任德財(cái)，杜宇虹，趙冬梅，張宏坤，劉　宇

(黑龍江東方學(xué)院　食品與環(huán)境工程學(xué)部，哈爾濱　150086)

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研究性實(shí)驗(yàn)：雙酚A的合成與分析

任德財(cái)，杜宇虹，趙冬梅，張宏坤，劉宇

(黑龍江東方學(xué)院食品與環(huán)境工程學(xué)部，哈爾濱150086)

將“雙酚A的合成與分析”設(shè)計(jì)為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的研究性實(shí)驗(yàn)。利用FTIR、DSC、HPLC對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了表征，并探究了投料比例、硫酸濃度、反應(yīng)溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。三屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)?zāi)芰桶l(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力，可以進(jìn)一步推廣。

雙酚A；研究性實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；應(yīng)用化學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)

研究性實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生利用所學(xué)的理論知識(shí)，在充分利用實(shí)驗(yàn)室資源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并探究科學(xué)問(wèn)題，對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高、創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)具有一定的意義[1-3]。

現(xiàn)代儀器分析技術(shù)是化學(xué)學(xué)科研究和生產(chǎn)中不可或缺的手段。對(duì)于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，要了解化學(xué)領(lǐng)域中常用儀器的結(jié)構(gòu)、原理、制樣、譜圖解析、數(shù)據(jù)處理等基本知識(shí)，還要將這些方法綜合應(yīng)用，不斷提高專業(yè)素質(zhì)與技能[4-5]。

雙酚 A 是一種重要的精細(xì)化工原料，作為中間體被廣泛用于聚碳酸酯、聚苯醚樹(shù)脂、聚砜樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂等高分子材料的生產(chǎn)中，也被用于增塑劑、抗氧劑、防老劑、穩(wěn)定劑、涂料、農(nóng)藥等精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)中，對(duì)新型合成材料的制備、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)具有重要意義[6-7]。

因此，我們?cè)诒究平虒W(xué)中開(kāi)展“雙酚A的合成與分析”研究型實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生可以掌握雙酚A的合成方法，了解FTIR、DSC、HPLC的基本原理和操作要求，培養(yǎng)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。幾年來(lái)，我們?cè)黾恿嗽搶?shí)驗(yàn)的課時(shí)，補(bǔ)充了師資，購(gòu)置了儀器。經(jīng)過(guò)一系列的改革，該綜合實(shí)驗(yàn)取得了良好的教學(xué)效果，為學(xué)生從事化學(xué)化工行業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)思路

雙酚A的合成是在催化劑的作用下，兩當(dāng)量的苯酚與一當(dāng)量的丙酮進(jìn)行縮合反應(yīng)而制得的，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響因素主要有投料的比例、催化劑的用量、反應(yīng)的溫度和反應(yīng)的時(shí)間等。本實(shí)驗(yàn)采用硫酸法，即苯酚與丙酮在硫酸的催化下縮合脫水，生成雙酚A[8]，其反應(yīng)式如圖1所示。由于實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，因此讓學(xué)生探究投料比例、硫酸濃度、反應(yīng)溫度三個(gè)主要因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律。

圖1　雙酚A的反應(yīng)式

學(xué)生每2人一小組，每組配方不同(見(jiàn)表1)，每1～9小組組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，實(shí)驗(yàn)完成后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總，進(jìn)行表征與分析，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其過(guò)程按圖2所示進(jìn)行。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算及分析

圖2　開(kāi)展研究性實(shí)驗(yàn)的流程圖

2　實(shí)驗(yàn)步驟

3　產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)表征

化合物在合成過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表征，證明合成出來(lái)的物質(zhì)就是所設(shè)計(jì)的化合物。如果熔點(diǎn)符合，液相色圖譜出峰唯一，紅外圖譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜相一致即可判定合成出的化合物就是目標(biāo)產(chǎn)物。親自動(dòng)手制備紅外溴化鉀壓片，液相及DSC樣品的前處理，操作分析儀器，并利用圖譜表征產(chǎn)品，是在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中接觸不到的。同時(shí)，要求學(xué)生對(duì)譜圖進(jìn)行分析，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到儀器分析在有機(jī)化學(xué)合成中的重要性，在實(shí)踐中提高學(xué)生認(rèn)識(shí)譜圖和解析譜圖的能力。

3.1產(chǎn)品的純度分析

圖3　產(chǎn)物的高效液相譜圖

圖4是產(chǎn)物的DSC曲線，其樣品量為3～5 mg，升溫速度為10 ℃/min，氣氛為氮?dú)?，溫度范圍為室溫?00 ℃。由圖4可以看出，曲線上只有一個(gè)銳峰，沒(méi)有其他的雜峰出現(xiàn)，且峰寬較窄，產(chǎn)物的熔點(diǎn)為160.93 ℃，與文獻(xiàn)中給出的雙酚A的熔點(diǎn)值159～160 ℃幾乎相同[10]。基本可以確定產(chǎn)物為雙酚A。

圖4　產(chǎn)物的DSC曲線

3.2產(chǎn)品的紅外光譜分析

紅外測(cè)試時(shí)，測(cè)定波數(shù)范圍為500～4 000 cm-1，測(cè)定反應(yīng)后產(chǎn)品的紅外光譜如圖5所示。通過(guò)與文獻(xiàn)中的標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的紅外譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖一致。圖5中，主要吸收峰:3 300～3 400 cm-1為O-H 鍵的伸縮振動(dòng)峰；2 800～3 000 cm-1為C-H 鍵的伸縮振動(dòng)峰；1 450～1 600 cm-1為單核芳環(huán)骨架C-C 的伸縮振動(dòng)峰；1 020～1 275 cm-1為C-O 鍵的伸縮振動(dòng)峰；750～1 200 cm-1為在C-C 鍵的伸縮振動(dòng)峰。從而證明合成的產(chǎn)物是雙酚A[10]。

圖5　雙酚A的紅外光譜圖

4　結(jié)果與討論

對(duì)于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)來(lái)講，投料的比例、催化劑的用量、反應(yīng)的溫度和反應(yīng)的時(shí)間是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要因素，學(xué)生在以往的實(shí)驗(yàn)中，只知道控制這些因素，但多數(shù)情況下對(duì)為何要控制好這些參數(shù)并沒(méi)一個(gè)很好的理解，對(duì)實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的一些現(xiàn)象沒(méi)有一定理性的判斷。通過(guò)研究性實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，提高了學(xué)生的分析能力。

4.1投料比例對(duì)結(jié)果的影響

由表1可知，在制備雙酚A的過(guò)程中，苯酚過(guò)量會(huì)得到較多的產(chǎn)物。這是因?yàn)楸椒优c丙酮等當(dāng)量反應(yīng)時(shí)，熔融的苯酚在取用過(guò)程中會(huì)因溫度降低，苯酚凝固，產(chǎn)生損失。若操作不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致丙酮過(guò)量，過(guò)量的丙酮會(huì)與雙酚A 發(fā)生反應(yīng)，生成色滿化合物，減少了雙酚A的生成。同時(shí)，若丙酮過(guò)量，在水洗過(guò)程中易引起乳化，致使反應(yīng)失敗。因此提高投料比為3∶1時(shí)，使苯酚略過(guò)量有利于提高產(chǎn)率，同時(shí)減少了因操作失誤帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)失敗。

4.2硫酸濃度對(duì)結(jié)果的影響

4.3反應(yīng)溫度對(duì)結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度選擇是有機(jī)化學(xué)中的化學(xué)反應(yīng)的重要參數(shù)。由表1可知，反應(yīng)溫度為40 ℃時(shí)，色滿化合物少，收率較高。溫度提高到60 ℃后，色滿化合物增多，同時(shí)增大了丙酮的揮發(fā)。因此雙酚A合成時(shí)，溫度選取40 ℃為宜。

5　結(jié)束語(yǔ)

在雙酚A的合成實(shí)驗(yàn)中，采用了探究式的教學(xué)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并將現(xiàn)代分析儀器引入到實(shí)驗(yàn)中，將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)融會(huì)貫通，培養(yǎng)了學(xué)生在實(shí)踐中研究問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及良好的科學(xué)道德和團(tuán)隊(duì)精神等。

經(jīng)過(guò)多年的改革，本研究性實(shí)驗(yàn)已應(yīng)用于本科教學(xué)中，教學(xué)效果良好。

[1]徐瑜，徐偉明，周晶.魔芋精粉中葡甘露聚糖含量的測(cè)定——開(kāi)放性化學(xué)實(shí)驗(yàn)探索[J].大學(xué)化學(xué)，2011，26(3)：58-61.

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Comprehensive Teaching Experiment for Undergraduate of Applied Chemistry

REN Decai，DU Yuhong，ZHAO Dongmei，ZHANG Hongkun，LIU Yu

(Department of Food and Environment Engineering，Heilongjiang East University，Harbin 150086，China)

A comprehensive teaching experiment for undergraduate of applied chemistry was designed in this paper.Through FT-IR，DSC and HPLC analysis，the production was determined，then the effect of factors on experiment results was studied.It showed that the experimental design was reasonable and can fully stimulate the students’ enthusiasm as well as effectively cultivate students’ abilities of discovery，understand and solve problems independently.Effective teaching performance was obtained.It is worthy of further promotion.

bisphenol A; comprehensive; experimental teaching reform; applied chemistry

2014-08-17；修改日期: 2014-10-29

黑龍江東方學(xué)院高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(HDJG13005)。

任德財(cái)(1982-)，男，博士生，講師，主要從事特種與高性能高分子材料方面的研究。

G642 0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.005