苯甲酸和苯甲醇的合成
实验人：翁哲伟
实验日期：2014年4月16日
实验摘要
本次实验利用苯甲醛作为反应物，在浓氢氧化钠催化作用下发生歧化反应，制备苯甲酸和苯甲醇并分离所得产物。
通过分液萃取、常压蒸馏及减压蒸馏以76.01%的总产率得到产物苯甲醇；通过重结晶提纯以%的产率得到产物苯甲酸。
学习旋转蒸发仪的使用和减压蒸馏的原理及其操作。
关键词：苯甲醛；苯甲醇；苯甲酸；减压蒸馏；Cannizaro反应
实验简介
无α-H的醛在浓氢氧化钠的作用下发生分子间的氧化还原，结果一分子醛被氧化成酸，另一分子的醛被氧化成醇。
这是一个歧化反应。
反应机理如下：
反应实质是OH-作为亲核试剂进攻一个苯甲醛分子的羰基生成负离子，此负离子使原来醛基上的氢带着一对电子对另一分子苯甲醛进行亲核加成。
该实验使用到旋转蒸发仪，旋转蒸发仪使烧瓶在合适速度下旋转以增大蒸发面积，同时通过真空泵使烧瓶处于负压状态，连续蒸馏易挥发溶剂，提高蒸馏效率。
当外界压力减少时，液体物质的沸点就随压力降低而降低。
若使用真空泵与蒸馏装置相连接，使体系压力降低，可以在较低的温度下进行蒸馏。
本实验中的产物中有苯甲醇，在常压下沸点在205℃，较难蒸馏。
而在减压蒸馏过程中可以控制在较低的温度下进行蒸馏。
苯甲醛是最简单，也是工业上最常使用的芳香醛，是重要的化工原料。
苯甲醇可用作香精调配的定香剂，同时可用作照相显影剂、合成树脂和油脂的溶剂等。
苯甲酸可用于皮肤真菌病、浅部真菌感染的治疗，也可用于食品和药物制剂的防腐剂。
实验试剂
性质相对分子质量熔点沸点相对密度折射率
苯甲醛106.12 -26℃178~179℃ 1.044 1.5450
苯甲酸122.12 122~123℃249℃
苯甲醇108.41 -15.3℃205℃ 1.045 1.5400
乙醚74.12 -116.3℃34.6℃ 2.6 1.3556
实验装置
实验步骤
分液装置常压蒸馏装置
重结晶装置减压蒸馏装置
1、制备过程：
在150mL锥形瓶称取10.02g氢氧化钠（0.2505mol）加入10mL水，振摇使其溶解，冷却至室温。
然后边摇边加入10mL苯甲醛（10.4g，0.1mol）。
加完后用尼龙纸和橡皮筋两层密封，剧烈振摇，使其充分混合均匀后，放置两星期。
2、分离过程：
加入约50mL水用玻棒搅拌以及超声至固体全部溶解，冷却至室温，倒入分液漏斗中。
用乙醚萃取三次，每次25mL。
合并醚层，将醚层倒入分液漏斗中，分别依次用10mL饱和亚硫酸氢钠溶液、20mL碳酸氢钠溶液和10mL水洗涤。
醚层盛放在干的锥形瓶中，边摇边加入适量无水硫酸钠，放置干燥0.5h以上。
3、苯甲醇的提纯
醚液过滤至100mL茄形瓶中，在无明火下用油浴蒸去乙醚，将蒸出的乙醚倒入回收瓶。
取下茄形瓶在旋转蒸发仪上减压蒸馏5分钟。
再连接至减压蒸馏装置，压力显示为-100.87，油浴蒸馏，74℃时有馏分蒸出，收集至25mL茄形瓶中，称重计算产率。
4、苯甲酸的提纯
水层边搅拌边缓缓加入浓盐酸，酸化至刚果红试纸变蓝。
冷却至室温使沉淀完全。
抽滤，压干。
粗产物重结晶提纯，放置冷却结晶。
抽滤，晶体用少量冷水洗涤后干燥，得到白色片状结晶并称重，计算产率。
实验数据及记录
大气压p=101.096kPa。
反应过程中有大量热量放出。
常压蒸馏中36.5℃有馏分蒸出，为乙醚。
减压蒸馏中显示-100.87kPa。
体系压强为0.226kPa。
74℃有馏分蒸出，为苯甲醇。
苯甲醇为无色透明液体。
蒸馏前接受瓶重质量：W
瓶
=46.19g，蒸馏后接受瓶
质量：W
总
=50.30g。
苯甲醇实际产量：ΔW=4.11g。
苯甲酸粗产物为白色粉末晶体。
表面皿称重W
皿=34.28g，总质量W
总
=51.27g。
粗产物质量16.99g。
说明粗产品中含有大量水。
重结晶中加入水70mL。
苯甲酸重结晶后产物为白色针状晶体并相互结成片
状晶体。
表面皿称重W
皿=31.00g，总质量W
总
=36.06。
苯甲酸实际产量：ΔW=5.06g。
实验结果
加入苯甲醛0.1mol，苯甲酸和苯甲醇的理论产量均为0.05mol。
苯甲酸理论产量6.106g，实际产量5.06g。
产率82.87%。
苯甲醇理论产量5.407g，实际产量4.11g，产率76.01%。
苯甲酸和苯甲醇的物质的量之比为1.09:1。
实验分析讨论
本次实验的关键在于反应过程，要保证苯甲醛和氢氧化钠的充分接触，因此需要充分振荡。
该反应为放热反应，可以借此作为反应是否发生的依据。
由于在浓碱性条件下，苯甲醛极易被空气中的氧气氧化，需要密封处理，但是即便如此苯甲酸的产率会不可避免的比苯甲醇更高。
该反应得到的苯甲酸钠，在加水溶解的过程中由于结块，溶解速度极慢，而且较难用玻璃棒捣碎。
而超声波清洗器可以发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质中，使水流动而产生大量微小气泡，存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏结块的苯甲酸钠而使它们溶解于水中。
萃取要遵循少量多次的原则，可以简单证明如下：设a为原溶液，b为萃取液。
满足分配系数K=c b/c a。
设原溶液的体积和浓度均为1，萃取液体积为m，萃取次数为n。
每次萃取设有x物质的量的组分被萃取至有机相中，则满足关系式：K=[x/(m/n)]/(1-x),解得x=mk/(n+mk)。
所以经过n次萃取后，原溶液中浓度c=x^n=[mk/(n+mk)]^n,n越大c越小，则萃取越完全。
考虑到实验操作复杂程度，一般萃取三次为宜。
醚层分别用饱和亚硫酸氢钠、碳酸氢钠和水洗涤。
其中饱和亚硫酸氢钠可以与醛发生羰基的加成作用，生成稳定的加合物，是醛和甲基酮的好的分离纯化方式。
在该反应中，并没有形成白色结晶物，说明苯甲醛含量较少，反应程度比较
完全。
书上采用无水硫酸镁作为干燥剂，而实际实验中用无水硫酸钠作为干燥剂。
硫酸钠作为干燥剂的性能比硫酸镁差，但无水硫酸镁和饱和亚硫酸氢钠会对苯甲醇发生分子间脱水形成二苄醚的反应有催化作用。
在常压蒸馏乙醇的过程中会产生二苄醚。
二苄醚是淡黄色油状液体，会对苯甲醇的纯度和产率造成影响。
而硫酸钠则没有相关反应，可能与Mg作为二价金属容易与两分子的苯甲醇反应进行催化有关。
苯甲酸和苯甲醇可以发生酯化反应生成苯甲酸苯甲酯。
而在该反应中，如果碱的浓度过量，苯甲氧基负离子会代替氢氧根对苯甲醛发生亲核加成产生苯甲酸苯甲酯。
但是若此反应当做主反应，则Cannizzaro反应作为副反应，产率会较低且难以分离。
因此控制碱用量发生Cannizzaro反应后，可以加入稀硫酸至溶液呈酸性，蒸馏除去大部分水分后加入浓硫酸和环己烷，利用油水分离器除水使酯化反应进行。
一锅的反应使反应和后处理过程在一锅进行，减少中间的转移过程，使实验操作更加简便。
参考文献
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