馬獻濤，于靜，袁超，邢子豪，王碩

信陽師范學院化學化工學院，河南 信陽 464000

1 引言

化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科?；瘜W實驗教學對夯實大學生的化學基礎(chǔ)知識、基本理論和基本技能，提高大學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識等具有重要的作用。近年來，雖然很多高校在本校的教學過程中開展了大量創(chuàng)新、綜合及改進實驗，但是，可供選用的教材內(nèi)容還比較陳舊，落后于時代的發(fā)展[1]。為此，教育部高等學校化學類專業(yè)教學指導委員會和高等學校國家級實驗教學示范中心聯(lián)席會也分別于2019年、2021年在全國范圍內(nèi)開展了“全國大學生化學實驗創(chuàng)新設(shè)計競賽”活動，旨在推動我國高等學校實驗教學改革[2]。

醚的制備是有機化學實驗的一個重要內(nèi)容，教材中對應(yīng)的實驗內(nèi)容是甲基叔丁基醚制備和正丁醚的制備[3-5]。通過該部分學習對于深刻理解醇的化學性質(zhì)和親核取代反應(yīng)的SN1、SN2兩種機制具有重要的作用。目前，基于SN2機制的正丁醚的制備實驗已有較多的改進方案[6-13]，但基于SN1機制的甲基叔丁基醚制備卻鮮有改進實驗的報道[14,15]。教材中的實驗方案是以叔丁醇和甲醇為原料，在化學計量15%硫酸的催化下，采用分餾裝置緩慢蒸出甲基叔丁基醚的粗品(圖1A)。然后，將粗品轉(zhuǎn)入分液漏斗，用水洗滌3-4次除去過量的甲醇和未反應(yīng)的叔丁醇，經(jīng)干燥后，加入金屬鈉加熱回流進一步除去殘留的水和醇。最后，蒸餾得到產(chǎn)品，收率約為50%[3-5]。上述方法具有原料易得等優(yōu)點，但以下不足之處也不容忽視：

圖1 實驗裝置的改進

① 需化學計量的硫酸催化劑，反應(yīng)會產(chǎn)生大量的廢酸；

② 反應(yīng)進程不易監(jiān)測(無法用薄層色譜監(jiān)測)；

③ 產(chǎn)率較低(～50%)，學生獲得感較差；

④ 產(chǎn)品沸點太低(55.2 °C)，易揮發(fā)、燃燒。

有關(guān)該實驗的改進主要是通過分步加入叔丁醇來提高反應(yīng)的收率，但需要更加復雜的反應(yīng)裝置(圖1B)且上述其他問題尚未得到有效的解決[14,15]。鑒于此，在保證核心知識不變的前提下，本文嘗試新創(chuàng)醚的制備實驗。該改進實驗基于二苯甲醇在酸催化下易生成碳正離子的特性[16,17]，用乙醇作為親核試劑，進而發(fā)生SN1親核取代反應(yīng)，實現(xiàn)二苯甲基乙基醚的高效制備。相比已有的實驗方案，新方案具有以下明顯優(yōu)勢：

① 以回流裝置代替分流裝置(圖1C)，避免了金屬鈉的使用和繁瑣的后處理流程，使反應(yīng)的安全性、可重復性得到極大的提高；

② 產(chǎn)物沸點較高(288 °C)，易于操作、產(chǎn)品收率較高(～90%)，學生的體驗較好，有助于激發(fā)學生學習有機化學的興趣；

③ 以Lewis酸氯化鐵作為催化劑，可以實現(xiàn)二苯甲醇高效轉(zhuǎn)化為碳正離子，進而發(fā)生SN1親核取代反應(yīng)，有助于學生加深對有機化學中的路易斯酸堿理論的理解，培養(yǎng)學生的有機化學思維模式。

④ 采用薄層色譜(TLC)、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)跟蹤反應(yīng)，定性、定量地確定反應(yīng)進行的程度，有助于培養(yǎng)學生的探究精神。

總之，本實驗的改進以問題為導向，通過內(nèi)容的新創(chuàng)，方法的引入與融合，提高教學訓練的系統(tǒng)性與綜合性，進而發(fā)展其分析與解決實際問題的能力；通過教學可以培養(yǎng)學生綠色化學的理念，培養(yǎng)學生愛護環(huán)境、熱愛生活的態(tài)度[18,19]。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

二苯甲醇在無水三氯化鐵催化下可以形成穩(wěn)定的二苯甲基碳正離子，進而與乙醇親核試劑發(fā)生SN1取代反應(yīng)。具體實驗原理如圖2所示。

圖2 實驗原理

2.2 試劑或材料

無水三氯化鐵、六水合三氯化鐵、氯化鋅、對甲苯磺酸水合物(以上試劑均購自薩恩化學技術(shù)(上海)有限公司)，碘單質(zhì)(天津博迪化工股份有限公司)、二苯甲醇(畢得醫(yī)藥有限公司)、無水乙醇(國藥集團化學試劑有限公司)、乙酸乙酯(天津市永大化學試劑有限公司)、乙二胺四乙酸二鈉(天津市永大化學試劑有限公司)，以上試劑均為分析純。H2SO4(15%，質(zhì)量分數(shù))、鹽酸(2mol·L-1)、GF254薄層色譜層析板(煙臺江友硅膠開發(fā)有限公司)。

2.3 儀器和方法

主要儀器為：加熱攪拌器、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、紫外燈、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(7890A-5975C，美國安捷倫科技有限公司)、核磁共振波譜儀(JNM-ECZ600R/S3JNM-ECZ600R/S3，日本電子株式會社)。

氣質(zhì)聯(lián)用儀測試條件為：HP-5毛細管柱、氦氣作為載氣、程序升溫為：50 °C作為起始溫度，以25 °C·min-1升溫至250 °C，保持5 min，然后以25 °C·min-1升溫至280 °C，保持5 min。

2.4 實驗步驟/方法

(1) 實驗步驟。

反應(yīng)操作：依次向25 mL圓底燒瓶中加入二苯甲醇(2.76 g，15 mmol)、無水三氯化鐵(0.48 g，3 mmol)和10 mL無水乙醇，置于120 °C油浴中加熱攪拌。2 h后，TLC顯示反應(yīng)已經(jīng)完全(V石油醚/V乙酸乙酯= 50/1，產(chǎn)物Rf= 0.6)，終止反應(yīng)。反應(yīng)液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮得棕黃色粘稠液體。

產(chǎn)物純化：粗產(chǎn)物用40 mL乙酸乙酯溶解，轉(zhuǎn)至125 mL分液漏斗，依次用40 mL 2 mol·L-1鹽酸、40 mL飽和EDTA溶液，40 mL飽和氯化鈉溶液洗滌一次，有機相用無水硫酸鈉干燥，過濾得淡黃色濾液。將濾液用柱層析(硅膠填料，200-300目)進一步過濾除去殘余的鐵離子，得無色溶液，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮得無色粘稠狀液體產(chǎn)品，分離產(chǎn)率86%-88%。

產(chǎn)物純度分析及結(jié)構(gòu)確定：產(chǎn)品用乙酸乙酯溶解，采用GC-MS分析，進一步確定純度和分子量(純度95%-97%，分子量m/z= 212)；用氘代氯仿溶解，測定核磁共振氫譜和碳譜，確定結(jié)構(gòu)。

(2) 注意事項。

無水氯化鐵易吸潮，稱取動作要快，避免實驗誤差。

3 結(jié)果與討論

3.1 條件優(yōu)化

以二苯甲醇(1a)和乙醇(2a)作為反應(yīng)原料，重點對無水三氯化鐵、氯化鋅、對甲苯磺酸、碘單質(zhì)、15%硫酸等反應(yīng)催化劑展開篩選(表1)。結(jié)果表明以Lewis酸無水三氯化鐵為催化劑，120 °C反應(yīng)2 h，二苯甲基乙基醚(3a)的氣質(zhì)收率為92% (表1，序號1)。使用其他常用的Lewis酸催化劑如氯化鋅，可能由于Lewis酸性不夠強，并不能有效實現(xiàn)二苯甲醇碳氧鍵的切斷，只能觀測到痕量的產(chǎn)物(表1，序號2)；使用碘單質(zhì)作為催化劑也可以以87%收率得到預(yù)期產(chǎn)物3a (表1，序號3)。進一步篩選其他Br?nsted酸，如：對甲苯磺酸、15%硫酸，也不能進一步地提高反應(yīng)的收率(表1，序號4-5)。使用六水合氯化鐵作為催化劑，結(jié)果表明反應(yīng)2 h，只能以77%收率得到預(yù)期產(chǎn)物(表1，序號6)。這些實驗表明，水有可能會對反應(yīng)起到一定的抑制作用(表1，序號5-6)。進一步加入分子篩除水來改善反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)也不能提高反應(yīng)收率(表1，序號7)。鑒于推廣為本科教學實驗的可行性，仍選用無水三氯化鐵作為最優(yōu)催化劑(表1，序號1)。以上篩選表明在合適的Lewis酸或Br?nsted酸的催化下，二苯甲醇可高效轉(zhuǎn)化為二苯甲基碳正離子中間體，進而與乙醇發(fā)生SN1取代反應(yīng)。這將有助于學生深刻理解碳正離子中間體、有機化學中的路易斯酸堿理論和SN1親核取代反應(yīng)機理。最后，以無水三氯化鐵作為催化劑平行重復實驗10次，平均收率為92% (表1，序號8)。因此，反應(yīng)的最優(yōu)條件為：二苯甲醇(15 mmol)，乙醇(10 mL)，無水三氯化鐵(20 mol%)，120 °C回流反應(yīng)2 h (表1，序號1)。

表1 催化劑篩選a

3.2 產(chǎn)物的分離純化與鑒定

(1) 反應(yīng)的副產(chǎn)物分析。

根據(jù)反應(yīng)機理和GC-MS分析，反應(yīng)會產(chǎn)生少量的二苯甲基氯、二苯甲基醚等副產(chǎn)物。因此，需要設(shè)計合理的方案除去二苯甲基氯、二苯甲基醚以及原料乙醇和催化劑三氯化鐵，以達到分離純化的目的。

(2) 分離純化過程設(shè)計。

① 除去乙醇：本實驗方案采用旋蒸的方式除去反應(yīng)體系中未反應(yīng)的乙醇，在此，回收的乙醇也可以實現(xiàn)再利用，減少廢物的排放。

② 除去三氯化鐵：這是本實驗的難點之一。將反應(yīng)液依次用40 mL 2 mol·L-1鹽酸、40 mL飽和EDTA溶液洗滌一次，以最大限度地除去三氯化鐵。在此充分利用了三氯化鐵的水溶性以及鐵離子與EDTA可以螯合配位的特性，將分析化學中的知識用于解決有機化學中的實際問題。進一步將濾液用柱層析(硅膠填料，200-300目)過濾除去殘余的鐵離子，可以發(fā)現(xiàn)溶液從淡黃色變?yōu)闊o色液體。由于鐵離子具有Lewis酸性，會與產(chǎn)物醚中氧原子位點結(jié)合，仍有少部分鐵離子殘留，通過硅膠柱可以進一步除掉鐵離子。在此，可以引導學生分析“為什么洗滌得到的產(chǎn)品仍呈淡黃色”，幫助學生加深對有機化學中的路易斯酸堿理論的理解，培養(yǎng)學生的有機化學思維模式。

③ 除去二苯甲基氯：在上述EDTA洗滌的過程后，可以除去體系中的二苯甲基氯副產(chǎn)物。

由于二苯甲基醚的量很少，沒有設(shè)計二苯甲基醚的除雜方案。在此，可以引導學生思考“為什么會有二苯甲基醚生成”，進一步認識碳正離子中間體。

(3) 產(chǎn)物的純度分析和鑒定。

通過TLC、GC-MS等對產(chǎn)品純度進行分析，使反應(yīng)更具可視性，使學生掌握科研探究的基本方法。利用核磁共振技術(shù)對產(chǎn)物進行表征(圖3)，進一步幫助學生將理論聯(lián)系實際，提升學生學習的獲得感。產(chǎn)物二苯甲基乙基醚的核磁共振表征如下：

1H NMR (600 M, CDCl3)δ7.41-7.34 (m, 4H)，7.35-7.30 (m, 4H)，7.29-7.20 (m, 2H)，5.37 (s, 1H)，3.54 (q,J= 7.2 Hz, 2H)，1.27 (t,J= 7.2 Hz, 3H)；13C NMR (150 M, CDCl3)δ142.6，128.5，127.5，127.1，83.6，64.7, 15.5。

4 結(jié)語

本實驗裝置簡單，選用二苯甲醇與乙醇為原料、無水三氯化鐵作為催化劑，可以以約90%的收率得到二苯甲基乙基醚產(chǎn)物。實際教學過程中，可根據(jù)具體教學條件選用TLC或TLC與GC-MS結(jié)合對反應(yīng)過程進行監(jiān)測，練習了萃取洗滌、干燥、過濾、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)等基本有機操作，后處理簡單，具有綠色清潔、操作簡單、成本低廉的特點，便于學生加深對碳正離子中間體的性質(zhì)、有機化學中的路易斯酸堿理論、SN1機理和綠色化學理念的理解。

本實驗所需試劑費用約為2.0元/人次。溶劑乙醇、乙酸乙酯等可回收重復使用，廢棄物少。實驗全部流程約3 h，適合大規(guī)模的本科實驗教學，可以在基礎(chǔ)實驗課中推廣。

5 課后思考題設(shè)計

(1) 二苯甲基醚是如何生成的？

答：二苯甲醇在形成碳正離子后，二苯甲醇自身也可以作為親核試劑進攻二苯甲基碳正離子，進而生成了二苯甲基醚副產(chǎn)物。

(2) 為什么二苯甲基碳正離子是穩(wěn)定的碳正離子？

答：受p-π共軛效應(yīng)的影響，碳正離子上的正電荷可以很好地被兩個苯基分散，所以二苯甲基碳正離子是非常穩(wěn)定的碳正離子。

(3) 除去Fe3+離子時，依次用2 mol·L-1鹽酸、EDTA溶液洗滌的目的是什么？

答：2 mol·L-1鹽酸洗滌的目的在于抑制Fe3+離子水解生成大量絮狀氫氧化鐵沉淀，使分層變得更加明顯；EDTA溶液洗滌的目的在于與Fe3+螯合配位，進而去除多余的Fe3+離子。

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