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溴乙烷消去反應(yīng)實驗進(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:1005-6629(2009)08-0044-02中圖分類號:G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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,或是因為水洗不充分,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,從而以為實驗取得了成功。由此筆者對該實驗進(jìn)行多方面的研究,找到了合適的實驗條件和實驗方法。

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,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實驗探究

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)的溫度等方面對該實驗進(jìn)行反復(fù)研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計了如下的裝置(圖1)。

與教材相比,筆者從以下幾個方面對實驗作進(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(在沸騰時恰好飽和)。有研究者[3]曾測試過沸騰時氫氧化鉀與氫氧化鈉乙醇溶液的沸點及該溫度下的溶解度:飽和氫氧化鉀乙醇溶液沸點為116 ℃,在沸騰時的溶解度為47.6 g/100 mL乙醇;而飽和氫氧化鈉乙醇溶液沸點僅為85 ℃,在沸騰時的溶解度僅為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。

本實驗所用藥品: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。

實驗的過程與現(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上述實驗條件下,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)致實驗失敗。

②從實驗中酸性高錳酸鉀的褪色情況及各次實驗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)計成課堂實驗是可行的,但由于該反應(yīng)生成乙烯的轉(zhuǎn)化率很低,加上中學(xué)實驗常規(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)實驗的基礎(chǔ)上,建議大家從如下幾個方面對實驗進(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,但能確保實驗的成功,所以這是本實驗改進(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)管會增加氣體的殘余,可能會影響實驗的效果。

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。

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 若為驗證實驗,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驗成功的關(guān)鍵。此外,也可嘗試用沸點較高、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)合成中是沒有實際利用價值的,但對于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的載體,符合了知識的教育性需要。但對于該實驗的操作,實驗者還需要細(xì)心把握。

參考文獻(xiàn):

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