研究性實驗：雙酚A的合成與分析

任德財，杜宇虹，趙冬梅，張宏坤，劉　宇

(黑龍江東方學院　食品與環境工程學部，哈爾濱　150086)

?

研究性實驗：雙酚A的合成與分析

任德財，杜宇虹，趙冬梅，張宏坤，劉宇

(黑龍江東方學院食品與環境工程學部，哈爾濱150086)

將“雙酚A的合成與分析”設計為應用化學專業的研究性實驗。利用FTIR、DSC、HPLC對產物進行了表征，并探究了投料比例、硫酸濃度、反應溫度對實驗結果的影響。三屆學生的教學實踐表明，該實驗設計合理，能夠充分調動學生的積極性，培養學生的獨立實驗能力和發現、分析和解決問題的能力，可以進一步推廣。

雙酚A；研究性實驗；實驗教學改革；應用化學研究性實驗

研究性實驗可以使學生利用所學的理論知識，在充分利用實驗室資源的基礎上，設計實驗并探究科學問題，對學生綜合素質的提高、創新意識的培養具有一定的意義[1-3]。

現代儀器分析技術是化學學科研究和生產中不可或缺的手段。對于應用化學專業的學生，要了解化學領域中常用儀器的結構、原理、制樣、譜圖解析、數據處理等基本知識，還要將這些方法綜合應用，不斷提高專業素質與技能[4-5]。

雙酚 A 是一種重要的精細化工原料，作為中間體被廣泛用于聚碳酸酯、聚苯醚樹脂、聚砜樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等高分子材料的生產中，也被用于增塑劑、抗氧劑、防老劑、穩定劑、涂料、農藥等精細化工產品的生產中，對新型合成材料的制備、應用和開發具有重要意義[6-7]。

因此，我們在本科教學中開展“雙酚A的合成與分析”研究型實驗，使學生可以掌握雙酚A的合成方法，了解FTIR、DSC、HPLC的基本原理和操作要求，培養生分析問題和解決問題的能力。幾年來，我們增加了該實驗的課時，補充了師資，購置了儀器。經過一系列的改革，該綜合實驗取得了良好的教學效果，為學生從事化學化工行業打下堅實的基礎。

1　實驗原理與設計思路

雙酚A的合成是在催化劑的作用下，兩當量的苯酚與一當量的丙酮進行縮合反應而制得的，其實驗結果的影響因素主要有投料的比例、催化劑的用量、反應的溫度和反應的時間等。本實驗采用硫酸法，即苯酚與丙酮在硫酸的催化下縮合脫水，生成雙酚A[8]，其反應式如圖1所示。由于實驗課程時間不宜過長，因此讓學生探究投料比例、硫酸濃度、反應溫度三個主要因素對實驗結果的影響規律。

圖1　雙酚A的反應式

學生每2人一小組，每組配方不同(見表1)，每1～9小組組成一個團隊，實驗完成后將實驗結果匯總，進行表征與分析，完成實驗報告。其過程按圖2所示進行。

表1　實驗結果計算及分析

圖2　開展研究性實驗的流程圖

2　實驗步驟

3　產品的結構表征

化合物在合成過程中最重要的一個環節是對產品進行表征，證明合成出來的物質就是所設計的化合物。如果熔點符合，液相色圖譜出峰唯一，紅外圖譜與標準圖譜相一致即可判定合成出的化合物就是目標產物。親自動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，并利用圖譜表征產品，是在基礎化學實驗中接觸不到的。同時，要求學生對譜圖進行分析，使學生認識到儀器分析在有機化學合成中的重要性，在實踐中提高學生認識譜圖和解析譜圖的能力。

3.1產品的純度分析

圖3　產物的高效液相譜圖

圖4是產物的DSC曲線，其樣品量為3～5 mg，升溫速度為10 ℃/min，氣氛為氮氣，溫度范圍為室溫～200 ℃。由圖4可以看出，曲線上只有一個銳峰，沒有其他的雜峰出現，且峰寬較窄，產物的熔點為160.93 ℃，與文獻中給出的雙酚A的熔點值159～160 ℃幾乎相同[10]?；究梢源_定產物為雙酚A。

圖4　產物的DSC曲線

3.2產品的紅外光譜分析

紅外測試時，測定波數范圍為500～4 000 cm-1，測定反應后產品的紅外光譜如圖5所示。通過與文獻中的標準譜圖對比發現，實驗產品的紅外譜圖與標準譜圖一致。圖5中，主要吸收峰:3 300～3 400 cm-1為O-H 鍵的伸縮振動峰；2 800～3 000 cm-1為C-H 鍵的伸縮振動峰；1 450～1 600 cm-1為單核芳環骨架C-C 的伸縮振動峰；1 020～1 275 cm-1為C-O 鍵的伸縮振動峰；750～1 200 cm-1為在C-C 鍵的伸縮振動峰。從而證明合成的產物是雙酚A[10]。

圖5　雙酚A的紅外光譜圖

4　結果與討論

對于一個化學反應來講，投料的比例、催化劑的用量、反應的溫度和反應的時間是影響實驗結果的重要因素，學生在以往的實驗中，只知道控制這些因素，但多數情況下對為何要控制好這些參數并沒一個很好的理解，對實驗可能出現的一些現象沒有一定理性的判斷。通過研究性實驗，可以使學生對知識的理解從感性認識上升到理性認識，提高了學生的分析能力。

4.1投料比例對結果的影響

由表1可知，在制備雙酚A的過程中，苯酚過量會得到較多的產物。這是因為苯酚與丙酮等當量反應時，熔融的苯酚在取用過程中會因溫度降低，苯酚凝固，產生損失。若操作不當可能會導致丙酮過量，過量的丙酮會與雙酚A 發生反應，生成色滿化合物，減少了雙酚A的生成。同時，若丙酮過量，在水洗過程中易引起乳化，致使反應失敗。因此提高投料比為3∶1時，使苯酚略過量有利于提高產率，同時減少了因操作失誤帶來的實驗失敗。

4.2硫酸濃度對結果的影響

4.3反應溫度對結果的影響

實驗過程中的溫度選擇是有機化學中的化學反應的重要參數。由表1可知，反應溫度為40 ℃時，色滿化合物少，收率較高。溫度提高到60 ℃后，色滿化合物增多，同時增大了丙酮的揮發。因此雙酚A合成時，溫度選取40 ℃為宜。

5　結束語

在雙酚A的合成實驗中，采用了探究式的教學方法進行實驗教學，并將現代分析儀器引入到實驗中，將所學的理論知識與實驗技術融會貫通，培養了學生在實踐中研究問題、分析問題和解決問題的能力以及良好的科學道德和團隊精神等。

經過多年的改革，本研究性實驗已應用于本科教學中，教學效果良好。

[1]徐瑜，徐偉明，周晶.魔芋精粉中葡甘露聚糖含量的測定——開放性化學實驗探索[J].大學化學，2011，26(3)：58-61.

[2]李文杰.開放實驗室教學模式探索及實踐[J].重慶工學院學報，2006，20(6)：157-159.

[3]王潤孝，李小聰.構建創新實踐平臺 培養學生創新能力[J].中國高等教育，2005(9)：37-38.

[4]郭斌，銀鵬，高勇，等.綜合性實驗——純凈水與果汁瓶材料的剖析[J].高分子通報，2003(3)：66-69.

[5]任德財，趙冬梅，杜宇虹，等.介紹一個綜合性實驗——可樂瓶材料的認知與剖析[J].高分子通報，2013(7)，84-88.

[6]李振東.雙酚A下游產品應用市場分析[J].熱固性樹脂，2011，26(3)：41-44.

[7]松文.雙酚A的技術進展與國內外市場分析[J].精細化工原料及中間體，2011(10)：28-32.

[8]孫玉琳，陳真，郝志顯，等.改性陽離子樹脂制備及其催化合成雙酚A性能[J].化工生產與技術，2013，20(3)：11-13.

[9]李嘉，董英.高壓液相色譜測定植物纖維包裝容器中的雙酚A[J].分析試驗室，2010(S1)：187-190.

[10]段國紅，趙玉英，王二兵.雙酚A型環氧樹脂膠粘劑的合成及配制[J].化工時刊，2011，25(12)：12-15.

[11]沈振玉.雙酚A(BPA)的合成工藝概況[J].石化技術，1994(4)：245-251.

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

黑龍江東方學院高等教育教學改革項目(HDJG13005)。

任德財(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