正交試驗法探究溴乙烷消去反應的最適條件

吳 晨 劉曉玲 黃水秀 盛壽日

江西師范大學化學化工學院(330022) 江西省上饒市上饒中學(334000)

1 背景

通過溴乙烷的消去反應去認識有機化合物官能團之間的轉(zhuǎn)換是《普通高中化學課程標準》(2017年)的基本要求，然而不同版本教材涉及內(nèi)容編排不盡相同。人教版教材只給出了溴乙烷的消去反應機理，并未設計演示或探究性實驗；蘇教版則提供了該反應的演示實驗，但實驗過于簡單，副產(chǎn)物過多，收集到的乙烯量太少，定性檢測不明顯，往往導致課堂演示達不到預期的效果。我們在收集文獻的基礎(chǔ)上，設計了一套新的實驗反應裝置(如圖1所示)，并通過正交試驗法，對溴乙烷消去反應的適宜條件進行了探究。

圖1 實驗改進裝置圖(驗證乙烯)

由于該反應下，存在E2和SN2競爭反應，即溴乙烷消去反應與溴乙烷取代反應，所以反應中溶劑的極性以及溫度都會影響乙烯的產(chǎn)率。為了提高該反應裝置下乙烯的產(chǎn)率，本文將采用正交試驗法，對溴乙烷消去反應的最適條件進行探究，以供同仁參考。選取反應物的量是：10 mL溴乙烷、10 mL飽和氫氧化鉀、15 mL無水乙醇溶液，反應溫度為90 ℃。在該裝置與條件下，需要40 s時間使5 mL 1%溴水褪色。

2 因素、水平、指標的選擇

溴乙烷消去反應是利用在強堿性條件下，溴乙烷脫去溴化氫，產(chǎn)生乙烯的過程，但溴乙烷發(fā)生消去反應是有局限性的。在溶劑極性較大、反應溫度較低時，溴乙烷容易發(fā)生水解反應，由于中學實驗室溶劑種類較少，所以不對溶劑種類進行探究，但可以對溶劑的用量探究。除溫度與溶劑(無水乙醇)之外，原料溴乙烷與強堿氫氧化鉀也是必然考慮的因素。綜上，選取溴乙烷用量、反應的溫度、飽和強氧化鉀用量、無水乙醇用量作為正交試驗的因素，每個因素選擇三個水平，選擇L9(34)正交試驗表進行實驗，見表1。

表1 溴乙烷消去反應正交試驗表

3 實驗裝置選擇

基于圖1的實驗改進裝置，撤掉乙烯的定量檢測與裝有水的集氣瓶裝置，加入排水法收集乙烯裝置，導管尾部依舊采取尖管，控制氣體流速，以便除雜，如圖2所示。

圖2 實驗改進裝置圖(收集乙烯)

4 實驗步驟

(1)按照如圖2所示裝置組裝儀器，檢驗裝置氣密性，按照表格要求，依次取溴乙烷于50 mL圓底燒瓶，取飽和氫氧化鉀溶液于100 mL三口燒瓶，關(guān)閉止水夾1和2，在三口燒瓶下方水槽注入100 ℃熱水，對氫氧化鉀溶液進行預熱處理。

(2)待氫氧化鉀溫度上升到目標溫度時，取無水乙醇溶液于三口燒瓶中，當氣球逐漸變大，溫度計顯示達到目標溫度后，在圓底燒瓶下方水槽注入熱水，并打開止水夾1，使溴乙烷蒸汽進入三口燒瓶中。

(3)當溴乙烷完全進入三口燒瓶中后，關(guān)閉止水夾1，反應過程，觀察氣球，待氣球有變小的趨勢時，打開止水夾2，收集氣體，待氣體量保持不變后，讀取數(shù)值。

5 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

將獲得的9組數(shù)據(jù)依次填入正交試驗表中，對表中數(shù)據(jù)進行直觀分析，見表2。

表2 溴乙烷消去反應正交試驗表

在已選擇的因素與水平中，根據(jù)均值k來確定反應的最適條件，在溴乙烷用量中，均值k2最大，即反應中溴乙烷選用8 mL；在溫度大小上，均值k3最大，即反應溫度為100 ℃；在強堿氫氧化鉀飽和溶液用量中，均值k1最大，即反應中飽和氫氧化鉀溶液選用8 mL；在無水乙醇用量上，均值k3最大，即反應中無水乙醇選用15 mL。綜上所述，最適條件為A2B3C1D3(溴乙烷8 mL、飽和氫氧化鉀溶液8 mL、無水乙醇15 mL、反應溫度100 ℃)，在此條件下，進行下一步實驗，得到乙烯氣體體積174 mL。

根據(jù)極差值R大小可以確定影響本實驗的因素主次關(guān)系見圖3。

圖3 影響實驗的因素主次關(guān)系圖

對溴乙烷消去反應影響最大的因素是原料溴乙烷的量，但僅隨其后的就是反應溫度，而影響較低的是無水乙醇與飽和氫氧化鉀溶液。

通過正交設計助手軟件對表中數(shù)據(jù)做效應曲線圖分析，如圖4所示。

圖4 效應曲線圖

從效應曲線圖可以看出，雖然溴乙烷的量對反應有較大的影響，但并不是投料越多越好，投料過多，反而效應偏低。其次，溫度的選擇和乙醇的量可以盡可能大一點。最后，氫氧化鉀的量可以偏小，氫氧化鉀越多反而效應越低。

6 總結(jié)

本文通過正交試驗法對溴乙烷消去反應實驗的最適條件進行探究，得出以下結(jié)論。

(1)在所選用的因素與水平中，最佳條件為溴乙烷8 mL、飽和氫氧化鉀溶液8 mL、無水乙醇15 mL、反應溫度100 ℃。

(2)4種因素對溴乙烷消去反應影響大小關(guān)系為：溴乙烷>溫度>無水乙醇>飽和氫氧化鉀。