有机化学实验讲义

《有机化学》实验大纲和讲义中药化学及基础化学教研室2006.05有机化学实验讲义实验一有机化学实验的一般知识有机化学是一门以实验为基础的学科，因此，有机化学实验是有机理论课内容的补充，它在有机化学的学习中占有重要地位。一、有机化学实验的目的1．通过实验，训练学生进行有机化学实验的基本操作和基本技能。2．初步培养学生正确选择有机合成、分离与鉴定的方法。3．配合课堂讲授，验证、巩固和扩大基本理论和知识。4．培养学生正确的观察和思维方式，提高分析和解决实验中所遇问题的思维和动手能力。5．培养学生理论联系实际、实事求是的工作作风、严谨的科学态度和良好的工作习惯。二、有机化学实验室规则（略）详见教材三、实验室的安全有机化学实验所用试剂多数易燃、易爆、有毒、有腐蚀性，仪器又多是玻璃制品，此外，还要用到电器设备、煤气等，若疏忽大意，就会发生着火、爆炸、烧伤、中毒等事故。但只要实验者树立安全第一的思想，事先了解实验中所用试剂和仪器的性能、用途、可能出现的问题及预防措施，并严格执行操作规程，加强安全防范，就能有效地维护人身和实验室安全，使实验正常进行。为此，必须高度重视和切实执行下列事项。（略）详见教材四、有机化学实验室简介为了能够安全、有效地进行实验，有机化学实验室需要配备一些安全装置和实验常用的必要设备，有机实验室必备的装置大致有下列几种。（略）详见教材五、有机实验常用仪器及装配方法详见教材和仪器清单，老师在实验室详细讲解并示范具体装配方法。六、实验预习、记录和实验报告1实验预习是做好实验的基础。每个学生都应准备一本实验预习本（也兼作记录本），实验前要认真预习实验讲义（是思考，不仅仅是读！），并写出实验预习报告。做好实验记录是培养学生科学作风和实事求是精神的重要环节。在实验过程中应仔细观察实验现象，如加入原料的量和颜色，加热温度、固体的溶解情况、反应液颜色的变化、有无沉淀或气体出现，产品的量、颜色、熔点或沸点、折光率等等。将观察到的这些现象以及测得的数据认真如实地记录在记录本上（记录时要与操作一一对应），不准记录在纸片上，以免丢失。也不准事后凭记忆补写实验记录，应养成一边进行实验一边做记录的习惯。记录要简明扼要，字迹整洁。实验完毕后，将实验记录交老师审阅。实验记录是科学研究的第一手资料，也是纂写实验报告的原始根据，应予以重视。实验报告是总结实验进行的情况、分析实验中出现问题的原因、整理归纳实验结果的重要工作。所以必须认真写好实验报告。详见教材实验三无水乙醇的制备【目的要求】（1）掌握制备无水乙醇的原理和方法。（2）学习回流、蒸馏的操作，了解无水操作的要求。【反应原理】纯净的无水乙醇沸点是78.3℃，它不能直接用蒸馏法制得。因为95.5%的乙醇和4.5%的水可组成共沸混合物。若要得到无水乙醇，在实验室中可以采取化学方法。例如，加入氧化钙加热回流，使乙醇中的水与氧化钙作用生成不挥发的氢氧化钙来除去水分。CaOCa(OH)2HO+2用此法制得的无水乙醇，其纯度可达99%～99.5%，这是实验室制备无水乙醇最常用的方法。【实验步骤】取一500ml干燥的圆底烧瓶，放入95%乙醇200ml，慢慢加入50g砸成碎块的氧化钙和约1g氢氧化钠，装上回流装置，其上端接一氯化钙干燥管，在沸水浴上加热回流2～3小时，直至氧化钙变成糊状，停止加热，稍冷后取下回流冷凝管，改成蒸馏装置。蒸去前馏分（约5ml）后，用干燥的吸滤瓶或蒸馏瓶作接收器，其支管接一氯化钙干燥管，使与大气相通。用水浴加热，蒸馏至几乎无液滴流出为止。称量无水乙醇的重量或量其体积，计算回收率。制得的无水乙醇可用干燥的高锰酸钾进行质量检查。方法为：取一干燥小试管，加入干燥的高锰酸钾一粒，加入1ml无水乙醇，迅速振摇，应不呈现紫红色，方合格。无水乙醇的沸点为78.5℃，密度，密度0.7893，折光率ｎ20D1.3611。【注意事项】（1）实验中所用仪器，均需彻底干燥。（2）由于无水乙醇具有很强的吸水性，故操作过程中和存放时必须防止水分侵入。冷凝管顶端及接收器上的氯化钙干燥管就是为了防止空气中的水分进入反应瓶中。干燥管的装法：在球端铺以少量棉花，在球部以及直管部分分别加入粒状氯化钙，顶端用棉花塞住。（3）回流时沸腾不宜过分猛烈，以防液体进入冷凝器的上部，如果遇到上述现象，可适当调节温度（如将液面提到热水面上一些，或缓缓加热），始终保持冷凝器中有些连续液滴即可。（4）一般用干燥剂干燥有机溶剂时，在蒸馏前应先过滤除去。但氧化钙与乙醇中的水反应生成氢氧化钙，因加热时不分解，故可留在瓶中一起蒸馏。（5）所用乙醇的水分不能超过0.5%，否则反应相当困难。2（6）碘粒可加速反应进行，若加碘粒后仍未开始反应，可适当加热，促使反应进行。（7）检查无水乙醇用的高锰酸钾，事先需要干燥处理。【思考题】（1）你认为制备无水乙醇的关键是什么？（2）本实验为何用氧化钙而不用氯化钙作无水乙醇的脱水剂？（3）什么叫回流？有何用途？（4）什么叫蒸馏？有何用途？（5）用200ml工业乙醇（95%）制备无水乙醇时，理论上需要氧化钙多少克？实验五乙酸乙酯的制备【目的要求】（1）了解并掌握乙酸乙酯的制备方法。（2）掌握蒸馏及分液漏斗的使用方法。【反应原理】本实验采用乙酸与乙醇为原料，在浓硫酸的催化下，加热而制得乙酸乙酯。H2SO4HOCH3COOHC2H5OHCH3COOC2H5++2增高温度或使用催化剂可加快酯化反应速率，使反应在较短的时间内达到平衡。酯化反应是一可逆反应，当反应达到平衡后，酯的生成量就不再增加，为了提高酯的产量，可采用加过量的乙醇，并利用乙酸乙酯易挥发的特性，使它生成后立即从反应混合物中蒸出，用脱水剂把生成物之一的水不断吸收除去，破坏可逆平衡，使产量提高。【实验步骤】在100ml圆底烧瓶中，加入15ml冰醋酸和23ml95%乙醇，在振摇下滴入7.5ml浓硫酸充分摇匀，加几颗沸石，装上回流冷凝管，在水浴上加热回流30分钟。稍冷后，改成蒸馏装置，水浴上蒸馏，蒸至不再有蒸出物为止。往馏出液中加饱和碳酸钠溶液，充分摇匀，有机相呈碱性或中性。用分液漏斗分去有机相，有机相加等体积的饱和食盐水洗一次，再用等体积的饱和氯化钙溶液洗一次，分出有机相，用无水硫酸钠干燥。干燥后的粗产品滤至干燥的蒸馏瓶中，加几粒沸石，于水浴上蒸馏，收集73～78℃馏分，产量约13.1～15.6g.纯乙酸乙酯为无色透明液体，沸点77.1℃，密度0.9003，折光率1.3723。【思考题】（1）酯化反应有什么特点？本实验采取哪些措施使酯化尽量向正反应方向完成？（2）本实验可能有哪些副反应？生成哪些副产物？乙酸乙酯粗品有哪些杂质？（3）酯化反应中用作催化剂的硫酸，一般只需醇重量的3%就够了，本实验为什么用了10ml？（4）实验成败的关键何在？（5）如果采用乙酸过量是否可以？为什么？实验六茶叶中提取咖啡因、分离与鉴定【目的】了解从茶叶中提取咖啡因的原理和方法；熟悉索氏提取器的使用方法；掌握升华操作技术；了解咖啡因的鉴别方法。【原理】咖啡因又称咖啡碱，它是一种对中枢神经有兴奋作用的生物碱，常作为中枢神经的兴奋药，也是复方阿司匹林等药物的组分。3咖啡因是杂环化合物——嘌呤的衍生物，化学名称为1，3，7-三甲氧基-2，6-二氧嘌呤。含结晶水的咖啡因为无色针状结晶，味苦，能溶于氯仿、水、乙醇等。在100℃时即失去结晶水，并开始升华，虽温度升高升华加快。120℃时升华显著，178℃时升华很快。无水咖啡因的熔点为234~237℃。从茶叶中提取咖啡因时，往往选用适当的溶剂（氯仿、乙醇等）在索氏提取器中连续抽提，然后蒸去溶剂，得到粗咖啡因；再通过升华进行纯化，得咖啡因纯品。也可以用热水浸泡茶叶，再选用适当的有机溶剂将咖啡因从浸泡液中萃取出来。前一种方法称为升华法，后一种方法称萃取法。咖啡因除可通过熔点测定、生物碱特有反应和光谱法进行鉴别或鉴定外，还可以通过制备咖啡因水杨酸盐衍生物或电荷迁移络合物进一步确认。咖啡因水杨酸衍生物的熔点为137℃。【实验步骤】1.提取、分离与纯化（升华法）：称取茶叶末10g，放入卷好的滤纸筒中，并将滤纸筒放入索氏提取器内。在圆底烧瓶中加入80ml95%乙醇和1~2粒沸石，置水浴中加热回流提取约1~2h。当冷凝液刚刚虹吸下去时，立即停止加热，改为蒸馏装置，回收提取液中大部分乙醇。将浓缩液（约10~20ml）转入蒸发皿中，置水浴上蒸发至糊状；拌入3~4g生石灰，再次放于蒸气浴上，在玻璃棒不断搅拌下蒸干溶剂。将蒸发皿移至石棉网上用小火焙炒片刻，除去水分。将一张多孔滤纸盖在表面皿上，取一个合适的玻璃漏斗罩在滤纸上。将该蒸发皿置于可控温热源上，小心加热使其升华。当滤纸上出现白色针状结晶时，要控制温度，缓慢升华。当大量白色结晶出现时，暂停加热。用刀片将滤纸上的结晶刮下。残渣经拌和后，再次升华。合并两次收集的咖啡因。2.鉴别⑴与碘化铋钾反应：取1ml咖啡因的乙醇溶液，加入1~2滴碘化铋钾试剂，应有淡黄色或红棕色沉淀出现。⑵与硅钨酸试剂反应：取1ml咖啡因的乙醇溶液，加入1~2滴硅钨酸试剂，应有淡黄色或灰白色沉淀出现。⑶薄层层析：用硅胶G板点样，用苯：乙酸乙酯（1：1）作展开剂，用20%磷钼酸的醋酸-丙酮溶液（1：1）显色。若为一个斑点，说明纯度较高，否则相反。⑷熔点测定：mp234~237℃。（本实验提取与升华操作约需8学时，鉴别实验约需6~7学时）【注意】[1]滤纸筒大小要合适，既要贴紧器壁，又要放取方便，高度不能超过提取器的虹吸管。纸套上面折成凹形，以保证回流时可均匀浸润被萃取物。[2]理论上应尽可能提取完全，直到回流液无色或颜色变浅。实际上回流虹吸3~5次即可，因为色素提尽与否，并不代表咖啡因的提取率。[3]生石灰起吸水和中和作用，分解咖啡因单宁酸盐和咖啡因茶多酚盐，使咖啡因游离而具有挥发性。[4]本实验成功与否取决于升华操作。样品到冷却面之间的距离应尽可能较近。在升华过程中始终要小火间接加热，温度不可过高（最好维持在120~178℃），否则易把滤纸碳化变黑，并把一些有色物质烘出来，影响收率和纯度。[5]咖啡因易溶于氯仿，而茶碱和可可碱难溶于氯仿，故可用氯仿作萃取剂，除去后两种物质。4[6]若萃取时出现乳化现象，分层困难时，可加入5%HCl使溶液呈中性，有助于分层。【问题与讨论】1.分离咖啡因粗品时，为什么要加入氧化钙？2.从茶叶中提取的咖啡因有绿色光泽，为什么？3.咖啡碱、茶碱与可可碱在结构上有什么区别？有何种用途？对人体有何利弊？4.本实验中，从回流提取、烘烤茶砂到升华操作，应如何减少产品损失？5.药典规定，测定咖啡因的含量时，要用极性很强的氯仿作提取剂，为什么？实验七从徐常卿根中提取牡丹酚【实验目的】学习中草药中易挥发成分的提取和分离方法；掌握水蒸气蒸馏的原理、装置和基本操作。【性质与原理】徐常卿根具有清热凉血，活血散瘀之功效。本品的主要药用成分为牡丹酚、牡丹酚苷等，后者在贮存过程中易分解出牡丹酚。牡丹酚具有镇痛、镇静、抗菌作用，临床上用于治疗风湿病、牙痛、胃痛、皮肤病及慢性支气管炎、哮喘等症。牡丹酚的化学名称为2-羟基-4-甲氧基苯乙酮。具有芳香气味的白色针状结晶，熔点50℃，具有挥发性，能随水蒸气蒸馏出，难溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿、苯等有机溶剂。利用牡丹酚具有挥发性，能随水蒸气蒸出的性质进行提取，再利用难溶于水易溶于有机溶剂的性质进行纯化。【实验步骤】⒈提取、分离与纯化在500ml长颈圆底烧瓶中，加入已粉碎的徐长卿根30g，加适量热水，以浸泡住固体物为宜，用外蒸气法进行蒸馏。当馏出液不与三氯化铁发生显色反应时（实际上，当馏出液比较清亮、无乳浊现象即可），停止蒸馏。将馏出液放置24小时。馏出液放置后，得到白色针状结晶（牡丹酚粗品）。滤出结晶，加入少量95%乙醇使之溶解，再加入大量蒸馏水，溶液先呈乳白色，静止后有大量白色针状结晶析出，滤出结晶，自然干燥，即得牡丹酚纯品。⒉鉴别⑴碘仿实验：制备牡丹酚甲醇溶液，碘仿实验应有米黄色沉淀出现。⑵三氯化铁实验：制备牡丹酚乙醇或甲醇溶液，三氯化铁检验应显紫红色。⑶熔点测定：mp50℃。本实验水蒸气蒸馏操作与