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苯甲酸的制备

此处提供的实验细节出自善意，并且被认为是安全和可行的操作方法。但是，作者对执行这些实验所产生的后果不承担任何责任。

这些实验是为经验丰富的科学教学人员编写的，供他们作为受监督的学生课堂的指导。这些实验不是为学生或没有监督的公众成员设计的。如果你想尝试这些实验，请确保你事先完成了法律上充分的风险评估，并且在风险评估的限制范围内操作。

理论

氧化反应是有机化学中非常重要的一类反应。大多数氧化反应需要还原态的杂原子（-OH 中的 O、-NH₂ 中的 N 等）或碳-碳 π 键。

芳香族侧链的氧化不需要任何这些因素。所需要的只是苄基碳，至少有一个氢原子连接到它上面。可以使用的氧化剂有铬酸（在硫酸和水中使用 Na₂Cr₂O₇ 或 CrO₃）或高锰酸钾 (KMnO₄)。在每种情况下，产物都是苯甲酸或苯甲酸的衍生物。高锰酸钾反应需要用酸处理，因为高锰酸钾反应产生碱性溶液作为副产物）。

C₆H₅CH₃ + 2 KMnO₄ → C₆H₅COOK + 2 MnO₂ + H₂O + KOH

我们将使用高锰酸钾将甲苯 (甲苯) 氧化为苯甲酸。高锰酸钾溶液比含铬化合物的溶液危害小，铬化合物通常具有致癌性。^[1]

安全

• 高锰酸钾 (高锰酸钾) 是一种强氧化剂，具有腐蚀性，操作时要戴手套（它还会染污皮肤和衣物）。
• 亚硫酸氢钠 (亚硫酸氢钠) 是刺激性物质——操作时要戴手套。
• 浓盐酸具有腐蚀性和毒性——操作时要戴手套，并确保在操作后清洗手套和双手。
• 甲苯 (甲苯) 是一种易燃液体，有毒，其蒸气具有麻醉性——实验室中不允许使用火焰，操作时要戴手套，并避免吸入其蒸气。^[1]

方法

^[1] 第一天：苯甲酸的制备。

在 100 cm³ 的圆底烧瓶中（这样可以使液体保持在反应容器容量的一半以下），混合以下物质：

• 3.0 g KMnO4（小心不要接触皮肤）
• 约 0.7 g 甲苯（约 0.8 cm³ 液体）
• 35 g (cm³) 水。

将反应混合物回流（添加一些防爆沸颗粒）长达 4 小时。

回流时间短于此时间可能会导致剩余的锰酸盐 (VII)。由于甲苯的挥发性，因此需要对回流冷凝器进行有效的冷却。

C₆H₅CH₃ + 2 KMnO₄ → C₆H₅COOK + 2 MnO₂ + H₂O + KOH ^[2]

停止，并将你的设备放置到下一个实验室阶段进行纯化。

第二天：苯甲酸的分离

在布氏漏斗中使用抽滤（过滤热溶液，但不要用热水或冷水洗涤）。收集滤液（穿过滤器的液体）。

不溶性的 MnO₂ 会被滤器保留，而滤液则被收集在抽滤瓶中。它可以被丢弃。

如果滤液仍然是紫色的（表明 MnO₄^- 离子仍然存在），则将滤液转移到一个新的烧瓶中，如果它仍然很热，则在冰浴中冷却。

缓慢地加入少量固体亚硫酸氢钠 (NaHSO₃) 来还原任何残留的高锰酸钾离子。

小心，因为亚硫酸氢钠与高锰酸钾之间的反应是高度放热的（释放热量）。

当不再出现紫色（混合物将成为棕色的悬浮液）时，你就添加了足够的亚硫酸氢钠。

当紫色不再出现时，将悬浮液在 3-4000 rpm 下离心 5 分钟。（此时形成的 MnO₂ 太细，无法有效过滤）。离心会使沉淀形成沉淀物，其余的溶液可以小心地倾倒。

如果溶液不是无色的（仍然是紫色的），则需要添加更多亚硫酸氢钠并重复离心，以便产生澄清的溶液（轻微的棕色色调是可以接受的，但不能是紫色的）。

将澄清无色的溶液（轻微的棕色色调是可以接受的）放入冰浴中。通过加入约 2.5 cm³ 的浓盐酸来酸化混合物。逐滴加入酸，直到形成白色苯甲酸沉淀。（如果没有添加足够的酸，它可能会重新溶解）。可能只需要 4-5 滴就能使溶液酸化，并开始形成固体物质。添加更多酸不会影响你的结果，因为你不能添加过多的酸。

C₆H₅COOK + KOH + 2 HCl → C₆H₅COOH + H₂O + 2 KCl ^[2]

使用真空过滤和布氏漏斗收集沉淀的有机产物。你可以使用少量冷水洗涤固体物质，并将固体从结晶容器中去除，然后在表面皿上干燥。

固体产物将储存在干燥箱中，直到下一个实验室阶段进行重结晶。

停止，将你的固体物质储存到下一个实验室阶段进行纯化。如果你在本实验室阶段无法产生固体物质，你可以将你的样品储存到下一个实验室阶段。

第三天：苯甲酸的重结晶和分析

纯化方法包括重结晶。需要选择一种合适的溶剂，该溶剂在以下情况下：

1. 苯甲酸在高温下非常容易溶解，但在低温下难溶，并且…
2. 任一：杂质在所有温度下都不溶，或者…
3. 杂质在所有温度下都可溶

在本实验中满足这些标准的溶剂是水。

重结晶方法示例

这是一个关于如何记录工作的示例。重复此实验——如果你有能力，可以对其进行改进。注意，并非所有数据都已为你记录（例如，所使用的热水的体积）。

苯甲酸被收集在一个烧杯（250 cm³）中。

将少量水倒入烧杯中，并将混合物在本生灯火焰上加热至沸腾。搅拌混合物以促进溶解。

并非所有苯甲酸都溶解了。添加少量水，保持混合物搅拌并煨。重复该过程，直到所有苯甲酸似乎都溶解了。

将混合物快速过滤通过预热的布氏漏斗。任何不溶性杂质作为残留物留在滤纸上。

将滤液置于冰上冷却，这会导致大部分苯甲酸结晶。可溶性杂质留在溶液中。

再次在泵的作用下过滤混合物，这次在冷的情况下进行。过滤后的残留物是纯化的苯甲酸。

将少量去离子水冲洗该残留物，以除去盐溶液。过滤后短暂运行泵有助于残留物干燥。

然后小心地将残留物从滤纸上刮到表面皿上，并在 60 ^oC 的烘箱中干燥。干燥后，称量最终产品。

结果

起始苯甲酸质量 4.00 g

苯甲酸产品质量 3.50 g

讨论

通过测定熔点分析苯甲酸。将观察到的值与文献值进行比较。根据限量试剂（甲苯）确定产率。

显示甲苯的甲基碳、酸的羰基碳以及高锰酸根离子和 MnO₂ 中的 Mn 的氧化态。

您可能希望记录实验的其他细节，这些细节不会自然地归入任何其他类别，例如可能发生的错误；一些对您来说是新的理论；一些有趣的应用或细节，您可能希望将其记录以备将来参考等。