食添加剂苯甲酸的

食添加剂苯甲酸的合成（氧化反应）学习目标与要求•知识目标：了解苯甲酸的合成路线及合成过程中的安全环保知识；掌握氧化反应过程、分离过程的知识和产品鉴定的方法•能力目标：能进行苯甲酸的资料检索，根据苯甲酸的合成路线及氧化单元反应的特点制定合成反应的方案，并通过实验合成出合乎要求的产品苯甲酸的概述•苯甲酸又名安息香酸，是一种重要的精细有机化工产品。世界年产量达数十万吨。苯甲酸主要用于生产苯甲酸钠食品防腐剂、染料中间体、农药、增塑剂、媒染剂、医药、香料的中间体，还可用作醇酸树脂和聚酰胺树脂的改性剂，用于生产涤纶的原料对苯二甲酸以及用作钢铁设备的防锈剂等。苯甲酸的合成任务分析•苯甲酸的性质以及分子结构•苯甲酸合成路线设计•合成单元反应及其控制分析苯甲酸的性质以及分子结构性质：苯甲酸为无色、无味片状晶体。熔点122.13℃，沸点249℃，相对密度1.2659（15／4℃）。在100℃时迅速升华，它的蒸气有很强的刺激性，吸入后易引起咳嗽。微溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。苯甲酸是弱酸，比脂肪酸强。化学性质不稳定，有吸湿性。分子结构•分子式：C6H5C00H•分子结构式：COOH合成路线：在有机化学课程中，已经学习了有关苯环测链氧化的知识，即中性或碱性条件时苯环侧链在强氧化剂（如高锰酸钾）的作用下，侧链可被氧化为羧基。故要合成苯甲酸，可以用含侧链的苯（如甲苯、乙苯）为原料，在中性或碱性条件下经高锰酸钾（或其他氧化剂，可在酸性条件下）氧化即可。反应式如下：CH3COOHKMnO4单元反应过程•甲苯的氧化反应机理高锰酸钾分解产生原子态氧：KMnO4[O]原子态氧再与甲苯发生反应：这是一个游离基反应。高锰酸钾分解释放出的[O]自由基越多，反应速度越快。CH3++3[O]COOH+H2O甲苯的反应性质•甲苯在一般条件下性质十分稳定，但同酸或氧化剂却能激烈反应。它的化学性质类似于苯酚和苯，反应活性则介于两者之间。甲苯能腐蚀塑料，因而必须被存放在玻璃容器中。在氧化反应中（如与酸性高锰酸钾溶液），甲苯能由苯甲醇、苯甲醛而最终被氧化为苯甲酸。甲苯主要能进行自由基取代、亲电子取代和自由基加成反应。亲核反应则较少发生。在受热或光辐射条件下，甲苯可以和某些反应物(如溴）在甲基上进行自由基取代反应。高锰酸钾的反应性质•KMnO4在中性或碱性介质中进行氧化时，锰原子的价态由+7下降为+4，生成二氧化锰，它不溶于水而被沉淀下来，在这个过程中，平均1mol高锰酸根释放出1.5mol原子氧：•2KMnO4+H2O→2MnO2↓+2KOH+3[O]•在强酸性介质中，锰原子的价态则由+7降至+2，形成二价锰盐，平均1mol高锰酸根释放出2.5mol原子氧：•2KMnO4+3H2SO4→2MnSO4↓+2K2SO4+3H2O+5[O]•KMnO4在酸性介质中的氧化反应常在25%以上的H2SO4溶液中进行。在酸性介质中，KMnO4对烷基芳烃的氧化常伴随着脱羧反应，因而酸性介质法用得很少。甲苯与高锰酸钾的配比•每氧化1mol甲苯需消耗3mol原子氧，所以，理论上，甲苯与高锰酸钾的配比为甲苯／高锰酸钾=1：2（摩尔比）。温度与反应时间•反应温度、反应时间、甲苯与氧化剂之间的充分混合、水的用量等是影响苯甲酸产量的主要因素。用高锰酸钾在中性或碱性介质中进行氧化时，操作非常简便，只要在40～100℃，将稍过量的固体高锰酸钾慢慢加入到含被氧化物的水溶液或水悬浮液中，氧化反应就可以顺利完成。由于甲苯不溶于高锰酸钾水溶液中，故该反应为两相反应，因此反应需要较高温度和较长时间。氧化反应终点的控制•反应终点的控制，主要是测定反应系统中是否尚有未反应的原料(或试剂)存在，或其残余量是否达到一定的限度。氧化反应终点的控制可以参考相关文献资料上类似反应的终点的控制。如果没有现成的控制方法，一般可以采用薄层色谱或气相色谱及高效液相色谱等来判定合成原理•以甲苯为原料，采用高锰酸钾在碱性条件下进行氧化，得到苯甲酸钾盐，再经过酸化得到苯甲酸酸化的目的•酸化的主要目的是使氧化产物苯甲酸钾盐转变为苯甲酸，一般采用浓盐酸进行酸化。这是因为浓盐酸酸化引入的水较少，而且浓盐酸为挥发性酸，很容易挥发出去。工艺条件：•温度：80~85℃•压力：常压•物料配比：1：2.1•搅拌：良好•加料方式：分批少量加入高锰酸钾装置：三口烧瓶、搅拌器、温度计、球型回流冷凝管、电热套等组成苯甲酸的合成操作1.合成前的准备：1.1.明确合成任务1.2.制定合成方案，画出合成流程图。如下：流程图8.5g高锰酸钾滤饼用少量水洗涤250ml三口烧瓶搭好装置搅拌下回流约两小时2.7ml甲苯100ml水反应完毕从冷凝端上加入3ml的饱和硫氢酸钠搅拌至紫色衰退趁热减压过滤预热布氏漏斗滤液滤渣并入滤液洗涤液无色继续滴加饱和硫氢酸钠溶液紫色至酸性（ph=2~3）苯甲酸晶体析出缓慢加入浓盐酸滤饼减压过滤滤液（弃）抽干晾干表面皿上称重红外光谱分析合成过程•加料及升温•加氧化剂进行反应•洗涤、酸化、结晶•重结晶常见有机合成反应产物后处理策略•首先应考虑回收未反应原料，其次要避免非目标组分（如溶剂、催化剂等）对分离过程带来的可能的影响，最后还要考虑从多种分离方法中选择一种简单有效的分离方法进行分离。常见合成反应后粗产物分离方法（1）萃取：水/油相有分配的体系（2）溶剂的排除：与水可互溶的溶剂体系（3）溶剂的稀释或破坏：强极性非质子溶剂常见纯化精制方法•常用的分离和纯化方法有蒸馏、分馏、结晶、升华和层析法。蒸馏，分馏主要用于液体有机化合物的分离和提纯，而结晶和升华主要用于固体有机化合物的分离和提纯。这些方法的共同持征是均为物理精制法，它们都利用物质的相变化原理，使产品与杂质的物理性质形成明显差别，从而通过简单的机械方法使之分离。•对于特定的体系的分离而言，应根据体系特点和对产品的不同要求，可选用不同的分离纯化方法。必须指出的是：分离方法的选样必须充分考虑到待分离组分的物理化学性质，如挥发性、极性，对酸碱的稳定性及对光、热、氧的稳定性等重结晶的原理•固体有机物在溶剂中的溶解度与温度有密切关系。一般是温度升高，溶解度增大。利用溶剂对被提纯物质及杂质的溶解度不同，可以使被提纯物质从过饱和溶液中析出，而让杂质全部或大部分仍留在溶液中，或者相反，从而达到分离、提纯之目的。•必须指出的是，重结晶只适宜杂质含量在5%以下的固体有机混合物的提纯。从反应粗产物直接重结晶是不适宜的，必须先采取其他方法初步提纯，然后再重结晶提纯。重结晶纯化一般过程•选择溶剂→升温，固体的溶解→除去不溶性杂质→降温，晶体析出→晶体的收集洗涤→晶体的干燥三废处理及环境问题•1.三废处理的一般原则•2.苯甲酸合成过程中的三废处理1.三废处理的一般原则•根据实验室“三废”排放的特点和现状,遵循国家有关规定,充分强调“谁污染,谁治理”的原则。为防止实验室污物扩散、污染环境,应根据实验室“三废”的特点,对其进行分类收集、存放、集中处理.•在实际工作中,应科学选择实验研究技术路线、控制化学试剂使用量、采用替代物,尽可能减少废物产生量,减少污染。应本着适当处理、回收利用的原则,来处理实验室“三废”。尽可能采用回收、固化以及焚烧等方法处理，尽可能采取简单、易操作、处理效率高、不需要很多投资的方法处理。苯甲酸合成过程中的三废处理•（1）废气及处理在本项目合成实验过程中废气主要来源于甲苯的挥发，如实验装置搭建良好，逸出的甲苯很少。•（2）废水及处理在本项目合成实验过程中废水主要来源于结晶母液和重结晶母液，以及少量洗涤液。结晶液中主要含硫酸钠，因浓度较低，可以考虑放弃处理。如浓度较高，应考虑进行回收处理。•（3）废渣及处理本项目实验合成过程中废渣主要为不溶物二氧化锰及Mg（OH）2（或Zn（OH）2），可考虑回收处理。