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1 大學跨學門科學人才培育銜接計畫 有機化學實驗 教育部顧問室補助中華民國九十九年三月

2 本份教材由中山大學 中央大學 中原大學 中興大學 台灣大學 台灣師範大學 東吳大學 東海大學 東華大學 淡江大學 彰化師範大學化學系 ( 按筆畫排列 ) 採用創用 CC 姓名標示 非商業性 授權條款 2.5 版釋出, 個別教材授權規範請參見各教材 I

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4 序 國內近年來積極推動的重大發展產業, 如光電 奈米 生醫無不與基礎科學息息相關 基礎科學中的化學領域更在此三項重點發展中扮演重要的角色 教育部多年來積極輔助大學院校化學相關系所, 階段性協助大學普通化學實驗室設備的改善, 以期使化學系所能有足夠的設備, 訓練與化學相關系所學生的實作訓練, 確保學生畢業後, 能在科技領域有所發揮, 進而促進產業的發展 化學的領域相當廣泛, 近年更與物理在光電及奈米材料領域上有相當程度的整合 如發光二極體 (LED) 電子書螢幕 有機發光二極體, 染料敏化太陽能電池 (DSSC), 奈米科技等材料 雖然它們在化學相關系所發展, 然而其物理性質, 光電效率等特性, 常需與物理系所 材料系及電機系等攜手合作 在與生命科學的跨領域合作層面, 化學相關系所有關生物中的化學 ( 生化 ) 研究 生物體新陳代謝機制 合成化學實驗中的有機藥物合成等, 更提供生命科學系所研究細菌 腫瘤活動所需的藥物 因此, 大學時期的基礎化學實驗能力的建立, 將影響往後化學系畢業生在各研發領域的表現, 直接的影響我們在科技領域的技術提升 教育部有鑑於此於 92 至 95 學年度間輔助各大專院校從事 基礎科學改進計畫 鼓勵各大學化學系設計新穎 III

5 綠色 新進材料 藥物合成等實驗, 參與的學校有台大 台師大 中央 清華 交大 中興 彰師大 中山 高醫 高雄大學 成大 東華 東海 中原 淡江 等等 期間各校就其發展方向提出化學實驗教材的改進 部分系所就普化及有機課程的內容架構重新調節, 去蕪存菁, 並加入新的實驗教材 部分系所則研發新穎的材料實驗例如台大的甲醇太陽能燃料電池 超導材料合成 奈米金的合成 ; 或有機藥物實驗如台師大的阿斯巴甜合成 ; 或環保綠色實驗如中山大學的有機實驗微量化 由東海大學林振東教授 中央大學吳春桂教授 侯敦仁教授 中原大學鄭吉豐教授 台師大葉名倉教授組成的團隊針對各校實驗的內容, 去除重疊部分, 選取基礎技術型 新穎 應用及生活化的實驗教材, 提供各化學相關系所參考使用, 以提升學生學習興趣 初期已選用普化實驗 31 篇, 有機實驗 39 篇及材料化學實驗 9 篇 各校可依教學目標 內容及設備不同, 自行選擇使用 IV

6 誌謝 普化 有機及材料化學實驗教材是教育部 大學跨學門科學人才培育銜接計劃 - 有機化學與普通化學實驗教材推廣計畫 的執行成果, 感謝教育部顧問室在經費方面的支持, 總計劃辦公室中央大學教務長李光華教授團隊的精心規劃與督導, 教育部科技顧問室金玉堅小姐熱心的行政協助 更感謝所有提供實驗講義的各化學系所 感謝至深, 特申謝忱 國立臺灣師範大學化學系教授葉名倉 V

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8 編輯者的話 教育部顧問室自民國 68 年成立後, 在各級長官的協助下, 積極推動大學基礎科學教育提升, 不僅培育眾多高科技人才, 也將台灣高等教育帶入國際舞台, 國人的教育程度也大幅成長, 相較於世界其他各國, 台灣可以說是大學最普遍的地方, 然而所帶來的教育程度普遍下降也是不爭的事實 如何提升教育品質, 加速趕上歐美日各國, 是當今刻不容緩的一項教育工作 國內化學人才培育除已有 25 所公私立大學化學系培育大學生外, 另包括 24 所研究所培育碩士以上高階人才, 近十年來不僅為國家高科技產業注入大量人才, 也創造了國家經濟財富, 然而科技是不斷的在進步, 大學培育人才也是不能停頓的, 而且教育必須不停的精進以符合未來需要, 有鑑於此, 為達到大學化學實驗實習訓練的升級, 培養學生在基礎實務操作的能力, 我們凝聚了一些對大學實驗課程具有熱忱 關心的教師, 回顧過去教育部顧問室補助各校改進的實驗教材及閱覽各大學目前使用的實驗教材, 以 普通化學實驗 及 有機化學實驗 為領域附加基礎材料及生醫等相關的實驗教材, 彙整成為兩冊, 以供各大學參考使用, 期盼達到資源共享的目標 VII

9 本項工作計畫辦公室設在臺灣師範大學化學系, 分為 普通化學實驗 與 有機化學實驗 兩項教材彙整小組 於民國 97 年 5 月發函請各大學及科技大學校院提供學校所使用的實驗教材, 並就自行開發或修改的實驗加以說明, 以迴避版權智慧專利, 歷經多次小組會議及閱覽各校所提供的教材, 小組成員達成下列幾項共識, 挑選優良合適採用的實驗教材 1. 曾獲教育部顧問室獎助編輯的自創教材 2. 學校自行開發的教材 3. 實驗內容所需的儀器及材料容易購買且費用低廉 4. 低污染性, 且具有綠色環保教育推動的價值 5. 實驗操作過程不具爆炸 燃燒 或使用高毒性材料 6. 配合教學內容, 原理敘述清楚, 操作時間可控制在三小時以內 ; 或分段實驗的時間在三小時以內完成 7. 教材內容已在學校執行多年, 且運作良好, 深受學生好評 各校所提供的實驗教材或有中 英文名詞夾雜, 譯名不當, 或有格式不統一等等, 本彙整工作小組皆在維持原意下, 稍作調整, 或作筆誤上的更正 雖經多次校閱, 難免仍有遺漏之處, 尚請閱讀者不吝來函指教 VIII

10 這份工作至今雖然暫告一段落, 但各校的教材仍然不斷地在改進中, 我們深深期盼各位學者先進, 有新穎的教材, 值得融入 普通化學實驗 或 有機化學實驗, 可供分享至各校, 敬請告訴本工作團隊, 我們將以電子稿轉介至各校採納使用 最後, 我們非常感謝教育部顧問室的資助, 大學跨學門科學人 才培育銜接計畫 主持人李光華教授的鼓勵, 及各大學校院化學及 相關領域教師的提供資料及建言, 使得本項工作得以順利進行 編輯工作團隊 吳春桂 林振東 侯敦仁 葉名倉 鄭吉豐 IX

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12 目錄 有機實驗 實驗一 以水蒸汽蒸餾法提煉柑橘中的精油成分 1 實驗二 硝基苯甲醛選擇性還原反應 5 實驗三 利用醛醇縮合反應製備黃酮 7 實驗四 苯胺與黃酮的加成反應 9 實驗五 利用再結晶法純化苯甲酸 11 實驗六 乙醯胺苯酚的製備 15 實驗七 乙酸異戊酯 ( 香蕉油 ) 的製備 19 實驗八 自身氧化還原反應 23 實驗九 嵌合反應分離油酸 27 實驗十 膽固醇之純化 31 實驗十一 桂皮酸乙酯的合成與照光反應 35 實驗十二 對位紅染料合成與應用 41 實驗十三 三苯基甲醇的合成 47 實驗十四 萃取之技術與應用 53 實驗十五 環己醇的氧化反應與環己酮的還原反應 63 實驗十六 醚類 1,4- 二己氧基苯的製備 69 實驗十七 醚類 1- 己氧基 -4- 碘苯的製備 75 實驗十八 苯乙炔單體的合成 81 實驗十九 聚苯乙炔的合成與螢光性質 87 實驗二十 感光高分子材料的製備與應用 93 實驗二十一 製備苯基甘胺酸衍生物及使用酵素法拆分旋光對 99 實驗二十二 酮的還原反應 103 實驗二十三 合成 L-N-( 苯甲氧羰基 ) 苯甘胺酸 107 實驗二十四 合成 N- 羧基 -L- 苯甘胺酸酐 113 實驗二十五 合成安比西林 117 實驗二十六 有機光致變色材料 121 實驗二十七 有機化學偵測器 - 銅離子 (II) 之檢測 131 實驗二十八 狄耳士 - 阿德爾反應 137 實驗二十九 甲基丙烯酸甲酯之總體聚合 139 實驗三十 利用紅外線光譜儀鑑定分子結構之應用 143 實驗三十一 醛酮之羰基特性反應 147 實驗三十二 人工甘味劑 151 實驗三十三 耐燃級環氧樹脂單體原料合成實驗 157 實驗三十四 耐燃級環氧樹脂硬化動力學實驗 161 XI

13 實驗三十五 耐燃級環氧樹脂耐燃檢測實驗 163 實驗三十六 染料和染色 165 實驗三十七 α- 苯基甲胺立體化學解析 169 實驗三十八 中草藥萃取法 173 實驗三十九 利用減壓蒸餾純化苯甲醛 175 XII

14 實驗一 以水蒸汽蒸餾法提煉柑橘中的精油成分 一 目的 本實驗是學習如何利用水蒸汽蒸餾法分離柑橘類果實皮層的精油成分, 並進一步瞭解如何應用此法分離揮發性較高的天然物 二 精油的用途 精油可在植物的腺體或細胞間隙中發現, 它幾乎存在於整株植物, 但主要是分布在種子和花卉之組織 精油除了因具有芳香味可用來製造香水外, 在抗菌及抗黴菌上有相關的活性 例如樟樹和由加利樹之精油成分可應用在驅蟲藥物上, 香茅油可當作殺蟲劑, 大楓子油則是少數可用來治療痲瘋病的藥物之一, 而松節油則常被用來作為顏料的溶劑 三 原理 水蒸汽蒸餾法對天然物中揮發性較大且不溶於水的物質, 是一種有效的分離方法 水蒸汽蒸餾是利用難互溶之混合液的沸點, 比任何組成化合物的沸點低之特性來達到分離的效果 因此當其中一種溶劑為水時, 便可在 100 以下將化合物分離出來, 且不會對化合物造成破壞, 所以此方法常被有效使用於天然物之分離 四 儀器與材料 圓底瓶 (50 ml) 二孔連接管 分液漏斗 冷凝管 接收瓶 柳橙或葡萄 柚 燒杯 沸石 加熱器 滴管 試藥瓶 溫度計 杵 研缽 過濾裝置 五 藥品 硫酸鈉 (sodium sulfate,naso 4 ) 1

15 二氯甲烷 (dichloromethane,ch 2 Cl 2 ) 飽和鹽溶液 水 六 實驗步驟 1. 首先準備一個 50 ml 圓底瓶及二孔連接管, 其上連接滴液漏斗 冷凝管與接收瓶 裝置如下圖 2. 取 1 個柳橙或葡萄柚剝除之果皮, 先刮除皮內軟組織, 再稱取約 12 g 之表皮層, 然後置於研缽內搗碎 3. 移至圓底瓶中, 加沸石及 20 ml 水, 打開冷凝管之水流並加熱讓水沸騰 加熱沸騰之蒸餾過程中, 需注意瓶內水的高度, 適時補充水至未蒸餾前之高度 4. 當收集餾出液達 18 ml 時, 加 2 ml 飽和鹽溶液入餾出液中 5. 用滴管吸取油層, 移至含有少量無水硫酸鈉的試藥瓶內, 然後以滴管將其過濾至已知重量的乾淨試藥瓶內 ( 若分不出油層, 可加等量二氯甲烷萃取, 然後除去二氯甲烷以得精油層 ) 2

16 6. 稱取精油成分, 並計算產率 註 1. 在萃取時, 注意不要讓有機溶劑濺到身體 2. 因產物具揮發性, 所以在蒸除溶劑時不可集中於一定點上, 以免連產物一起蒸除 七 問題與討論 1. 就本實驗而言, 為何水蒸氣蒸餾法的純化效果比簡單蒸餾好? 2. 由實驗結果討論水蒸氣蒸餾法的優缺點 3. 試從文獻中列舉三種混合溶液適用水蒸氣蒸餾分離 4. p-nitrophenol 與 o-nitrophenol 是否可利用水蒸汽蒸餾分離, 為什麼? 5. 承上題, 如果可以, 則何者隨水蒸汽分離出來, 為什麼? 八 資料來源 李志雄, 國立中山大學化學系 3

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18 實驗二 硝基苯甲醛選擇性還原反應 一 目的 利用硼氫化鈉 (NaBH 4 ) 進行還原反應, 由產物得知是醛基或硝基被還原, 或是同時被還原 O H NaBH 4 OH NO 2 m-nitrobenzaldehyde NO 2 (m-nitrophenyl)methanol 二 原理 硼氫化鈉, 是在 1943 年被發明, 它的還原性較 LiAlH 4 弱, 但是有更多的選擇性, 可選擇還原醛 酮和其它的官能基 三 儀器與材料 旋轉濃縮機 錐形瓶 (15 ml) 量筒 滴管 溫度計 水浴鍋 萃取瓶 四 藥品 間 - 硝基苯甲醛 (m-nitrobenzaldahyde,o 2 NC 6 H 4 CHO) 甲醇 (methanol,ch 3 OH) 氫氧化鈉 (sodium hydroxide,naoh) 硼氫化鈉 (sodium borohydride,nabh 4 ) 乙醚 (ether,(ch 3 CH 2 ) 2 O) 無水硫酸鎂 (magnesium sulphate,mgso 4 ) 水 5

19 五 實驗步驟 1. 用 15 ml 的錐形瓶, 將 0.15 g 間 - 硝基苯甲醛溶於 2 ml 甲醇中 2. 配製硼氫化鈉溶液 將 0.05 g 硼氫化鈉溶於稀釋的氫氧化鈉溶液 (0.1% NaOH (aq) = 9 ml 水 + 1 ml 10 % NaOH (aq) ) 中 3. 將溫度計放入反應物中, 置於冰浴內, 慢慢滴入硼氫溶液, 並使反應溫度保持在 18~25 4. 當加入更多的硼氫溶液卻無法使溫度上升時, 表示反應可能已經完成 5. 反應完成後, 利用旋轉濃縮機抽乾甲醇 6. 以 2.5 ml 的水和 1 ml 的乙醚混合液萃取出產物 7. 分離出有機層後, 加入無水硫酸鎂乾燥 8. 以溫水浴將乙醚除去 9. 以 TLC 片, 知道產物與起始物在 TLC 片上位置的不同 10. 計算產率並秤重 備註 1. 硼氫化鈉易燃, 在潮濕空氣中易分解 2. 抽甲醇時要儘量抽乾, 因為產物會在甲醇 / 水的溶液中溶解 六 資料來源 國立中山大學化學系 6

20 實驗三 利用醇醛縮合反應製備黃酮 一 目的 本實驗是學習如何利用醇醛縮合 (Aldol Condensation) 的反應, 來進行含有醛和酮分子之碳鏈架構的延伸 二 原理 醇醛縮合是含有醛和酮分子之間的縮合反應, 而產生新的碳 碳雙鍵 以乙醯苯 (acetonphenone) 和苯甲醛 (benzaldehye) 為例, 在鹼性條件下, 可得到黃酮 (chalcone) 之產物 O CH 3 + O H NaOH O acetophenone benzaldehyde chalcone 三 儀器與材料 錐形瓶 (15 ml) 量筒 滴管 水浴鍋 布氏漏斗( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 玻棒 熔點測定儀 單口毛細管 ( 測熔點用 ) 濾紙 四 藥品 乙醯苯 (acetophenone,c 6 H 5 COCH 3 ) 苯甲醛 (benzaldehyde,c 6 H 5 CHO) 乙醇 (ethanol,ch 3 CH 2 OH) 3 M 氫氧化鈉 (aq)(sodium hydroxide,naoh) 五 實驗實驗步驟 1. 在一個 15 ml 之錐形瓶中混合 4 ml 之 3 M 氫氧化鈉溶液,2.5 ml 7

21 95% 之乙醇和 0.25 ml 乙醯苯 2. 以冰浴冷卻混合液, 並且於搖動時加入 0.2 ml 之苯甲醛, 使混合物回升到室溫, 並且偶而搖晃之 3. 於 1~2 小時之後, 即有黃色之油狀物分離出, 它將有助於導出結晶 4. 將錐形瓶置於冰浴中進行再結晶, 直到結晶完全 5. 利用抽氣過濾收集結晶物, 此為粗產物 6. 再以適量 95% 乙醇作為溶劑做再結晶 7. 測晶體的熔點 備註 1. 苯甲醛具杏仁味, 極具刺激性, 取用時須在抽風櫃中操作 2. 結晶可以加入少許黃酮之晶種或用玻棒輕刮瓶壁幫助再結晶 六 問題與討論 1. 醇醛縮合的反應機構為何? 2. 請寫出丙酮和乙醛縮合後的產物 3. 如何分辨甲醛及丙醛?(1) 自身氧化還原反應 (2) 醇醛縮合反應 (3) 以上皆是 七 資料來源 國立中山大學化學系 8

22 實驗四 苯胺與黃酮的加成反應 一 目的 學習如何以加成反應來進行擴環或延伸碳鏈的反應 二 原理 由於黃酮 (Chalcone) 這類親電子化合物 (electrophile) 同具酮和烯之官能基 因此, 選用不同的親核性化合物 (nucleophile) 進行加成反應時, 會有 1,2 加成 (1,2-addtion) 或 1,4 加成 (1,4-addtion), 兩種不同的反應路徑 1 O 一般而言可將親核性化合物分為兩種 (1)hard nucleophile 電子雲密度較集中之親核性化合物, 在此類反應中容易進行 1,2 加成 (2)soft nucleophile 電子雲密度較分散之親核性化合物, 在此類反應中容易進行 1,4 加成 在此苯胺 (aniline) 為 soft nucleophile, 故會和黃酮進行 1,4 加成 三 儀器與材料 錐形瓶 布氏漏斗 ( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 熔點測定儀 單口毛細管 ( 測熔點用 ) 濾紙 9

23 四 藥品 黃酮 (chalcone,c 6 H 5 COCHCHC 6 H 5 ) 苯胺 (aniline,c 6 H 5 NH 2 ) 乙醇 (ethanol,c 2 H 5 OH) 五 實驗步驟 1. 將 g 黃酮置入錐形瓶中並溶解於 5 ml 95% 的乙醇中 2. 加入 0.1 ml 的苯胺, 搖晃至成均勻溶液, 靜置一週, 使其生成結晶 3. 將其過濾, 收集晶體 乾燥, 並測熔點 六 問題與討論 1 苯胺會和黃酮進行加成反應之反應機構 2 為何苯胺為 soft nucleophile? (1) 電子雲密度較分散 (2) 電子雲密度較集中 (3) 與電子雲無關 3 下列何種 hard nucleophile? (1) 苯胺 (2) 氟離子 4 下列何種 soft nucleophile? (1) 苯胺 (2) 氟離子 七 資料來源 國立中山大學化學系 10

24 實驗五 利用再結晶法純化苯甲酸 一 目的 本實驗利用再結晶法純化苯甲酸, 學習再結晶的原理並熟悉微量級的操作方法 二 原理 再結晶為純化有機固體化合物的方法之一, 通常化合物在溶劑中的溶解度隨溫度上升而增加, 若一有機固體化合物在熱溶劑中可完全溶解, 在冷溶劑中能完全析出時, 可利用再結晶的方法來純化之 其原理為選用適當溶劑將固體化合物溶解, 以破壞其晶體的結構, 使晶體再生長, 即所謂 同類互溶 (like dissolves like), 原固體內的雜質留在溶液中, 與純晶體分離 選用適當的溶劑為重要步驟, 除了以 同類互溶 作為選擇溶劑的依據外, 應具有一些性質例如溫度達溶劑沸點前, 即可溶解欲純化的有機物, 冷卻後可將純晶體慢慢析出 三 儀器與材料 電子天秤 稱藥紙 藥杓 錐底試瓶 (5 ml) 鋁隔板 吸管 水浴鍋 布氏漏斗 ( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 玻棒 熔點測定儀 單口毛細管 ( 測熔點用 ) 濾紙 烘箱 四 藥品 苯甲酸 (benzoic acid,c 6 H 5 COOH) 水 五 實驗步驟 1. 稱取 100 mg 苯甲酸於 5 ml 錐底試瓶中 11

25 2. 加入 1 ml 水, 將錐底試瓶置於鋁隔板加熱直到苯甲酸完全溶解 ( 附圖一 ) 3. 將錐底試瓶冷卻至室溫, 置於冰水浴中, 至完全析出結晶 ( 若結晶未生成, 以玻棒輕刮瓶壁助結晶生成 ) 並以抽氣過濾, 以 10 ml 水將結晶沖洗乾淨 ( 附圖二 ) 4. 將產物置烘箱乾燥, 計算結晶回收率, 並測定熔點 ( 附圖三 ) 備註 1. 為使結晶過程中苯甲酸損失量較小, 應使用適當量的水溶解 ( 苯甲酸的溶解度在室溫時為 3.4 g/l) 2. 純苯甲酸呈白色 六 資料來源 國立中山大學化學系 附圖一 加熱迴流裝置 12

26 附圖二 真空抽氣過濾裝置 附圖三 微量實驗之再結晶過程 13

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28 實驗六 乙醯胺苯酚的製備 一 目的 本實驗使用胺類化合物和酸酐在酸性條件下, 可進行親核醯基取代反應 (Nucleophilic AcylSubstitution) 製備醯胺類化合物, 並且應用再結晶法純化產物 NH 2 NHCOCH 3 + H 3 C O O O CH 3 H + CH 3 CO 2 H OH OH p - Aminophenol Acetic anhydride Acetaminophen Acetic acid 二 原理 酮類 醛類和羧酸及其衍生物都具有羰基 (carbonyl,c=o), 而其反應之差異在於酮類和醛類可進行親核加成反應 (nucleophilic addition), 而羧酸及其衍生物可進行親核取代反應 (nucleophilicacyl Substitution) 本實驗反應機構為胺類化合物當親核性物質攻擊到酸酐的羰基上, 得到一個四面體 (tetrahedron) 的中間物, 此中間物再離去一分子醋酸根, 而醋酸根再抓胺類化合物上的氫離子便可得到醯胺類化合物和酸 反應機構如下 O O H O O H NH 2 O O OH O O O NH 2 OH O NHCOCH 3 + CH 3 COOH HN H + O O OH OH 15

29 三 儀器與材料 電子天秤 稱量紙 錐底試瓶 鋁隔板 量筒 滴管 水浴鍋 布氏漏斗 ( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 玻棒 熔點測定儀 單口毛細管( 測熔點用 ) 濾紙 烘箱 四 藥品 對 - 苯胺酚 (p-aminophenol,h 2 NC 6 H 4 OH) 醋酸酐 (acetic anhydride,(ch 3 CO) 2 O) 甲醇 (methanol,ch 3 OH) 水 五 實驗步驟 1. 稱取 400 mg 對 - 苯胺酚於 5 ml 錐底試瓶中 加入 1.2 ml 水和 0.45 ml 醋酸酐, 將錐底試瓶置於鋁隔板加熱 20 分鐘 (120 ) 2. 將錐底試瓶冷卻至室溫置於冰水浴中, 析出結晶 ( 若結晶未生成, 以玻棒輕刮瓶壁助結晶生成 ) 並以抽氣過濾, 以 20 ml 水將結晶沖洗乾淨 3. 將錐底試瓶置於鋁隔板加熱 (100 )15 分鐘後, 並至冰水浴中冷卻, 析出結晶, 抽氣過濾, 以 20 ml 水將結晶沖洗乾淨 4. 待結晶稍乾, 以水和甲醇 (1 1) 做再結晶, 並將產物置烘箱乾燥, 計算產率, 並測定熔點 備註 1. 本實驗所得的乙醯胺苯酚比市售的產品來得粗雜, 千萬不能食用 2. 使用熔點測定器時, 電壓應參考相關資料設定, 且重新使用熔點測定器, 須待溫度降至室溫才可使用, 否則將有誤差 16

30 六 問題與討論 1. 在加熱迴流後, 所形成的乙醯胺苯酚的粗產物為何還要以再結晶的方法純化? 2. 做再結晶時, 為何要將錐底試瓶放置冰水浴中冷卻? 3. 當再結晶析出後, 為何要以水將結晶沖洗乾淨? 4. 若以 1.3 g 對 - 苯胺酚和過量醋酸酐反應, 理論上所產生多少的乙醯胺苯酚? 七 資料來資料來源 國立中山大學化學系 17

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32 實驗七 乙酸異戊酯 ( 香蕉油 ) 的製備 一 目的 利用酯化反應 (esterification) 製備乙酸異戊酯 ( 香蕉油 ), 並以蒸餾方法純化產物 CH 3 COOH + CH 3 CH ( CH 3 ) CH 2 CH 2 OH Acetic acid ( excess ) Isopentyl alcohol H CH 3 CO 2 CH 2 CH 2 CH ( CH 3 ) CH 3 + H 2 O Isopentyl acetate 二 原理 酯類為具有芳香氣味的化合物, 許多水果或植物體上的酯香可用來製備人工芳香劑和香水, 酯類也是漆料和合成塑膠的極佳溶劑 製備酯類最典型的酯化反應 (esterification) 是利用異戊醇和醋酸反應生成乙酸異戊酯, 俗稱香蕉油, 因其香味如香蕉而命名, 它也可當作油漆的溶劑 酯化反應是可逆反應, 通常採用過量的羧酸, 在反應達到平衡時, 仍然有相當量的反應物存在, 在酸性溶液下則反應式向右稱為 酯化反應 ; 如果在鹼性溶液下則反應式向左稱為 皂化反應 酯化反應的反應機構可用含有同位素 O 18 的醇與酸進行酯化反應追蹤 如下反應式由結果發現酯化合物含有 O 18, 而水分子中沒有, 由此可得知所生成的水, 其中的氧原子是由酸而來 酯化反應 的反應機構如下 19

33 三 儀器與材料 吸管 錐底試瓶 鋁隔板 迴流裝置 ( 圖一 ) 微量蒸餾裝置( 圖三 ) 四 藥品 異戊醇 (isoamyl alcohol,hoch 2 CH 2 CH(CH 3 ) 2 ) 醋酸 (acetic acid,ch 3 COOH) 濃硫酸 (sulfuric acid,h 2 SO 4 ) 無水硫酸鈉 (sodium sulfate,na 2 SO 4 ) 乙酸異戊酯 (isoamyl acetate,ho(ch 2 ) 2 CH(CH 3 ) 2 ) 碳酸氫鈉 (sodium hydrogen carbonate,nahco 3 ) 水 五 實驗步驟 1. 以吸管取 1.2 ml 異戊醇, 置於錐底試瓶中再加入 1.8 ml 醋酸, 再緩慢加入 0.3 ml 濃硫酸, 並加熱迴流 60 分鐘 ( 圖一 ) 2. 將錐底試瓶冷卻至室溫, 並加入 2 ml 水使溶液分兩層, 並以吸管將有機層 ( 下層 ) 移至錐底試瓶中 ( 圖二 ) 3. 將有機層以飽和碳酸氫鈉水溶液 10 ml 洗滌兩次, 加入時要小心操作, 並注意氣體之產生 每次均以吸管將有機層移至錐底試瓶中 4. 以無水硫酸鈉乾燥有機層溶液, 然後以吸管將有機層移至錐底試瓶中, 並將此液體蒸餾 ( 圖三 ) 5. 取餾出物稱重, 並計算其產率 備註 取用濃硫酸時, 須戴上手套, 避免皮膚及衣服與其接觸 20

34 六 問題與問題與討論 1. 在萃取時, 為何要加入飽和碳酸氫鈉水溶液? 加入時要注意那些步驟? 2. 在酯化反應中, 加入微量的濃硫酸作催化劑, 但若加入大量的濃硫酸則使反應減慢, 試說明之 七 資料來源 李志雄, 國立中山大學化學系 附圖一 加熱迴流裝置 21

35 附圖二 微量實驗之萃取過程 附圖三 基礎微量蒸餾裝置圖 22

36 實驗八 自身氧化還原反應 一 目的 本實驗是學習如何利用醛類化合物, 在強鹼條件下 同時進行氧化 還原反應, 而分別得到酸及醇類化合物 二 原理 一個缺少 α Η 的醛類化合物, 在強鹼的反應條件下, 會進行自身氧化還原反應 (Cannizzaro Reaction) 而得到分別為酸及醇類化合物 其反應式如下 O O H KOH OH + OH Cl Cl Cl 4-chlorobenzaldehyde 4-chlorobenzoic acid (4-chlorophenyl)methanol 三 儀器與材料 旋轉濃縮儀 電子天秤 稱藥紙 藥匙 滴管 玻棒 迴流裝置 布氏漏斗 ( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 濾紙 四 藥品 對 - 氯苯甲醛 (p-chlorobenzaldehyde,clc 6 H 4 CHO) 甲醇 (methanol,ch 3 OH) 氫氧化鉀 (potassium hydroxide,koh) 二氯甲烷 (dichloromethane,ch 2 Cl 2 ) 無水硫酸鎂 (magnesium sulphate,mgso 4 ) 濃鹽酸 (hydrochloric acid,hcl) 水 23

37 五 實驗步驟 1. 稱取 0.12 g 之氫氧化鉀溶於 0.5 ml 水, 並冷卻至室溫 2. 將氫氧化鉀和對 - 氯苯甲醛溶液混合, 攪拌至完全溶解 3. 利用迴流裝置, 加熱至迴流, 約 10~15 分鐘 ( 附圖一 ) 4. 讓反應物冷卻, 並用 3 ml 之水來溶解產生之固體 5. 加入 3 ml 之二氯甲烷進行萃取, 再用滴管小心將水溶液吸至另一試管中 6. 重複萃取水溶液並收集有機層 7. 收集之有機層溶液, 加入無水硫酸鎂乾燥, 再用抽氣過濾法進行過濾, 取濾液 用旋轉濃縮儀濃縮而得產物 A ( 附圖二 ) 8. 取出先前之水層溶液, 加入 0.5 ml 之濃鹽酸進行酸化 (1) 將其置於冰浴中進行再結晶, 再用抽氣過濾, 可得產物 B (2) 判斷 A B 分別為何產物, 並計算 A B 之產率 六 問題與討論 1. 自身氧化還原反應之反應條件為何?(1) 醛 (2) 酮 (3) 酸類化合物在強鹼條件下進行 2. 下列何者會產生 Cannizzaro Reaction? 3. 推導自身氧化還原反應之反應機構 七 資料來源 國立中山大學化學系 24

38 附圖一 加熱迴流裝置 附圖二 真空抽氣過濾裝置 25

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40 實驗九 嵌合反應分離油酸 一 目的 利用尿素與油酸形成包含物之特性, 將油酸自植物油中分離 二 原理 尿素在溶液中能形成一個直徑約為 5.3Å 的筒狀分子, 可將體積較小的直鏈形化合物包含在內, 因而產生尿素包含物 (inclusioncomplex) 沈澱而分離 油酸 (oleic acid) 是一種不飽和脂肪酸, 在天然界中以甘油酯 (glyceride ester) 的狀態存在, 而橄欖油是油酸的最佳來源 橄欖油在水解後雖可產生出油酸, 但除了油酸之外, 還含有相當量的飽和酸及亞油酸 (linoleic acid) 我們可以利用亞油酸不生成尿素包含物, 以及飽和酸鈉鹽在乙醇中溶解度較大的性質, 而將油酸分離出來 利用某一種物質形成空洞或孔隙的特性, 而將一較小分子嵌合於空洞或孔隙中, 進行分離或選擇性反應, 稱之為主客 (host-guest) 化學 ( 圖一 ) 在本實驗中, 尿素本身之晶體結構為螺旋狀 (helical), 故在晶體中會形成筒狀空洞 (cylindricalhost), 稱之為主 (host); 而大小剛好可以納入此一空洞的分子, 則稱之為客分子 (guestmolecule), 而客分子可以是離子 分子或原子 形成嵌合 (intercalation) 的主客之間並無鏈結, 且對應於主位置之客分子的個數也不必為整數 多數的嵌合反應是可逆的, 在本實驗中, 由於尿素對水的溶解度很高, 故將包含物水溶液與有機溶劑在分液漏斗中進行萃取, 包含物會破壞而釋出客分子於有機溶劑, 如此即可將客分子與其它化合物分離 27

41 圖一 主客結構示意圖 ( 主 沸石 (zeolite), 客 對基甲苯 (pna)) 三 儀器與材料 旋轉濃縮儀 減壓濃縮裝置 電磁攪拌加熱器 電子天秤 磁石 迴流管 量筒 滴管 稱量紙 藥匙 廣用試紙 圓底瓶 燒杯 梨形瓶 碘瓶 TLC 片 展開槽 錐形瓶 布氏漏斗 ( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 濾紙 水浴鍋 分液漏斗 四 藥品 尿素 (urea,(nh 2 ) 2 CO) 橄欖油 (olive oil) 氫氧化鈉 (sodium hydroxide,naoh) 鹽酸 (hydrochloric acid,hcl) 硫酸 (sulfuric acid,h 2 SO 4 ) 乙醇 (ethanol,ch 3 CH 2 OH) 甲醇 (methanol,ch 3 OH) 正己烷 (n-hexane,ch 3 (CH 2 ) 4 CH 3 ) 乙酸乙酯 (ethyl acetate,ch 3 COOCH 2 CH 3 ) 28

42 無水硫酸鎂 (magnesium sulphate,mgso 4 ) 五 實驗實驗步驟 1. 稱取 4 g 橄欖油, 溶於 5 ml 甲醇中, 並將 0.88 g 氫氧化鈉置入燒杯且溶於 2 ml 水中, 將二者混合迴流加熱 40 分鐘後靜置冷卻 2. 以 6 N 硫酸中和至弱酸性, 再以每次 5 ml 正己烷萃取三次 3. 將水層拋棄, 有機層以每次 2 ml 熱水萃洗三次 4. 將有機層移入梨形瓶中, 作薄層層析 (Thin Layer Chromatography,TLC) 分析 ( 展開液為正己烷 乙酸乙酯 = 82, 以碘瓶顯像 ), 並紀錄結果 旋轉濃縮除去溶劑, 可得到產物 A, 稱重 5. 在錐形瓶中, 將 4.4 g 尿素溶於 14 ml 熱甲醇中 邊攪拌, 邊加入上述產物 A, 隨即在冰浴中冷卻, 靜置約 10 分鐘後, 可得到尿素包含物沉澱, 利用抽氣過濾, 收集沉澱物 6. 將沉澱物溶於 10 ml 蒸餾水中, 移入分液漏斗, 加入 6 ml 正己烷進行萃取 收集有機層, 加入無水硫酸鎂除水 7. 過濾除去無水硫酸鎂 將溶液移入梨形瓶,TLC 分析後, 旋轉濃縮除去溶劑, 得到產物 B, 稱重 8. 溶解 0.14 g 氫氧化鈉於 2 ml 80 % 乙醇水溶液, 加入產物 B 待其溶解後, 以冰冷卻之, 靜置獲得沉澱 利用抽氣過濾收集沉澱物, 並以冰冷的 80 % 乙醇溶液 8 ml, 沖洗過濾物 9. 利用 4 N 鹽酸中和濾液, 將溶液移入分液漏斗中, 以 5 ml 正己烷萃取三次 10. 將有機層移入梨形瓶,TLC 分析後, 減壓濃縮除去溶劑, 此時所得產物應為純油酸 稱重並估計原試樣中所含油酸比例 11. 估計尿素包含物中尿素對脂肪酸 ( 假設均為油酸 ) 之莫耳比 29

43 六 問題問題與討論 1. 實驗步驟中將橄欖油加熱迴流之用意何在? 2. 在利用主客反應分離混合物時應考慮哪些因素? 七 參考資料 國立中央大學化學系, 有機化學實驗講義( 上 ), 民國八十六年八月印行,p 31~32 八 資料來源 國立中央大學化學系 30

44 實驗十 膽固醇之純化 一 目的 利用簡單的化學反應分離膽固醇 由膽固醇 (Cholesterol, 5-cholesten-3β-ol) 特有之不飽和雙鍵, 進行溴化 (bromination) 反應後加以分離, 再以鋅進行脫溴 (debromination) 還原反應並純化, 即可得到純的膽固醇 二 原理 一般俗稱膽固醇的化合物即指 5-cholesten-3β-ol 在天然膽固醇中, 通常含有微量的固醇類化合物 ( 約 0.1~3 %), 如 3β-cholestanol 7-cholesten-3β-ol 5,7-cholestadien-3β-ol 等, 這些化合物的酸鹼性與溶解度與膽固醇非常相近, 因而無法利用溶解度作再結晶分離, 或是利用酸鹼性作萃取分離, 所以在本實驗中, 將介紹簡單的化學反應分離方法 本實驗會運用到的反應包括烯的親核反應 (nucleophilic reaction), 因為溴 (bromine) 分子的瞬間偶極距會與烯基發生反應, 產生三級碳陽離子 (tertiary carbocation), 而形成反式的二溴膽固醇分子結構 二溴膽固醇分子可以結晶方式析出, 並可用溶劑除去不純物或未溴化的膽固醇分子 之後我們再以鋅粉還原二溴膽固醇分子, 除溴後即可得到純的膽固醇, 並可藉顏色變化確認反應的進行 31

45 三 儀器與材料 旋轉濃縮儀 電磁攪拌器 電子天秤 攪拌器 紅外光譜儀 錐形瓶 (125 ml) 滴管 量筒 藥匙 稱量紙 尖底燒瓶 水浴鍋 玻棒 布氏漏斗( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 濾紙 刮勺 圓底瓶 磁石 分液漏斗 梨形瓶 漏斗 熔點測定儀 單口毛細管 ( 測熔點用 ) 烘箱 四 藥品 gallstone cholesterol(or commercial cholesterol) 第三丁基甲醚 (tert-butylmethyl ether,(ch 3 ) 3 COCH 3 ) 溴水 (bromine,br 2 ) 32

46 無水醋酸鈉 (sodium acetate,ch 3 COONa) 醋酸 (acetic acid,ch 3 COOH) 乙醇 (ethanol,ch 3 CH 2 OH) 鋅粉 (zinc,zn) 氫氧化鈉 (sodium hydroxide,naoh) 氯化鈉 (sodium chloride,nacl) 無水氯化鈣 (calcium chloride,cacl 2 ) 五 實驗實驗步驟 先測量膽固醇試樣之熔點以作為參考值 溴化反應溴化反應 1. 配置溴化試劑 在通風櫥的天秤上放置一 125 ml 錐形瓶, 以滴管逐滴加入 4.5 g 溴水, 再加入 50 ml 醋酸及 0.4 g 無水醋酸鈉後攪拌 備註 小心避免吸入氣體 ( 溴 ) 具強腐蝕性 2. 在尖底燒瓶中加入 300 mg 膽固醇, 並以 2.l ml 丁基甲醚溶解之, 利用熱水浴溫熱燒瓶 3. 將燒瓶移入通風櫥中, 小心加入 l.5 ml 溴化試劑溴化, 膽固醇會在一至二分鐘後開始沉澱, 觀察燒瓶至沉澱不再發生 將燒瓶移至冰浴, 並加以攪拌約 10 分鐘, 使沉澱完全 4. 在冰浴燒瓶的同時將 0.9 ml 第三丁基甲醚與 2.l ml 醋酸混合物加入一錐形瓶中冷卻, 作為清洗液 5. 利用抽氣過濾濾出沉澱物, 利用前一步驟之清洗液, 清洗沉澱物, 以除去黃色母液 持續抽氣並利用幾滴乙醇清洗沉澱物, 盡量將沉澱物抽乾 ( 無須烘乾 ) 後稱重 6. 利用刮勺將沉澱物移入乾淨的圓底燒瓶, 繼續下一部分反應 鋅脫溴還原鋅脫溴還原 33

47 7. 在上一步驟之燒瓶中, 加入 6 ml 的第三丁基甲醚 1.5 ml 醋酸 120 mg 鋅粉, 在室溫下, 利用磁攪拌器攪拌約 3 分鐘, 二溴膽固醇會完全溶解 備註 若反應進行緩慢, 可再加入少許鋅粉, 或將燒瓶置於超音波振盪器中振盪可加速反應 因為鋅可能與氧氣接觸後氧化, 而在表面形成氧化鋅導致反應進行緩慢 8. 繼績攪拌約 5~10 分鐘後, 白色沉澱 ( 醋酸鋅 ) 開始形成, 繼續攪拌至不再有沉澱增加 加入 1~3 滴蒸餾水將沉澱溶解 9. 將燒瓶中溶液傾倒於分液漏斗中 注意不要將未反應完之鋅粉倒入分液漏斗, 以免阻塞 10. 加入 4 ml 第三丁基甲醚清洗燒瓶後, 倒入分液漏斗進行萃取 11. 漏出水層後, 加入 5 ml 水清洗有機層後, 再依次以 3 ml 10 % NaOH (aq) 3 ml 飽和食鹽水清洗有機層, 以除去殘餘醋酸 12. 加入少許無水氯化鈣乾燥有機層, 靜置約 10 分鐘後, 過濾除去乾燥劑 13. 將濾液移入梨形瓶中, 加入 3 ml 甲醇, 利用旋轉濃縮除去大部分的第三丁基甲醚, 至膽固醇開始沉澱 ( 白色沉澱 ), 將梨形瓶取下利用冰浴可使結晶大量形成 14. 利用抽氣過濾收集固體, 再以少許冰甲醇洗滌沉澱物後烘乾並稱重 15. 測量烘乾後產物之熔點, 並與原始試樣之熔點比較其差異 16. 將產物測量紅外光譜並分析之 六 參考資料 國立中央大學化學系, 有機化學實驗講義( 上 ), 民國八十六年八月印行,p 28~30 七 資料來源 國立中央大學化學系 34

48 實驗十一 桂皮酸乙酯的合成與照光反應 一 目的 用 Wittig 反應由醛類製備烯類化合物 二 原理 1954 年由 George Wittig 所發現的 Wittig 反應 ( 如下式 ), 是由醛或酮類製備烯類化合物的一個重要反應 這個反應通常以三苯磷與鹵化物反應產生四級磷鹽, 接著用一強鹼去質子化 (deprotonate), 產生磷的偶極體 (ylid), 當此偶極體與醛或酮類作用時會產生一個四圓環的 oxaphosphetane 的中間體, 接著脫去氧化三苯膦 (triphenylphosphine oxide), 同時生成烯類化合物 這種型態的合成方法, 產生的雙鍵的位置非常專一, 並產生 Z 或 E 式的異構物 本實驗要與三苯膦反應的鹵化物是溴乙酸乙酯 A(ethyl bromoacetate), 它們反應後所得到的四級鏻鹽 B, 不需要很強的鹼即可去質子化而得到磷偶極體 C 一般磷偶極體都十分不穩定, 但是化合物 C 相當穩定, 可以單離出來, 藉此比較在 Wittig 反應中, 磷偶極體單離與否之差異 35

49 磷偶極體再與苯甲醛反應後, 即可得到順式與反式的產物, 其中反式產物就是桂皮酸乙酯 (ethyl cinnamate) 本實驗將以管柱層析的方式分離上述二種產物 順式與反式產物在氫核磁共振光譜上的化學位移 (chemical shift) 與偶合常數 (coupling constant) 有很明顯的不同, 我們可藉氫核磁共振光譜來判斷順式或反式產物 順式與反式產物在紫外光照射下, 會產生順反異構化的反應, 我們除了用薄層層析的方式檢視順 反式異構的形成, 亦可藉氫核磁共振光譜來判斷順 反式產物的比例 三 儀器與材料 旋轉濃縮儀 電磁攪拌加熱器 減壓濃縮裝置 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 濾紙 核磁共振光譜儀 紫外光照光設備 圓底瓶 (100 ml 50 ml) 迴流裝置 磁石 溫度計 加料漏斗 分液漏斗 漏斗 TLC 片 展開槽 四 藥品 溴乙酸乙酯 (ethyl bromacetate,brch 2 COOCH 2 CH 3 ) 三苯膦 (triphenylphosphine,pph 3 ) 甲苯 (toluene,c 6 H 5 CH 3 ) 甲醇鈉 (sodium methanol,ch 3 ONa) 碘化四丁銨 (tetrabutylammonium iodide,(ch 3 (CH 2 ) 3 ) 4 NI) 二氯甲烷 (dichloromethane,ch 2 Cl 2 ) 36

50 50 % (w/w) 碳酸鉀水溶液 (potassium carbonate, K 2 CO 3 ) 苯甲醛 (benzaldehyde,c 6 H 5 CHO) 無水硫酸鎂 (magnesium sulphate,mgso 4 ) 正己烷 (n-hexane,ch 3 (CH 2 ) 4 CH 3 ) 乙酸乙酯 (ethyl acetate,ch 3 COOCH 2 CH 3 ) 氘氯仿 (d-chloroform,cdcl 3 ) 甲醇 (methanol,ch 3 OH) 飽和食鹽水蒸餾水 五 實驗實驗步驟 鏻鹽的製備鏻鹽的製備 1. 將 3.67 g(22 mmol) 溴乙酸乙酯 6.56 g(25 mmol) 三苯膦, 分別加入 100 ml 的圓底瓶中, 再加入甲苯 30 ml 於瓶中攪拌, 在 110~120 下, 加熱迴流 2 小時 2. 停止加熱, 待瓶內溫度降至約室溫附近時, 以抽氣過濾方式收集瓶中固體 3. 將固體稱重, 並計算產率 4. 將所得的固體分成重量相同的兩份 Wittig 反應一 5. 將步驟 4 所得的一份固體置於 50 ml 的圓底瓶中, 再分別加入 0.5 g 碘化四丁銨 (tetrabutylammonium iodide) 1.06 g(10 mmol) 苯甲醛, 與 20 ml 的二氯甲烷, 攪拌 10 分鐘 6. 將 15 ml 50 % (w/w) 碳酸鉀水溶液置於加料漏斗中, 以 8~10 秒一滴的速度, 緩緩滴入步驟 5 的圓底瓶中, 滴完後攪拌 2 小時 7. 將瓶中的液體倒入分液漏斗中, 此時可見液體分為兩層 ( 有機層為上 37

51 層 ), 將有機層與水層分離後, 以每次 20 ml 二氯甲烷萃取水層二次, 再將所有的有機層, 分別各用 30 ml 蒸餾水與 30 ml 飽和食鹽水清洗有機層 8. 有機層用無水硫酸鎂除水, 過濾 9. 將有機層作薄層層析分析 ( 展開液為正己烷 乙酸乙酯 = 82, 以紫外光燈照射觀察 ), 並紀錄結果 10. 旋轉濃縮除去大部份溶劑, 並作管柱層析 ( 沖提液為正己烷 乙酸乙酯 = 82), 藉以分離順式 反式產物與氧化三苯膦 11. 將分離出來的溶液分別旋轉濃縮, 收集瓶中固體, 稱重並計算個別產率 12. 分別將順 反式產物約 5 mg 溶於約 1 ml 氘氯仿 (CDCl 3 ) 中, 量測核磁共振光譜, 比較二者之差異 Wittig 反應二 ( 磷偶極體的分離 ) 13. 將步驟 4 所得的一份固體置於 50 ml 的圓底瓶中, 加入 20 ml 的甲醇, 攪拌 14. 加入 0.81 g(1 mmol) 的甲醇鈉於瓶中, 攪拌 30 分鐘 15. 過濾, 將濾液減壓濃縮 16. 殘留物加入 30 ml 正己烷攪拌溶解後倒入分液漏斗中, 分別各用 20 ml 蒸餾水與 20 ml 飽和食鹽水清洗有機層 17. 有機層用無水硫酸鎂除水, 過濾 ( 磷偶極體反應 ) 18. 將步驟 17 所得溶液置於 50 ml 的乾燥後圓底瓶中, 再加入 1.06 g(10 mmol) 苯甲醛, 加熱迴流 1 小時 19. 冷卻後, 將有機層作薄層層析分析 ( 展開液為正己烷 乙酸乙酯 = 82, 以紫外光燈照射觀察 ), 並紀錄結果 20. 旋轉濃縮除去大部份溶劑, 並作管柱層析 ( 沖提液為正己烷 乙酸乙酯 38

52 = 82), 藉以分離順式與反式產物 21. 將分離出來的溶液分別旋轉濃縮, 收集瓶中固體, 稱重並計算個別產率 照光反應 22. 分別以少許的順 反式產物, 以二氯甲烷配製成 10-4 M, 量測紫外可見光譜並比較兩者之差異 23. 將上述溶液置於試管中, 並放入紫外光照光設備中, 照 300 nm 光 5 分鐘後, 作薄層層析分析 ( 展開液 觀察方式與前相同 ), 並記錄結果 ( 請註明濃淡變化 ) 24. 再將上述試管放入紫外光照光設備中, 重覆步驟 24 兩次 25. 分別將兩試管的溶液旋轉濃縮, 再分別以氘氯仿溶解, 量測核磁共振光譜 推算順 反式產物的比例 六 問題與討論 1. 順式與反式烯類化合物在氫核磁共振光譜中, 偶合常數之差異為何? 2. 在步驟 8 中所使用的碘化四丁銨, 其功用為何? 3. 如何將順 ( 反 ) 式產物, 以二氯甲烷配製成 10-4 M, 請寫出有效可行的方法 七 參考資料 1. Department of Chemistry, National Central University, Organic Chemistry Laboratory, p 72~ Lee, B. H.; Marvel, C. S. J. Polym. Sci. Chem. Ed. 1982, 20, 393. 八 資料來源 國立中央大學化學系 39

53 40

54 實驗十二 對位紅染料合成與應用 一 目的 學習偶氮化合物的反應, 並藉由染料合成, 對生活中的化學有更進一步的認識 二 原理 在染色過程中的著色, 色料為不可或缺的一環, 染料 (dyestuff) 與顏料 (pigment) 等有色之物質總稱為色料 (colorant), 其區別以其溶解性及與纖維之親和力來分別, 通常染料係指能溶解於水或高度分散於水中, 與纖維有親和力而使纖維均勻上色染著者 顏料是指不溶於水, 與纖維無親和力, 需藉其他藥劑 ( 如接著劑,binder) 而使纖維上色者, 如油墨 塗料等 染料使用於染色時, 必須具有相當之化學及物理方面之堅牢度, 如耐水洗 日光 酸 鹼 昇華 摩擦 汗 氯漂等 色料之來源可一如分類表所示分天然及人工合成兩大類 人工合成染料始於 1856 年, 英國化學家 W. H. Perkin 發現苯胺紫 ( 鹽基性染料 ) 後, 發展至為迅速, 幾已全部取代天然染料, 現今所使用之染料幾乎全部以人工合成方法製造 偶氮化合物首先在 1858 年由 Peter Griess 發現, 第一個偶氮顏料 - 對位紅 (Para red) 是在 1874 年合成 典型的偶氮顏料包括有兩個或更多的芳香族基團為偶氮基根 (-N=N-) 交互連接 一個單偶氮顏料 (mono azo pigment) 含有一個偶氮基根, 而一個雙偶氮顏料 (diazo pigment) 則含有兩個偶氮基根 這偶氮基根是此一系列顏料分子的主要顏色產生部份, 就是所謂呈色官能 (chromophore); 其它的選擇基團, 稱為助色官能基 (auxochrome), 對顏色的產生也有貢獻 偶氮染料 (azo dyes) 的合成係經由重氮鹽離子 (diazonium ion) 與酚類或芳香族胺類 (arylamine) 等進行偶合 (coupling) 反應 反應式如下 41

55 偶氮系列染料主要的合成步驟如下 1. 重氮化反應 (Diazotization) 重氮化反應係先將芳香族一級胺以酸溶解, 並在冷卻下加入亞硝酸鈉之水溶液, 而使其變成重氮鹽離子之反應, 其反應式如下 Ar-NH 2 + HCl ArNH 3 +Cl -.(12.1) NaNO 2 + HCl HNO 2 + NaCl... (12.2) ArNH 3 +Cl - + NaNO 2 [Ar-N N]+Cl - + 2H 2 O (12.3) Ar-NH 2 + NaNO 2 +2HCl [Ar-N N]+Cl - + 2NaCl + 2H 2 O...(12.4) 此反應所生成之重氮鹽離子大都較不穩定, 須在 0~5 下進行反應 ( 也有 例外 ), 因溫度稍高即會分解而放出氮氣, 而變為其相關之酚類如下 ArN 2 +Cl - + H 2 O ArOH + N 2(g) + HCl (12.5) 2. 偶合反應 偶合反應即將重氮化所得之重氮鹽離子與酚類或芳香族胺類等進行偶合而製 得偶氮化合物, 其反應式如下 ArN 2 +Cl - + HAr' Ar-N=N-Ar' + HCl (12.6) 欲使酚類進行偶合反應, 須在弱鹼性水溶液中行之, 但欲使胺等進行偶合反應, 則必須在中性或弱酸性水溶液中方可進行, 此分別稱為鹼性偶合 酸性偶合 由以上重氮化及偶合反應, 由不同之中間體產物即可製得不同數量偶氮基之偶氮染料, 亦即單偶氮 雙偶氮 三偶氮等等, 而其中以單偶氮及雙偶氮染料較為普遍 本實驗要合成之染料 - 對位紅, 其反應式如下 42

56 O 2 N NH 2 + H O N O O 2 N N N p-nitroaniline (NaNO 2 + H 2 SO 4 ) A diazonium ion O 2 N N N + O 2 N N N HO 2-Naphthol Para red HO 對位紅的反應機構如圖二所示 圖二 對位紅的反應機構 三 儀器與材料 電磁攪拌加熱器 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 濾紙 紅外光譜儀 紫外 - 可見光譜儀 雙頸圓底瓶 (50 ml) 溫度計 水浴鍋 滴管 磁石 廣用試 紙 燒杯 (100 ml) 一小塊白色纖維布 43

57 四 藥品 對 - 硝苯胺 (p-nitroaniline,o 2 NC 6 H 4 NH 2 ) 亞硝酸鈉 (sodium nitrite,nano 2 ) 2- 萘酚 (2-naphthol,C 6 H 4 C 4 H 3 OH) 甲苯 (toluene,c 6 H 5 CH 3 ) 硫酸 (sulfuric acid) 10 % 鹽酸水溶液 10 % 氫氧化鈉水溶液 五 實驗實驗步驟 備註 如果將芳香族的重氮鹽離子乾燥且單離出來, 會有爆炸的危險, 所以進行本實驗時, 必須將製備的重氮鹽離子保持在低溫溶液態, 並盡快與冷的 2- 萘酚鈉溶液反應 1. 將 g(1.8 mmol) 對 - 硝苯胺置入 50 ml 雙頸圓底瓶中, 其中一頸插入一支溫度計 將圓底瓶置於冰浴中, 使瓶內溫度低於 5 2. 以滴管緩緩滴入 3 ml(9.0 mmol)3 M 硫酸, 並以磁石攪拌 注意不可使瓶內溫度高於 5 ( 注意並調整溫度計高度, 勿被磁石打破 ) 3. 使用試管將 g(1.8 mmol) 亞硝酸鈉溶於 1.5 ml 冰水中, 並維持此溶液溫度低於 5 4. 使用試管將 g(1.8 mmol)2- 萘酚溶於 4.5 ml 10 % 氫氧化鈉水溶液中, 並維持此溶液溫度低於 5 5. 緩緩將步驟 3 之溶液滴入步驟 2 的溶液中, 以磁石攪拌 注意不可使瓶內溫度高於 緩緩將步驟 4 之溶液滴入步驟 5 的溶液中, 以磁石攪拌 注意不可使瓶內溫度高於 攪拌 10 分鐘後, 以適量的 10 % 鹽酸水溶液酸化溶液 ( 以廣用試紙測 44

58 試呈橙色至紅色 ) 8. 抽氣過濾收集紅色固體, 並用甲苯作再結晶 9. 抽氣過濾收集紅色產物, 稱重並計算產率 10. 將產物測量紅外光譜與紫外 - 可見光譜並分析之 應用 11. 準備一個 100 ml 燒杯, 內裝 30 ml 熱水, 取 0.05 g 步驟 10 之產物, 溶於熱水中 12. 緩緩滴入 5~6 滴濃硫酸至步驟 11 的燒杯中 13. 將一小塊白色纖維布浸泡在步驟 12 的溶液中 5 分鐘 14. 將浸泡之纖維布取出, 並用水將纖維布充分沖洗, 觀察並記錄結果 六 問題問題與討論 1. 如果將對 - 硝基苯重氮鹽離子溶液加熱, 會分解成何種產物? 2. 為何對 - 硝基苯在酸性水溶液的溶解度, 大於中性水溶液的溶解度? 七 參考資料 Department of Chemistry, National Central University, Organic Chemistry Laboratory, p109~124. 八 資料來源 國立中央大學化學系 45

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60 實驗十三 三苯基甲醇的合成三苯基甲醇的合成 一 目的 由格林納試劑 (Grignard reagent) 與酮反應製備三級醇 二 原理 由格林納試劑與醛或酮作用來製備醇, 是合成醇類化合物的一個重要方法 格林納試劑通常由有機氯化物 溴化物或碘化物與鎂金屬在乙醚或四氫呋喃 (THF) 中作用, 這些有機鹵化物與鎂作用的速度, 以碘化物最快而氯化物最慢, 其中由溴化物來製備是最常見的 製備格林納試劑所使用的鎂的等級好壞, 會影響反應的容易與否, 這是由於鎂的表面很容易與氧氣作用而生成氧化鎂, 這層氧化鎂的存在覆蓋住了要進行反應的鎂, 造成反應很難起始, 但是一旦反應起始了, 氧化鎂逐漸脫落, 鎂金屬的表面完全暴露出來, 反應就沒有問題了 因此有些時候會加入少量的碘或 1,2- 二溴乙烷以活化鎂的表面, 其主要的作用就是利用這兩種活性較高的鹵烷化物與鎂作用, 將鎂的表面清乾淨, 然後才加入反應用的鹵化物 鎂與碘的作用是產生二碘化鎂, 而鎂與 1,2- 二溴乙烷的作用則是產生二溴化鎂及乙烯 由於鎂是無法溶在溶劑中的, 因此反應只發生在鎂金屬的表面, 所以常用鎂片或鎂粉, 這種型態的鎂表面積較大, 鎂的表面應該具有閃亮的金屬色, 如果發現一瓶老舊的鎂, 其表面是次黑色的, 那就代表其表面已經被氧化的很厲害了, 這種鎂最好不要使用, 否則應該用酸清洗表面之後才能使用 由於鎂與鹵化物作用產生格林納試劑是一個放熱反應, 反應一旦開始後, 就要控制加入鹵化物的速度, 以保持一個溫和的迴流 (reflux) 即可 如果反應一直無法起始, 絕對不要把鹵化物不斷加入, 如果反應突然起始了, 而瓶內已加入了太多的鹵化物, 此時會放出大量的熱, 有時甚至會由於沸騰過度劇烈而噴灑出來, 造成危險, 這種情形在使用高揮發性的乙醚時要特別注意 由於格林納試劑是一強鹼, 因此 47

61 反應必須在無水的狀態下進行, 所使用的溶劑如乙醚或四氫呋喃 (THF) 都必須是無水的, 由於這些溶劑都是具有吸水性的, 所以要避免與潮濕的空氣接觸 本實驗所使用的鹵化物是溴苯, 所製得的格林納試劑再與二苯基酮作用而得三苯基甲醇如下式所示 本反應所得之產物是一個三級醇, 又有三個苯基存在, 在酸性的條件下, 很容易產生一個穩定的碳陽離子, 由於是一個很好的共軛系統, 這個陽離子是有顏色的 本實驗還會要求學生取另一個苯上有取代基的三苯基甲醇類化合物, 觀察所產生的碳陽離子在顏色上有何變化 三 儀器儀器與材料 乾燥管 旋轉濃縮儀 電子天秤 電磁攪拌加熱器 水流式抽氣機 紫外燈 雙頸瓶 (100 ml) 磁石 加液漏斗(50 ml) 血清塞 冷凝管 乾燥管 水浴鍋 分液漏斗 廣用試紙 稱藥紙 藥匙 布氏漏斗 ( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 濾紙 熔點測定儀 單口毛細管 ( 測熔點用 ) 試管 四 藥品 鎂粉 (magnesium,mg) 無水乙醇 (absolute ethanol,ch 3 CH 2 OH) 48

62 溴苯 (benzyl bromide,c 6 H 5 Br) 無水乙醚 (dry ether,(ch 3 CH 2 ) 2 O) 二苯基酮 (benzophenone,c 6 H 5 COC 6 H 5 ) 無水硫酸鎂 (magnesium sulfate,mgso 4 ) 甲醇 (methanol,ch 3 OH) 硫酸 (sulfuric acid,h 2 SO 4 ) 10 % 氫氧化鈉 (sodium hydroxide,naoh) Malachite Green carbinol 萃取用乙醚飽和食鹽水 五 實驗實驗步驟 備註 本步驟所有玻璃器材都必須事先乾燥 格林納試劑的製備格林納試劑的製備 1. 取 0.50 g(20.8 mmol) 鎂粉置於 100 ml 雙頸瓶, 並放入一顆磁石, 於其中一頸裝上一 50 ml 加液漏斗, 並用血清塞塞上, 另一頸則加上一冷凝管, 並填充一乾燥管與其連接, 整個裝置必須保持在乾燥無水的條件之下 2. 取 3.25 g(20.7 mmol, 約 2.1 ml) 溴苯, 再取 20 ml 無水乙醚與其混合置入加液漏斗中, 先將溴苯 ( 乙醚 ) 溶液加入少量至可覆蓋鎂粉即可, 再以熱水浴 ( 約 75~80 ) 加熱並劇烈攪拌, 當溶液呈白色或棕色混濁時即表示反應已經開始, 將熱水浴移去, 並緩慢開始滴入溴苯 ( 乙醚 ) 溶液, 使反應成微微沸騰的狀態 若反應遲遲未被起始, 可於劇烈加熱攪拌時再滴入數滴溴苯 ( 乙醚 ) 溶液, 待反應被起始之後, 如上述緩慢滴入溴苯溶液 ( 約 5~10 秒一滴 ) 反應中若劇烈沸騰應以冷水減緩 49

63 反應, 但切勿完全停止沸騰 3. 待加入完畢後於水浴中緩慢加熱並保持微微沸騰, 以使鎂粉完全消耗完畢, 此一過程約 45~60 分鐘 當鎂粉消耗完畢或已加熱 30 分鐘即可將反應靜置冷卻至室溫, 如此即完成格林納試劑之製備, 應得到一棕黑色之溶液 格林納試劑與二苯基酮的反應格林納試劑與二苯基酮的反應 4. 取 1.0 g (5.49 mmol) 二苯基酮溶於 10 ml 無水乙醚, 將其置入加液漏斗中, 將雙頸瓶冷卻於冰浴中, 緩慢加入二苯基酮溶液並劇烈攪拌之, 加入時溶液立即呈粉紅色混濁狀, 待加入完畢後置於熱水浴加熱反應 45 分鐘 5. 待反應結束後冷卻, 先加入 20 ml 乙醚, 再加入 5 ml 冰水, 並於冰浴下緩慢加入 20 ml 10 % 硫酸溶液 ( 若有未反應完全之鎂粉加入時應更加小心 ) 6. 以 5 ml 乙醚萃取水層兩次 ( 要記得萃取過程要洩氣, 以免乙醚噴出 ), 合併有機層再以飽和食鹽水清洗至水層以廣用試紙測試為中性止, 最後有機層以無水硫酸鎂除水, 過濾, 濃縮抽乾乙醚, 紀錄粗產物重 7. 以甲醇做再結晶, 過濾收集, 秤重 8. 測熔點, 並與文獻所示之熔點做比較 碳陽離子的測試碳陽離子的測試 9. 取 0.26 g 產物置於試管中, 並加入 2 ml 冰浴過的濃硫酸, 紀錄顏色, 接著照射紫外燈, 並紀錄顏色變化 10. 取 0.3 g 之 Malachite green carbinol 於試管中, 加入 l ml 甲醇, 紀錄顏色變化, 再滴入 3 滴 10 % NaOH (aq), 顏色轉變為何? 於冰浴下逐滴加入濃硫酸顏色變化如何? 繼續加入直到顏色無明顯改變為止 50

64 六 參考資料 1. 國立臺灣大學化學系, 化學實驗( 三 ) ( 四 ) 教材, 民國九十一年八月印行,p121~ Michael B. Smith, Organic Synthesis, 2nd ed., McGraw-Hill, NewYork, 2002, p586~ 中央大學化學系有機化學實驗講義 七 資料來源 國立中央大學化學系 51

65 52

66 實驗十四 萃取之技術與應用 原理 1. 萃取原理萃取 (extraction) 為有機實驗中的一個基本技術 其原理是利用混合物各成份對某溶劑 (solvent) 的溶解度不同, 或對某化學試劑 (reagent) 的反應性不同而得到分離效果 萃取的操作方法有好幾種, 其中最常用的是使用分液漏斗的液相萃取法 如果物質在不互溶的二有機溶液中溶解度不同, 則經過充分混合後, 可使原在溶解度較小溶劑之成份轉移至溶解度較大的溶劑中, 而可達到分離的效果 在一般實驗操作中, 有機反應通常會產生一些鹽類副產物, 因此是將反應產物 ( 通常溶於有機溶劑中 ) 加入水萃取, 鹽類便會被水洗去 ; 或是加入另一種有機溶劑 ( 二者必須不互溶 ), 將副產物除去 萃取所用溶劑之理想條件包括 (1) 對試樣有很好的溶解度 ;(2) 萃取完畢後溶劑之去除容易 ( 以低沸點為佳可利用蒸餾或濃縮除去 );(3) 不會與溶質 (solute) 發生反應 常用之有機萃取溶劑包括乙醚 ( 現多以第三丁基甲醚取代 ) 二氯甲烷 氯仿 乙酸乙酯 正己烷 苯( 多以甲苯取代 ); 另外會與水互溶的乙醇 甲醇 丙酮亦常被利用於天然物之萃取 溶質在有機層與水層為一平衡分布, 可以用平衡常數 (K) 表示 因此若以同量的有機溶劑進行萃取, 少量多次的萃取效果會比較好 有機化合物在水中之溶解度, 會受到水中所溶解的無機鹽影響 例如酒精與水是可以完全互溶的, 可是酒精在飽和食鹽水中卻是微溶而已, 這是由於水中溶有鹽類時, 其極性增高, 因此對於有機化合物的溶解性就降低, 這個現象稱為鹽析作用 (salting-out effect) 不過這些鹽通常是半徑較小而電荷密度較高者 常用之有機溶劑 - 乙醚會溶少量的水, 這些水通常會在乾燥時造成困擾, 因此若用飽和食鹽水清洗, 水便會溶入食鹽水中這個現象與鹽析作用有異曲同工之妙 53

67 與鹽析作用相反較不常見的鹽溶作用 (salting-in effect), 常發生在使用半徑較大而電荷密度較小的鹽類的時候 例如苯在 1 M 的四甲基溴化銨 (tetramethylammonium bromide) 水溶液中溶解度會提高百分之四十 共同離子效應 (common-ion effect) 亦會降低有機鹽類在水中之溶解度 例如苯磺酸鈉 (sodium benzene-sulfonate) 在水中之溶解度甚佳, 但若加入氯化鈉之水溶液則苯磺酸鈉會沈澱出來 當有機溶劑與水分離後, 通常仍有少許水在有機萃取液中, 因此必須以乾燥劑脫水 理想的乾燥劑是吸水能力強 不會吸附任何溶劑或溶質 不與溶劑或溶質作用而又便宜 萃取時, 分液漏斗之使用法如下圖一, 在分液漏斗中的液體不可超過四分之三滿, 使用時將瓶蓋蓋好, 右手握住漏斗, 左手控制活栓, 激烈上下搖盪後打開活栓放氣 ( 開口處不可對人 ), 待內外壓力平衡後, 重覆數次前述步驟, 最後將分液漏斗靜置於鐵環上, 待液面分界清楚後將, 下層溶液由下管流出, 上層溶液由上方開口傾出 一般活栓若為玻璃製品, 則須塗抹凡士林以增加密閉性, 但有機溶劑多會溶解凡士林造成困擾, 因此現在多改用鐵氟龍 (teflon) 活栓取代 54

68 圖一 分液漏斗使用法 2. 鑑定原理 將一溶質溶於兩種不互溶的混合溶劑中, 則此溶質在兩溶劑間會有一平衡存在 當系統達到平衡時可用分布係數 D 來表示, 溶質在兩相間濃度的比值, 例如溴 (Br 2 ) 在水及四氯化碳間之分布可由下式來表示 在此式中, 濃度以體積莫耳濃度表示, 在濃度右下角的註標代表溶質所存的 溶劑 有時溶質在不同溶劑中有不同的組成 例如 有一溶質 X 在水中是以單體 55

69 存在, 但在四氯化碳中卻以三體存在, 這樣的分布可以下式表示 其分布係數 D 可表示如下 3X (aq) X 3(CCl4) 也可用平衡常數 (K eq ) 表示其濃度的關係 分布係數與平衡常數的差別, 在於分布係數只考慮在每一相中溶質的濃度而不管它存在的形式, 但平衡常數卻與溶質在不同相中存在形式有關 分布係數可由分析每一相的組成直接求出 例如 溴在四氯化碳 - 水的系統中,D 值可由分析水中及四氯化碳中之溴含量而求出 但平衡常數卻需要較複雜的實驗及知道在不同相中溶質的分子組成 在某些簡單的例子裡, 我們可由實驗測出分布係數, 然後間接同時得到溶質在溶劑中結合的程度 n (n 應為正整數 ) 及平衡常數, 以下我們討論此種情形 一溶質 A 分布在水相及與水不互溶的有機相中 假設在水相中, 溶質以單體存在, 但在有機相中可能會結合 ; 在平衡時 此系統的分布係數 D 為 n A (aq) A n (org) 平衡常數為 (1) 將 (2) 式移項可得 (2) 56

70 (3) 將 (3) 式代入 (1) 式可得 (4) 將 (4) 式兩邊取對數 log D =log(k eq ) + n log [A] aq - log [A] aq 移項整理 log D = log(k eq ) + (n-1) log[a] aq (5) 由於 n 和 K eq 在此測定條件下是常數,log(K eq ) 也是常數, 所以方程式 (5) 就如一線性方程式 y=mx + b 以 log D 為縱座標, 以 log [A] aq 為橫座標, 對於不同濃溶質 A, 可得出一斜率為 (n-1) 的直線, 此直線的 y 截距為 log (Keq) 57

71 實驗應用 一 目的 1. 利用溶質溶於二不互溶溶劑的特性純化混合物 2. 瞭解溶質在異相間之分布平衡, 同一溶質在不同溶劑中的各種可能組成 3. 本實驗研究有機酸 ( 苯甲酸 ) 在水及有機溶劑 ( 正己烷 ) 間之分布情形 用不同量的苯甲酸使其在水和正己烷間達到平衡後, 以酚鈦為指示劑, 用標準的氫氧化鈉溶液滴定在兩相中苯甲酸的含量, 由此可知 D 值 ; 而後以 log D 對 log[a] aq 作圖, 由直線之斜率求出有機酸在有機相中結合程度 (n), 並由 y 截距可求出 K eq 二 儀器儀器與材料 抽氣過濾瓶 布式漏斗 ( 瓷漏斗 ) 水流式抽氣機 濾紙 錐形瓶(125mL) 刻度吸量管 (25 ml) 滴定管(25mL) 安全吸球 電磁攪拌加熱器 磁石 軟木塞 鋁箔紙 (10 cm*10 cm) 分液漏斗(50 ml) 分液漏斗(250 ml) 三 藥品 苯甲酸 (benzoic acid,c 6 H 5 COOH) 正己烷 (n-hexane,n-c 6 H 14 ) 2- 萘酚 (2-naphthol,C 10 H 8 O) 1,4- 二甲氧基苯 (1,4-dimethoxybenzene,H 3 COC 6 H 4 OCH 3 ) 第三丁基甲醚 (t-butyl methyl ether,t-bme) 硫酸鎂 (magnesium sulfate,mgso 4 ) 飽和氯化鈉溶液 (sodium chloride,nacl) 58

72 0.01 M 3 M 氫氧化鈉溶液 (sodium hydroxide,naoh) 5% 碳酸氫鈉溶液 (sodium hydrogen carbonate,nahco 3 ) 5% 鹽酸 (hydrochloric acid,hcl) 酚鈦指示劑,phenolphthalein 苯甲酸溶液 (benzoic acid,c 6 H 5 COOH,2.1 g/ L) 四 實驗步實驗步驟 ( 一 ) 合成步驟 1. 精稱 1.0 g 未知物 ( 苯甲酸 2- 萘酚 1,4- 二甲氧基苯的混合物 ), 加入 15 ml 的 t-bme 中使未知物完全溶解 ( 標示為 Org) 2. 將溶液倒入 50 ml 分液漏斗, 再加入 4 ml 的 5% 碳酸氫鈉溶液, 蓋上蓋子後輕輕搖盪分液漏斗使溶液均勻混合後, 將分液漏斗出口朝上 ( 切勿對人 ), 打開旋鈕放氣, 之後靜置待溶液分層 ( 如何知道哪一層為水層? 有機層?) 3. 打開分液漏斗上端蓋子, 確認何者為水層後則將水層先移出 ( 標示為 W1), 再加入 4 ml 的 5% 碳酸氫鈉溶液再次進行萃取, 將水層與前次水溶液 (W1) 收集在一起 剩餘之有機層則標示為 Org1 備註 使用分液漏斗時下層溶液自下方出口洩出, 上層溶液則應由上方出口傾倒出 4. 利用 3 ml 3 M 氫氧化鈉溶液再次萃取有機層 (Org1), 將萃取後水層標示為 W2, 剩餘有機層標示為 Org2, 重複進行此萃取步驟兩次 5. 再次以飽和食鹽水 2 ml 萃取有機層 (Org2), 重複進行此萃取步驟兩次, 收集有機層溶液並標示為 Org3 6. 取有機層 (Org3), 加入少許無水硫酸鎂 ( 觀察無水硫酸鎂粉末加入前後之變化並推測其作用為何?) 靜置約 20 分鐘後將溶液以抽氣過濾方式除去硫酸鎂, 將濾液減壓抽乾後即可得二甲氧基苯, 將固體乾燥後秤 59

73 重並測熔點 7. 將水層 (W1) 逐滴加入 5% 的鹽酸溶液可發現白色固體產生 ( 試推論為何種物質?) 利用廣用試紙測試溶液至弱酸性, 再利用 4 ml 之 t-bme 進行萃取兩次, 收集有機層並標示為 Org4 8. 將有機層 (Org4) 比照步驟 6 處理可得苯甲酸 將固體乾燥後秤重並測熔點 9. 利用步驟 7 之方法同樣處理水層 (W2), 萃取後收集有機層並標示為 Org5 10. 將有機層 (Org5) 如步驟 6 處理可得 2- 萘酚 將固體乾燥後秤重並測熔點 11. 步驟 8,9 之濃縮部分可利用快速再結晶方式取代, 先將溶液中和, 隔水加熱至固體完全溶解 靜置冷卻至室溫, 再將溶液冰浴以利固體析出, 將固體乾燥後秤重並測其熔點 12. 根據實驗結果推測未知物之混合比例並計算回收率 ( 二 ) 鑑定步驟 1. 取 4 個 125 ml 錐形瓶分別標示之 2. 在每一瓶中加入 40 ml 正己烷, 並在第一瓶中加入 10 ml 苯甲酸水溶液及 30 ml 水, 其餘三瓶取量如表一 表一 四個錐形瓶中之各溶液取量 錐型瓶 正己烷 (ml) 苯甲酸溶液 (ml) 水 (ml)

74 3. 以軟木塞 ( 外包乾淨鋁箔紙 ) 蓋緊每一瓶子並混合攪動 30 分鐘, 以確使苯甲酸在二相中達平衡分布後, 倒入 250 ml 分液漏斗中, 靜置幾分鐘, 讓兩液相分離更完全 備註 可用手搖動瓶子或用磁攪拌子攪拌, 但均應注意勿使溶液濺灑瓶外 4. 進行下面分析之前, 先判斷分液漏斗中上 下層溶液何者為水? 何者為正己烷? 5. 將上 下層溶液分離, 分別置入兩個乾淨之錐形瓶中 6. 準確量取上層溶液 25 ml, 滴加 2~3 滴酚鈦為指示劑並用標準 0.01 M 氫氧化鈉溶液滴定以測定其中的苯甲酸含量 7. 重覆步驟 5~6, 但改為測定下層溶液中之苯甲酸含量 8. 依實驗步驟 5~7, 定量另三瓶試樣之水層與正己烷層中的苯甲酸含量 9. 含正己烷溶液之廢液, 請集中倒入廢液回收桶 10. 由實驗數據求出 D 值 11. 以 log D 對 log[a] aq 作圖並求出迴歸直線, 由迴歸直線求出 K eq ( 截距 ) 及 n( 斜率 ) 五 問題問題與討論 1. 可能影響分布係數之因素? 2. 苯甲酸在正己烷中的 n 值等於多少? 根據你的實驗數據, 若 n 不是正整數, 試提出除了實驗誤差以外的合理解釋 3. 萃取法之優缺點為何? 4. 試舉出兩個有機化合物, 不能以醚或環己烷等有機溶劑有效的利用萃取法從水中分離? 並說明其原因 試說明為何欲將分液漏斗下層溶液自下方開口洩出時, 須將上方蓋子取出? 61

75 六 資料來源 國立中央大學化學系 62

76 實驗十五 環己醇的氧化反應與環己酮的還原反應 一 目的 製備 Jones 試劑, 將環己醇氧化為環己酮 ; 再以氫硼化鈉 (NaBH 4 ) 將環己酮還原成環己醇 二 原理 氧化或還原反應, 在有機化學領域中, 是一種重要的反應型態, 其中利用 Jones 試劑將二級醇氧化成為酮, 是一個非常重要且實用的氧化反應 如果使用一級醇, 則 Jones 試劑會將其氧化成為酸 在本實驗中所提供的 Jones 試劑製備方法是一個很標準的步驟, 基本上將三氧化鉻溶解在濃硫酸中, 然後用水稀釋成為 8 N 的鉻酸溶液 一毫升的此溶液可以氧化四毫莫耳的二級醇, 其反應式如下 3 R 2 CHOH + 3 H 2 CrO 4 3 R 2 CO + 2 Cr(OH) H 2 O 硫酸的使用可以避免 Cr(VI) 與反應產生的 Cr(III) 形成錯合物而降低其氧化電位, 因此硫酸的存在可保證 Cr(VI) 迅速而完全的將醇氧化 此類反應也常在丙酮為溶劑中反應, 因為丙酮不但能增高反應物的溶解度而加快反應速率, 同時也是易於移去的溶劑 在實驗中, 如果使用過量的 Jones 試劑, 於反應結束時可加入 2- 丙醇, 利用 2- 丙醇的氧化 ( 產生丙酮 ), 以消耗過量的 Jones 試劑 至於 2- 丙醇亦是揮發性高的物質, 容易移除 在本實驗中由於產物環己酮的沸點頗高 (155.6 ), 我們可以使用減壓蒸餾的方法來純化產物 利用氫硼化鈉將酮或醛類化合物還原為醇類化合物是一個簡單而且實用的還原反應, 其反應方程式如下 4 R 2 CO + NaBH 4 NaB(OCHR 2 ) 4 63

77 NaB(OCHR 2 ) EtOH 4 R 2 CHOH + NaB(OEt) 4 氫硼化鈉是一個溫和的還原劑, 與水 甲醇或乙醇僅會緩慢的作用而產生氫氣, 而通常 NaBH 4 還原酮或醛是很快的, 因此這個反應可在甲醇或乙醇中進行, 有時甚至於可使用水做反應溶劑, 不過考慮有機反應物的溶解度問題, 此類反應最常在乙醇中進行 雖然一當量的 NaBH 4 可還原四個當量的酮或醛, 但是實際上 NaBH 4 都是用過量的 反應首先是產生硼酸酯 (NaB(OCHR 2 ) 4 ), 但由於是在乙醇中反應, 過量的乙醇會將烷氧基置換而得到醇的產物, 至於產生的 NaB(OEt) 4 則在萃取分離時, 與水進一步水解成硼酸鈉而留在水層中 由於環己醇與環己酮有著相當不同的特性吸收, 有關產物鑑定部分, 本實驗規劃的是紅外線光譜的吸收, 因此學生必須先行閱讀課本中有關紅外線光譜章節的理論部分 三 儀器儀器與材料 旋轉濃縮儀 攪拌器 加液漏斗 蒸餾裝置 真空系統 紅外光譜儀 燒杯 (50 ml) 電子天秤 藥匙 水浴鍋 磁石 滴管 單頸圓底瓶(100 ml 25 ml) 漏斗 分液漏斗 錐形瓶 展開槽 TLC 片 濾紙 四 藥品 環己醇 (cyclohexanol,c 6 H 11 OH) 三氧化鉻 (chromium trioxide,cro 3 ) 濃硫酸 (conc. sulfuric acid,h 2 SO 4 ) 試藥級丙酮 (acetone,ch 3 COCH 3 ) 無水硫酸鎂 (magnesium sulfate,mgso 4 ) 環己酮 (cyclohexanone,c 6 H 10 O) 無水乙醇 (absolute ethanol,ch 3 CH 2 OH) 氫硼化鈉 (sodium borohydride,nabh 4 ) 乙醚 (ether,(ch 3 CH 2 ) 2 O) 64

78 磷鉬酸酒精溶液展開液 ( 正己烷 乙酸乙酯 = 73 正己烷 乙酸乙酯 = 82) 碘瓶飽和食鹽水水 五 實驗實驗步驟 Jones 試劑的製備 1. 用 50 ml 的燒杯, 直接秤取 2.67 g(26.7 mmol) 的三氧化鉻, 再加入 4 ml 的水以溶解之 2. 將所得溶液以冰浴冷卻 10 分鐘, 並以磁石溫和的攪拌 3. 小心加入 2.3 ml 的濃硫酸, 並紀錄所用時間 4. 將燒杯中的溶液體積加水調整至 10 ml, 再於室溫下攪拌, 直到完全溶解, 如此所得之溶液即為 8 N 的鉻酸溶液 環己醇的氧化環己醇的氧化 5. 將 4.0 g(40.0 mmol) 的環己醇置入 100 ml 之單頸圓底瓶, 加入 20 ml 試藥級丙酮及一顆磁石, 置於磁力攪拌器上, 並以冰水浴冷卻 10 分鐘 6. 圓底瓶上加上一組加液漏斗 ( 注意下方的活栓要在關閉的位置 ), 透過漏斗將先前所製備之 Jones 試劑加入加液漏斗中, 並用 2~3 ml 的水將燒杯以及留在漏斗上之殘液洗入加液漏斗中 7. 將加液漏斗中的 Jones 試劑以每 5~6 秒一滴的速度, 慢慢滴入圓底瓶中, 待 Jones 試劑加完之後, 再於室溫攪拌 10 分鐘, 反應即應完全 8. 將反應瓶之內容物倒入分液漏斗中, 並以 20 ml 的水將瓶中殘餘物洗入, 再以 30 ml 乙醚潤洗反應瓶 搖動分液漏斗後, 靜置 5 分鐘使其分層完全 65

79 9. 移去下層水層後, 再加入 20 ml 的飽和食鹽水清洗有機層, 再將下層的水層移除 10. 將有機層置於錐形瓶中, 加入少許無水硫酸鎂, 搖動錐形瓶除水, 靜置後以薄層層析觀察反應結果 ( 展開液為正己烷 乙酸乙酯 = 73, 以碘瓶顯像 ) 11. 裝置蒸餾設備, 先用常壓蒸餾將瓶中的乙醚蒸出後, 再用減壓蒸餾蒸出產物 ( 環己酮沸點 77.5 /60 mmhg 67.8 /40 mmhg 52.5 /20 mmhg) 紀錄環己酮蒸出的沸點, 並計算產率 12. 以紅外線光譜作結構鑑定 環己酮的還原環己酮的還原 13. 在烘乾的 25 ml 單頸圓底瓶, 加入 400 mg(4.0 mmol) 環己酮, 再加入 4 ml 無水乙醇及磁石, 攪拌 14. 待反應物溶解後, 秤取約 40 mg(1.1 mmol) 的氫硼化鈉, 並在冰浴下分數次加入反應瓶中 備註 氫硼化鈉在空氣下會潮解, 要使用前才秤取 15. 反應 5 分鐘後, 以 TLC 追蹤反應 ( 展開液為正己烷 乙酸乙酯 = 8 2, 以磷鉬酸的酒精溶劑顯像 ) 如果反應未完全, 再加入氫硼化鈉 16. 將反應瓶之內容物倒入分液漏斗, 以 10 ml 的水將瓶內之殘餘物潤洗至分液漏斗中 17. 與步驟 8 9 相同, 加入 20 ml 的乙醚, 進行萃取, 移除水層, 再以 10 ml 飽和食鹽水清洗有機層 18. 將有機層倒入的錐形瓶中, 用無水硫酸鎂乾燥, 再以重力過濾法濾入秤重過的 100 ml 單頸瓶中, 旋轉濃縮除去大部分溶劑, 再置於真空系統除去溶劑, 秤重並記錄產物重量, 並計算產率 19. 以紅外線光譜作結構鑑定 66

80 六 參考資料 1. 國立臺灣大學化學系, 化學實驗( 三 ) ( 四 ) 教材, 民國九十一年八月印行,p107~ Michael B. Smith, Organic Synthesis, 2nd ed., McGraw-Hill, New York, 2002, p 參考資料 2,p325~28 七 資料來源 國立中央大學化學系 67

81 68

82 實驗十六 醚類 1,4- 二己氧基苯的製備 一 目的 利用 Williamson 與 Mitsunobu 之方法製備醚類, 並比較二者之差異 二 原理 合成醚類的方法, 最簡單的就是用烷氧化物 (alkoxide) 與一級的鹵化烷 (haloalkane) 或磺酸酯 (sulfonate ester) 進行典型的 S N 2 反應, 這種方法就是相當有名的 Williamson 醚類製備法 由於烷氧化物是個很好的親核試劑 (nucleophile), 在反應中會將鹵化烷的鹵素 ( 離去基,leaving group) 置換出來而形成醚類 在上述的反應中, 烷氧化物不但是親核試劑, 也是一種強鹼, 它與三級的鹵化烷反應時, 就不進行 S N 2 反應, 而進行 E2 的消去 (elimination) 反應產生烯類 當反應對象為二級的鹵化烷時, 仍然以 E2 反應為主 本實驗所採用的反應物 - 對苯二酚 (hydroquinone), 由於它的酸性度很高 (pka=10), 所以不需要強鹼 ( 如氫化鈉 ) 來形成芳香族氧化物 (aryloxide), 69

83 只需用碳酸鉀就能達到效果 在反應期間所形成的芳香族氧化物, 與 1- 溴己烷 反應, 溴即會脫去而形成 1,4- 二己氧基苯 (1,4-dihexyloxybenzene, 如下列反應 式 ) 我們預定以這個產物, 繼續進行一系列的反應 OH OC 6 H 13 OH C 6 H 13 Br K 2 CO 3 Acetone, reflux OC 6 H 13 (16.4) 我們再看另一個反應 H CH 3 PhCO 2 H O H CH 3 R OH EtO 2 C N N CO 2 Et Ph O R PPh 3 (16.5) 上述 (16.5) 反應與式 (16.1) 之 S N 2 反應有些相似處 第一是親核試劑 (PhCO 2 - ) 的存在 ; 第二則是有構形上的反轉現象 但是又有與一般 S N 2 反應所應具備 之條件不同的地方 第一是反應物上的 OH 基是個相當差的離去基 ; 第二則是反應物為二級醇, 在前文已提及, 二級鹵化烷類的 S N 2 反應性不佳 上述反應之所以能夠進行, 需要有三苯膦 (triphenylphosphine,pph 3 ) 與 diethyl azodicarboxylate(et 2 OC-N=N-CO 2 Et,DEAD) 的存在 這種類型的反應, 就是 Mitsunobu 反應 以這個例子來說,PPh 3 與 DEAD 先反應產生中間產物 A,A 再與 PhCO 2 H 進行反應產生親核基 PhCO 2 - 與中間產物 B - - 雖然 PhCO 2 與反應物二級醇的 pka 差異很大, 當 PhCO 2 脫去二級醇 OH 上的氫後的陰離子卻可再與 B 進行不可逆反應成為 C 與 D 70

84 由於 C 上的 OP + Ph 3 是良好的離去基,D 與 PhCO 2 H 進行反應產生的 PhCO 2-, 就可以與 C 進行親核取代反應, 脫去 OP + Ph 3 而形成產物 本實驗的另一部份, 乃採用相同的反應物 - 對苯二酚, 在 PPh 3 與 DEAD 的作用下, 與 1- 己醇反應, 以得到 1,4- 二己氧基苯, 藉此將兩種方法作個比較 在這裏我們瞭解 Mitsunobu 反應就是典型的多步驟反應 (multistepreaction) 就原理部份所舉的例子而言, 所謂多步驟反應, 就是一個反應 ( 式 (16.5)) 中包含多個步驟 ( 式 (16.6)~(16.11)), 並產生各種中間體 (A~D), 而且一個步驟接著一個步驟進行, 使得反應 ( 式 (16.5)) 看起來像單一步驟一般 三 儀器儀器與材料 旋轉濃縮儀 電磁攪拌加熱器 水流式抽氣機 布氏漏斗 ( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 濾紙 注射針筒 圓底瓶 (250 ml) 磁石 血清塞 TLC 片 展開槽 紫外光燈 71

85 四 藥品 對苯二酚 (hydroquinone,hoc 6 H 4 OH) 碳酸鉀 (potassium carbonate,k 2 CO 3 ) 碘化鉀 (potassium iodide,ki) 1- 溴己烷 (1-bromohexane,C 6 H 13 Br) 丙酮 (acetone,ch 3 COCH 3 ) 氯仿 (chloroform,chcl 3 ) 乙醇 (ethanol,ch 3 CH 2 OH) 三苯膦 (triphenylphosphine,pph 3 ) 1- 己醇 (1-hexanol,C 6 H 13 OH) DEAD(diethyl azodicarboxylate,(ncoet 2 ) 2 ) 四氫呋喃 (Tetrahydrofuran,C 4 H 8 O) 五 實驗實驗步驟 Williamson 醚類製備 1. 將 3.3 g(30 mmol) 對苯二酚 9.12 g(66 mmol) 碳酸鉀 0.33 g(2 mmol) 碘化鉀分別加入圓底瓶中, 再加入以丙酮 100 ml, 攪拌 10 分鐘 2. 將 9.9 g(60 mmol)1- 溴己烷以每 5~6 秒一滴的速度, 慢慢滴入圓底瓶中, 滴完後加熱至 60, 迴流 2 小時 3. 準備熱丙酮, 並趁熱過濾, 可濾得棕色固體 4. 將棕色固體以乙醇 / 四氫呋喃作再結晶, 可見白色固體析出 5. 抽氣過濾收集白色固體, 稱重, 計算產率, 並測量熔點 Mitsunobu 反應 6. 將 1.1 g(10 mmol) 對苯二酚 7.87 g(30 mmol) 三苯膦 3.07 g(30 mmol) 1- 己醇分別加入圓底瓶中, 再加入四氫呋喃 50 ml, 以血清塞封住瓶口, 攪拌 10 分鐘 72

86 7. 在步驟 6 攪拌同時, 將 5.22 g(30 mmol)dead 加入另一個 250 ml 的圓底瓶中, 再加入四氫呋喃 100 ml, 以血清塞封住瓶口, 攪拌 10 分鐘 8. 俟步驟 7 完成後, 以針筒分次抽取步驟 7 之溶液, 以每 10 秒 1 ml 的速度, 滴入步驟 6 的圓底瓶中 滴完後攪拌 2 小時 9. 加入 1 ml 水於瓶中攪拌 10 分鐘後, 將溶液作薄層層析分析 ( 展開液為正己烷 乙酸乙酯 = 82, 以紫外光燈照射觀察 ), 並紀錄結果 10. 旋轉濃縮除去大部分溶劑, 並以管柱層析 (column chromatography, 沖提液為正己烷 乙酸乙酯 = 82) 分離所要的產物 11. 將分離出來的溶液旋轉濃縮, 收集瓶中固體, 稱重並計算產率 六 參考資料 1. Department of Chemistry, National Central University, Organic Chemistry Laboratory, p25~ Robert B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, Springer, New York, 1999, p88~89. 七 資料來源 國立中央大學化學系 73

87 74

88 實驗十七 醚類 1- 己氧基 -4- 碘苯的製備 一 目的 利用 Williamson 與 Mitsunobu 之方法製備醚類, 並比較二者之差異 二 原理 合成醚類的方法, 最簡單的就是用烷氧化物 (alkoxide) 與一級的鹵化烷 (haloalkane) 或磺酸酯 (sulfonate ester) 進行典型的 S N 2 反應, 這種方法就是相當有名的 Williamson 醚類製備法 由於烷氧化物是個很好的親核試劑 (nucleophile), 在反應中會將鹵化烷的鹵素 ( 離去基,leaving group) 置換出來而形成醚類 在上述的反應中, 烷氧化物不但是親核試劑, 也是一種強鹼, 它與三級的鹵化烷反應時, 就不進行 S N 2 反應, 而進行 E2 的消去 (elimination) 反應產生烯類 當反應對象為二級的鹵化烷時, 仍然以 E2 反應為主 本實驗所採用的反應物 - 對碘苯酚 (4-iodophenol), 由於它的酸性度很高 (pka=10), 所以不需要強鹼 ( 如氫化鈉 ) 來形成芳香族氧化物 (aryloxide), 75

89 只需用碳酸鉀就能達到效果 在反應期間所形成的芳香族氧化物, 與 1- 溴己烷反 應, 溴即會脫去而形成 1- 己氧基 4- 碘苯 (1-hexyloxy-4-iodobenzene, 如下列反應 式 ) 我們預定以這個產物, 繼續進行一系列的反應 OH OC 6 H 13 I C 6 H 13 Br K 2 CO 3 Acetone, reflux I (17.4) 我們再看另一個反應 H CH 3 PhCO 2 H O H CH 3 R OH EtO 2 C N N CO 2 Et Ph O R PPh 3 (17.5) 上述 (17.5) 反應與式 (17.1) 之 S N 2 反應有些相似處 第一是親核試劑 (PhCO - 2 ) 的存在 ; 第二則是有構形上的反轉現象 但是又有與一般 S N 2 反應所應具備之條件不同的地方 第一是反應物上的 OH 基是個相當差的離去基 ; 第二則是反應物為二級醇, 在前文已提及, 二級鹵化烷類的 S N 2 反應性不佳 上述反應之所以能夠進行, 需要有三苯膦 (triphenylphosphine,pph 3 ) 與 diethyl azodicarboxylate(et 2 OC-N=N-CO 2 Et,DEAD) 的存在 這種類型的反應, 就是 Mitsunobu 反應 以這個例子來說,PPh 3 與 DEAD 先反應產生中間產物 A,A 再與 PhCO 2 H 進行反應產生親核基 PhCO 2 - 與中間產物 B - - 雖然 PhCO 2 與反應物二級醇的 pka 差異很大, 當 PhCO 2 脫去二級醇 OH 上的氫後的陰離子卻可再與 B 進行不可逆反應成為 C 與 D 76

90 由於 C 上的 OP + Ph 3 是良好的離去基,D 與 PhCO 2 H 進行反應產生的 PhCO 2-, 就可以與 C 進行親核取代反應, 脫去 OP + Ph 3 而形成產物 本實驗的另一部份, 乃採用相同的反應物 - 對碘苯酚, 在 PPh 3 與 DEAD 的作用下, 與 1- 己醇反應, 以得到 1- 己氧基 4- 碘苯, 藉此將兩種方法作個比較 在這裏我們瞭解 Mitsunobu 反應就是典型的多步驟反應 (multi-step reaction) 就原理部份所舉的例子而言, 所謂多步驟反應, 就是一個反應 ( 式 (17.5)) 中包含多個步驟 ( 式 (17.6)~(17.11)), 並產生各種中間體 (A~D), 而且一個步驟接著一個步驟進行, 使得反應 ( 式 (17.5)) 看起來像單一步驟一般 三 儀器與材料 旋轉濃縮儀 電磁攪拌加熱器 水流式抽氣機 布氏漏斗 ( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 濾紙 注射針筒 圓底瓶 (100 ml) 磁石 血清塞 TLC 片 展開槽 紫外光燈 77

91 四 藥品 對碘苯酚 (4-iodophenol,HOC 6 H 4 I) 碳酸鉀 (potassium carbonate,k 2 CO 3 ) 碘化鉀 (potassium iodide,ki) 1- 溴己烷 (1-bromohexane,C 6 H 13 Br) 丙酮 (acetone,ch 3 COCH 3 ) 氯仿 (chloroform,chcl 3 ) 乙醇 (ethanol,ch 3 CH 2 OH) 三苯膦 (triphenylphosphine,pph 3 ) 1- 己醇 (1-hexanol,C 6 H 13 OH) DEAD(diethyl azodicarboxylate,(ncoet 2 ) 2 ) 四氫呋喃 (Tetrahydrofuran,C 4 H 8 O) 五 實驗步驟 Williamson 醚類製備 1. 將 2.2 g(10 mmol) 對碘苯酚 2.76 g(20 mmol) 碳酸鉀 0.17 g(1 mmol) 碘化鉀分別加入 100 ml 的圓底瓶中, 再加入以丙酮 30 ml, 攪拌 10 分鐘 2. 將 1.65 g(10 mmol)1- 溴己烷以每 5~6 秒一滴的速度, 慢慢滴入圓底瓶中, 滴完後加熱至 60, 迴流 2 小時 3. 準備熱丙酮, 並趁熱過濾 4. 將所得濾液旋轉濃縮, 加入乙醇可見白色固體析出, 將固體以乙醇 / 氯仿作再結晶 5. 抽氣過濾收集白色固體, 稱重, 計算產率, 並測量熔點 Mitsunobu 反應 6. 將 2.2 g(10 mmol) 對碘苯酚 2.89 g(11 mmol) 三苯膦 1.12 g(11 mmol) 78

92 1- 己醇分別加入圓底瓶中, 再加入以四氫呋喃 30 ml, 以血清塞封住瓶口, 攪拌 10 分鐘 7. 在步驟 6 攪拌同時, 將 1.92 g(11 mmol)dead 加入另一個 100 ml 的圓底瓶中, 再加入四氫呋喃 30 ml, 以血清塞封住瓶口, 攪拌 10 分鐘 8. 俟步驟 7 完成後, 以針筒分次抽取步驟 7 之溶液, 以每 10 秒 1 ml 的速度, 滴入步驟 6 的圓底瓶中 滴完後攪拌 2 小時 9. 加入 1 ml 水於瓶中攪拌 10 分鐘後, 將溶液作薄層層析分析 ( 展開液為正己烷 乙酸乙酯 = 82, 以紫外光燈照射觀察 ), 並紀錄結果 10. 旋轉濃縮除去大部分溶劑, 並以管柱層析 (column chromatography, 沖提液為正己烷 乙酸乙酯 = 82) 分離所要的產物 11. 將分離出來的溶液旋轉濃縮, 收集瓶中固體, 稱重並計算產率 六 參考資料 3. Department of Chemistry, National Central University, Organic Chemistry Laboratory, p25~ Robert B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, Springer, New York, 1999, p88~89. 七 資料來源 國立中央大學化學系 79

93 80

94 實驗十八 苯乙炔單體的合成 一 目的 用 Sonogashira 反應進行偶合反應, 並藉此學習利用玻璃真空系統從事無水 無氧條件下的化學反應 二 原理 鈀金屬催化偶合反應以生成 C-C C-N 或 C-O 鍵, 為近十餘年來被廣泛研究與應用的反應 其中 Sonogashira 反應就是典型的鈀金屬催化之 C-C 鍵偶合反應 例如由碘苯與苯乙進行 Sonogashira 偶合反應, 便可形成二苯乙炔, 其反應式如下 在 Sonogashira 反應中, 由於 0 價鈀金屬催化劑 ( 如 Pd 2 (dba) 3 與 Pd(PPh 3 ) 4 ) 遇到空氣中的水氣或氧氣時, 其活性會降低而影響產率, 所以本實驗的設計是希望學生學習利用玻璃真空系統從事無水 無氧條件下的化學反應 本實驗將利用 Sonogashira 反應, 以合成聚苯乙炔單體 首先我們必須將實驗七所合成的醚類 1,4- 二己氧基苯進行碘化反應而形成的化合物 A, 再將化合物 A 與 2- 甲基 -3- 丁炔基 -2- 醇 (2-methyl -3-butyn-2-ol) 進行 Sonogashira 反應, 形成化合物 B 81

95 在上述所進行之 Sonogashira 反應, 我們用鈀金屬催化劑為 Pd(PPh 3 ) 2 Cl 2, 其催化機制如圖三所示 ( 注意 若催化劑過量, 卻不利於反應進行 ) R R' Pd(PPh 3 ) 2 R I Ph 3 P R Pd Ph 3 P R' Ph 3 P R Pd Ph 3 P I R' Cu H (i-pr) 2 N I (i-pr) 2 NH CuI R' CuI H R' H 圖三 Pd(PPh 3 ) 2 Cl 2 之催化機制 三 儀器儀器與材料 旋轉濃縮儀 電磁攪拌加熱器 減壓濃縮裝置 水流式抽氣機 布氏漏斗 82

96 ( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 濾紙 玻璃真空系統 核磁共振光譜儀 紫外光照光 設備 分液漏斗 冷凝管 圓底瓶 (250 ml) 磁石 熔點測定儀 單口毛細 管 ( 測熔點用 ) 側管試管 血清塞 氬氣 油鍋 四 藥品 第一部分 碘化反應 1,4- 二己氧基苯 (1,4-bis(hexyloxy)benzene,(OC 6 H 13 ) 2 C 6 H 4 ) 碘酸鉀 (potassium iodate,kio 3 ) 碘 (iodine,i 2 ) 冰醋酸 (glacial acetic acid,ch 3 COOH) 濃硫酸 (concentrated sulfuric acid,h 2 SO 4 ) 二氯甲烷 (dichloromethane,ch 2 Cl 2 ) 無水硫酸鎂 (magnesium sulfate,mgso 4 ) 甲醇 (methanol,ch 3 OH) 20 % 硫代硫酸鈉水溶液 (sodium thiosulfate,na 2 S 2 O 3 ) 第二部分 Sonogashira 反應 ( 一 ) 雙三苯基膦二氯化鈀 (dichlorobis(triphenylphosphine)palladium(ii), Pd(PPh 3 ) 2 Cl 2 ) 碘化亞銅 (copper iodide(i),cui) 無水甲苯 (toluene,c 6 H 5 CH 3 ) 2- 甲基 -3- 丁炔基 -2- 醇 (2-methyl-3-butyn-2-ol,CHCC(CH 3 ) 2 OH) 二異丙胺 (diisopropyl amine,((ch 3 ) 2 CH)NH) 二氯甲烷 (dichloromethane,ch 2 Cl 2 ) 甲醇 (methanol,ch 3 OH) 無水硫酸鎂 (magnesium sulfate,mgso 4 ) 10 % 鹽酸水溶液 (hydrochloric acid,hcl) 83

97 飽和氯化銨水溶液 (ammonium chloride,nh 4 Cl) 飽和碳酸氫鈉水溶液 (sodium hydrogen carbonate,nahco 3 ) 五 實驗實驗步驟 第一部分 碘化反應 1. 將 2.74 g(10 mmol)1,4- 二己氧基苯 1.07 g(5 mmol) 碘酸鉀 2.54 g (10 mmol) 碘 100 ml 冰醋酸 10 ml 水 3 ml 濃硫酸, 依序加入至圓底瓶, 加熱迴流 2.5 小時 2. 將溶液冷卻, 抽氣過濾收集固體 3. 以二氯甲烷使固體完全溶解, 用 15 ml 20 % 硫代硫酸鈉水溶液清洗該溶液, 以分液漏斗分層, 收集有機層 ( 下層 ) 4. 用無水硫酸鎂除水, 抽氣過濾收集溶液 5. 將收集之溶液旋轉濃縮, 得到的固體用甲醇 / 氯仿作再結晶 6. 抽氣過濾收集白色固體 A, 稱重, 計算產率, 並測量熔點 第二部分 Sonogashira 反應 ( 一 ) 7. 將 1.06 g(2 mmol) 化合物 A g(0.4 mmol) 碘化亞銅 g (0.04 mmol)pd(pph 3 ) 2 Cl 2, 依序置於 25 ml 的有側管試管中, 以血清塞塞住管口 8. 以玻璃真空系統將試管抽真空十分鐘 9. 切換玻璃真空系統的閥, 將氬氣通入試管中約 15 秒 ( 注意 要在血清塞處插上油管讓氬氣釋放 ) 10. 重覆步驟 8 9 三次 並於此時預熱一個 60 的油鍋 11. 以針筒注入 2 ml 無水甲苯至試管中 12. 以針筒注入 0.5 ml 2- 甲基 -3- 丁炔基 -2- 醇至試管中 13. 以針筒注入 2.5 ml 二異丙胺至試管中 84

98 14. 將試管移至已預熱至 60 的油鍋中, 攪拌 2 小時 15. 將溶液冷卻後, 減壓濃縮除去大部分溶劑, 再加入二氯甲烷使固體完全溶解 16. 分別用 10 % 鹽酸水溶液 飽和氯化銨水溶液 飽和碳酸氫鈉水溶液 ( 各 6 ml) 清洗該溶液, 以分液漏斗分層, 收集有機層 ( 下層 ) 17. 用無水硫酸鎂除水, 抽氣過濾收集溶液 18. 將收集之溶液旋轉濃縮, 得到的固體用甲醇作再結晶 19. 抽氣過濾收集黃色固體 B, 稱重並計算產率 六 參考資料 Michael B. Smith, Organic Synthesis, 2nd ed., McGraw-Hill, New York, 2002, p1124. 七 資料來源 國立中央大學化學系 85

99 86

100 實驗十九 聚苯乙炔的合成與螢光性質 一 目的 利用玻璃真空系統從事高分子聚合反應, 並藉由螢光現象了解有機發光材料的應用 二 原理 高分子又稱聚合物 (polymer), 而有機共軛高分子則是高分子主鏈上的原子皆具有 p 軌域重疊者 常見的共軛高分子結構為單鍵 - 雙 ( 參 ) 鍵交替的型式, 由於其主鏈上 π 電子的非定域化 (delocalized), 在經過摻雜後會形成導電性良好的半導體, 故共軛高分子又稱為導電高分子 有機共軛高分子通常具有螢光性質, 且發光範圍多在可見光區, 近年來已成為有機發光材料的熱門研究對象 本實驗將再次利用 Sonogashira 反應, 將實驗八所合成的化合物 A 與化合物 B 進行 E1 cb 反應後得到的化合物 C 聚合成聚苯乙炔共軛高分子 D 由於反應物 C 的兩個苯乙炔基, 可與兩個對 - 二碘苯分子進行偶合反應, 偶合反應後的產物上的兩個碘基, 又可與兩分子的 C 進行偶合反應, 經過反覆數次的偶合反應後, 即形成聚苯乙炔 D 化合物 D 是以 poly(phenylene acetylene) 為主軸的共軛高分子, 這一系列的化合物都具有螢光, 學生可以藉紫外光燈的照射觀察 87

101 三 儀器儀器與材料 電磁攪拌加熱器 減壓濃縮裝置 玻璃真空系統 核磁共振光譜儀 紫外光照光設備 水流式抽氣機 布氏漏斗 ( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 濾紙 雙頸圓底瓶 (50 ml) 冷凝管 氬氣 氣球 血清塞 分液漏斗 油鍋 側管試管 磁石 滴管 四 藥品 第一部分 E1 cb 反應 氫氧化鉀 (potassium hydroxide,koh) 正丁醇 (n-butanol,ch 3 (CH 2 ) 3 OH) 正己烷 (n-hexane,ch 3 (CH 2 ) 4 CH 3 ) 無水硫酸鎂 (magnesium sulfate,mgso 4 ) 88

102 二氯甲烷 (dichloromethane,ch 2 Cl 2 ) 飽和氯化銨水溶液 (ammonium chloride,nh 4 Cl) 第二部分 Sonogashira 反應 雙三苯基膦二氯化鈀 (dichlorobis(triphenylphosphine)palladium(ii), Pd(PPh 3 ) 2 Cl 2 ) 碘化亞銅 (copper(i) iodide,cui) 無水甲苯 (toluene,c 6 H 5 CH 3 ) 對 - 二碘苯 (p-diiodobenzene) 二異丙胺 (diisopropyl amine,((ch 3 ) 2 CH)NH) 二氯甲烷 (dichloromethane,ch 2 Cl 2 ) 甲醇 (methanol,ch 3 OH) 無水硫酸鎂 (magnesium sulfate,mgso 4 ) 10 % 鹽酸水溶液 (hydrochloric acid,hcl) 飽和氯化銨水溶液 (ammonium chloride,nh 4 Cl) 飽和碳酸氫鈉水溶液 (sodium hydrogen carbonate,nahco 3 ) 五 實驗實驗步驟 第一部分 E1 cb 反應 1. 將 0.62 g(1.4 mmol) 化合物 B 2 顆氫氧化鉀, 依序置於雙頸圓底瓶中, 用冷凝管 ( 含氬氣氣球 ) 插入其中一個瓶口, 再以血清塞塞住另一瓶口 2. 以玻璃真空系統重覆步驟 8 9 四次, 將瓶內抽換成氬氣系統 3. 以針筒注入適量正丁醇 ( 足以覆蓋固體 ) 至圓底瓶中, 加熱迴流 2 小時 4. 將溶液冷卻後, 減壓濃縮除去大部分溶劑, 再加入正己烷使固體完全溶解 89

103 5. 分別用水 飽和氯化銨水溶液 ( 各 6 ml) 清洗該溶液, 以分液漏斗分層, 收集有機層 ( 上層 ) 6. 用無水硫酸鎂除水, 抽氣過濾收集溶液 7. 將有機層作薄層層析分析 ( 展開液為正己烷 二氯甲烷 = 21, 以紫外光燈照射觀察 ), 並紀錄結果 8. 旋轉濃縮除去大部份溶劑, 並作管柱層析 ( 沖提液為正己烷 二氯甲烷 = 21), 收集第一點 9. 將收集之溶液旋轉濃縮, 可得橘黃色固體 C, 稱重並計算產率 第二部分 Sonogashira 反應 10. 將 0.33 g(1 mmol) 化合物 C g(0.2 mmol) 碘化亞銅 g (0.02 mmol)pd(pph 3 ) 2 Cl 2, 依序置於 25 ml 的有側管試管中, 以血清塞塞住管口 11. 以玻璃真空系統重覆步驟 8 9 四次, 將試管內抽換成氬氣系統 並於此時預熱一個 60 的油鍋 12. 以針筒注入 1 ml 無水甲苯至試管中 13. 以針筒注入 0.33 g(1 mmol) 對 - 二碘苯至試管中 14. 以針筒注入 1.4 ml 二異丙胺至試管中 15. 將試管移至已預熱至 60 的油鍋中, 攪拌 2 小時 16. 將溶液冷卻後, 減壓濃縮除去大部分溶劑, 再加入二氯甲烷使固體完全溶解 17. 分別用 10 % 鹽酸水溶液 飽和氯化銨水溶液 飽和碳酸氫鈉水溶液 ( 各 5 ml) 清洗該溶液, 以分液漏斗分層, 收集有機層 ( 下層 ) 18. 用無水硫酸鎂除水, 抽氣過濾收集溶液 19. 將收集之溶液旋轉濃縮 ( 圓底瓶須先稱重 ), 並將得到的黏稠液體以 1 ml 二氯甲烷溶解 20. 將約 100 ml 甲醇置於 250 ml 圓底瓶中, 並放入磁石, 高速旋轉 90

104 21. 以滴管吸取步驟 38 之溶液, 快速注入步驟 39 之圓底瓶中, 此時將有 粉末或絲狀之高分子 D 析出, 繼續攪拌溶液 5 分鐘 22. 過濾收集化合物 D, 稱重, 並用紫外光燈照射觀察化合物 D 的螢光 六 參考資料 Michael B. Smith, Organic Synthesis, 2nd ed., McGraw-Hill, New York, 2002, p1124. 七 資料來源 國立中央大學化學系 91

105 92

106 實驗二十 感光高分子材料的製備與應用 一 目的 以聚酚醛樹脂為基礎製備感光高分子材料, 學習聚合物製備及光化學 二 原理 感光性高分子材料包含有高聚物 低聚物 單體等各種型式組合 材料吸收光能之後導致體系的分子內或分子間產生各種化學變化或物理變化, 例如 溶解性的降低, 稱為光固化或光交聯 ; 變色或發光, 稱為光致色變或光致發光 ; 導電性的改變, 稱為光導性 ; 產生催化功能, 稱為光催化性 ; 對基材的附著力改變, 稱為光敏膠 或高分子因光照而降解, 稱為光降解 人類對於感光性材料有長久的研究 天然的感光物質, 包括眼睛裡的視神經感覺系統, 和皮膚表面抗拒紫外線的色素等 1822 年, 法國的尼伯斯 (N.Niépce) 發現感光性天然瀝青, 配合針孔照相製版技術, 將影像轉移至印刷版上 1832 年, 法國的扎柯 (G. Suckow) 發現了重鉻酸鹽覆蓋在一些有機物質上時具有感光性, 而 1839 年英國的蒲頓 (M.Ponton) 將明膠 - 重鉻酸鉀用作印刷製版 1952 年, 美國 Kodak 公司利用肉桂酸酯在紫外光下有很強的交聯作用, 發展肉桂酸酯為基礎的感光高分子材料, 經日後設計使高分子樹脂與玻璃表面的有良好附著, 今日用在積體電路蝕刻技術, 概念上與當時如出一轍 本實驗內容包括聚酚醛樹脂的製備與光敏樹脂的製備與應用 在聚酚醛樹脂的製備實驗中, 涉及酚的親電性取代反應 (electrophilic aromatic substitution) 在光敏樹脂的製備與應用實驗中, 其化學原理較為複雜, 涉及鄰偶氮醌 (DNQ) 的光化學分解放出氮氣, 產生碳烯 (carbene) 中間體 碳烯中間體進行 Wolff 重排, 生成烯酮 (ketene) 化合物, 烯酮再與光阻劑中的水分作用, 形成水溶性的羧酸 (carboxylic acid) 其顯影原理在後面內文中有所討論 93

107 三 藥品 間甲酚 (m-cresol); 甲醛水溶液 (37%); 草酸 ; 甲醇 ; 丙酮 ; 1,2-naphthoquinone-2diazo-5-sulfonyl chloride; 10 % 碳酸鈉水溶液 ; 乙二醇二甲醚 ; 乙酸乙酯 ;0.5 % NaOH 水溶液 四 儀器 圓底瓶 (25mL); 冷凝管 ; 溫度計 ; 量筒 ; 鋁箔 ; 鋁片 (5 6 cm) 五 實驗部分 ( 一 ) 聚酚醛樹脂的製備 在酚醛低聚物的合成中, 通常使用甲醛水溶液, 濃度為 37% 在酸催化下易生成羥甲基正離子, 羥甲基正離子在苯酚的鄰位或對位上, 進行親電性取代反應, 生成鄰羥甲基苯酚和對羥甲基苯酚 這是加成縮聚反應的加成階段, 也是反應速率較慢的階段 這些羥甲基苯酚形成後, 可以很快地與苯酚縮合成二 (2- 羥苯基 ) 甲烷 加成縮合若持續進行, 便生成聚酚醛樹脂 若將間甲酚與甲醛聚合而成聚酚醛樹脂, 稱為 Novolak, 為重要光阻劑用樹脂, 其反應如下 94

108 實驗步驟 取間甲酚 (m-cresol,3 克 ) 甲醛水溶液(37 %,2 毫升 ) 及草酸 (0.13 克 ) 加入 25 毫升單頸圓底瓶中油浴加熱迴流 40 分鐘, 溫度約為 150 反應完畢後, 讓其回到室溫, 以滴管將上層水分吸除, 再以 10 毫升甲醇溶解做再沉澱 ( 再沉澱 取一滴管, 內塞入一棉花, 並準備一 250 毫升的燒杯裡面裝入 200 毫升的蒸餾水與一攪拌子, 將燒杯置於攪拌機上快速攪拌, 將甲醇溶液經由滴管慢慢滴入燒杯中此時立即有白色沉澱物產生 ), 用布氏漏斗抽氣過濾後收集產物, 秤重並計算產率 ( 二 ) 光敏樹脂的製備與應用光敏樹脂能在短時間的光照下發生交聯, 聚合或分解等化學反應, 從而引起溶解度的改變 經過曝光和顯影步驟後, 遺留在底版的影像便顯現出來 在光加工工藝中, 它稱為光致抗蝕劑或光阻劑 光阻劑的應用十分廣泛, 在積體電路和精密機械製作方面均有重要用途 本實驗介紹的是鄰偶氮醌 ( DNQ ) 類化合物的正性光阻劑 這類化合物特點是曝光部分的磺酸酯照光後會進行 Wolff 重排, 放出氮氣成烯酮化合物, 再與光阻劑中的水分作用, 形成水溶性的羧酸, 可用稀鹼水溶液沖洗出去, 故被用以作為正性光阻劑 95

109 合成方法乃將酚醛樹脂與 1,2-naphthoquinone-2-diazo-5-sulfonyl chloride 在 鹼性條件下進行磺酸酯化, 其改性後的樹脂溶於乙二醇二甲醚與乙酸乙酯的混合 溶劑並進行製膜, 曝光和顯影 實驗步驟 將酚醛樹酯 (0.25 克 ) 放入 25 毫升單頸圓底瓶中, 加入丙酮 (2 毫升 ), 攪拌使之溶解 ( 如果溶解狀況不好可用熱水稍微加熱 ) 由單頸圓底瓶上方分批加入 1,2-naphthoquinone-2-diazo-5-sulfonyl chloride ( 0.25 克 ), 再以滴管慢慢加入 10 % 碳酸鈉水溶液 (1.25 毫升 ), 用鋁箔將圓底瓶整個包住 此時溶液會轉為深棕色, 讓反應繼續攪拌 40 分鐘, 加入甲醇 (5~10 毫升 ) 劇烈攪拌, 並過濾沉澱物 以抽氣過濾抽乾溶劑, 秤重並計算產率 並將抽乾的產物裝於一小的樣品瓶中以鋁箔 96

110 包覆 準備一塊鋁片 ( 5 6 cm ) 在暗處( 避免陽光直射 ), 取黃色磺酸酯 (50 毫克 ) 溶於乙二醇二甲醚與乙酸乙酯 ( 重量比 13 ) 混合液 ( 1 毫升 ) 中 在暗處 ( 避免陽光直射 ), 拿出鋁片, 趁熱將混合液滴入, 同時以玻棒將液體平均分散在鋁片表面, 使之鍍上一層均勻的黃色薄膜 ( 如果不均勻可用乙二醇二甲醚與乙酸乙酯溶液再次溶解, 重複上述步驟 ) 以預先裁剪出圖案的鋁箔包住鋁片, 於中央部分露出圖案, 置於 100 瓦之太陽燈下 30 公分 ( 或於燈箱下 ) 照射 10 分鐘 移除鋁箔, 以 0.5 % NaOH 水溶液慢清洗 ( 照光部分會形成黑色可溶物而被洗出 ), 已風乾或以面紙輕輕擦乾, 拿給助教檢查 六 資料來源國立台灣大學化學系 97

111 98

112 實驗二十一二十一 製備苯基甘胺酸衍生物及使用酵素法拆分旋光對 一 目的 學習將 α- 胺基酸的消旋混合物衍生為乙醯胺基酯化合物, 再利用水解酵素選擇性的將其中一個鏡像異構物水解成乙醯胺基酸, 以拆分旋光對而獲得光學活性化合物 二 重點技術 多步驟合成, 由酸製備甲酯, 胺的乙醯化, 蛋白質水解酵素水解酯, 拆分旋光對, 旋光度的測量, 再結晶, 熔點測定, 高效能液相層析 三 實驗原理 將有機酸衍生成酯及將胺基衍生成醯胺基, 是常用的有機反應, 也是從 α- 胺基酸合成胜肽常用的手法 以苯基甘胺酸為例, 可衍生成甲基酯, 再衍生成乙醯胺 本實驗將 2- 苯基甘胺酸的消旋混合物 ( DL-1 ), 經由胺基酸 DL-2 之氫氯酸鹽, 轉變為乙醯胺基酯衍生物 DL-3, 如下式 酵素是天然的催化劑, 對受質有專一選擇性, 譬如蛋白質水解酵素 ( protease ) 往往只催化含 L-α- 胺基酸的天然蛋白質之水解反應, 而不催化 D-α- 胺基酸化合 物的水解反應 若用脂肪水解酵素 ( lipase ) 做催化劑來水解 α- 取代基酯的消旋混 99

113 合物時, 往往某一鏡像異構物先進行水解產生 α- 取代基酸, 而另一鏡像異構物仍停留在 α- 取代基酯, 如此也可以達到拆分旋光對的目的 要選擇性的將乙醯胺基酸酯 3 水解, 可用蛋白質水解酵素做催化劑, 如木瓜酵素 ( papain ) 凝乳胰蛋白酵素 ( chymotrypsin ) 和鹼性蛋白質水解酵素 ( Alcalase ) 等 再利用萃取的方法, 就可以分別得到光學活性的 D-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸甲酯 ( D-3 ) 和 L-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸 ( L-4 ) 四 藥品 材料與儀器 藥品 DL- 苯基甘胺酸 ( phenyl glycine, 2.50 克 ), 醋酸鈉 ( sodium acetate, 1.1 克 ), 醋酸酐 ( acetic anhydride, 2.5 毫升 ), 甲醇 ( methanol, 20 毫升 ), 亞磺醯氯 ( thionyl chloride, SOCl 2, 0.5 毫升 ), 鹼性蛋白質水解酵素 ( Alcalase 2.4L, 0.4 毫升 ) 儀器 三角瓶 ( 50 毫升,2 只 ), 圓底瓶 ( 50 毫升,2 只 ), 攪拌磁石, 冷凝管, 蒸餾管, 旋光度計, 高效能液相層析儀配置手性層析管 五 實驗步驟 1. 製備 DL-2- 苯基甘胺酸甲酯之氫氯酸鹽 ( DL-2.HCl ) 在 50 毫升圓底瓶中置放 DL-2- 苯基甘胺酸 ( 2.5 克,16.5 毫莫耳 ) 和甲醇 ( 20 毫升 ), 並在冰浴中冷卻 ( 約 0-5 ) 攪拌並逐滴加入亞磺醯氯 ( 1.2 毫 100

114 升,16.5 毫莫耳 ) 接上冷凝管, 加熱迴流 20 分鐘後, 冷卻, 並以簡單蒸餾 ( 熱水浴 ) 將溶劑除去 剩餘之固體產物以少量乙醚清洗, 真空乾燥後, 記錄產率, 並測熔點 2. 製備 DL-N- 乙烯基 -2- 苯基甘胺酸甲酯 ( DL-3 ) 在 50 毫升圓底瓶中置放 DL-2- 苯基甘胺酸甲酯之氫氯酸鹽 ( 2.0 克,10 毫莫耳 ) 15 毫升二氯甲烷和三乙基胺 ( 3.5 毫升,25 毫莫耳 ), 將反應瓶置於冰水浴中並加入醋酸酐 ( 2.5 毫升,26.4 毫莫耳 ) 攪拌三分鐘, 再將冰水浴移除並於室溫下攪拌 30 分鐘後加入 20 毫升水攪拌以溶解鹽類, 然後轉入分液漏斗 有機層以 10 毫升水洗滌一次, 再以 10 毫升 10 % 碳酸氫鈉水溶液萃取一次, 最後再用 10 毫升水洗滌一次, 有機層以適量無水硫酸鎂乾燥 過濾, 以迴旋濃縮機將溶劑除去, 加入少量乙醚將固體逼出, 並以最少量的乙醚做再結晶, 抽氣過濾收集固體, 真空乾燥後記錄產率, 並測熔點 3. 拆分 DL-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸甲酯在 25 毫升圓底瓶中置放 DL-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸甲酯 ( 0.8 克,4 毫莫耳 ) 和碳酸氫鈉之水溶液 ( 0.5 M, 20 毫升, PH = 8.1 ) 加入鹼性蛋白質水解酵素 ( Alcalase 2.4 L, 0.8 毫升 ), 並攪拌 25 分鐘, 之後加入 10 毫升乙酸乙酯攪拌至固體溶解, 轉入分液漏斗中, 取有機層 水層用乙酸乙酯 ( 10 毫升三次 ) 萃取未反應的起始物, 保留水層 ( A ) ( 含有 N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸 ) 合併乙酸乙酯萃取液, 用水洗滌 ( 10 毫升三次 ), 有機層以無水硫酸鈉乾燥後, 減壓濃縮即得 D-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸甲酯 ( D-4 ) 記錄產率, 測熔點 4. 高效能液相層析保留 L-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸甲酯 ( L-4 ) 做高效能液相層析 ( 交由分析實驗協助 ), 並與 DL-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸及 D-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸做比較 ( 化合物 DL-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸及 D-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸由助教提供 ) 5. 旋光度測量測量 D-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸甲酯 (D-3) 和 L-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸 (L-4) 101

115 的旋光度和文獻標準值比較, 以推算其光學純度 可配製成每毫升乙醇含此化合物 10 毫克之溶液來測旋光度 六 參考參考文獻 我們感謝陳水田教授提供資料, 恆州實業股份有限公司提供鹼性蛋白質水解酵素 1. For preparation of N-acetyl-2-phenylglycine, see Tetrahedron 1995, 51, For preparation of methyl ester from amino acid, see Bull. Soc. Chim. Fr. 1989, For related enzymatic resolution Using subtilisin 8350, see J. Chem. Soc. Perkin Trans , 319 七 註解 1. 鹼性蛋白質水解酵素 ( Alcalase 2.4 L, EC ) 指從 Bacillus licheniformis 的菌株在麥芽中發酵所得到未純化的 Subtilisin 蛋白質水解酵素 ( Novo Nordisk 廠 ), 活性是每毫升 2400 單位, 耐鹼性和高溫, 應用於肉類分解, 固定化的 Alcalase 用為洗衣粉的添加劑 2. 本實驗以鹼性蛋白質水解酵素拆分 DL-N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸甲酯時, 也可以加入約 35 毫升 2- 丁酮當共溶劑 注意本實驗是水解酯基, 而不是醯胺基 3. 以高效能液相層析法手性 WH 層析管分析 N- 乙醯基 -2- 苯基甘胺酸, 可用硫酸銅水溶液為沖提液 八 資料來源 國立台灣大學化學系 102

116 實驗二十二 酮的還原反應 一 目的 以氫硼化鈉 ( sodium borohydride, NaBH 4 ) 還原酮類化合物 二 重點技術 秤量, 薄層層析, 薄層層析顯像, 追蹤反應, 分液漏斗的使用, 乾燥萃取液, 重力過濾, 旋轉濃縮儀的使用, 管柱層析, 熔點測定, 文獻查詢, 核磁共振儀光譜 三 實驗原理 還原反應是有機化學反應中的一項重要技術, 其中利用氫硼化鈉 (NaBH 4 ) 將酮或醛類化合物還原為醇類化合物是一個簡單而且實用的還原反應, 其反應方程式如下 4 R 2 CO + NaBH 4 NaB(OCHR 2 ) 4 NaB(OCHR 2 ) EtOH 4 R 2 CHOH + NaB(OEt) 4 氫硼化鈉是一個溫和的還原劑, 與水 甲醇或乙醇僅會緩慢的作用而產生氫氣, 而通常 NaBH 4 還原酮或醛是很快的, 因此這個反應可在乙醇或甲醇中進行, 有時甚至於可使用水做反應溶劑, 不過考慮有機反應物的溶解度問題, 此類反應最常在乙醇中進行 雖然一當量的 NaBH 4 可還原四個當量的酮或醛 但是實際上 NaBH 4 都是用過量的 反應首先是產生硼酸酯 (NaB(OCHR 2 ) 4 ), 但由於是乙醇中反應, 過量的乙醇會將烷氧基置換下來而得到醇的產物 至於產生的 NaB(OEt) 4 則在萃取分離時, 與水進一步水解成硼酸鈉而留在水層中 O NaBH 4 EtOH OH H + H OH 1 cis-2 trans-2 本實驗挑選的醇是 4- 第三丁基環己酮 ( 1 ), 還原之後所得之醇 2 有順式 103

117 ( cis ) 與反式 ( trans ) 異構物的存在, 在本實驗中除了實際體驗此點之外, 也要求學生利用矽膠管柱層析的方式將此二異構物分離, 在執行此一純化步驟之時, 應針對技巧總則部份所討論的仔細揣摩 在產物的鑑定部分, 本實驗設定的學習放在收取氫核磁共振光譜, 在此之前應自行先閱讀有機課本中有關核磁共振的原理部分, 並利用圖書館資源查詢文獻中所報告的資料以作比對 四 藥品 材料與儀器藥品 4- 第三丁基環己酮 ( 4-tert-butylcyclohexanone ) ; 無水乙醇 ; 氫硼化鈉 (NaBH 4 ) ; 正己烷 ; 乙酸乙酯 ; 乙醚 ; CDCl 3 ; 飽和食鹽水 ; 無水硫酸鎂 ; 無水硫酸鈉 ; 矽膠 ( 網目 ) 儀器 25 毫升單頸圓底瓶 1 ; 100 毫升單頸圓底瓶 2 ; 100 毫升分液漏斗 1 ; 50 毫升三角錐瓶 1 ; 250 毫升三角錐瓶 1 ; 100 毫升燒杯 1 ; 矽膠層析片 ( cm) ; 玻璃管柱 1 ; 試管 (12 75mm)40 ; NMR 管 2 ; 攪拌子 1 ; 樣品瓶 3 ; 試管鐵架三方活栓 1 五 實驗步驟 (1) 進行還原反應取一烘乾的 25 毫升單頸圓底瓶, 加入 500 毫克 (3.25 毫莫耳 ) 的 4- 第三丁基環己酮, 再加入 4 毫升無水乙醇及一顆攪拌子, 蓋上玻璃塞並以適當轉速攪拌, 待反應物溶解後, 再秤取約 40 毫克 (1.1 毫莫耳 ) ( 精秤到小數點後一位 ) 的氫硼化鈉 (NaBH 4 ) ( 註 氫硼化鈉在空氣下會潮解, 要使用前才秤取 ) 並在 冰浴下分數次加入反應瓶中 (2) 以薄層層析 (TLC) 追蹤反應 104

118 反應 5 分鐘後取一薄層層析片, 於基線劃三個同水平之起點標記, 一個標記處點上由反應瓶中取出之液體, 另一個標記處點一稀釋過的起始物溶液 ( 註 取數顆晶體 ( 起始物 ) 於試管, 以約 0.5 毫升乙酸乙酯溶解之 ), 中間則是二者共點 將層析片置於展開瓶中, 以正己烷 / 乙酸乙酯 ( 體積比 82 ) 為展開液, 用磷鉬酸的酒精溶液顯像, 登錄結果 如果反應未完全, 再追加氫硼化鈉 ( 請與助教討論 ) (3) 產物的分離取一 100 毫升分液漏斗, 將反應瓶內之物倒入分液漏斗, 以 10 毫升的水潤洗瓶內殘餘, 一倂加入分液漏斗中, 用同樣方法加入 20 毫升的乙醚, 進行萃取工作, 分離水層, 然後加入 10 毫升飽和食鹽水, 重複萃取和分層, 將有機層倒入 50 毫升的三角瓶中, 加入無水硫酸鎂乾燥之, 接著以重力過濾法濾入秤重過的 100 毫升單頸瓶中, 先以旋轉真空濃縮儀濃縮之, 再上油壓幫浦抽真空, 秤重並記錄粗產物重量 (4) 純化 管柱層析秤取 150 毫克的粗產物, 以 10 克的矽膠 ( 網目 ) 進行管柱層析 架設一玻璃管柱, 配 150 毫升的正己烷 / 乙酸乙酯 ( 體積比 82) 溶劑為沖提液, 準備一試管架, 上置 40 個容量約為 8 毫升的試管, 取一 100 毫升燒杯, 置入 10 克矽膠, 倒入適量的沖提液, 以玻棒攪勻成一稀泥狀並確定無氣泡在其中, 很快的倒入管柱中, 再以一些沖提液將燒杯內殘餘矽膠沖入, 待管柱中沖提液沒入矽膠後, 加入一層無水硫酸鈉作為緩衝層, 以 1 毫升的沖提液溶解前面量好的試樣, 用滴管載入矽膠管柱, 樣本瓶內殘餘用非常少量的沖提液稀釋, 同樣的載入矽膠管柱, 待試樣溶液沒入矽膠時, 小心的加入沖提液以加壓方式沖提, 每一收集管收集約 2 毫升, 收集 40 個部份或到無產物沖提出為止 欲分析各試管的內容, 先取一矽膠片, 以鉛筆畫上 40 格, 以毛細管依序點上各試管中的液體, 立即以磷鉬酸顯色, 如此可很快的判別分離狀況如何, 挑選數個試管, 以正常的薄層層析法分析之, 基本上只要頭尾兩個試管是同樣的化 105

119 合物, 中間的部分就不需要分析, 因為他們必定是相同的 依此方法以最有效率的方式決定要收集的兩個部分所涵蓋的範圍, 最沒效率的做法就是把每一個試管都用薄層層吸分析一遍 以滴管將欲收集的試管內溶液移入 100 毫升圓底瓶中, 先以旋轉濃縮儀濃縮之, 再上油壓幫浦抽真空 秤重, 以藥勺刮下產物, 置入一試樣瓶中, 取少量測熔點, 註於標籤上, 不收集的部份倒入回收瓶中 含有殘餘試樣的試管務必以清潔劑洗淨 (5) 結構鑑定 1. 測定熔點 利用圖書館的資源, 透過 Beilstein 資料庫查詢兩種可能異構物的熔點與你的數據比較 2. 收取 1 H 核磁共振圖譜 取約 15 毫克的試樣, 以約 0.5 毫升的 CDCl 3 溶 解之 並加入 NMR 管中 ( 在管中約四公分高 ), 至 NMR 室收取光譜, 並與文 獻數據作比較, 測完後溶液倒入回收瓶中並以丙酮清洗, 倒置風乾以備日後使用 六 參考文獻 1. Garner, C. M. Techniques and Experiments for Advanced Organic Laboratory; John Wiley &SonsNew York,1997. 七 資料來源國立台灣大學化學系 106

120 實驗二十二十三 合成 L-N-( 苯甲氧羰基 ) 苯甘胺酸 (Synthesis of L-N-(Benzyloxycarbonyl)phenylglycine) 一 目的 利用簡單的化學反應, 讓學生合成簡易的抗生素,Ampicillin 藉由反應的進行, 了解逆合成 (retrosynthesis) 的重要, 並且使學生了解胺基酸的性質, 如酸鹼性 等電點 (iselectripoint), 並了解胺基保護基的種類與製備方法 反應中, 因為反應物 (L-phenylglycine) 是具有掌性的化合物 (chiral compound), 在反應中, 亦要求其掌性不會改變, 學習如何控制反應的條件, 比如溫度 鹼性強度 酸鹼值等避免反應過程中, 因條件控制不當, 導致掌性改變 二 原理 Ampicillin 為一種 盤尼西林 類的抗生素 它主要的作用是能抑制細菌生成細胞壁, 使細菌不能正常生長繁殖, 因此可以用來治療某些細菌所引起的感染 除此之外, 也常被使用於基因選殖的藥物 Amipicillin 的化學結構中含有四個光學中心 (chiral center), 如圖一所示 經由逆合成可拆解成 L-phenylglycine 和 (+)-6-amino-penicillanic acid 兩者結合, 如圖二所示 兩者均為可購買的藥品, 且藥品的光學中心亦已建構完成, 勿需自行建構 圖一 Ampicillin 的化學結構 107

121 圖二 Ampicillin 的逆合成 雖然以 L-Phenylglycine 和 (+)-6-amino-penicillanic acid 作為反應物, 但是在兩者結合的過程, 仍有可能使光學中心發生消旋 (racemerization), 故仍需加以注意 L-phenylglycine 為天然的胺基酸, 它含有胺基與羧酸 (carboxylic acid); 而 (+)-6-amino-penicillanic acid 亦含有胺基與羧酸 倘若直接以兩者在鹼性條件下反應時, 可能會有如圖三中的副產物 (side product) NH 2 O OH + H 2 N O H S N HO O NH 2 H N O O H S N HO O H 2 N H S O N O NH OH O side product 圖三 L-Phenylglycine 與 (+)-6-amino-penicillanic acid 反應 為使反應減少副產物的產生, 必須先行對 L-phenylglycine 進行修飾, 使反 108

122 應順利進行, 副產物降至最低 從 L-phenylglycine 的結構中, 必須先對胺基修飾以減少 L-phenylglycine 攻擊 (+)-6-amino-penicillanic acid 的機會 另外, 也必須修飾羧酸以增加被 (+)-6-amino-penicillanic acid 攻擊的機會 基於上述兩項理由,L-phenylglycine 必須先行修飾成 amino acid anhydride, 如圖四 O HN O O 圖四 L-phenylglycine 修飾後的結構 以圖四的結構, 氮原子由原來的胺類, 轉變成醯胺類, 降低了氮原子的親核性 (nucleophilicity); 而羧酸則轉變成酯類, 增加了羧酸的反應性 將 L-phenylglycine 轉變成 amino acid anhydride 的過程中, 胺基需先以 benzyloxycarbonyl group 轉變成胺甲酸酯 ( carbamate ), 對胺基加以保護 將 L-phenylglycine 和 benzyl choroformate 在鹼性條件下, 兩者可以形成醯胺 如圖五所示 圖五 L-phenylglycine 在鹼性條件下和 benzyl choroformate 反應 由於 L-phenylglycine 通常為鹽酸鹽類, 因此在鹼性條件下, 當與 benzyl choroformate 反應的時候, 便容易形成 carbamate 109

123 圖六 L-phenylglycine 在鹼性條件下的反應 而 benzyl choroformate 可視為含有酯類 (ester) 與醯氯 (acid chloride) 兩種官能基, 當然醯氯的反應性比酯類強, 所以當有親核基 (nucleophile) 攻擊的時候, 醯氯部分會先受攻擊, 所以最後可以得到 L-benzyloxycarbonylamino-phenyl-acetic acid 達到保護的目的 經保護後的胺基酸, 再與 oxalyl chloride 反應, 則可形成 amino acid anhydride 此時的 amino acid anhydride 恰好擁有上述所需的性質, 胺基被修飾減少攻擊 (+)-6-amino-penicillanic acid 的機會及羧酸被修飾, 增加與 (+)-6-amino-penicillanic acid 反應的機會 三 反應方程式 O NH 2 O OH Cl O NaOH / H 2 O HN O O OH O 四 儀器與材料 旋轉濃縮儀 磁石 攪拌器 變壓器 加熱包 三頸瓶 (50 ml) 加液漏 斗 錐形瓶 (100 ml) 萃取瓶 水浴鍋 紅色石蕊試紙 布式漏斗 ( 瓷漏斗 ) 濾紙 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 五 藥品 N- 苯甘胺酸 (D-phenylglycine,C 6 H 5 NHCH 2 COOH) 110

124 2 N 氫氧化鈉 (sodium hydroxide,naoh) 濃硫酸 (concentrated sulfuric acid,h 2 SO 4 ) 氯化苯甲氧羰基 (benzyloxycarbonyl chloride,c 6 H 5 CH 2 OCOCl) 乙酸乙酯 (ethyl acetate,ch 3 COOCH 2 CH 3 ) 石油醚 (petroleum ether) 飽和碳酸鈉溶液 (sodium carbonate,na 2 CO 3 ) 六 實驗實驗步驟 1. 先將三頸瓶連接兩支 10 ml 加液漏斗, 加入 3.15 g D-phenylglycine (0.01 mmol) 及 2.6 ml 2 N 氫氧化鈉 ( mmol), 置於冰浴之中 2. 加液漏斗內分別添加 0.77 ml benzyloxycarbonyl chloride ( mmol) 及 2.6 ml 2 N 氫氧化鈉 ( mmol) 3. 於冰浴下, 緩慢滴加 benzyloxycarbonyl chloride 及 2 N 氫氧化鈉 並在冰浴下攪拌 30 分鐘 4. 三頸瓶, 於冰浴皿中攪拌 5 分鐘, 再緩慢加入 3.5 ml 濃硫酸 (0.06 mmol) 苯胺酸固體可溶解於 5 ml 的氫氧化鈉 5. 冰浴攪拌 30 分鐘後, 停止攪拌, 若發現反應瓶內有白色沉澱物出現, 即停止攪拌 ; 否則必須繼續攪拌, 直到白色沉澱物析出 6. 加入 50 ml 蒸餾水 7. 水層以 10 ml 乙酸乙酯萃取 2 次, 水層留下, 有機層倒入有機廢液瓶 8. 水層部分先以 1.0 N 鹽酸酸化, 然後以乙酸乙酯萃取 2 次 酸化過程可利用紅色石蕊試紙檢測, 使之變為藍色 水層部分因為酸性, 必須再以飽和碳酸鈉溶液中和後排放 9. 過濾, 濃縮 10. 以石油醚 (petroleum ether) 進行再結晶 111

125 11. 利核磁共振光譜儀偵測產物 12. 利用紅外線光譜儀偵測產物 七 參考資料 1. Raymond C. F.; Turner, Ian; Howard, Kevin J. Tetrahedron Lett. 1993, 34(39), Zemlicka, Jiri; Bhuta, Aruna; Bhuta, Prakash J. Med. Chem. 1983, 26(2), 八 資料來源 國立中興大學化學系 九 結果 實驗前 實驗後 藥品 取用量 藥品 秤取量 D-phenylglycine 克濾紙重 克 benzyloxycarbonyl chloride 毫升 烘乾後濾紙重 克 2 N 氫氧化鈉毫升 產物淨重理論重量 克 克 產率 % 112

126 實驗二十四 合成 N- 羧基 -L- 苯甘胺酸酐 (Synthesis of N-Carboxy-L-Phenylglycine anhydride) 一 反應方程式 二 儀器與材料 磁石 攪拌器 變壓器 加熱包 三頸瓶 (50 ml) 加液漏斗 迴流管 乾燥管 錐形瓶 (100 ml) 萃取瓶 布式漏斗( 瓷漏斗 ) 濾紙 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 乾燥管 滴管 三 藥品 L-N-( 苯甲氧羰基 ) 苯甘胺酸 (L-N-(benzyloxycarbonyl)phenylglycine, C 6 H 5 CHCO 2 HNHCO 2 CH 2 C 6 H 5 ) 草醯氯 (oxalyl dichloride,(cocl) 2 ) 甲苯 (toluene,c 6 H 5 CH 3 ) 石油醚 (petroleum ether) 飽和碳酸氫鈉溶液 (sodium hydrogen carbonate,nahco 3 ) 四 實驗實驗步驟 1. 秤取 1.2 g L-N-( 苯甲氧羰基 ) 苯甘胺酸 (4.2 mmol) 置入三頸瓶, 然後加入 10 ml 甲苯 113

127 2. 在雙頸瓶上分別連接 10 ml 加液漏斗, 及迴流管 3. 然後小心吸取 0.77 ml 草醯氯 (8.97 mmol) 置於加液漏斗裡面 草醯氯遇水氣會產生氣體 ( 二氧化碳及一氧化碳 ), 因此吸取時應當注意 迴流管上方應接乾燥管, 防止反應過程中, 水氣進入反應系統內, 導致產物水解 4. 加熱至迴流, 在迴流情況下, 緩慢滴加草醯氯 5. 迴流攪拌 10 分鐘後, 停止攪拌, 將熱源移走, 並讓反應瓶冷卻回室溫, 直到固體產生 若是沒有發現固體, 可將反應瓶置入冰浴中, 靜待固體析出 6. 利用過濾方式取得固體 過濾時可以石油醚清洗固體 濾液部分為酸性, 必須以飽和碳酸氫鈉溶液中和後, 始可排放 7. 以石油醚 (petroleum ether) 進行再結晶 8. 利核磁共振光譜儀偵測產物 9. 利用紅外線光譜儀偵測產物 五 參考資料 1. Matsuishi, Tamae; Shimada, Toyoshi; Morihara, Kensaku Bull. Chem. Soc. Jpn. 1994, 67(3), Konopinska, D.; Siemion, I. Z. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1967, 6, Griffith, R. K.; Harwood, H. J. J. Org. Chem. 1964, 29(9), 六 資料來源 國立中興大學化學系 114

128 115 七 結果結果結果結果 實驗前實驗前實驗前實驗前實驗後實驗後實驗後實驗後藥品藥品藥品藥品取用量取用量取用量取用量藥品藥品藥品藥品秤取量秤取量秤取量秤取量 L-N-(Benzyloxycarbonyl)phenylglycine 克濾紙重濾紙重濾紙重濾紙重克 oxalyl dichloride 毫升毫升毫升毫升烘乾後濾紙烘乾後濾紙烘乾後濾紙烘乾後濾紙重克 toluene 毫升毫升毫升毫升產物淨重產物淨重產物淨重產物淨重克理論重量理論重量理論重量理論重量克產率產率產率產率 %

129 116

130 實驗二十五 合成安比西林 (Synthesis of Ampicillin) 一 反應方程式 O HN O O H H 2 N S + N O HO O NH 2 H N O O H S N HO O 二 儀器與儀器與材料 旋轉濃縮機 天秤 稱量紙 雙頸瓶 (100 ml) 磁石 攪拌器 加液漏斗 (10 ml) 水浴鍋 ph meter 布式漏斗( 瓷漏斗 ) 濾紙 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 水浴鍋 三 藥品 N- 羧基 -L- 苯甘胺酸酐 (N-carboxy-L-Phenylglycine anhydride,c 9 H 7 NO 3 ) (+)-6-amino-penicillanic acid,c 8 H 12 N 2 O 3 S 10 N 氫氧化鈉 (sodium hydroxide,naoh) 丙酮 (acetone,ch 3 COCH 3 ) 四 實驗實驗步驟 1. 秤取 0.5 g N- 羧基 -L- 苯甘胺酸酐 ( mmol ) 及 0.45 g (+)-6-Amino-penicillanic acid( mmol) 置入 100 ml 雙頸瓶, 然後加入 58 ml 水 2. 在雙頸瓶上連接 10 ml 加液漏斗 117

131 3. 將雙頸瓶置於冰浴下, 在冰浴攪拌, 並以 10 N 氫氧化鈉溶液調節溶液的 ph 值為 5 左右 10 N 氫氧化鈉要緩慢滴加, 以 ph meter 維持 ph 值 4. 冰浴攪拌 3 小時後進行過濾 5. 濾液在 25 下進行濃縮, 直到濾液為原來的四分之一 固體為部份產物, 須保存 6. 過濾, 再濃縮, 得到白色固體 固體可以少量的丙酮清洗 7. 利核磁共振光譜儀偵測產物 8. 利用紅外線光譜儀偵測產物 五 參考資料 Grant, N. H.; Alburn, H. E. J. Am. Chem. Soc. 1964, 86(18), 六 資料來源 國立中興大學化學系 118

132 119 七 結果結果結果結果 實驗前實驗前實驗前實驗前實驗後實驗後實驗後實驗後藥品藥品藥品藥品取用量取用量取用量取用量藥品藥品藥品藥品秤取量秤取量秤取量秤取量 N-carboxy-L-Phenylglycine anhydride 克濾紙重濾紙重濾紙重濾紙重克 (+)-6-Amino-penicillanic acid 毫升毫升毫升毫升烘乾後濾紙重烘乾後濾紙重烘乾後濾紙重烘乾後濾紙重克水毫升毫升毫升毫升產物淨重產物淨重產物淨重產物淨重克理論重量理論重量理論重量理論重量克產率產率產率產率 %

133 120

134 實驗二十六 有機光致變色材料 一 目的 本實驗介紹一有機光致變色化合物之合成, 並觀察其照光前後顏色之可逆變化 希望透過本實驗, 學習者能對有機光致變色材料有初步了解與認識 本實驗中, 同學除可學習基本有機化學實驗技巧外, 並可實際操作有機化學課本中所介紹的縮合反應 (condensation reaction) 二 原理 光致變色 (photochromism) 簡單的定義 1 是 化合物在二種狀態 (A 和 B) 吸收不同電磁輻射的可逆變化, 擁有不同的吸收光譜 如下圖 物質在顏色上的改變, 不論從透明到黑色, 或紅色到黃色, 都可以很容易由人類的眼睛或使用分光光度計測得, 像此類顏色的變化, 在視覺上提供極為重要訊息, 最明顯的應用是在交通訊號的控制 另外, 藉由材料可選擇光的吸收或放射, 限制光能量的穿透, 而最常見的是以無機鹽 ( 主要是矽 ) 製備的眼鏡鏡片 ; 但是近年來有機的光致變色的隱形眼鏡, 因較透光及舒適已廣泛使用至各地 事實上, 一些化學物質可經由可逆的光化學反應進行多種的光學傳送即可逆的物理 121

135 現象, 如光學記憶體及開關 可變的電流 離子穿透膜的傳輸等等, 這些光致變色物 (photochromic colorant) 通常和聚合物 液晶材料及其它材料有關 當一個外來的變數被引進時, 不管是化學的或物理的外在刺激物, 都會引起顏色的改變或限制光的放射, 尤其是當顏色的改變是可逆時, 這個潛在的應用更大 2 光致變色材料之應用極為廣泛, 例如雷射光攝影術 (holography) 及三度空間資訊儲存設備 (three-dimensional memory information storage devices) 等 本實驗利用一已知照光顏色變化不明顯之香豆素類 (coumarin) 光致變色物 7 與 8, 藉由引進二甲基胺官能基 (dimethylamino group) 於苯環上, 除使此新衍生物具強螢光 (fluorescence) 性質外, 並於照光開環後 UV 吸收光譜產生紅位移 (red shift) 現象, 呈現出明顯之顏色變化, 並比較其照光後顏色之可逆變化 三 實驗方程式 OH O O + H O ethylenediamine diacetate CH 2 Cl 2 /MeOH,rt,1.5h 5A 6 8 O O O N OH O O + H O ethylenediamine diacetate CH 2 Cl 2 /MeOH,rt,1.5h N O O O 5B 6 7 O hv(354nm) O N O O visible light N O O 122

136 反應機構 四 儀器與材料 旋轉濃縮機 磁石 磁攪拌器 圓底瓶 (25 ml 100 ml) 分液漏斗 錐形瓶 UV 燈 UV-Vis 藥杓 濾紙 漏斗 熔點測定儀 單口毛細管 鋁箔紙 石英管 油浴鍋 布式漏斗 ( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 滴管 矽膠 五 藥品 4- 羥基香豆素 (4-hydroxycoumarin,C 9 H 6 O 3 ) 7- 二甲基胺 -4- 羥基香豆素 (7-dimethylamino-4-hydroxycoumarin,C 11 H 11 NO 3 ) 丙二酸 (malonic acid,ch 2 (COOH) 2 ) 甲醇 (methanol,ch 3 OH) 乙二胺乙二酸 (ethylenediamine diacetate,(ch 3 COOH) 2 NH 2 CH 2 CH 2 NH 2 ) 3- 甲基 -2- 丁烯醛 (3-methylbut-2-enal,CHOCHCC 2 H 6 ) 二氯甲烷 (dichloromethane,ch 2 Cl 2 ) 123

137 正己烷 (n-hexane,ch 3 (CH 2 ) 4 CH 3 ) 乙酸乙酯 (ethyl acetate,ch 3 COOC 2 H 5 ) 三氯化磷醯 (phosphoryl trichloride,pocl 3 ) 甲苯 (toluene,c 6 H 5 CH 3 ) 苯酚 (phenol,c 6 H 5 OH) 無水硫酸鎂 (magnesium sulphate,mgso 4 ) 飽和碳酸氫鈉水溶液 (sodium hydrogen carbonate,nahco 3 ) 六 實驗步驟 ( 一 ) 合成 7-dimethylamino-4-hydroxycoumarin(5B) 1. 取一個 100 ml 圓底瓶放入磁石, 加入 11 g 的丙二酸 (0.105 mol) 2. 在冰浴下加入 18.6 ml 的三氯化磷醯 (0.105 mol) 至圓底瓶中, 攪拌約 15 分鐘 3. 再將 11.5 ml 的苯酚 (0.105mol) 加入圓底瓶中 4. 使其圓底瓶移至溫度 115 的油浴鍋中, 反應約 1.5 小時 ( 注意 溫度不可高於 115 ) 5. 室溫靜置 1 小時待分層 將上層澄清液到入裝著飽和碳酸氫鈉水溶液 ( 約 100 ml) 錐形瓶, 邊攪拌, 會產生白色固體丙二酸二苯酯 (Diphenyl malonate)(3) 124

138 6. 抽氣過濾收集固體並以正己烷清洗固體. 乾燥, 得丙二酸二苯酯 7. 取一個 100 ml 圓底燒瓶放入磁石, 加入 5 g 的丙二酸二苯酯 (0.0196mol) 8. 加入 2.68 g 3-N,N-dimethylamino phenol(0.0196mol)(4) 9. 加入甲苯 50 ml 迴流 12 小時, 產生固體 以抽氣過濾, 用乙酸乙酯清洗固體 乾燥後得到 7- 二甲基胺 -4- 羥基香豆素 (5B) ( 二 ) 合成 7-dimethylamino-2,2-dimethyl-2H-pyrano[3,2-c]chromen-5-one (7) 1. 取一個 25 ml 圓底燒瓶放入磁石, 加入 100 mg 7- 二甲基胺 -4- 羥基香豆素 (0.487 mmol) 溶於 5 ml 二氯甲烷與 2 ml 甲醇 2. 加入 mg 3- 甲基 -2- 丁烯醛 (0.487mmol) 3. 最後加入催化量的乙二胺乙二酸, 室溫下攪拌約 1.5 小時 4. 將溶劑抽掉後, 加入 5 ml 二氯甲烷使固體溶解 5. 將溶液到入分液漏斗中, 加入 5 ml 水萃取 3 次 取有機層, 加入適量的無水硫酸鎂, 靜置數分鐘 6. 以重力過濾方式, 將濾液直接濾入以乾燥過的 25 ml 圓底瓶內 進行濃縮以除去二氯甲烷, 得到固體 7. 最終以滴管管柱層析分離得到純物質 乾燥 秤重並計算產率 備註 乙二胺二乙酸易潮解, 使用後應蓋緊瓶口避免曝露在空氣中 ( 三 ) 合成 2,2-Dimethyl-2H-pyrano[3,2-c]chromen-5-one(8) 實驗方法與 7-dimethylamino-2,2-dimethyl-2H-pyrano[3,2-c]chromen-5-one 相同, 但將起始物 7- 二甲基胺 -4- 羥基香豆素改為 4- 羥基香豆素 ( 四 )UV 燈照光照光實驗 1. 取化合物 7 及 8 各 1 mg, 分別放置於 125 ml 錐形瓶中, 再各加入 60 ml 二氯甲烷, 使固體溶解後, 蓋上鋁箔紙備用 2. 取一些化合物 7 溶液放置於試管中, 利用 UV 光燈 (365 nm) 照射, 125

139 觀察其顏色變化 3. 同樣地, 將化合物 8 溶液放置於試管中, 利用 UV 光燈 (365 nm) 照射, 觀察其顏色變化 4. 分別將已照光變色之試管, 停止 UV 光燈照射, 放置在可見光下觀察其退色之速率 ( 五 )UV-Vis 測量 1. 將二氯甲烷加入石英管中當空白試劑, 放置於 UV-Vis 測量 2. 再將已配好之化合物 7 溶液加入石英管中, 放置於 UV-Vis 測量 3. 測完之後取出照光, 每照光 10 秒鐘, 測量一次 UV-Vis, 共測四次 七 問題與討論 1. 試寫出本實驗中各反應之平衡方程式及其照光之平衡方程式 2. 在製備時為何要加入乙二胺乙二酸? 3. 探討兩化合物照光顏色變化差異之原因 八 參考資料 1. Boüas-Laurent, H.; Durr, H. Pure Appl. Chem. 2001, 73, Bamfield, P. Phenomena Involving a Reversible Colour Change in Chromic Phenomena. Ch. 1, 2002, Appendino, G.; Cravotto, G.; Taliapietra, S.; Nano, G. M. Helv. Chim. Acta. 1990, 73, Nagarajan, K.; Shenoy, S. J. Ind. J. Chem. 1992, 31B, Carreira, E. M.; Zhao, W. Org. Lett. 2003, 22, 九 資料來源 東海大學化學系 126

140 十 實驗結果 ( 一 ) 化合物之製備 1. 化合物 1 之產率 %, 熔點 ( 文獻值 ) 2. 化合物 2 之產率 %, 熔點 ( 文獻值 ) ( 二 ) UV 燈照光實驗 1. 化合物 1 照光前之顏色, 照光後之顏色 2. 化合物 2 照光前之顏色, 照光後之顏色 ( 三 ) UV-vis 測量 UV-vis 光譜共有 個等吸收點 (isosbestic point), 分別是在 nm 127

141 參考資料 O hv (365 nm) light O visible light O O O O 8 10 colorless colorless 圖一 化合物 8 照光 (365 nm) 反應前後之結構與顏色變化 O hv (365 nm) light O N O 7 pale yellow O visible light N O O 9 bright yellow 圖二 化合物 7 照光 (365 nm) 反應前後之結構與顏色變化 128

142 圖三 化合物 7 經光 (365 nm) 照射後之 UV 吸收變化 七 實驗報告 ( 一 ) 化合物之製備 1. 化合物 1 之產率 80 %, ( 文獻值 ) 2. 化合物 2 之產率 93 %, ( 文獻值 ) ( 二 ) UV 燈照光實驗 1. 化合物 1 照光前之顏色 無, 照光後之顏色 無 2. 化合物 2 照光前之顏色 淡黃, 照光後之顏色 深黃 ( 三 ) UV-Vis 測量 UV-Vis 光譜共有 4 個等吸收點 (isosbestic point), 分別是在 242 nm 273 nm 368 nm 和 419 nm 129

143 130

144 實驗二十七 有機有機化學偵測器 - 銅離子 (II) 之檢測 一 目的 重金屬離子與環境污染的散佈及生物體內各種活性的運作具有相當大的關聯性 所以設計及合成有機化學感測器 (chemosensor) 用以偵測不同來源如工業廢水 生化 醫學等樣品中之重金屬離子濃度是近幾年來廣泛研究的領域 例如, 過渡金屬元素之一的銅離子 (Cu 2+ ), 不論是動物或植物, 皆是必須的元素 在人體內, 銅對於維持人體健康是不可或缺, 但僅需微量即可, 人體若缺乏銅離子會引起貧血, 毛髮 骨骼與動脈異常, 嚴重者甚至造成腦障礙 ; 但如過剩, 則會引起肝硬化 腹瀉 嘔吐 運動障礙與知覺神經障礙 本實驗的目的是要設計及合成一簡單且具高度靈敏性 (sensitive) 與選擇性 (selective) 之有機化合物, 並以其與金屬離子結合前後之螢光變化, 快速的檢測待測樣品中是否含有二價銅離子 二 原理 利用螢光放射光譜偵測金屬離子, 除具有高靈敏性 高偵測極限等優點外, 並能夠提供螢光強度 螢光生命期等多樣化的訊息, 因此本實驗設計的化合物, 主要是利用與金屬離子結合前後之螢光變化, 達到偵測銅離子的目的 在眾多螢光發射團分子中, 我們選擇具強螢光香豆素 (coumarin) 衍生物作為化學感測器的主要架構, 經過兩個步驟的化學修飾, 可以得到目標化合物 3 ( 圖一 ) 化合物 3 能夠偵測二價銅離子是因為分子中之胺基與砒啶上的氮原子及 carbonyl 基上的氧原子與銅離子產生結合 (chelation)( 圖二 ), 導致氨基之推電子能力減弱與 carbonyl 基拉電子能力增強, 此結果除使化合物 3 之 UV-Vis 往藍位移方向移動外, 並產生由 7-dimethylamino group 至 carbonyl group 之內部電荷轉移 (internal charge transfer,ict) 1a 作用, 此 ICT 作用消滅化合物 3 之螢光強度, 131

145 進而達到螢光偵測二價銅離子的目的 圖一 圖二化合物 2 與化合物 3 之製備如圖一所示, 先將化合物 1(3-acetyl-7 -dimethylamino-4-hydroxycoumarin) 1b 溶於乙醚中, 在冰浴下慢慢加入重氮甲烷 (diazomethane)( 由 N- 甲基 -N- 亞硝基對甲苯磺醯胺 (diazald) 產生, 溶於乙醚 ), 將反應回歸於室溫中, 反應結束後, 濃縮抽乾, 經由管柱色層分離即得產物 2 為一淡黃色固體, 產率為 72% 再把化合物 2 溶於甲醇中, 在室溫下加入 2- 胺甲基吡啶 (2-picolylamine), 反應 2 分鐘後, 經由過濾後得到化合物 3 為一淡黃色固體, 產率為 92% 三 儀器儀器與材料 旋轉濃縮機 電磁攪拌器 圓底瓶 (25 ml 150 ml) 濾紙 布式漏斗( 瓷漏斗 ) 抽氣過濾瓶 水流式抽氣機 定量瓶(20 ml) UV 燈 磁石 水浴鍋 管柱層析 132

146 四 藥品 3-acetyl-7-dimethylamino-4-hydroxycoumarin,C 13 H 13 NO 4 重氮甲烷 (diazomethane) 甲醇 (methanol,ch 3 OH) 2- 胺甲基吡啶 (2-picolylamine,C 6 H 8 N 2 ) 乙醚 (ether,c 2 H 5 OC 2 H 5 ) 二氯甲烷 (dichloromethane,ch 2 Cl 2 ) 正己烷 (n-hexane,ch 3 (CH 2 ) 4 CH 3 ) 乙酸乙酯 (ethyl acetate,ch 3 COOC 2 H 5 ) 二甲基亞碸 (dimethyl sulfoxide,dmso,ch 3 SOCH 3 ) 五 實驗步驟 ( 一 ) 化合物 2 與 3 之製備 1. 取 1 g 化合物 1(3-acetyl-7-dimethylamino-4-hydroxycoumarin), 放入 150 ml 圓底瓶中, 加入 20 ml 二氯甲烷, 放入磁石攪拌, 在冰浴中加入重氮甲烷的乙醚溶液, 在室溫下, 攪拌大約 0.5 小時後抽乾, 經由管柱色層分離 (30% 乙酸乙酯 / 正己烷 ) 即得產物 2 2. 取 100 mg 化合物 2 (3-acetyl-7-dimethylamino-4-methoxycoumarin), 放入 25 ml 圓底瓶中, 加入 5 ml 甲醇, 加入 44 mg 的 2- 胺甲基吡啶 (2-picolylamine) 放入磁石攪拌, 攪拌大約 2 分鐘後即會有固體產生 3. 準備抽氣過濾裝置, 過濾取固體, 即是產物 3 ( 二 ) 偵測銅離子的測試 取 mg 的化合物 3, 加入 20 ml 定量瓶中, 配置成 M 的溶液 (DMSOWater = 7030,v/v), 再取 46.2 mg 的硝酸銅到 20 ml 定量瓶中, 加入溶劑, 配置成 10-2 M 銅離子溶液 把銅離子溶液慢慢 133

147 加入已配好的偵測溶劑中 (0 eq,0.2 eq,0.4 eq, 2.0 eq) 藉由 UV 燈長波來觀測其螢光改變 六 問題與討論 1. 試著寫出化合物 3 與銅離子結合的反應機制 2. 溶劑系統含水量的多寡對螢光偵測的影響 七 參考資料 1. de Silva, A. P.; Gunaratne, H. Q. N.; Gunnlaugsson, T.; Huxley, A. J. M.; McCoy, C. P.; Rademacher, J. T.; Rice, T. E. Chem. Rev. 1997, 97, (b) Xu, Z.; Qian, X.; Cui, J. Org. Lett. 2005, 7, (c) Xu, Z.; Xiao, Y.; Qian, X.; Cui, J.; Cui, D. Org. Lett. 2005, 7, Kuo, P. Y.; Yang, D. Y. J. Org. Chem. 2008, 73, 八 資料來源 東海大學化學系 九 實驗報告 化合物 3 的產率 ( )%, 熔點 ( ) 134

148 參考資料 本實驗合成出化合物 3 後, 將化合物溶於 DMSO 水溶液中, 在長波下可觀測到螢光的發生, 在滴入適量的銅離子後即會造成明顯的顏色改變, 長波下螢光也會消失, 由肉眼即可判斷 進一步使用 UV-Vis 吸收光譜測定二價銅離子對化合物 3 滴定產生的改變, 實驗可以發現當加入銅離子後會產生藍位移現象, 並呈現出顏色變化 由 UV-Vis 吸收光譜測定中我們發現, 化學位移並不是很明顯 (δ=13 nm) ( 圖三,a), 故其顏色的改變應為銅離子的底色影響所致 而使用螢光滴定時, 可以看到螢光慢慢的下降減弱 ( 圖三,b) 本實驗也可以測定化合物 3 加入不同金屬離子的 UV 與螢光變化, 由測定的結果得知化合物只對二價銅離子有作用, 對於其他金屬離子並不會有太大的變化 ( 圖四 ) a. b. 圖三 135

149 圖四 136