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溴乙烷消去反应的实验条件探究
作者:周仁鸽    文章来源:化学教育    点击数:    更新时间:2009-10-21

以反应的机理入手,在前人研究的基础上,从反应物的剂量、加热速率、反应温度及不同碱的影响等方面对溴乙烷消去反应实验进行了探究。

普通高中各版本的新课标化学教材———《有机化学基础》(选修)均涉及了溴乙烷与KOH(或NaOH乙醇溶液共热生成乙烯的反应,但很多老师反映难以成功,也有些老师因省去了气体的水洗装置,或是因为水洗不充分,也能致使混合气体中含有乙醇蒸汽使酸性高锰酸钾溶液(或溴水中)褪色,从而以为实验取得了成功。由此笔者对该实验进行多方面的研究,找到了合适的实验条件和实验方法。

1反应机理

大学教材《有机化学》[1]中指出,卤代烃的消除反应(高中教材称之为消去反应)属于双分子消除反应(E2),它与双分子亲核取代反应(SN2)很相似,它们的不同之处在于,SN2反应中亲核试剂进攻是α-碳原子,而在E2反应中亲核试剂进攻的是β-氢原子。因此,消除反应和取代反应是相互竞争、相互伴随发生的。

在该教材的第207页叙述了卤代烃的消除反应和取代反应的影响因素,指出反应物中α-碳支链增多、亲核试剂的碱性增强、升高温度、弱极性溶剂等均有利于消除反应的进行。从结构来看,溴乙烷容易发生取代反应而不易发生消除反应,在《基础有机化学》[2]中提到,溴乙烷于55℃时,在乙醇钠的乙醇溶液中发生取代反应的产物的百分比为99%,而消除反应产物仅为1%。

由此可知,溴乙烷与氢氧化钾乙醇溶液发生的主要是取代反应,消去反应的比例很小,因此要从反应温度、氢氧化钾乙醇溶液的浓度及反应物的充分利用上,提高乙烯的产量。

2实验探究

基于以上分析,笔者从不同种类碱的影响、加热升温的速度、反应的温度等方面对该实验进行反复研究的基础上,设计了如下的装置(1) 

与教材相比,笔者从以下几个方面对实验作进一步改进:

①用较长的导气管,以增加冷凝回流的效果;

②快速加热反应物(调大酒精灯火焰),加快反应速率,同时减少消去反应发生之前溴乙烷的挥发;

③增加反应物剂量。溴乙烷与乙醇的体积13,溴乙烷15 mL,无水乙醇45 mL,氢氧化钾固体21.42g(在沸腾时恰好饱和)。有研究者[3]曾测试过沸腾时氢氧化钾与氢氧化钠乙醇溶液的沸点及该温度下的溶解度:饱和氢氧化钾乙醇溶液沸点为116℃,在沸腾时的溶解度为47.6 g/100 mL乙醇;而饱和氢氧化钠乙醇溶液沸点仅为85℃,在沸腾时的溶解度仅为10.0 g/100 mL乙醇。因此,用氢氧化钾比氢氧化钠效果要好,适当增加氢氧化钾乙醇饱和溶液的量,有利于提高反应体系的共沸温度。

本实验所用药品:酸性高锰酸钾浓度0.01%,高锰酸钾、氢氧化钾、无水乙醇、溴乙烷均为分析纯。

实验的过程与现象如表1所示:

*说明:试管17各均为3 mL 0.001%的酸性高锰酸钾,当一支试管中溶液完全褪色后,更换另一试管。)

现象分析与结论:

①上述实验条件下,溴乙烷需80℃以上才能发生明显的消去反应,从酸性高锰酸钾的褪色速度看,比较适宜的反应温度大致为90℃~110℃,在该范围,温度越高,产生乙烯的速率越快。如果加热速度过慢或冷凝效果差,溴乙烷在65℃左右就有可能完全蒸发进入洗气瓶,导致实验失败。

②从实验中酸性高锰酸钾的褪色情况及各次实验后洗气瓶中被冷凝油状液体的体积可知,该装置的回流效果比较好。若能加快加热的速度,洗气瓶的油状液体会更少,反应效率更高。

3研究的结论

从以上研究可知,将溴乙烷与氢氧化钾的乙醇溶液发生消去反应设计成课堂实验是可行的,但由于该反应生成乙烯的转化率很低,加上中学实验常规仪器的限制,反应生成乙烯量较少,所以笔者在自己的反复实验的基础上,建议大家从如下几个方面对实验进行改进:

3.1增大反应物剂量

虽这一方法容易造成反应装置的复杂化,无法用试管作反应器,但能确保实验的成功,所以这是本实验改进中最有效的方法;

3.2减少反应物挥发

①适当增加玻璃导管的高度,以增加冷凝回流的效果;

②快速加热反应物,减少溴乙烷在消去反应发生之前的挥发与水解。但要注意过长的导管会增加气体的残余,可能会影响实验的效果。

3.3提高反应温度

①快速加热反应物,使反应物迅速达到适宜的反应温度;

②尽可能增加碱的量,以提高共沸体系的沸点。

3.4增加反应体系的碱性

①增加氢氧化钾的量,确保使氢氧化钾能在沸腾下仍能达到饱和,以增加溶液的碱性;

②可用醇钠或醇钾代替氢氧化钾,但不宜使用氢氧化钠。

3.5若为验证实验,在现象明显的前提下,尽可能降低酸性高锰酸钾或溴水的浓度

在上述各种方法中,增大反应物剂量,并快速升高温度是实验成功的关键。此外,也可尝试用沸点较高、α-碳原子上有支链的卤代烃代替溴乙烷,这样上述问题都会迎刃而解,但它容易偏离教材的主题。

虽然溴乙烷与氢氧化钾的醇溶液发生的消去反应,因其难以发生,在有机合成中是没有实际利用价值的,但对于α-碳原子有支链或β-氢原子比较活泼的卤代烃而言,消去反应是比较容易发生的,如:(CH3)2CHBrC6H5CH2CH2Br等。消去反应作为卤代烃的重要性质,在高中有机化学的知识体系中,有着相当重要的地位的。因此,普通高中各版本的化学新教材均安排这一内容。溴乙烷作为简单而典型的卤代烃,各教材将其作为这一重要知识的载体,符合了知识的教育性需要。但对于该实验的操作,实验者还需要细心把握。

 

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