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(图1)。
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1∶3,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1~7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
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