溴乙烷消去反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件探究溴乙烷消去反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件探究

周仁鴿

摘要:以反應(yīng)的機(jī)理入手,在前人研究的基礎(chǔ)上,從反應(yīng)物的劑量、加熱速率、反應(yīng)溫度及不同堿的影響等方面對(duì)溴乙烷消去反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞:消去反應(yīng);產(chǎn)率;快速加熱;反應(yīng)溫度;反應(yīng)劑量

文章編號(hào):1005-6629(2009)08-0044-02中圖分類號(hào):G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:C

普通高中各版本的新課標(biāo)化學(xué)教材——《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》(選修)均涉及了溴乙烷與KOH(或NaOH)乙醇溶液共熱生成乙烯的反應(yīng),但很多老師反映難以成功,也有些老師因省去了氣體的水洗裝置,或是因?yàn)樗床怀浞?也能致使混合氣體中含有乙醇蒸汽使酸性高錳酸鉀溶液(或溴水中)褪色,從而以為實(shí)驗(yàn)取得了成功。由此筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多方面的研究,找到了合適的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方法。

1 反應(yīng)機(jī)理

大學(xué)教材《有機(jī)化學(xué)》[1]中指出,鹵代烴的消除反應(yīng)(高中教材稱之為消去反應(yīng))屬于雙分子消除反應(yīng)(E2),它與雙分子親核取代反應(yīng)(SN2)很相似,它們的不同之處在于,SN2反應(yīng)中親核試劑進(jìn)攻是α-碳原子,而在E2反應(yīng)中親核試劑進(jìn)攻的是β-氫原子。因此,消除反應(yīng)和取代反應(yīng)是相互競爭、相互伴隨發(fā)生的。

在該教材的第207頁敘述了鹵代烴的消除反應(yīng)和取代反應(yīng)的影響因素,指出反應(yīng)物中α-碳支鏈增多、親核試劑的堿性增強(qiáng)、升高溫度、弱極性溶劑等均有利于消除反應(yīng)的進(jìn)行。從結(jié)構(gòu)來看,溴乙烷容易發(fā)生取代反應(yīng)而不易發(fā)生消除反應(yīng),在《基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)》[2]中提到,溴乙烷于55 ℃時(shí),在乙醇鈉的乙醇溶液中發(fā)生取代反應(yīng)的產(chǎn)物的百分比為99 %,而消除反應(yīng)產(chǎn)物僅為1 %。

由此可知,溴乙烷與氫氧化鉀乙醇溶液發(fā)生的主要是取代反應(yīng),消去反應(yīng)的比例很小,因此要從反應(yīng)溫度、氫氧化鉀乙醇溶液的濃度及反應(yīng)物的充分利用上,提高乙烯的產(chǎn)量。

2實(shí)驗(yàn)探究

基于以上分析,筆者從不同種類堿的影響、加熱升溫的速度、反應(yīng)的溫度等方面對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了如下的裝置(圖1)。

與教材相比,筆者從以下幾個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步改進(jìn):

①用較長的導(dǎo)氣管,以增加冷凝回流的效果;

②快速加熱反應(yīng)物(調(diào)大酒精燈火焰),加快反應(yīng)速率,同時(shí)減少消去反應(yīng)發(fā)生之前溴乙烷的揮發(fā);

③增加反應(yīng)物劑量。溴乙烷與乙醇的體積1∶3,溴乙烷15 mL,無水乙醇45 mL,氫氧化鉀固體21.42 g(在沸騰時(shí)恰好飽和)。有研究者[3]曾測(cè)試過沸騰時(shí)氫氧化鉀與氫氧化鈉乙醇溶液的沸點(diǎn)及該溫度下的溶解度:飽和氫氧化鉀乙醇溶液沸點(diǎn)為116 ℃,在沸騰時(shí)的溶解度為47.6 g/100 mL乙醇;而飽和氫氧化鈉乙醇溶液沸點(diǎn)僅為85 ℃,在沸騰時(shí)的溶解度僅為10.0 g/100 mL乙醇。因此,用氫氧化鉀比氫氧化鈉效果要好,適當(dāng)增加氫氧化鉀乙醇飽和溶液的量,有利于提高反應(yīng)體系的共沸溫度。

本實(shí)驗(yàn)所用藥品:酸性高錳酸鉀濃度0.01 %,高錳酸鉀、氫氧化鉀、無水乙醇、溴乙烷均為分析純。

實(shí)驗(yàn)的過程與現(xiàn)象如表1所示:

(*說明:試管1～7各均為3 mL 0.001 %的酸性高錳酸鉀,當(dāng)一支試管中溶液完全褪色后,更換另一試管。)

現(xiàn)象分析與結(jié)論:

①上述實(shí)驗(yàn)條件下,溴乙烷需80 ℃以上才能發(fā)生明顯的消去反應(yīng),從酸性高錳酸鉀的褪色速度看,比較適宜的反應(yīng)溫度大致為90 ℃～110 ℃,在該范圍,溫度越高,產(chǎn)生乙烯的速率越快。如果加熱速度過慢或冷凝效果差,溴乙烷在65 ℃左右就有可能完全蒸發(fā)進(jìn)入洗氣瓶,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

②從實(shí)驗(yàn)中酸性高錳酸鉀的褪色情況及各次實(shí)驗(yàn)后洗氣瓶中被冷凝油狀液體的體積可知,該裝置的回流效果比較好。若能加快加熱的速度,洗氣瓶的油狀液體會(huì)更少,反應(yīng)效率更高。

3 研究的結(jié)論

從以上研究可知,將溴乙烷與氫氧化鉀的乙醇溶液發(fā)生消去反應(yīng)設(shè)計(jì)成課堂實(shí)驗(yàn)是可行的,但由于該反應(yīng)生成乙烯的轉(zhuǎn)化率很低,加上中學(xué)實(shí)驗(yàn)常規(guī)儀器的限制,反應(yīng)生成乙烯量較少,所以筆者在自己的反復(fù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,建議大家從如下幾個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn):

3.1增大反應(yīng)物劑量

雖這一方法容易造成反應(yīng)裝置的復(fù)雜化,無法用試管作反應(yīng)器,但能確保實(shí)驗(yàn)的成功,所以這是本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中最有效的方法;

3.2減少反應(yīng)物揮發(fā)

①適當(dāng)增加玻璃導(dǎo)管的高度,以增加冷凝回流的效果;②快速加熱反應(yīng)物,減少溴乙烷在消去反應(yīng)發(fā)生之前的揮發(fā)與水解。但要注意過長的導(dǎo)管會(huì)增加氣體的殘余,可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的效果。

3.3提高反應(yīng)溫度

①快速加熱反應(yīng)物,使反應(yīng)物迅速達(dá)到適宜的反應(yīng)溫度;②盡可能增加堿的量,以提高共沸體系的沸點(diǎn)。

3.4增加反應(yīng)體系的堿性

①增加氫氧化鉀的量,確保使氫氧化鉀能在沸騰下仍能達(dá)到飽和,以增加溶液的堿性;②可用醇鈉或醇鉀代替氫氧化鉀,但不宜使用氫氧化鈉。

3.5 若為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),在現(xiàn)象明顯的前提下,盡可能降低酸性高錳酸鉀或溴水的濃度

在上述各種方法中,增大反應(yīng)物劑量,并快速升高溫度是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。此外,也可嘗試用沸點(diǎn)較高、α-碳原子上有支鏈的鹵代烴代替溴乙烷,這樣上述問題都會(huì)迎刃而解,但它容易偏離教材的主題。

雖然溴乙烷與氫氧化鉀的醇溶液發(fā)生的消去反應(yīng),因其難以發(fā)生,在有機(jī)合成中是沒有實(shí)際利用價(jià)值的,但對(duì)于α-碳原子有支鏈或β-氫原子比較活潑的鹵代烴而言,消去反應(yīng)是比較容易發(fā)生的,如:(CH₃)₂CHBr、 C₆H₅CH₂CH₂Br等。消去反應(yīng)作為鹵代烴的重要性質(zhì),在高中有機(jī)化學(xué)的知識(shí)體系中,有著相當(dāng)重要的地位的。因此,普通高中各版本的化學(xué)新教材均安排這一內(nèi)容。溴乙烷作為簡單而典型的鹵代烴,各教材將其作為這一重要知識(shí)的載體,符合了知識(shí)的教育性需要。但對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的操作,實(shí)驗(yàn)者還需要細(xì)心把握。

參考文獻(xiàn):

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