化学合成实验的一般知识

 

11  实验室规则

 

化学合成是一种表现非凡创造力和具有挑战性的工作。人们在了解自然、认识自然的过程中,阐明了很多天然产物的化学结构,合成化学家则用化学合成的方法来复制,用以证明它的结构。化学合成的目的不仅在于此,而且还可以根据人们的需要来改造这种结构或是创造出全新的结构。这些复杂的工作往往是在实验室完成的。这不仅要求我们应具备敏捷的思维、智慧和熟练的实验技巧,也要求我们有良好的实验习惯,以保证实验的顺利进行。或许是一次小小的不规范的习惯性操作,就让我们与科学的正确结果失之交臂。因此我们在第一次走进实验室时,就必须严格遵守化学合成实验室的规则。

1.按作息时间准时进人实验室,实验过程中应自始至终保持肃静,不得交头接耳,更不能谈论与实验无关的内容。

2.熟悉实验室环境、灭火器材和急救药箱的放置地点和使用情况,严格遵守实验室的安全守则、实验步骤中药品使用和操作的安全注意事项。牢记意外事故发生时的处理方法及应变措施。

3.实验过程中要集中精力,严格按操作规范进行每一步实验。仔细观察并做好记录,尊重实验结果。当实验结果与教材告知的实验结果有出入时,应积极思考,分析问题,找出答案。

4.实验过程中不得擅自离开实验岗位。

5.虚心听取教师的指导,不得随意改变实验步骤和方法,严格按照教材规定的步骤、仪器及试剂的用量和规格进行实验。若要以新的路线和方法进行实验,应征得教师的同意,才能更改。实验过程中若出现错误,不能随意结束实验,应积极主动请教教师,找出一个最佳的解决方案。

6.保持实验室的清洁卫生,实验器材、仪器及药品不能乱丢乱放。遵守公共实验台药品取用的规定,废弃物应分别放在指定的地点,回收溶剂要倒人指定的密封容器中作进一步的统一处理。                            

7.节约水、电和煤气,严格按实验要求使用药品。

8.实验结束后应及时把仪器洗刷干净,若有仪器损坏应办理登记赔偿;值日生打扫实验室,整理公用仪器和药品,把废物容器倒尽并洗刷干净;检查水、电、煤气及门窗,报告教师后方可离开实验室。

 

12   实验室安全以及事故的预防和处理

 

化学合成使用的原料和溶剂多数有毒、可燃、有腐蚀性和挥发性,甚至有爆炸性;使用的仪器大部分是玻璃制品。特殊条件下,还须涉及高温高压和有毒气体,如使用高压釜、钢瓶等。因此,在化学合成实验过程中,要严格按正确的操作规范进行每一步实验,充分认识药品的理化性质,了解潜在的危险,集中精力,避免发生人身伤害、火灾、爆炸等事故。

 

121  实验室的安全守则

1.设计合理的实验步骤,尽量选择反应条件温和的合成路线。

2.确保仪器完好无损,正确安装实验装置。实验装置安装完毕后,征得指导教师同意后,方可开始实验。

3.实验过程中,不得离开岗位,仔细观察实验进行的情况以及装置有无漏气和破裂等情况。

4.对所进行的实验的危险性要有充分的认识,要采取必要的安全措施。必须穿戴实验服。

5.使用易燃、易爆药品时,应远离火源。实验试剂不得人口。严禁在实验室内吸烟、喝水或吃食物。实验结束后要细心洗手。

6.熟悉安全用具如灭火器材、砂箱放置地点和使用方法。安全用具应放置在方便的地方,且不能移作它用。

7.实验室应配备防护眼罩、喷淋器或洗眼器和急救药箱。药箱内应准备下列药品:

红药水               碘酒(3%)        烫伤膏

碳酸钠溶液(饱和)   硼酸溶液(饱和)   醋酸溶液(2%)

氨水(5%)          硫酸铜溶液(5%)  高锰酸钾晶体(需要时制成溶液)

氯化铁溶液(止血剂) 甘油               消炎粉

另外,消毒纱布及消毒棉(均放在玻璃瓶内,磨口塞紧)、剪刀、氧化锌橡皮膏、棉花棍等也是不可缺少的。

 

122  实验室事故的预防

1.火灾的预防

实验室中使用的有机溶剂大部分是易燃的。因此着火是有机合成的常见事故。防火的基本原则有如下几点:

1)在操作易燃的有机溶剂时要特别注意,实验装置的安装应远离火源,勿将易燃液体化合物放置在敞开的容器中加热。实验室常见的易燃溶剂有乙醚、二硫化碳、烃类(己烷、苯、甲苯等)、醇类、酮类(丙酮、丁酮)以及酯类(乙酸乙酯)等。

2)对低沸点易燃有机化合物应使用水浴进行加热,有的也可使用蒸汽浴或电热装置。当可燃液体在加热蒸馏和回流时,应确保所有接头紧密且无张力。蒸馏时接引管的出口应远离火源,特别对于低沸点的物质如乙醚,应用橡皮管引人下水道或室外。

3)在明火几米的范围内勿将可燃溶剂从一个容器倒至另一容器。在进行易燃物质实验时,应养成先将酒精一类易燃的物质移开的习惯。

4)绝不可以加热一个密封的实验装置(即使装有冷凝管),因为加热而导致的压力增加会引起装置炸裂,引发火灾。

5)用油浴加热,必须十分注意避免水的溅人,特别是冷凝水。

6)凡进行放热反应时,应准备冷水或冷水浴。一旦发现反应失去控制时即能将反应器浸在冷水浴中冷却之。当用电加热套对装置进行加热时,电加热套应有足够的活动空间,以便在加热剧烈时能方便的拆卸。

7)不得把燃着或带有火星的火柴梗或纸条等乱抛乱丢,也不能丢人废物缸中,否则会发生危险。

2.爆炸的预防

1)蒸馏装置的安装不能造成密封体系,应与大气相通。减压蒸馏时要用圆底烧瓶作接受器,不能用三角烧瓶。否则,易发生爆炸。

2)一些气体或有机溶剂的蒸气与空气相混时,在一定的比例范围内,如遇到一个热的表面或者一个火花、电花就会引起爆炸。

3)在使用醚类物质时,必须用亚铁氰化钾检查有无过氧化物存在,如果有过氧化物存在时,应用硫酸亚铁除去过氧化物,才能使用,以免发生爆炸。对于以过氧化物作引发剂的那些反应,在后续操作中应特别注意。

4)卤代烷与钠的反应剧烈,易发生爆炸,应分隔放置,金属钠屑须放在指定的地方。

5)对于易爆炸的固体,如炔化银、炔化亚铜、苦味酸的金属盐、三硝基甲苯等都不能重压或撞击,以免引起爆炸,残渣必须小心销毁。例如,炔化银、炔化亚铜可用酸使它分解而销毁。

3.玻璃割伤的预防

玻璃割伤是常见的事故之一。避免玻璃割伤的最基本原则是切记勿对玻璃仪器的任何部分施加过度的压力或张力。

1)当玻璃部件插人橡皮或软木塞的时候,首先应检查孔径大小是否合适,务必将手握在玻璃部件靠近橡皮或软木塞的部位缓缓旋进。

2)有张力的玻璃仪器在加热时会破碎,因此,安装实验装置时避免粗心而使装置产生张力。

4.使用化学药品的注意事项

1)切勿让化学物品不必要地与皮肤接触,特别注意避免伤口及创伤部位与毒品接触。不要用诸如丙酮、酒精之类有机溶剂洗涤皮肤上的化学品,因为这些溶剂能增加皮肤对化学物品的吸收速度。实验结束后应该认真洗手。

2)实验室通风应良好,尽可能地在通风橱内进行实验操作。如果反应过程中产生有害气体(如氯化氢),则应安装有效的气体吸收装置,避免吸入化学物品,特别是有机溶剂的烟雾和蒸气。

3)切勿尝试任何化学药品,除非是特定指明需作尝试的。

4)化学物品一旦溅出,应立即采取相应的措施以清除溅出物。

5)在使用化学药品前,应查阅相关资料,了解其毒性以及其他生理作用。

 

123 已发生事故的处理

1.火灾的处理

实验时一旦着火,应保持沉着镇静,不要惊慌失措,并采取相应措施,以减少损失。首先,应立即熄灭附近的所有火源,切断电源,移开附近的所有易燃物质。小火可用石棉布或湿布盖灭,若火势较大,应视不同情况使用不同的灭火器。有机化学实验室的灭火通常采用使燃着的物质隔绝空气的办法,而不是使用水,因为有机物漂浮在水的上面,扩散更快,会引起更大的火灾。

如果衣服着火,切勿奔跑,迅速用厚的外衣包裹使其熄灭。较严重者应躺在地上,以防火焰烧向头部,并用防火毯紧紧包住,使火熄灭,邻近人员也应协助灭火。

如果电器着火,应立即切断电源,用二氧化碳或四氯化碳灭火器灭火,因为这些灭火剂不导电。但切记在带电情况下,不能用水和泡沫灭火器,因为水能导电,易使人触电。

2.化学灼伤

与腐蚀性化学物品接触的皮肤面应立即用肥皂和水充分洗涤,轻微的灼伤者敷以灼伤油膏,严重的灼伤者应去医院作进一步的医治。                  

溴引起的灼伤特别严重,应立即用水冲洗,以10%硫代硫酸钠浸渍,敷上烫伤油膏,包扎并求诊。若眼睛受到溴蒸气的刺激,暂不能睁开时,可对着盛有酒精的瓶口注视片刻。

如果酸溅人眼睛,应擦去眼睛外面的酸,立即用水冲洗后,即到医院就诊,或再用稀碳酸氢钠溶液洗涤,最后滴人少许蓖麻油;若碱溅人眼睛,应擦去眼睛外面的碱,立即用水冲洗,再用饱和硼酸溶液洗涤后,滴人少许蓖麻油。

3.中毒

在实验中,化学药品溅人或误人口腔,应立即用大量的水冲洗。如已进人胃中,应查明药品的毒性性质,再根据毒性的性质服用解毒药,并立即送往医院急救。

误吞强酸,先饮用大量的水,再服氢氧化铝膏、鸡蛋白;对于强碱,也要先饮用大量的水,再服醋、酸果汁、鸡蛋白。不论酸或碱中毒都需灌注牛奶,不要吃呕吐剂。

如果发生刺激性及神经性中毒,先服牛奶或鸡蛋白使之冲淡和缓解,再服用硫酸镁溶液(约10g溶于100 mL)催吐,并送往医院就诊。

吸人气体中毒者,应立即将中毒者抬至室外,解开衣领及纽扣,及时送往医院急救。

 

124 实验室三废的处理

化学实验中会经常产生一些有毒的气体、液体和固体,都需要及时排弃。一些物质、特别是某些剧毒的物质,如果不经处理直接排弃可能会污染周围环境,损害人体健康。因此,对废气、废液和废渣须经过一定的处理后才能排弃。

对产生少量有害气体的实验应在通风橱内进行,使排出气在室外被大量空气稀释,以免污染室内空气。如NO2H2SCl2SO2等可被碱液吸收的有害气体,要经过碱液吸收其大部分后再排放。

废渣,特别是那些有毒的废渣,应掩埋于指定地点的地下,决不可随意丢弃。

化学合成实验更多的是废液。主要有两类废液,—类是具有酸碱性的洗涤废液,应收集在专用的废液缸中,经过滤、中和(pH68)后排放。另一类是废有机溶剂,包括反应用的溶剂和重结晶用的溶剂。这部分有机废液要分类存放,—些可经蒸馏等纯化方法回收再利用;一些无法回收又污染环境的废有机溶剂也要经过专门处理后再排弃。

 

13  有机化学实验预习、记录和实验报告

 

有机化学实验是一门综合性较强的理论联系实际的课程。这是培养学生独立工作能力的重要环节。完成一份正确、完整的实验报告,也是一次很好的训练过程。

 

131 实验预习

实验预习是有机化学实验的重要环节,对实验成功与否、收获大小起着十分关键的作用。实验预习的具体内容包括:

1)实验目的:写出本次实验要达到的主要目的。

2)反应及操作原理:用反应式写出主反应和副反应,并写出反应机理,简单叙述操作原理。

3)实验用的仪器及药品:规格、型号、数量,并按报告要求填写主要试剂及产物的物理和化学性质。

4)画出主要反应的仪器装置图,并标明仪器名称。

5)画出反应及产品纯化过程的流程图。

6)操作步骤与现象。

预习时,应想清楚每一步操作的目的是什么,要弄清楚本次实验的关键步骤和难点,实验中有哪些安全问题。预习是做好实验的关键,只有预习好了,实验时才能做到又快又好。

 

132  实验记录

实验记录是科学研究的第一手资料,实验记录的好坏直接影响对实验结果的分析。因此,学会做好实验记录也是培养学生科学作风及实事求是精神的一个重要环节。记录时,要与操作步骤一一对应,内容要简明扼要,条理清楚。记录直接写在顶习报告本上,不能随便记在一张纸上。

 

 

133  实验报告

实验报告就是在实验完成之后,对实验进行总结。即讨论观察到的实验现象,分析实验中出现的问题和解决的办法,整理归纳实验数据,写出做实验的体会,对实验提出建设性的建议等。这是完成整个实验的又一个重要环节。

一份完整的实验报告可以充分体现学生对实验理解的深度、综合分析问题和解决问题的能力及文字表达的能力。

 

实验参考资料

乙酸异戊酯(香焦油)的制备

反应式:

主要试剂:

异戊醇,冰醋酸,浓硫酸,环己烷,碳酸氢钠水溶液,无水硫酸镁,饱和食盐水溶液。

 

方法一、浓硫酸催化,环己烷分水[1]

实验步骤:

100 mL的圆底烧瓶中,加入6 mL异戊醇、4nL冰醋酸、0.6 mL浓硫酸、25 mL环己烷和几粒沸石,摇匀后装上分水器,分水器上口接一回流冷凝管。小火加热回流。由于环己烷和反应中生成的水形成二元最低恒沸物,因此,反应时生成的水不断地被环己烷从反应混合液中带出来,经冷凝后聚积在分水器的下层。当不再有水生成时可停止回流,共分出约1.01.5mL水(大约需11.5h)。

把反应液倒入分液漏斗中,用25 mL水洗一次,再用5%碳酸氢钠水溶液洗至中性,最后用5mL饱和食盐水洗一次,用无水硫酸镁干燥。将干燥后的含有粗酯的环己烷溶液进行蒸馏,先收集环己烷,再收集138142℃的馏分,称量。

产量约45g,做红外光谱分析和气相色谱分析。

 

方法二、浓硫酸催化,不分水[2]

实验步骤:

50mL干燥的圆底烧瓶中加入10.8mL异戊醇和12.8mL冰醋酸,摇动下慢慢加入2.5mL浓硫酸,混匀后加入几粒沸石,装上回流冷凝管,小火加热回流1h

将反应物冷至室温,小心转入分液漏斗中,用25mL冷水洗涤烧瓶,并将涮洗液合并至分液漏斗中。摇振后静置,分出下层水溶液,有机相用15mL碳酸氢钠溶液洗涤,以除去粗酯中少量的醋酸杂质。静置后分去下层水溶液,再用15mL5%的碳酸氢钠水溶液洗涤一次,至水溶液对pH试纸呈碱性为止。然后再用10mL饱和的氯化钠水溶液洗涤一次。分出水层,酯层转入锥形瓶中,用1~2g无水硫酸镁干燥。粗产物滤入圆底烧瓶中,蒸馏收集138143馏分,

产量约9g

纯粹乙酸异戊酯的沸点为142.5,折光率nD20 1.4003

 

参考文献

[1] 北京大学化学学院有机化学研究所 《有机化学实验》第2

[2] 兰州大学 复旦大学 化学系有机化学教研室 《有机化学实验》第二版