從乙醇脫水看有機反應(yīng)的復(fù)雜性

楊麗娟

摘 要： 有機化合物的反應(yīng)速度慢，副反應(yīng)多，且復(fù)雜。有時它會因溫度、催化劑、反應(yīng)用量、溶劑、反應(yīng)時間等因素的影響而生成許多中間體或副產(chǎn)物?，F(xiàn)以乙醇脫水反應(yīng)為例，利用熱力學(xué)、動力學(xué)、氧化還原反應(yīng)等知識進行計算并加以討論。

關(guān)鍵詞： 有機反應(yīng) 乙醇脫水 復(fù)雜性

實驗表明，有機反應(yīng)伴有許多副反應(yīng)，收率很低，產(chǎn)物很復(fù)雜，具體反應(yīng)根據(jù)是否需要的產(chǎn)物可使反應(yīng)暫留在某一特定階段，從而收集需要的產(chǎn)物。很多有機反應(yīng)的進行并不局限于某一部位，即反應(yīng)時發(fā)生斷鍵的部位不同，有碳鏈異構(gòu)、位置異構(gòu)、立體異構(gòu)等?，F(xiàn)以乙醇在濃硫酸催化下脫水反應(yīng)為例討論有機反應(yīng)的復(fù)雜性。

1.溫度對乙醇脫水反應(yīng)的影響

乙醇在催化劑存在下受熱發(fā)生脫水反應(yīng)，既可發(fā)生單分子的消去反應(yīng)，進行分子內(nèi)脫水生成乙烯，又可發(fā)生雙分子的親核取代反應(yīng)，進行分子間脫水生成乙醚。這是兩種相互競爭的反應(yīng)過程，具體反應(yīng)式如下：

乙醇脫水可生成乙烯和乙醚，但高溫有利于乙烯的生在，較低溫度時主要生成乙醚，有人解釋這大概是因為反應(yīng)過程中生成的碳正離子很活潑，尤其在高溫下，它的存在壽命更短，來不及與乙醇相遇時已經(jīng)失去質(zhì)子變成乙烯。而在較低溫度時，碳正離子存在時間長些，與乙醇分子相遇的概率增多，生成乙醚。有人認為在生成產(chǎn)物的決定步驟中，生成乙烯要斷裂CH鍵，需要的活化能較高，所以高溫下才有利于乙烯生成。

2.催化劑對反應(yīng)的影響

不同催化體系對不同反應(yīng)途徑的活化能影響不同，進而影響反應(yīng)速度常數(shù)和最終目的產(chǎn)物的生成。因此，開發(fā)不同的高性能催化劑以提高主反應(yīng)的速度常數(shù)，抑制副反應(yīng)的發(fā)生是很有必要的。不同催化劑對脫水反應(yīng)影響的不同主要是由于其酸性強弱不同造成的（催化劑酸性的強弱決定了質(zhì)子化乙醇生成的難易程度，并最終影響產(chǎn)物的生成）。從目前看若要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，分子篩是較理想的催化劑，相對于濃硫酸和A化劑具有腐蝕性小且能耗低的優(yōu)勢，下面以幾種催化劑為例說明催化劑對反應(yīng)的影響。

2.1濃硫酸做催化劑

加熱到40s左右時溫度迅速上升到170℃，即有大量氣泡冒出，酸性高錳酸鉀溶液退色，褪色情況較好。在反應(yīng)開始后不久即出現(xiàn)炭化現(xiàn)象，到反應(yīng)結(jié)束時溶液的炭化現(xiàn)象非常嚴重，幾乎變成濃黑色。且反應(yīng)完畢后試管中酸性殘留氣體非常多，試管難以洗滌。濃硫酸作為一種傳統(tǒng)的催化劑，但存在較多問題，主要在于反應(yīng)時間長，一般從加熱混合物到性質(zhì)實驗做完需要13分鐘。炭化現(xiàn)象嚴重，副產(chǎn)物較多，產(chǎn)生的乙烯純度較低，產(chǎn)率較低。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的SO等氣體發(fā)出難聞氣味，并污染空氣，同時炭化的炭渣附著于瓶壁，試管難于清洗。

2.2五氧化二磷做催化劑

將五氧化二磷加入盛有乙醇的試管中即有大量白霧產(chǎn)生，加熱后溫度開始迅速上升，有少許氣泡冒出，當(dāng)加熱到82℃時即有大量氣泡冒出，反應(yīng)進行到35s時酸性高錳酸鉀褪色，褪色情況相對最好。經(jīng)多次反復(fù)對照實驗驗證，在乙醇脫水制取乙烯的實驗中，實驗中藥品用量少，一般只需無水乙醇2mL，。因此，五氧化二磷的催化效果最理想，而石棉絨對該反應(yīng)的催化效果并不理想。

3.其他副反應(yīng)

3.1濃硫酸是一種氧化性酸，加熱時的氧化性更顯著；乙醇分子中的H由于受到羥基的影響，變得比較活潑，容易被氧化。因此，在加熱脫水過程中，乙醇有可能被濃硫酸氧化。乙醇被濃硫酸氧化成乙醛，乙醛更容易被氧化為乙酸。

3.2醇和酸（無機酸或有機酸）作用，可以脫去一分子水生成酯。在乙醇脫水體系中，有乙醇，濃硫酸和少量的乙酸，它們反應(yīng)后可以生成無機酸酯和有機酸酯。

4.結(jié)論

4.1通過對乙醇脫水這個最基本反應(yīng)的討論，可知有機反應(yīng)是非常復(fù)雜的。在反應(yīng)過程中，因?qū)嶒灄l件的不同，每次都可能在中途或中間產(chǎn)物中合成一個全新的有機化合物，只是條件有限，不能對之進行分離、提純、研究，而且這種化合物合成的重現(xiàn)性很差，不易獲得世人的認可。

4.2用熱力學(xué)函數(shù)判斷反應(yīng)進行的方向和限度時，沒有牽涉到速率和機理問題。為了使有機反應(yīng)按要求順利進行，還必須接受動力學(xué)因素的影響。

4.3自由能是一種狀態(tài)函數(shù)，它的值只決定于反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)，與變化途徑無關(guān)。而實際有機反應(yīng)的速度與活化能有關(guān)，改變溫度、壓力、溶劑、催化劑等都可以使反應(yīng)速度發(fā)生變化，影響反應(yīng)的進程，甚至生成一種新的有機化合物。

4.4通過對反應(yīng)計算分析可了解到乙醇脫水制乙烯、制乙醚是熱效應(yīng)相反的兩個過程，升高溫度有利于脫水制乙烯（吸熱反應(yīng)），而降低溫度對脫水制乙醚更有利（微放熱反應(yīng)），所以要使反應(yīng)向要求方向進行，必須選擇相適應(yīng)的反應(yīng)溫度區(qū)域，另外還應(yīng)該考慮動力學(xué)因素的影響，開發(fā)研制高性能的催化劑。