環(huán)己酮制備實驗的微型化論析

柯 楊

（安順學(xué)院，貴州 安順 561000）

在我國化學(xué)實驗教學(xué)改革領(lǐng)域中，于20世紀(jì)90年代初新發(fā)展起了一類微型化學(xué)實驗，已引起國內(nèi)化學(xué)教育界極大關(guān)注［1］。微型化學(xué)實驗是指用微量化學(xué)試劑在微型儀器裝置中進(jìn)行的化學(xué)實驗，是以盡可能少的化學(xué)試劑來獲取所需化學(xué)信息的實驗方法與技術(shù)［2］。雖然微型實驗的化學(xué)試劑用量一般只為常量實驗用量的十分之一，但實驗效果卻依然十分明顯，可以達(dá)到防止環(huán)境污染的目的［3］。目前全國各類院校開設(shè)的有機化學(xué)實驗大多以常量為主，由于有機化學(xué)實驗中所用有機試劑大多易燃、易揮發(fā)、有毒，對環(huán)境污染較嚴(yán)重，因而常量實驗的微型化研究是當(dāng)前有機化學(xué)實驗教學(xué)改革的趨勢所在［4］。目前已有一些有機合成實驗進(jìn)行了微型化的教學(xué)改革，如乙酰苯胺的制備［5］、肉桂酸的制備等［6］。環(huán)己酮的制備實驗是高校有機化學(xué)實驗必修實驗之一，實驗產(chǎn)物環(huán)己酮具有強烈的刺鼻臭味和致癌作用，實驗原料環(huán)己醇有毒性和刺激性，實驗所用試劑乙醚易揮發(fā)，易燃、有毒，將環(huán)己酮的制備實驗進(jìn)行微量化設(shè)計和改革，能在保證實驗效果的同時，有效減少有毒試劑的使用量和有毒產(chǎn)物的生成量，也能顯著降低實驗費用。

一、實驗部分

1、實驗原理

實驗室中常用重鉻酸鉀和硫酸作用生成鉻酸，鉻酸進(jìn)一步與環(huán)己醇發(fā)生氧化作用生成環(huán)己酮。反應(yīng)式如下：

2、儀器和藥品

儀器：圓底燒瓶，球形冷凝管，分液漏斗，分餾頭，錐形瓶，溫度計，量筒，溫度計套管藥品：重鉻酸鉀，環(huán)己醇，濃硫酸，乙醚，無水硫酸鎂，氯化鈉；化學(xué)純。

3、實驗方法

在微型實驗的教學(xué)改革中，既要盡量減少試劑的用量，又要取得和常量實驗相差不多的實驗效果，這是微型實驗研究的關(guān)鍵［7］。分別用常量、半微量、1/4微量、1/6微量、1/8微量5種方法進(jìn)行實驗，把實驗的學(xué)生分成5大組，每大組分為4小組，每大組用一種方法進(jìn)行實驗，要求學(xué)生嚴(yán)格按照實驗步驟完成實驗。

4、實驗步驟

將1.4g（4.71mmol）重鉻酸鉀溶于2.2mL水中，待全溶后冷卻到室溫，另將1.1mL濃硫酸稀釋至7mL，冷卻至0℃后慢慢滴加到重鉻酸鉀溶液中，得鉻酸溶液。在燒瓶中加入0.9mL（8.33mmol）環(huán)己醇，冰水浴冷卻，攪拌下將鉻酸慢慢滴入，滴完后溫度保持在50℃繼續(xù)攪拌30min。反應(yīng)完畢后，于燒瓶中加入5mL水，進(jìn)行水蒸氣蒸餾，將產(chǎn)品和水一同蒸出，直到餾出液澄清為止。將餾出液靜置分層，水層用適量氯化鈉飽和，轉(zhuǎn)入分液漏斗中，分出有機層。水層用2mL乙醚分別萃取3次，合并有機層，用無水硫酸鎂干燥。將有機層置于干燥的圓底燒瓶中，水浴蒸出乙醚，蒸餾燒瓶中剩余物，收集152～155℃的餾分。稱重，測沸點和折光率，計算產(chǎn)率［8］。

二、結(jié)果與討論

1、常量實驗與微量實驗比較

從常量開始試驗，然后減量到半微量，1/4微量，1/6微量，1/8微量，對常量與微量實驗的試劑用量、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等條件進(jìn)行研究，從中選擇一個最佳條件作為實驗的反應(yīng)條件。實驗對比結(jié)果見表1。

由表1可知：1/8微量實驗由于用料過少，產(chǎn)率下降較多，導(dǎo)致產(chǎn)品量極少，實驗現(xiàn)象不明顯，實驗操作難度明顯增大；1/6微量實驗與常量實驗和半微量實驗相比，產(chǎn)率沒有明顯的下降，現(xiàn)象較明顯；常量和半微量實驗操作較簡單，但用料較多，對環(huán)境產(chǎn)生較大的污染，因而選用1/6微量反應(yīng)條件進(jìn)行實驗。

表1 常量與微量實驗比較結(jié)果

2、重鉻酸鉀用量對實驗結(jié)果的影響

在1/6微量反應(yīng)條件下進(jìn)行實驗，環(huán)己醇用量為8.33mmol，反應(yīng)時間30min，改變重鉻酸鉀的用量，探討重鉻酸鉀用量對微型實驗產(chǎn)率的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 重鉻酸鉀用量對微型實驗產(chǎn)率的影響

在微型實驗中，重鉻酸鉀適當(dāng)過量對產(chǎn)品有利，而當(dāng)重鉻酸鉀的用量不足時，產(chǎn)率偏低，原因是重鉻酸鉀用量不足會導(dǎo)致氧化不完全，但當(dāng)重鉻酸鉀用量太多時，會使已生成的環(huán)己酮繼續(xù)被氧化，導(dǎo)致產(chǎn)率降低。因而在微型實驗的條件下，投料比n（環(huán)己醇）：n（重鉻酸鉀）＝1∶1.8，重鉻酸鉀的最佳用量為4.71mmol。

3、反應(yīng)時間對微型實驗的影響

為了探討微型實驗反應(yīng)的最佳反應(yīng)時間，在1/6微量反應(yīng)條件下，即環(huán)己醇用量為8.33mmol，重鉻酸鉀用量為4.71mmol的條件下進(jìn)行實驗，分別計算在不同反應(yīng)時間下的產(chǎn)率，實驗結(jié)果如表3所示。

表3 反應(yīng)時間對微型實驗產(chǎn)率的影響

由表3可以看出，反應(yīng)時間為30min時產(chǎn)率較高，繼續(xù)延長反應(yīng)時間產(chǎn)率升高不多，因而最佳反應(yīng)時間為30min。

4、反應(yīng)溫度對微型實驗的影響

為了探討微型實驗反應(yīng)的最佳反應(yīng)溫度，在1/6微量反應(yīng)條件下，即環(huán)己醇用量為8.33mmol，重鉻酸鉀用量為4.71mmol的條件下進(jìn)行實驗，改變反應(yīng)溫度，分別計算不同反應(yīng)時間下的產(chǎn)率，實驗結(jié)果如表4所示。

表4 反應(yīng)溫度對微型實驗產(chǎn)率的影響

由表4看出，反應(yīng)溫度不高于50℃時，產(chǎn)率變化不大，因而最佳反應(yīng)溫度為50℃。此反應(yīng)是放熱反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度不高于50℃，可獲得較為滿意的產(chǎn)率，溫度過高會導(dǎo)致產(chǎn)率降低，原因是過高的溫度將導(dǎo)致環(huán)己酮被進(jìn)一步氧化。

結(jié)論

通過實驗發(fā)現(xiàn)，1/6微量制備環(huán)己酮的方法具有試劑用量少、反應(yīng)時間短、現(xiàn)象明顯的特點，進(jìn)一步減少試劑的用量將導(dǎo)致現(xiàn)象不明顯，操作難度過大，因而采用1/6微量法制備環(huán)己酮比較合適。制備環(huán)己酮的微型實驗的最佳條件是：環(huán)己醇用量為8.33mmol，重鉻酸鉀用量為4.71mmol，投料比n（環(huán)己醇）：n（重鉻酸鉀）＝1：1.8，反應(yīng)時間30min，反應(yīng)溫度50℃，在此條件下，產(chǎn)率可達(dá)52.8%，實驗現(xiàn)象明顯，1/6微量實驗的產(chǎn)率與常量反應(yīng)的產(chǎn)率相差不大，實驗現(xiàn)象依然明顯，但實驗試劑的用量比常量實驗減少了83%，實驗操作所需時間也有所減少。制備環(huán)己酮的微量實驗具有實驗效果好，污染小的特點。

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［1］高旭紅，李炳奇等·有機合成實驗微型化改革的實踐［J］.實驗室研究與探索，1999，01：71－73.

［2］周寧懷，吳連斌·微型實驗與化學(xué)創(chuàng)新教育［J］.廣西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，S1：1－3.

［3］王敏，蔣炳英，李軍等·有機化學(xué)實驗微型法教學(xué)改革的探索［J］.實驗室科學(xué)，2012，03：12－14.

［4］翁晴·微型實驗在高校有機化學(xué)實驗教學(xué)中的實踐與思考［J］.化學(xué)工程與裝備，2013，11：212－213.

［5］楊吉芳·乙酰苯胺制備的微型實驗探討［J］.齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2003，12：1396－1397.

［6］丁虹，林世靜，劉長領(lǐng)·肉桂酸制備的微型實驗研究［J］.北京石油化工學(xué)院學(xué)報，2005，03：14－16.

［7］高巖，朱鶴，邱雪飛等·農(nóng)業(yè)院校有機化學(xué)微型實驗研究［J］.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1997，S1：155－157.

［8］昭瓊·有機化學(xué)實驗［M］.北京：高等教育出版社，2011.109－110.