有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作失誤引導(dǎo)創(chuàng)新
——以正溴丁烷制備為例

蔣歷輝，管夢(mèng)穎，陽(yáng)華，陳國(guó)輝，胡云賓，袁俊，鄒應(yīng)萍，羅一鳴

中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是高等院校化學(xué)化工、材料、醫(yī)學(xué)等各類專業(yè)的一門(mén)必修基礎(chǔ)課程，其教學(xué)的目的和任務(wù)是使學(xué)生掌握有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作技能；加深對(duì)有機(jī)化學(xué)基本概念和理論的理解；培養(yǎng)學(xué)生正確的選擇有機(jī)化合物的合成、分離與鑒定的方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立操作、準(zhǔn)確觀察現(xiàn)象、合理處理數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確描繪儀器裝置圖、規(guī)范撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、查閱化學(xué)手冊(cè)以及初步的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力[1-4]。正溴丁烷(1-溴丁烷、溴代正丁烷或正丁基溴)作為重要的烷基化試劑和化工原料廣泛應(yīng)用于合成有機(jī)膦化合物丁基膦[5]、相轉(zhuǎn)移催化劑和表面活性劑四正丁基溴化銨[6,7]；也是合成有機(jī)反應(yīng)中間體鄰二烷氧基苯的主要原料[8]。用正丁醇、溴化鈉和硫酸反應(yīng)制備正溴丁烷作為伯鹵代烴合成的代表性實(shí)驗(yàn)，是基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)常開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)的很多本《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教材中都選用了這個(gè)實(shí)驗(yàn)[9,10]，國(guó)外很多有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材也選用它作為鹵代烴合成的范例。部分研究者對(duì)此實(shí)驗(yàn)優(yōu)化進(jìn)行了比較多的探索，但對(duì)正丁醇、溴化鈉和硫酸這三個(gè)原料的加入順序?qū)Ψ磻?yīng)的影響尚未有文獻(xiàn)深入研究。

中南大學(xué)應(yīng)用化學(xué)、制藥工程、化學(xué)工程與工藝、冶金工程、礦物加工工程、材料科學(xué)與工程、新能源材料與器件等專業(yè)在“有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程中開(kāi)設(shè)了正溴丁烷的合成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握由醇制備溴代烷的原理和實(shí)驗(yàn)方法，掌握回流、蒸餾、溶液洗滌、有機(jī)液體干燥及尾氣回收裝置的基本操作。該實(shí)驗(yàn)因?yàn)椴僮鞑襟E多，正溴丁烷制備回流時(shí)間和蒸餾時(shí)間較長(zhǎng)，洗滌流程多而導(dǎo)致時(shí)間緊湊。有的同學(xué)因?yàn)橄礈觳僮魇д`棄去了有機(jī)層，在二次重做的過(guò)程中，將正丁醇和硫酸加熱至回流才發(fā)現(xiàn)忘記加溴化鈉，此時(shí)教師建議學(xué)生稍冷卻反應(yīng)體系后，直接補(bǔ)加溴化鈉繼續(xù)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：需要回流35 min的反應(yīng)，只需要5 min即可完成。在這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果啟發(fā)下，本文詳細(xì)研究了正丁醇、溴化鈉和硫酸這三種原料先后加入順序?qū)Ψ磻?yīng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和試劑

正丁醇(上海麥克林生化科技有限公司，分析純)，碳酸氫鈉、濃硫酸(湖南大興化學(xué)試劑有限公司，分析純)，氯化鈣、溴化鈉(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純)，氘代氯仿(百靈威科技有限公司，優(yōu)級(jí)純)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平(XS204型，瑞士Mettler Toledo公司)，磁力加熱攪拌器(Heidolph MR Hei-Tec型，德國(guó)Heidolph公司)，核磁共振波譜儀(AVANCE III 400 MHz，德國(guó)Bruker公司)，電熱鼓風(fēng)干燥箱(DGF30型，南京上元分析儀器有限公司)。

1.3 正溴丁烷的合成

硫酸溶液的配制：取純凈水100 mL于500 mL燒杯中，冰水浴冷卻下，緩慢倒入100 mL濃硫酸，邊加邊攪拌，全部加完充分冷卻至室溫后，轉(zhuǎn)入干凈的帶塞玻璃瓶中備用，三天內(nèi)使用完畢。

將油浴鍋升溫至140 °C，啟用fast-heat模式快速加熱，待油浴鍋穩(wěn)定后。往100 mL三頸燒瓶中，加入正丁醇、硫酸、溴化鈉中的任意兩個(gè)反應(yīng)原料，放入攪拌子，開(kāi)啟攪拌，攪拌速度為900 r·min-1，迅速組裝好回流-吸氣反應(yīng)裝置(圖1)，用5%氫氧化鈉溶液作吸收劑。準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，加熱5 min，反應(yīng)瓶?jī)?nèi)有液滴回流。此時(shí)，拔開(kāi)三頸燒瓶側(cè)口塞子，并迅速加入另一反應(yīng)原料，如果有固體殘余瓶壁上，必須用滴管快速吸取反應(yīng)瓶中液體，沖洗進(jìn)反應(yīng)體系。采用秒表計(jì)時(shí)，反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為5、10、15、20和25 min。

圖1 帶有尾氣吸收的回流加熱裝置

反應(yīng)完畢，將三頸燒瓶升離油浴鍋，待其稍冷卻后，將反應(yīng)體系從三頸燒瓶轉(zhuǎn)入單口燒瓶(必須趁熱，不然NaHSO4冷卻結(jié)塊妨礙液體轉(zhuǎn)移)。組裝蒸餾裝置(圖2)，蒸出粗產(chǎn)物正溴丁烷，準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，10 min完成蒸餾。殘留液也應(yīng)趁熱倒入酸液回收瓶中，防止NaHSO4在燒瓶?jī)?nèi)冷卻結(jié)塊。

圖2 蒸餾裝置

1.4 粗產(chǎn)物洗滌

確保下口塞子關(guān)閉，將蒸餾所得餾分轉(zhuǎn)入分液漏斗，先用等體積水洗滌，分去水層，小心地將有機(jī)層轉(zhuǎn)入提前準(zhǔn)備好的另一干燥的分液漏斗中，用等體積的濃硫酸洗滌，謹(jǐn)慎振搖，盡量分去下層的硫酸層，有機(jī)層依次用等體積的水、飽和碳酸氫鈉溶液及水洗滌后，有機(jī)層再用無(wú)水氯化鈣干燥(氯化鈣應(yīng)適量多加并間歇振蕩，直到液體澄清，新加的氯化鈣均勻懸浮體系為止)。

1.5 蒸餾得純正溴丁烷

將上述干燥好的無(wú)色透明液體轉(zhuǎn)入干燥的蒸餾燒瓶中，加入2-3粒沸石，組裝干凈且干燥的蒸餾實(shí)驗(yàn)裝置，收集99-102 °C的餾分，稱重產(chǎn)品。

2 結(jié)果討論

2.1 正溴丁烷合成中涉及的各類化學(xué)反應(yīng)

傳統(tǒng)的正溴丁烷制備過(guò)程的主反應(yīng)化學(xué)方程式如圖3所示：

圖3 傳統(tǒng)的正溴丁烷合成反應(yīng)式

而副反應(yīng)主要有以下四個(gè)(圖4)：

圖4 副產(chǎn)物正丁烯、丁醚、2-溴丁烷、溴的生成

從圖3可以看出，傳統(tǒng)的認(rèn)為正溴丁烷的合成是用正丁醇與氫溴酸反應(yīng)得到，由于氫溴酸是種揮發(fā)性較強(qiáng)的無(wú)機(jī)酸，因此在制備時(shí)采用溴化鈉與硫酸作用產(chǎn)生氫溴酸直接參與反應(yīng)。由于該制備反應(yīng)存在較多的副反應(yīng)(圖4)，生成的副產(chǎn)物較多，采用分液漏斗分步洗滌將副產(chǎn)物一一除去，實(shí)驗(yàn)流程如圖5所示，具體實(shí)驗(yàn)操作以文獻(xiàn)[5]為指導(dǎo)。

圖5 正溴丁烷分離流程圖

2.2 后加溴化鈉對(duì)反應(yīng)的影響

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，正溴丁烷的制備一般都是加入三個(gè)原料并組裝好回流吸收裝置后，加熱回流進(jìn)行反應(yīng)，回流時(shí)間一般為35 min，再將粗產(chǎn)物進(jìn)行蒸餾。但學(xué)生在產(chǎn)物后處理純化過(guò)程中用濃硫酸洗去正丁醇、丁醚這一步，由于牢記鹵代烷密度比水大，酸洗的時(shí)候也誤認(rèn)為有機(jī)相在下層而把產(chǎn)物倒掉導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。征得老師同意后，二次重做實(shí)驗(yàn)，但是因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)是兩位同學(xué)一組，一個(gè)同學(xué)稱好溴化鈉包好放在邊上，另一同學(xué)匆忙之間忘記加入溴化鈉，直到反應(yīng)瓶?jī)?nèi)剛有微微液體回流才看到實(shí)驗(yàn)桌上的溴化鈉。這時(shí)經(jīng)過(guò)和老師商議，考慮到實(shí)驗(yàn)時(shí)間不允許重復(fù)做第三次，經(jīng)過(guò)思考后，在和同學(xué)確認(rèn)實(shí)驗(yàn)剛剛回流，老師建議學(xué)生停止加熱，拔開(kāi)冷凝管，直接倒入溴化鈉，再迅速接好裝置繼續(xù)反應(yīng)，按照正常完成實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教材和文獻(xiàn)中需要回流35 min的反應(yīng)，回流反應(yīng)5 min后即可看到有機(jī)層，隨即停止反應(yīng)再蒸餾10 min蒸出粗產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)后處理純化，所得正溴丁烷產(chǎn)率與其他同學(xué)組相類似，這真是令人驚喜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了驗(yàn)證后加入溴化鈉，不同回流時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響，本文在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.3小節(jié)的基礎(chǔ)上，首先加入反應(yīng)原料6.2 mL (5.0 g，0.068 mol)正丁醇和提前配好的20.0 mL硫酸溶液，加熱5 min，當(dāng)體系剛好回流時(shí)，迅速加入事先稱好的8.3 g (0.08 mol)研細(xì)的溴化鈉，嚴(yán)格控制反應(yīng)回流時(shí)間為5、10、15、20和25 min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？梢钥吹剑?dāng)沒(méi)加入溴化鈉時(shí)，反應(yīng)體系為均相無(wú)色透明溶液，當(dāng)加入溴化鈉，回流5 min后即可看到分層。不同反應(yīng)回流時(shí)間體系拍照如圖6所示。

圖6 不同反應(yīng)回流時(shí)間有機(jī)層圖

從圖6可以看出，雖然回流時(shí)間不同，但有機(jī)層厚度沒(méi)有明顯變化?；亓鞣磻?yīng)結(jié)束后，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.3、1.4和1.5小節(jié)完成實(shí)驗(yàn)，所得正溴丁烷產(chǎn)量列在表1。

表1 后加溴化鈉，產(chǎn)量隨反應(yīng)時(shí)間的變化

從表1可以看出后加溴化鈉，正溴丁烷產(chǎn)量基本恒定，為確保是反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)量的影響，本文控制先加入正丁醇和硫酸溶液加熱5 min至剛好回流，然后蒸餾粗產(chǎn)物的時(shí)間也嚴(yán)格控制為10 min。表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明實(shí)驗(yàn)教材中需要回流35 min的反應(yīng)，5 min確實(shí)即可順利完成。本文推測(cè)反應(yīng)機(jī)理如圖7所示：

圖7 后加溴化鈉的反應(yīng)機(jī)理

從上述機(jī)理分析可以看出，在沒(méi)有溴化鈉存在的情況下，硫酸加熱回流促使正丁醇質(zhì)子化形成鹽，將較難離去的基團(tuán)OH-轉(zhuǎn)變成較易離去的H2O。溴化鈉的加入時(shí)機(jī)很關(guān)鍵，當(dāng)鹽形成以后，此時(shí)加入溴化鈉立即產(chǎn)生Br-并進(jìn)攻帶正電的碳原子促使H2O的離去生成正溴丁烷，如圖7中的反應(yīng)路線(1)。而如果溴化鈉一直不加入反應(yīng)體系，那么正丁醇可能進(jìn)攻帶正電的碳原子生成丁醚，如圖7中的反應(yīng)路線(2)。還有一種反應(yīng)方式，H2O離去生成碳正離子，進(jìn)而脫去β-H (圖7中路線3斜體表示的氫)，生成1-丁烯，如圖7中的反應(yīng)路線(3)。當(dāng)生成1-丁基碳正離子后，也可如圖4先發(fā)生1,2-氫原遷移生成仲丁基碳正離子，再脫去質(zhì)子得到2-丁烯，或被溴離子進(jìn)攻得到2-溴丁烷。

2.3 后加正丁醇對(duì)反應(yīng)的影響

經(jīng)典的正溴丁烷制備理論認(rèn)為正丁醇是與氫溴酸反應(yīng)得到，鑒于氫溴酸是種極易揮發(fā)的無(wú)機(jī)酸，因此在制備時(shí)采用溴化鈉與硫酸作用產(chǎn)生氫溴酸直接參與反應(yīng)?；谶@個(gè)思路，本文設(shè)計(jì)硫酸先與溴化鈉反應(yīng)生成溴化氫后再加入正丁醇反應(yīng)。具體操作為：三頸燒瓶中先加入8.3 g溴化鈉和20.0 mL硫酸溶液，加熱5 min至剛好回流，然后迅速加入6.2 mL正丁醇，反應(yīng)不同的時(shí)間后再蒸餾10 min，采用同樣的反應(yīng)條件做了反應(yīng)時(shí)間分別為5、10、15、20和25 min的實(shí)驗(yàn)，所得正溴丁烷產(chǎn)量列在表2。特別需要說(shuō)明的是，本文每次實(shí)驗(yàn)所用試劑用量保持一致，所改變的是試劑添加到反應(yīng)體系順序不一樣。

表2 后加正丁醇，產(chǎn)量隨反應(yīng)時(shí)間的變化

從表2可以看出，后加正丁醇的正溴丁烷產(chǎn)量隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)量穩(wěn)定增加，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)25 min時(shí)，產(chǎn)量與后加溴化鈉接近。分析先加溴化鈉與硫酸的反應(yīng)機(jī)理，如圖8所示。溴化鈉與硫酸作用產(chǎn)生溴化氫非?？焖伲藭r(shí)如果不迅速加入正丁醇，那么產(chǎn)生的氫溴酸高溫下立即就被硫酸氧化生成溴，發(fā)生圖4的反應(yīng)。所以后加正丁醇對(duì)正溴丁烷的生成是越快加入越好，為了和整個(gè)研究體系保持一致，本文設(shè)置為溴化鈉和硫酸溶液體系加熱5 min至剛好回流立即加入正丁醇，隨即體系中的質(zhì)子進(jìn)攻正丁醇上的孤對(duì)電子生成鹽，然后按圖7中的反應(yīng)路線(1)進(jìn)行，Br-進(jìn)攻帶正電的碳原子促使H2O的離去生成正溴丁烷。但是這個(gè)反應(yīng)決速步驟就是鹽的生成，因此反應(yīng)時(shí)間對(duì)正溴丁烷產(chǎn)量影響較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與反應(yīng)機(jī)理一致，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)物量增加，并最終和后加溴化鈉接近。

圖8 后加正丁醇的反應(yīng)機(jī)理

2.4 后加硫酸對(duì)反應(yīng)的影響

在“正溴丁烷的制備”本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[1]，教材提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為“加入8.3 g (0.08 mol)研細(xì)的溴化鈉、6.2 mL (5 g，0.068 mol)正丁醇和幾粒沸石，安裝好回流-吸氣裝置，用5%氫氧化鈉溶液作吸收劑。將事先混合并冷卻好的10 mL濃硫酸和10 mL水的混合液從三頸瓶的側(cè)口加入到混合液中，振搖?！北疚臏y(cè)試了后加溴化鈉和后加正丁醇對(duì)正溴丁烷產(chǎn)量的影響，為了全面研究加料順序與正溴丁烷產(chǎn)量的關(guān)系，按照實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容設(shè)計(jì)了正丁醇與溴化鈉加熱5 min至剛好回流后加硫酸，反應(yīng)不同時(shí)間后再蒸餾10 min的實(shí)驗(yàn)，采用同樣的反應(yīng)條件做了反應(yīng)時(shí)間分別為5、10、15、20和25 min的實(shí)驗(yàn)，所得正溴丁烷產(chǎn)量列在表3。

表3 后加硫酸，產(chǎn)量隨反應(yīng)時(shí)間的變化

從表3可以看出，后加硫酸的產(chǎn)率雖然隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，正溴丁烷產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，但是總體來(lái)說(shuō)，這個(gè)方案產(chǎn)量是最低的，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為25 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)所得正溴丁烷為3.714 g，對(duì)比上述兩個(gè)方案，產(chǎn)量較少。這主要是因?yàn)殇寤c與正丁醇完全是兩相，且溴化鈉完全不溶于正丁醇，即使處在正丁醇回流的情況，也沒(méi)有任何正溴丁烷的生成。而一旦硫酸加入后，正丁醇開(kāi)始生成鹽然后生成正溴丁烷，但與此同時(shí)，溴化鈉與硫酸作用快速產(chǎn)生溴化氫，而且因?yàn)殇寤瘹涞纳伤俣缺日〈奸_(kāi)始生成鹽要快得多，可以明顯觀察到大量的溴化氫從冷凝管上端冒出，霧狀氣體很明顯，而在后加溴化鈉和后加正丁醇的兩個(gè)方案中，沒(méi)有觀察到溴化氫逸出。

2.5 正溴丁烷1H NMR表征

鑒于核磁1H NMR表征已經(jīng)在國(guó)內(nèi)很多院校得以普及，也為了檢測(cè)正溴丁烷純度，采用核磁共振儀(400 M)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了1H NMR表征。正溴丁烷譜圖數(shù)據(jù)解析如下：1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ3.42(t,J= 6.6 Hz, 2H), 1.84 (dd,J= 14.5, 7.4 Hz, 2H), 1.53-1.41 (m, 2H), 0.94 (t,J= 7.4 Hz, 3H)。因?yàn)殇逶拥奈娮有?yīng)，在δ3.42處是與溴原子直接相連的亞甲基質(zhì)子信號(hào)峰，在δ0.94處的三重峰是甲基的信號(hào)峰。圖9為正溴丁烷的1H NMR譜圖及放大圖。

圖9 正溴丁烷1H NMR譜圖(右圖為局部放大圖)

3 結(jié)語(yǔ)

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中正溴丁烷的制備是一個(gè)具有代表性的鹵代烴合成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室主要以硫酸與溴化鈉反應(yīng)生成溴化氫，再由溴化氫與正丁醇反應(yīng)制得正溴丁烷。而中南大學(xué)材料專業(yè)學(xué)生無(wú)意之中忘記加入溴化鈉，稍冷卻后直接補(bǔ)加稱好的溴化鈉，結(jié)果表明回流反應(yīng)時(shí)間可以從35 min縮短至5 min即可完成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不但為正溴丁烷的制備這個(gè)步驟多、耗時(shí)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)節(jié)省了時(shí)間，也從另一方面表明應(yīng)該為學(xué)生提供更多的成長(zhǎng)空間，允許他們?cè)囧e(cuò)，化學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，在實(shí)驗(yàn)中遵守安全前提下，嘗試新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)該得到鼓勵(lì)。