3. CÁC ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
3.3. Bài 3: Phản ứng oxi hóa hidrocacbon thơm – Điều chế acid benzoic
3.3.1. Mục đích
Khảo sát quá trình điều chế aicd benzoic bằng phản ứng oxi hóa để thấy tác dụng của chất oxi hoá đối với hợp các chất hữu cơ. Và biết cách tổng hợp Acid benzoic vì nó có nhiều ứng dụng trong thực tế.
3.3.2. Cơ sở lý thuyết
Oxy hóa là một quá trình tương tác của hợp chất hữu cơ với các tác nhân oxy hóa như: Oxy, ozon, peroxid, Cl2, Br2, HNO3, KMnO4,…
Benzen là hợp chất bền vững dưới tác nhân oxy hóa như acid cromic, acid HNO3, KMnO4. Như vậy, benzen khó oxy hóa hơn so với hidrocacbon no.
Vòng thơm sẽ bị phá vỡ khi tiến hành oxy hóa bởi oxy không khí có mặc xúc tác V2O5 ở nhiệt độ 4500C-5000C và phản ứng thực hiện ở pha khí.
O2 ( CO2) CH COOH CH COOH ( H2O ) CH C CH C O O O
Naphtalen cũng bị oxy hóa nằng O2 không khí với sự có mặt của V2O5 nhưng nhiệt độ phản ứng thấp hơn 3250C-4500C.
O2 O O O2 ( CO2) COOH COOH ( H2O) C C O O O
Các đồng đẳng của benzen dễ bị oxy hóa hơn so với benzen. Dưới tác dụng của các chất oxy hóa thông thường thì mạch nhánh bị oxy hóa còn vòng thơm vẫn giữ nguyên.
Ví dụ:
C6H5CH3 [O] C6H5COOH
Khi oxy hóa hidrocacbon thơm có mạch nhánh dài thì chỉ nguyên tử cacbon gắn trực tiếp với nhân bị giữ lại và tạo thành nhóm cacboxyl, phần còn lại tạo acid cacboxylic tương ứng.
Trong bài thí nghiệm này, ta dùng tác nhân là KMnO4 để oxi hóa Toluen. Sau đó, acid hóa bằng H2SO4 để thu được sản phẩm là acid benzoic.
3.3.3. Dụng cụ thí nghiệm và hóa chất. Dụng cụ thí nghiệm Hóa chất Dụng cụ thí nghiệm Hóa chất - Bình cầu đáy phẳng 250ml - Becher 100ml - Becher 500ml - Ống đong 100ml - Ống nhỏ giọt - Bình tia 500ml - Chậu thủy tinh
- Hệ thống lọc áp suất kém - Hệ thống đun hoàn lưu - Cân kỹ thuật - KMnO4 rắn - Toluen - Dung dịch H2SO4 20% - Tinh thể Na2CO3 - Dung dịch H2O2 - Bột tẩy - Nước cất - Đá bọt 3.3.4. Thực hành
Trong bình cầu đáy phẳng 250ml, cho vào 12g KMnO4 và 80ml nước, vài viên đá bọt, đemđun nhẹ và khuấy đếu cho tan hết KMnO4 khoảng 10 phút.
Để nguội và thêm vào 5ml toluen, 2g Na2CO3, 0,2g bột tẩy, gắn bình cầu vào hệ thống đun hoàn lưu, đun nhẹ hỗn hợp cho đến khi dung dịch chuyển màu sậm (khoảng 60 phút) phải thường xuyên lắc nhẹ bình cầu.
Để nguội bình cầu, sau đó cho vào một becher 500ml. Thêm vào becher 100ml dung dịch H2SO4 20%, khuấy thật đều bằng đũa thủy tinh rồi cho từng lượng nhỏ H2O2 vừa thêm vừa khuấy cho đến khi dung dịch mất màu (chuyển sang màu trắng đục) thì ngừng.
tinh, lọc khô sản phẩm dưới áp suất kém.
Cho acid benzoic vừa lọc khô vào becher 100ml chứa một ít nước, đun sôi, nếu acid benzoic chưa tan hết, thêm nước đến khi tinh thể này tan hoàn toàn (ở nhiệt độ sôi).
Để nguội từ từ, acid benzoic sẽ kết tinh thành tinh thể hình kim, lọc khô sản phẩm dưới áp suất kém.
1. Cân và tính hiệu suất của phản ứng.
2. Xác định nhiệt độ nóng chảy của sản phẩm.
Kết quả:
1. Phương trình phản ứng:
C6H5CH3 2KMnO4 C6H5COOK 2MnO2 KOH H2O
2C6H5COOK H2SO4 2C6H5COOH K
2SO4 - Số mol của toluen: n x 0,047mol
92 8669 , 0 5 .
- Số mol của KMnO4: n 0,076mol
158 12
.
- Hiệu suất tính dựa vào số mol của toluen. Dựa vào phương trình phản ứng số mol toluen bằng số mol acid benzoic và bằng 0,047mol. Vậy khối lượng acid benzoic là: 0,047x122=5,734g.
- Khối lượng thực tế thu được: 2,786g Vậy hiệu suất: 100 48,58%
734 , 5 786 , 2 x H .
2. Nhiệt độ nóng chảy đo được: 122,30C.
3.3.5. Câu hỏi
1. Công dụng của đá bọt? 2. Công dụng của Na2CO3. 3. Công dụng của H2O2. 4. Công dụng của bột tẩy.
5. Có thể tinh chế acid benzoic bằng những phương pháp nào? Trả lời câu hỏi:
1. Đá bọt có tác dụng phântán nhiệt làm cho hỗn hợp sôi đều.
2. Công dụng của Na2CO3 là để tạo môi trường kiềm chuyển acid benzoic vừa sinh ra thành dạng muối dễ cô lập.
3. Công dụng của H2O2 là để khử KMnO4 dư và MnO2 2 H2O2 2KMnO4 H
2O 5/2O2 2KOH 2MnO2
MnO2 H2O2 2H O
4. Công dụng của bột tẩy là chất hoạt động bề mặt nên làm dung môi để hoà tan toluen vào KMnO4, và khi bột tẩy bị oxi hoá cũng cho C6H5COOK, không sinh tạp chất cho sản phẩm. C12H25 SO3H KMnO4 COOH SO3H H , H2O t0 COOH
5. Có thể tinh chế acid benzoic bằng 2 phương pháp: Kết tinh và thăng hoa.