1.3　工作過程指導

1.3.1　制訂小試合成方案要領

小李等一行來到了主要的實習崗位——車間小試實驗室。完成崗位安全教育后，汪工跟小李他們一起討論苯甲酸的合成方案。

汪工：“作為新手，在制訂合成工藝方案時要善于參考已有的文獻方案。這是因為文獻方案往往是經過錘煉的，參考的價值很高，合成時可以少走彎路。但這絕不是說依葫蘆畫瓢就可以了。因為文獻的方案所用的原料、試驗器材（設備）不盡相同，方案的細節或許有所隱藏，因此照搬文獻方案試驗有時得不到文獻的結果。所以參考文獻方案時要盡可能先讀懂方案，然后再提取有價值的東西進行參考，形成自己的試驗方案。這也是企業新項目上馬必先經過小試驗證的根本原因。”

汪工拿出了一份當初小試組試制苯甲酸的文獻方案。

（1）合成：稱量700g甲苯和一定比例的催化劑、溴化物及苯甲醛，依次加入反應釜內。啟動攪拌器，打開冷凝管冷卻水，使反應釜升溫。當溫度升到100℃時，充壓到預定壓力。當反應釜內液相溫度達到預定引發溫度時，開始通空氣，氧化反應開始，反應約5h結束。停止加熱、通氣，緩慢泄壓到0.6～0.7MPa，降溫至140℃時放料至減壓蒸餾釜，常壓至減壓蒸餾回收甲苯，繼續減壓蒸餾，收集138～141℃/28×0.133kPa組分即為苯甲酸。分離稱量，取樣分析。

（2）重結晶：稱取3g粗苯甲酸，放在250 mL三口燒瓶中，加入適量水，加熱至沸騰，按少量多次的原則加水，直至苯甲酸在溶液沸騰時恰好溶解，再加約20%的水，重新加熱至沸。稍冷后，加入適量（約0.5～1g，視雜質含量而定）活性炭于溶液中，煮沸5～10min，趁熱抽濾（一般再加少量蒸餾水抽濾），用一燒杯收集濾液（注：濾液如果呈紫色，可加入少量亞硫酸氫鈉使紫色褪去，重新減壓過濾）。在抽濾過程中，布氏漏斗需預熱。濾液冷卻（先放置冷卻，再用冷水冷卻，最后可用冰水冷卻）后，有苯甲酸晶體析出，抽氣過濾，抽至不滴后，用玻璃棒壓擠晶體，繼續抽濾，盡量除去母液，然后進行晶體的洗滌工作。取出晶體，蒸汽浴干燥，稱量。

（3）熔點測定：毛細管法測定（熔點121～123℃）。

汪工：“請大家討論一下，以此文獻方案為參考，如何制訂小試合成方案？”

小李：“文獻方案相對詳盡，但有些細節尚不清楚。比如催化劑是什么，加量多少，氧化反應時反應釜內預充壓力是多少，等等。”

小趙：“不清楚反應過程如何實施。”

汪工：“大家看得很仔細。這里再次強調一下，安全生產是化工生產的前提，氧化反應是放熱反應，甲苯容易揮發，故有潛在的爆炸危險，故甲苯液相空氣氧化的安全性必須要有充分的保障。這種保障體現在工藝上就是要在反應時避開甲苯的爆炸極限，這在小試試驗中非常重要。”

小周：“如何避開甲苯的爆炸極限呢？”

汪工：“生產上可以通過惰性氣體稀釋法避開甲苯的爆炸極限，惰性氣體一般為N2。”

1.3.2　單元反應體系構建和后處理純化建議

1.3.2.1　甲苯液相空氣氧化反應體系構建和監控

（1）反應體系構建要點

①因為反應需要加壓（反應溫度遠超甲苯常壓下的沸點，必須加壓才能維持液相狀態），故反應必須在耐壓的反應釜上進行；

②甲苯和催化劑加入反應釜，空氣由空氣分布管通入，構成氣液反應體系，如反應釜能配有攪拌裝置將更有利于氣液的傳質，同時應配有尾氣處理裝置；

③反應需要在165℃左右進行，且反應放熱，故反應釜要配有加熱裝置，且能將反應熱帶出體系的設施（實際反應釜可用油浴加熱，也可用熱電偶加熱，反應釜配置冷卻水，且通過較精密的控溫元件控制）；

④因反應須將生成的水排出體系，故反應釜應配有分水回流裝置。

（2）反應控制策略　甲苯的沸點110.6℃，當加溫近沸點時，將產生大量蒸氣，一旦通入空氣，將形成高濃度的混合氣體，隨著加壓，甲苯的爆炸極限的上限將顯著提高，此時可能形成具有爆炸性的混合物，這是生產上必須禁止的，故必須在甲苯形成大量蒸氣前用N2進行加壓，以保持甲苯的液相狀態。當升溫至反應溫度時通入空氣至反應壓力，尾氣經冷凝回收甲苯，并排出少量不凝氣（N2及O2）。整個生產過程中必須嚴格控制尾氣中氧的含量低于甲苯爆炸下限7%，一旦接近應立即停止通入N2，并降溫及時出料。

通入空氣的流量不宜大，也不宜太慢。空氣流量太大將造成氧來不及參與反應，使得尾氣中氧濃度很快升高，太慢將造成生產時間過長，降低生產效率。

因苯甲酸在甲苯中溶解度不大，為防止甲苯析出，降溫時溫度要求在反應液凝固點之上，反應結束。

（3）反應終點的控制　反應終點的控制，即當某一原料發生反應完成或其殘留量達到一定限度時，立即停止反應，盡快地使反應生成物從反應系統中分離出來。監控反應進程可以搞清楚在反應的條件下反應進行的程度：有多少原料參與了反應？生成了什么物質？目標化合物的含量究竟有多少？反應還需要多少時間？等等。其基本的手段是檢測反應體系中相關物質的濃度，進而作出物質濃度隨時間的變化曲線，并以此作為監控反應的依據。通常有幾種反應終點監控的方法。

①以反應物或生成物的物理性質判斷反應終點　即根據反應現象，若反應物或產物的物理性質發生明顯變化，可以此作為反應終點監控的依據，判斷反應終點。例如，在酯化反應中，由于反應中生成的水能夠帶出體系，故從帶出的水的量上即可判斷酯化反應進行的程度。一般而言，當帶出水量接近理論出水量時，酯化反應即到達終點。

②色譜法或光譜法判斷反應終點　當反應系統中反應物或反應產物的物理性質改變，無明顯的宏觀變化，或者難以用簡單的方法檢測，一般采用簡易快速的化學或物理方法，如色譜法、光譜法等測定反應系統中是否尚有未反應的原料或其殘留量來監控反應終點。

色譜法常用氣相色譜法、液相色譜法、柱色譜法、薄層色譜法、紙色譜法等，都能夠快速分離分析微量氣體、液體、固體，但它們各有各的應用范圍。光譜法中常用紅外光譜法、核磁共振光譜法等。紅外光譜提供有機化合物中主要官能團的結構信息，從IR圖中吸收峰的出現、消失、拓寬、變窄等現象的變化判斷反應進程及終點。由于反應混合物有許多會放出信號的物質，所以在核磁共振光譜法中通常難以給出清晰的結果。質譜法靈敏、快速，但價格較貴。

現在用來跟蹤監控反應終點的較多的是薄層色譜法（又稱TLC法）。實驗需要的設備簡單，操作方便且快速。具體操作參見附錄。

③對反應進行化學定量分析法判斷反應終點　化學定量分析法主要通過化學儀器測定樣品中某物含量是否達到一定要求，而確定反應終點。化學定量分析法主要通過化學儀器測定樣品中某物質含量是否達到一定要求，或者采用儀器直接顯示的物理量與反應中某物質的含量制成一種對應表，或者儀器分析與電腦結合運用，從而快速方便地得到監測結果，指導生產，控制反應終點。這種方法在工業生產中常常采用。

④反應時間法　考察時間因素對產率的影響，尋找較合適的反應時間，這是優化反應條件中一項重要的工作。在有機化學實驗教科書中許多合成實驗都是采用時間控制法。值得注意的是，反應時間法是通過利用其他方法監控反應終點實驗數據，分析推斷而得到的近似結論。它與上述方法有密切的聯系。

對于甲苯的液相氧化反應，并不要求甲苯完全轉化，反應的終點是由安全性要求決定的，即當體系中氧含量接近甲苯的爆炸極限（7%V/V）時達到單程反應終點。

1.3.2.2　苯甲酸的合成反應后處理分離方法

常用的分離和純化方法有蒸餾、分餾、結晶、升華和層析法。蒸餾、分餾主要用于液體有機化合物的分離和提純，而結晶和升華主要用于固體有機化合物的分離和提純。這些方法的共同特征是均為物理精制法，它們都利用物質的相變化原理，使產品與雜質的物理性質形成明顯差別，從而通過簡單的機械方法使之分離。所不同的是，蒸餾法是利用氣液間的平衡關系進行精制的，而結晶和升華則分別依據固液和氣相間的平衡關系。因而這些方法均屬于傳質分離。對于特定的體系的分離而言，應根據體系特點和對產品的不同要求，選用不同的分離純化方法。必須指出的是：分離方法的選樣必須充分考慮到待分離組分的物理化學性質，如揮發性、極性，對酸堿的穩定性及對光、熱、氧的穩定性等。

對于甲苯液相氧化反應液，首先蒸餾回收未轉化的甲苯（生產上通過汽提塔實現），再通過精餾得到苯甲醇、苯甲醛、苯甲酸，精餾殘液中主要是苯甲酸芐酯及油狀物。

1.3.2.3　苯甲酸的純化

采用重結晶方法提純苯甲酸時，可以選擇水為重結晶溶劑。苯甲酸在水中的溶解度數據如表1-2。

重結晶提純的操作具體參見附錄。

1.3.3　繪制試驗流程圖

將復雜的試驗方案用相對簡單的流程圖表示出來，可以更好地把握試驗工藝，掌握試驗進程，減少出錯的機會，這在試驗和生產上都是非常必要的。

小試流程圖的要點在于突出其中的單元操作，使得在放大時能清晰地對應大生產的操作崗位。例如，本項目小試流程圖（供參考）可以繪制如下。

流程圖中將主要崗位的特征儀器用方框表示，箭號方向表示物流的方向，操作內容一般寫在箭號上方，主要的操作參數等可以寫在箭號的下方。有時為了方便起見，如果操作的內容足以說明方框的內容，則方框的內容可以省略。

必須說明的是，制作的流程圖必須與試驗方案對應。在制訂小試方案時，有時可以流程圖代替。

1.3.4　小試試驗裝置

如果小試的規模不太大，就可以使用普通的實驗室儀器。普通實驗室儀器的優點是通用、適應面廣。但必須注意，普通的實驗儀器主要以玻璃儀器為主，不能承壓，只適用于常壓下進行的反應或操作。如果小試試驗需要在壓力下進行，則必須配套專門的耐壓裝置。甲苯液相空氣氧化裝置可參考圖1-1裝置。

裝置說明如下：甲苯、引發劑、催化劑以及助催化劑等原料通過加樣罐加到反應釜中，由氮氣瓶充入氮氣，反應釜用電加熱，溫度由熱電偶測定，空氣由鋼瓶通入。通過反應釜氣體出口閥門調節流量，未反應的氣體和蒸氣通過冷凝器冷凝，可凝性氣體冷凝成液體返回反應釜，不凝性氣體經過針形閥減壓后先通過流量計測定流量后，再接溶氧儀測含氧量后放空。通過取樣閥取樣分析氧化反應情況（取樣口需采用電加熱保溫，防止反應液冷卻結晶而堵塞）。

1.3.5　小試合成工藝的評估

小試合成試驗的目的主要在于考察工藝路線的可行性、合理性及放大生產的可能性，同時也為進一步放大生產提供技術支持。

對于合成路線的評估大致可以從四個方面進行。其一，從產物的實際收率來評判，實際收率越接近理論收率越好；其二，從產物單耗成本上評判，產物的單耗越低越好；其三從工藝路線的原子經濟性（即所投入的每一個原子產生的效益）上評判，原子經濟性越高的路線越好；其四，從“三廢”處理成本上評判，“三廢”處理成本越低越好。顯然，實際收率高、產品單耗低、原子經濟高、“三廢”處理成本低的工藝越合理，也越有放大生產的可能性。

由于原子經濟的評判及“三廢”處理的評判相對比較復雜，而小試試驗只是最基礎的試驗，故對工藝路線的收率及產品單耗進行評判足矣。

1.3.6　產物的檢測與鑒定

1.3.6.1　苯甲酸的檢測方法

化合物的檢測方法盡量采用標準的檢測方法，如藥典或國家標準規定的檢測方法。如果沒有現成的檢測方法，則可以參考相關類似物的檢測方法或自行開發檢測方法。對于本項目而言，目標產物苯甲酸的檢測可以參考GB/T 5009.29—2003的檢測方法。

1.3.6.2　苯甲酸的熔點鑒定

合成的有機物究竟是不是目標產物，需要對其進行鑒定。通過測定它們的主要物理常數是通常對已知化合物鑒定的方法之一。固體化合物可以通過測定其熔點與紅外光譜來進行認定。

物質的熔點是其固態與熔融態相平衡時的溫度。純粹固體有機化合物一般都有固定的熔點，即在一定壓力下，固液兩相間的變化是非常敏銳的，自初熔至全熔（這范圍稱為熔程），溫度不超過0.5～1℃。如該物質含有雜質，則熔點往往較純粹者低，熔程較長。這對于鑒定純粹的固體有機化合物來講具有很大價值，同時根據熔程長短又可定性地看出該化合物的純度。

很多有機化合物在熔化的同時發生分解，分解一般表現為樣品的變色和放出氣體。分解點通常并不是很鮮明的，它取決于加熱速度（快速加熱導致較高的分解點），故不能精確重復。有許多物質，當強烈加熱時直至炭化，沒有特征性的突變點。

物質的熔點與分子結構之間存在著一定的關系。粗略地說，分子對稱的化合物的熔點要比非對稱的化合物高。對立體異構化合物而言，反式化合物通常具有較高的熔點。

熔點又隨化合物締合度的上升而升高，因此，不能形成氫鍵的酯類的熔點就比相應的羧酸低得多。

熔點的測定主要有毛細管測熔點和顯微鏡測熔點。熔點測定，至少要有兩次重復的數據。有關毛細管測熔點和顯微鏡測熔點的測定方法可以參考附錄。

本項目產品的鑒定，因為結構已知，故只需采用簡單的物理常數測定即可。這里建議采用測定熔點（苯甲酸的熔點：122.4℃）和紅外光譜的鑒定法。

1.3.6.3　苯甲酸的紅外光譜分析鑒定

有機化合物的各種官能團在紅外光譜中都有特征吸收峰。當用一束紅外光照射某一物質時，該物質吸收一部分光能，并將其轉變為分子的振動能量和轉動能量，透過的光經單色器色散后，得到一條譜帶。以波長（波數）為橫坐標，以透光率為縱坐標，將譜帶記錄下來，即得到該物質的紅外光譜圖。紅外光譜主要用于迅速鑒定分子中含有哪些官能團，以及鑒別兩個有機化合物是否相同。紅外光譜對證明羥基、氨基、羧基、羰基、氰基、雙鍵、芳香環上氫及脂肪族氫、苯環上的取代程度均十分有效。用紅外光譜和其他幾種波譜技術結合，可以在較短的時間內完成一些復雜的未知物結構的測定。

液、固體樣品均可進行分析，通常僅需幾毫克。對液體樣品最簡便的是液膜法，可滴一滴樣品夾在兩個鹽片之間，使之成為極薄的液膜，用于測定。固體樣品的測定可采用兩種方法。一種叫石蠟油研糊法。另一種方法稱為碘化鉀壓片法。必須指出的是，一個純化合物，無論是固體和液體，在進行波譜分析前，均應達到如下標準：不同的溶劑中展開在TLC上僅為一個斑點。對于固體，其熔距應盡可能<1℃。另外，所有用作紅外光譜分析的試樣，都必須保證無水并有高的純度，否則，由于雜質和水的吸收，使光譜圖變得無意義。水不僅在3710 cm-1和1630 cm-1有吸收，而且對金屬鹵化物做的樣品池也有腐蝕作用。

目前人們已把已知化合物的紅外光譜圖陸續匯集成冊，這給鑒定未知物帶來了極大的方便。苯甲酸的標準紅外譜圖如圖1-2。

只要將合成產物的紅外光譜與標準圖譜對照即可確認合成產物是否為目的產物。

解析紅外光譜圖，是測定紅外光譜后的一項重要工作。為了便于圖譜解析，通常把紅外光譜分為兩個區域，即官能團區和指紋區。波數4000～1400cm-1的頻率范圍為官能團區，吸收主要是由分子的伸縮振動引起的。常見的官能團在這個區域內一般都有特定的吸收峰；低于1400cm-1的區域稱為指紋區，其間吸收峰的數目較多，是由化學鍵的彎曲振動和部分單鍵的伸縮振動引起的。吸收帶的位置和強度隨化合物而異。如同人的指紋一樣，彼此不同。許多結構類似的化合物，在指紋區仍可找到它們之間的差異，因此指紋區對鑒定化合物起著非常重要的作用。如在未知物的紅外光譜圖中的指紋區與某一標準樣品相同，就可以斷定它和標準樣品是同一化合物。解析紅外光譜圖時，一般先看1500cm-1以上的官能團區，后指紋區；先高頻區，后低頻區；先強峰，后弱峰。即先在官能團區找到最強的峰的歸宿，然后在指紋區找出相關的峰。對許多官能團來說，往往不是存在一個而是存在一組彼此相關的峰。也就是說，除了主證，還需有佐證，才能證實它的存在。表1-3列出八種鍵的紅外吸收值，這些數據，對于解析紅外光譜圖是很有用的，應當予以熟記。

應該指出，紅外光譜只能確定一個分子所含的官能團，即化合物的類型，還不能確定分子的準確結構。如需準確確定其結構，還需借助其他波譜甚至化學方法的配合。特別是未知化合物的開發，這些圖譜是必需的。有興趣的同學可以參考相關的專業資料。

項目完成后還應填寫產品合成報告書作為工作完成的總結，提交給任務下達部門。

1.3.7　技能考核要點

職業教育中，教學內容與職業技能鑒定的標準相銜接，與用人單位需要緊密聯系，使學生不僅具備扎實的專業基礎知識，同時還具有熟練的實際操作技能，是技術應用性人才培養的迫切需求。盡管小試崗位并沒有直接對應的職業鑒定標準，但其中實際操作技能的要求還是非常典型和明確的。這里我們借鑒精細有機合成技能大賽的考核標準，對本項目合成的技能考核提示如下。

（1）考核方案

①加料及升溫　250mL三口燒瓶中加入2.7mL甲苯和100mL水，瓶口裝一冷凝管，加熱至沸騰回流。

②加氧化劑進行反應　從冷凝管上口分批加入8.5g高錳酸鉀，每次加料不宜多，整個加料過程約需60min。最后用少量水（約25mL）將粘在冷凝管內壁的高錳酸鉀沖洗入燒瓶內。

③洗滌、酸化、結晶　繼續在攪拌下反應，直至甲苯層幾乎消失，回流液不再出現油珠，停止反應。將反應混合物趁熱減壓過濾，用少量熱水洗滌濾渣二氧化錳。合并濾液和洗滌液，加入少量的亞硫酸氫鈉還原未反應完的高錳酸鉀，直至紫色褪去，成為無色透明的溶液，再進行減壓過濾。將濾液放于冰水浴中冷卻，然后加入濃鹽酸酸化，邊加邊攪拌，且用pH試紙測溶液的pH值直至強酸性，這時苯甲酸結晶析出。將析出的苯甲酸抽濾、壓干，得到粗的苯甲酸。

④重結晶　若要得到純凈的苯甲酸，可在水中進行重結晶，最后，還要用測熔點的方法檢查產品純度是否達到要求。

稱取3g粗苯甲酸，放在250mL三口燒瓶中，加入適量水，加熱至沸騰，按少量多次的原則加水，直至苯甲酸在溶液沸騰時恰好溶解，再加約20%的水，重新加熱至沸。稍冷后，加入適量（約0.5～1g，視雜質含量而定）活性炭于溶液中，煮沸5～10min，趁熱抽濾（一般再加少量蒸餾水抽濾），用一燒杯收集濾液（注：濾液如果呈紫色，可加入少量亞硫酸氫鈉使紫色褪去，重新減壓過濾）。在抽濾過程中，布氏漏斗需預熱。濾液冷卻（先放置冷卻，再用冷水冷卻，最后可用冰水冷卻）后，有苯甲酸晶體析出，抽氣過濾，抽至不滴后，用玻璃棒壓擠晶體，繼續抽濾，盡量除去母液，然后進行晶體的洗滌工作。取出晶體，蒸汽浴干燥，稱量。

（2）考核要點

見表1-4。

2.考核的要點針對小試技能的考核，主要體現在小試試驗的準備、藥品的稱量、裝置安裝、投料、反應及其控制、后處理分離純化、試驗結束整理等過程，不僅考核了操作技能，而且對從業者的職業素養的要求也有體現，故而能體現職業技能鑒定的要求。