，通過柱層析分離提純產(chǎn)物。

3 實驗部分

3.1 試劑

水楊酸(AR)，乙酸酐(AR)，濃硫酸(AR)，石油醚(60-90 °C，CP)，乙酸乙酯(CP)，硅膠(100-200 目)，三氯化鐵溶液(1%)，乙醇(CP)，鹽酸水溶液(20%)。

3.2 儀器

圓底燒瓶，球形冷凝管，干燥管，水浴鍋，布氏漏斗，抽濾瓶，展開缸，層析柱(2.5 cm × 30 cm)，硅膠板GF254，錐形瓶，玻璃棒，滴管，恒溫加熱磁力攪拌器，循環(huán)水泵，干燥箱，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，紫外燈，電子天平，熔點測定儀(SGWX-4A)，核磁共振儀(Varian Mercury UX400)，紅外光譜儀(Nicolet Nexus)。

3.3 實驗步驟

3.3.1 乙酰水楊酸的制備

在25 mL圓底燒瓶中依次加入水楊酸(1.38 g，10 mmol)，乙酸酐(2.5 mL，30 mmol)和濃硫酸(2滴)。搖勻，使水楊酸溶解。將圓底燒瓶置于75-80 °C (或80-85 °C、85-90 °C，選擇其中一個溫度范圍進(jìn)行實驗)的熱水浴中，磁力攪拌下加熱約10 min。停止加熱，待反應(yīng)混合物冷卻至室溫后，將圓底燒瓶放在冷水浴中，攪拌下緩緩加入15 mL水(注意，反應(yīng)放熱，操作應(yīng)小心)。靜置，使晶體完全析出，抽濾，并用少量冷水洗滌，抽干，得乙酰水楊酸粗產(chǎn)品。

用三氯化鐵溶液檢驗酚羥基是否存在：取少量粗產(chǎn)品，溶入幾滴乙醇中，并滴加1-2滴1%三氯化鐵溶液，如果發(fā)生顯色反應(yīng)，說明有水楊酸存在。

3.3.2 薄層層析(TLC)法分析粗產(chǎn)物成份

取少量上述粗產(chǎn)品、乙酰水楊酸以及水楊酸分別配成乙酸乙酯溶液，待用。將三種樣品溶液點在硅膠板的同一條線上，在展開劑(V石油醚: V乙酸乙酯: V冰醋酸= 30 : 10 : 1)中展開，然后取出揮發(fā)干溶劑，在紫外燈下觀察各樣品點展開后的位置，并標(biāo)記并計算各點的Rf值。

3.3.3 產(chǎn)品的純化及結(jié)構(gòu)表征

(1) 柱層析法(A)

① 樣品準(zhǔn)備：將上述粗產(chǎn)品置于50 mL圓底燒瓶中，加少量乙酸乙酯溶解，然后加入約0.5 g硅膠，旋干，得到柱層析樣品。

② 裝柱：在層析柱下端收緊處輕輕塞入一小團(tuán)棉花，稱取約7 g硅膠作吸附劑，干法裝入層析柱中，用橡膠管輕敲柱身使硅膠填充緊密，在硅膠頂端加入2-3 mm厚的石英砂。然后將上述柱層析樣品通過長頸漏斗均勻平鋪在石英砂上端，并使其表面水平，再裝3-5 mm厚的石英砂在樣品的上端。(或按照教學(xué)視頻濕法裝柱)

③ 洗脫：先加入約20 mL石油醚，打開活塞并用橡皮管輕輕敲打柱身使硅膠均勻潤濕，然后加入洗脫劑(V石油醚: V乙酸乙酯: V乙酸= 50 : 10 : 1)洗脫收集所需要的色帶(用試管收集滴出液，通過TLC確定各試管中的成分)。合并同一組分溶液，旋干，稱量各組分質(zhì)量，計算產(chǎn)物回收率并回收溶液。

(2) 碳酸氫鈉溶解-鹽酸沉淀法(B)

將粗產(chǎn)品轉(zhuǎn)入到100 mL燒杯中，加入飽和碳酸氫鈉水溶液，邊加邊攪拌，直到不再有二氧化碳產(chǎn)生為止。抽濾，除去不溶性聚合物。再將濾液倒入100 mL燒杯中，并置于冰水浴中，滴加20%鹽酸，邊加邊攪拌，調(diào)節(jié)pH至3-4，使固體完全析出。抽濾，用少量冰水洗滌濾餅2-3次。收集固體，干燥、稱重并計算回收率。

(3) 乙醇-水混合溶劑重結(jié)晶法(C)

先將粗產(chǎn)品溶于少量沸乙醇中，再向乙醇溶液中添加熱水直至溶液中出現(xiàn)混濁，再加熱至溶液澄清透明(注意：加熱不能太久，以防乙酰水楊酸分解)，靜置慢慢冷卻、過濾、干燥、稱重并計算回收率。

純化后的產(chǎn)品用1%三氯化鐵溶液檢驗酚羥基是否存在，并用薄層色譜判斷其成分。測定熔點并進(jìn)行核磁共振氫譜、紅外光譜表征。

4 結(jié)果與討論

4.1 實驗結(jié)果

所得產(chǎn)品(乙酰水楊酸)為白色針狀晶體，熔點 134-136 °C。理論產(chǎn)量為 1.80 g，實驗產(chǎn)率可達(dá)85%。1H NMR (400 M, CDCl3): δ = 8.11 (dd, J1= 1.6Hz, J2= 8Hz, 1H), 7.62 (td, J1= 1.6Hz, J2= 8Hz,1H), 7.35 (t, J = 8Hz, 1H), 7.13 (d, J = 8Hz, 1H), 2.39 (s, 3H); IR (KBr) cm?1: 1740, 1719 (C＝O), 1695(O―C=O), 1603, 1426 (Ar)；MS (EI) (m/z): 181.2 [M+1]+。

4.2 實驗討論

4.2.1 合成條件

有大量文獻(xiàn)討論了阿司匹林的合成條件[7,8]，包括用固體環(huán)保型催化劑硫酸氫鈉、硫酸二氫鉀、維生素C等做催化劑，或用濃硫酸在不同的反應(yīng)條件合成。一般最佳的實驗條件為：反應(yīng)物物質(zhì)的量配比為水楊酸:乙酸酐:濃硫酸= 1 : 1.5-2.5 : 0.15-4.2；反應(yīng)溫度為80-90 °C；反應(yīng)時間為20-40 min。預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，用濃硫酸做催化劑，在80-85 °C的條件下反應(yīng)10 min時，薄層層析發(fā)現(xiàn)水楊酸基本反應(yīng)完全。但是反應(yīng)溫度較低時，反應(yīng)后的產(chǎn)品中有水楊酸，反應(yīng)溫度較高時，反應(yīng)后的產(chǎn)品中則有高聚物。各反應(yīng)溫度條件下的薄層層析分析結(jié)果見圖 1。因此，本實驗選取固定反應(yīng)物配比，固定反應(yīng)時間為 10 min的條件下，考查溫度對實驗結(jié)果的影響為教學(xué)重點，進(jìn)而結(jié)合文獻(xiàn)指導(dǎo)學(xué)生怎樣研究反應(yīng)條件對實驗結(jié)果的影響。

圖1 各溫度范圍反應(yīng)粗產(chǎn)物薄層層析情況

4.2.2 純化方法

本實驗討論了三種純化方法：(A) 柱層析，(B) 碳酸氫鈉溶解后鹽酸酸化沉淀，(C) 乙醇-水重結(jié)晶。純化干燥后的產(chǎn)品稱重，計算回收率，并用1% FeCl3溶液測定水楊酸的存在情況，以及用薄層層析法檢驗產(chǎn)品純度。其結(jié)果見表1。從實驗結(jié)果看，柱層析分離效果最好，但缺點是時間長，溶劑需要量大，最好重復(fù)套用溶劑。在用碳酸氫鈉處理粗產(chǎn)物時，往往會引起產(chǎn)品分解，即使是產(chǎn)物中沒有水楊酸存在，經(jīng)過此過程處理后，都有可能產(chǎn)生水楊酸。所以該方法純化產(chǎn)物并不可取。而乙醇-水重結(jié)晶的純化方法，有部分學(xué)生在沒控制好溫度時也會產(chǎn)生少量分解。

表1 不同純化方法的結(jié)果

5 實驗教學(xué)指導(dǎo)方案及教學(xué)效果

“照方抓藥”式的實驗教學(xué)存在的主要問題是：學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不大、缺乏自主學(xué)習(xí)、分析問題的能力。

阿司匹林的合成是經(jīng)典的有機(jī)基礎(chǔ)實驗之一。反應(yīng)原料結(jié)構(gòu)特殊、產(chǎn)物組成較為復(fù)雜，是一個很好的教學(xué)實驗項目。目前這個實驗一般是用硫酸做催化劑，在80-90 °C反應(yīng)10-20 min，碳酸氫鈉溶解-鹽酸酸化沉淀來純化產(chǎn)品。通過測定熔點或FeCl3溶液檢測酚羥基是否存在來判斷產(chǎn)物的純度。主要訓(xùn)練的基本操作有：控溫回流、抽濾、重結(jié)晶、熔點的測定等。學(xué)習(xí)的基本知識有：酚羥基的酯化反應(yīng)、雙官能團(tuán)化合物反應(yīng)條件的選擇、烯醇結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及定性檢測方法等。實驗時長約1 h。教學(xué)中主要通過講解來學(xué)習(xí)合成條件的選擇以及產(chǎn)物的精制方法和純度鑒定方法。實驗過程中學(xué)生按照老師的講解完成實驗。由于實驗訓(xùn)練內(nèi)容單一，難以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，容易導(dǎo)致“照方抓藥”的結(jié)果。

鑒于此，我們對實驗內(nèi)容進(jìn)行了改進(jìn)，增加了薄層色譜、柱色譜的操作，一方面鞏固和升華這兩項操作訓(xùn)練(在已做色譜分析實驗中，主要訓(xùn)練的是有色物質(zhì)的分離，而本實驗中所有組分都沒有顏色，需要顯色才能看到樣點，在原有實驗基礎(chǔ)上難度加大)；另一方面，通過薄層色譜，能清晰地看到未反應(yīng)完的原料、產(chǎn)物以及溫度過高時可能產(chǎn)生的副產(chǎn)物，比單純 FeCl3溶液檢測酚羥基提供更多的信息，結(jié)合實驗結(jié)果及反應(yīng)條件，分析實驗結(jié)果產(chǎn)生的原因。并且，實驗內(nèi)容還增加了產(chǎn)物核磁共振氫譜和紅外光譜圖的分析及歸屬，使整個實驗訓(xùn)練過程比較完整，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度。

5.1 實驗指導(dǎo)方案

在實驗預(yù)習(xí)教學(xué)過程中，應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用翻轉(zhuǎn)課堂，上傳實驗中可能遇到的實驗微課以及實驗預(yù)習(xí)要求，學(xué)生按照自己所掌握的知識架構(gòu)選擇性學(xué)習(xí)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行深度預(yù)習(xí)，寫出預(yù)習(xí)報告。本實驗需要的實驗微課內(nèi)容有：回流操作、磁力加熱攪拌器的使用、薄層層析、柱層析、重結(jié)晶、抽濾。

預(yù)習(xí)要求：

(1) 查閱文獻(xiàn)，總結(jié)文獻(xiàn)用到的催化劑及其特點；

(2) 查閱每一種試劑及各主要產(chǎn)物的化學(xué)安全信息并寫在預(yù)習(xí)報告本上；

(3) 在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析實驗試劑要求、實驗裝置的設(shè)計、實驗溫度控制依據(jù)、產(chǎn)品純化依據(jù)；

(4) 預(yù)測水楊酸、乙酰水楊酸薄層層析展開后的相對位置；

(5) 預(yù)測產(chǎn)物紅外光譜特征峰，與水楊酸相比較，最主要的變化是什么；

(6) 預(yù)測產(chǎn)物核磁共振氫譜信號數(shù)目，裂分情況，峰的位置。

(7) 寫出預(yù)習(xí)中不懂的問題或覺得實驗講義不對的地方，并說明自己的觀點。

實驗前教師不再統(tǒng)一講解實驗，主要針對反應(yīng)溫度選擇、純化方法進(jìn)行分組介紹以及提出實驗安全衛(wèi)生要求。學(xué)生選擇好實驗組別后獨立實驗，教師巡查，糾正錯誤操作，督促學(xué)生做好實驗記錄，實驗時就可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行提問，并適時組織小組討論。

每個教師指導(dǎo)16-18位學(xué)生進(jìn)行實驗，分成三組，每一組選取一個溫度范圍進(jìn)行合成。每一組再分成三組分別選取不同的方法進(jìn)行純化。

實驗過程中可能存在的問題及教學(xué)措施：

(1) 反應(yīng)溫度沒有控制好，串到其他溫度范圍。如實記錄，其結(jié)果直接加入另一組條件討論。

(2) 反應(yīng)過程中反應(yīng)混合物固化，組織討論。

(3) 柱層析時試管中溶液點板沒有樣點，組織討論。

(4) 薄層色譜中，展開后沒有清晰的樣點，而是一長條或在溶劑前沿有樣品帶。組織討論。

實驗后，每個學(xué)生上傳自己的實驗記錄。實驗記錄包括實驗人員、天氣情況、實驗藥品相關(guān)信息，每一步的實驗現(xiàn)象及相應(yīng)數(shù)據(jù)，還應(yīng)包括薄層層析照片及可能的實驗失誤。學(xué)生通過分析歸納大家的實驗結(jié)果，綜合分析后寫出一份實驗研究報告。實驗報告必須有自己的實驗數(shù)據(jù)，以及對本實驗的改進(jìn)思考。

本實驗安排在基礎(chǔ)實驗后半期，在學(xué)習(xí)完所有基本實驗操作技能后，鞏固操作技能，學(xué)習(xí)應(yīng)用有機(jī)化學(xué)理論知識指導(dǎo)實驗階段。整個實驗過程需要3 h (不包括預(yù)習(xí)和實驗報告時間)。強(qiáng)化了實驗預(yù)習(xí)和實驗報告的分析深度。充分調(diào)動了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和探索精神。

5.2 實驗教學(xué)成果

(1) 本實驗過程中，學(xué)生提出的低級問題明顯降低，主動思考和獨立思考訓(xùn)練效果明顯；

(2) 實驗過程中錯誤率降低，大多數(shù)學(xué)生能統(tǒng)籌安排實驗，學(xué)生做實驗的全局觀思維提高顯著；

(3) 學(xué)生更加重視實驗記錄，研究興趣有所增加。

本實驗進(jìn)一步改進(jìn)和拓展方向：可以從兩方面入手，一方面從理論方面，后續(xù)可加入阿司匹林水解實驗；另一方面，可將自己制備的原料藥制成片劑，放置一個月后應(yīng)用藥典方法和薄層色譜法分析藥片中藥品成分，并與市售阿司匹林腸溶片進(jìn)行比較。與生活緊密聯(lián)系起來，更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

6 實驗教學(xué)心得

基礎(chǔ)實驗教學(xué)是比較困難的一個實驗教學(xué)階段，此階段要注重“三基”教育，夯實基礎(chǔ)。因此，教師往往會對實驗講解面面俱到，學(xué)生依葫蘆畫瓢，保證實驗順利進(jìn)行。正因如此，學(xué)生往往處于被動學(xué)習(xí)地位，對教師苦口婆心的講解并沒有吸收多少，缺乏主動性。鑒于此，在反應(yīng)時間較短的實驗中，設(shè)計小綜合，允許學(xué)生具有變通性，允許學(xué)生犯錯[9]，提高學(xué)生實驗設(shè)計的參與性，更能達(dá)到實驗教學(xué)效果，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。