溴乙烷制备实验的溴乙烷产率影响因素研究

王 珏，王玉林，李 换

(黔南民族师范学院化学化工学院，贵州 都匀 558000)

制备实验是基础有机化学实验课教学内容的重点，溴乙烷的制备是一个以SN2双分子亲核取代反应为原理进行合成的实验。用乙醇、溴化钠和硫酸作用是实验室制备溴乙烷的常用方法。目前，高等教育有机化学实验众多教材中所介绍的“溴乙烷的制备”都采用了相同的方法和步骤，只是反应物的用量和实验规模大小的不同，但普遍存在产率过低的问题，与理论产量的差距甚大，导致实验效果不够明显。为了改进该实验，有些学者研究了加料顺序[1]对溴乙烷产率的影响，或者是提高乙醇的配比[2]而增加溴乙烷产量。但缺乏系统地对实验条件的影响溴乙烷产率的研究。为了掌握实验条件对溴乙烷产率的影响，笔者通过改变实验条件：如改变加料顺序、改变实验装置、改变水的用量、改变硫酸的用量、改变溴化钠的用量，对产物产量的影响，寻找出能够使产物的量最大的最佳实验条件。

1 实验过程

1.1 实验室制备溴乙烷的反应原理

实验中又涉及如下副反应：

1.2 实验仪器

圆底烧瓶；球形冷凝管；接受弯头；温度计；蒸馏头；分液漏斗；锥形瓶。

1.3 实验药品

无水乙醇；溴化钠(无水)；浓硫酸(d=1.84)；饱和亚硫酸氢钠；无水氯化钙。

1.4 实验步骤

文献[1-7]均有下列步骤：

(1)在圆底烧瓶中加入10 mL(0.15 mol)无水乙醇及9 mL水，在不搅拌下缓缓加入浓硫酸19 mL(0.34 mol)，混合冷却至室温；

(2)在搅拌下加入研细的溴化钠15 g(0.15 mol)和几粒沸石，装配成普通的蒸馏装置；

(3)接受瓶置于冰水浴中冷却，接引管的支口用橡皮管导入到下水道或室外；

(4)小火加热烧瓶，控制火焰的大小，约30～35 min后慢慢加大火焰到无油滴蒸出为止；

(5)将接收器中的液体进行分液，用1～2 mL浓硫酸洗涤粗产物，再分去下层的硫酸层，溴乙烷层倒入蒸馏瓶中，收集35～40 ℃馏分。

2 实验结果

2.1 实验装置的改变对产物量的影响

文献[1]教材的装置是一般的普通回流装置，笔者认为，因为溴化氢容易挥发，有可能来不及参与乙醇反应而从尾接管逸出，所以将装置在原有的基础上加上一个回流装置，上口堵塞，从而使溴化氢有一定的缓冲区域和停留时间而得到充分利用。装置使用标准磨口玻璃仪器，改进的装置图如图1所示。

图1 实验室制备溴乙烷的改进装置

以文献[1]教材的实验装置和改进后的装置分别操作实验，实验步骤同上，加料顺序：水→浓硫酸→乙醇→溴化钠，实验结果见表1。

表1 实验装置对溴乙烷产量的影响

装置的合理与否是关系合成成败或产量高低的关键，我认为采用改进后的装置应用于此反应较为合理，恰当，可以明显提高产率。

2.2 水量的改变对产物量的影响

用19 mL(d=1.84)(35 g 0.34 mol)浓硫酸，10 mL无水乙醇，15 g(0.145 mol)溴化钠，5～18 mL水，饱和亚硫酸氢钠溶液进行实验。

实验步骤：同上，加料顺序同上。

实验结果：见图2。

图2 水量对产物的影响

实验结论：通过以上实验数据可以看出，当水量为13 mL时，溴乙烷的产量最高；水量较多或者较少时，溴乙烷的产量都会降低，而且在实验过程中发现粗品的颜色会随着水量的增加而变浅，由此得出本实验的最佳的用水量为13 mL。此条件下实验时，产物的产量为7.12 g。

分析：(1)反应是SN2双分子亲核取代反应，反应物乙醇的空间位阻小，有利于亲核试剂进攻，反应速率与反应物的浓度和试剂浓度都成正比，而乙醇又能与水形成氢键，与水任意比混溶。因此，水量的增加可以提高溴乙烷的产量，但是水量较多也会降低硫酸的浓度，导致硫酸的洗涤和催化效果变差，从而使最后的产物产量降低。

2.3 溴化钠用量对产物量的影响

用13 mL 0.72 mol水；10 mL无水乙醇；11～21 g的溴化钠；19 mL(d=1.84)(35 g，0.34 mol)浓硫酸和饱和亚硫酸氢钠进行实验。

实验步骤：同上，加料顺序参照文献[2]的结论。

实验结果：见图3。

图3 溴化钠用量对产物的影响

实验结论：如果不是乙醇过量而是溴化钠过量，产量会明显降低，当溴化钠的用量为17 g之前，乙醇过量，溴乙烷的量随溴化钠用量的增多而增多，溴化钠的用量为17 g时，相同的实验操作条件下，产物的产量最大，约为7.78 g，之后随溴化钠用量的增多产物溴乙烷的量反而减少。

分析：溴化钠的用量增加时可以增加溴乙烷的产量，但也不是越多越好，其用量有一个度的问题，所以溴化钠的用量一定要把握好，否则因为溴化钠量多而因为其吸水性使水量减少，产物的产量降低，再者溴化钠较昂贵，若使其过量是不经济的。

3 结 论

但是，如果按照最佳物料配比：13 m水；10 mL乙醇；17 g溴化钠的配比进行实验，此时，溴化氢的还原电位为-1.11 V，硫酸的氧化电位为-0.95 V，很难发生上述的副反应，也即使硫酸在最佳实验条件下的氧化性可以忽略，故解释了最佳实验条件选择的根本原因。可以得出最佳实验装置以及三种物料量的最佳数值：水量为13 mL、浓硫酸为19 mL、乙醇的体积为10 mL、溴化钠的用量为17 g，四者用量的质量比约为13:35:7:17，在此实验条件下，产物的产量约为7.8 g，折光率为1.4234(20 ℃)。

(2)本实验通过改变改变加料顺序、改变实验装置、改变水的用量、改变硫酸的用量、改变溴化钠的用量等，较系统地探究了实验条件对产物产量的影响。对如何改变教学的僵化实现教学不断进步、如何强化实际教学效果与理论的结合，进行了有益的尝试。对培养了学生的严谨的科学态度、敢于怀疑批判的科学精神、敢于失败中求真的毅力、勇于践行的科学素养等的教学效果良好。