醚的制备改进实验——二苯甲基乙基醚

马献涛，于静，袁超，邢子豪，王硕

信阳师范学院化学化工学院，河南 信阳 464000

1 引言

化学是一门以实验为基础的学科。化学实验教学对夯实大学生的化学基础知识、基本理论和基本技能，提高大学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养大学生的创新意识等具有重要的作用。近年来，虽然很多高校在本校的教学过程中开展了大量创新、综合及改进实验，但是，可供选用的教材内容还比较陈旧，落后于时代的发展[1]。为此，教育部高等学校化学类专业教学指导委员会和高等学校国家级实验教学示范中心联席会也分别于2019年、2021年在全国范围内开展了“全国大学生化学实验创新设计竞赛”活动，旨在推动我国高等学校实验教学改革[2]。

醚的制备是有机化学实验的一个重要内容，教材中对应的实验内容是甲基叔丁基醚制备和正丁醚的制备[3-5]。通过该部分学习对于深刻理解醇的化学性质和亲核取代反应的SN1、SN2两种机制具有重要的作用。目前，基于SN2机制的正丁醚的制备实验已有较多的改进方案[6-13]，但基于SN1机制的甲基叔丁基醚制备却鲜有改进实验的报道[14,15]。教材中的实验方案是以叔丁醇和甲醇为原料，在化学计量15%硫酸的催化下，采用分馏装置缓慢蒸出甲基叔丁基醚的粗品(图1A)。然后，将粗品转入分液漏斗，用水洗涤3-4次除去过量的甲醇和未反应的叔丁醇，经干燥后，加入金属钠加热回流进一步除去残留的水和醇。最后，蒸馏得到产品，收率约为50%[3-5]。上述方法具有原料易得等优点，但以下不足之处也不容忽视：

图1 实验装置的改进

① 需化学计量的硫酸催化剂，反应会产生大量的废酸；

② 反应进程不易监测(无法用薄层色谱监测)；

③ 产率较低(～50%)，学生获得感较差；

④ 产品沸点太低(55.2 °C)，易挥发、燃烧。

有关该实验的改进主要是通过分步加入叔丁醇来提高反应的收率，但需要更加复杂的反应装置(图1B)且上述其他问题尚未得到有效的解决[14,15]。鉴于此，在保证核心知识不变的前提下，本文尝试新创醚的制备实验。该改进实验基于二苯甲醇在酸催化下易生成碳正离子的特性[16,17]，用乙醇作为亲核试剂，进而发生SN1亲核取代反应，实现二苯甲基乙基醚的高效制备。相比已有的实验方案，新方案具有以下明显优势：

① 以回流装置代替分流装置(图1C)，避免了金属钠的使用和繁琐的后处理流程，使反应的安全性、可重复性得到极大的提高；

② 产物沸点较高(288 °C)，易于操作、产品收率较高(～90%)，学生的体验较好，有助于激发学生学习有机化学的兴趣；

③ 以Lewis酸氯化铁作为催化剂，可以实现二苯甲醇高效转化为碳正离子，进而发生SN1亲核取代反应，有助于学生加深对有机化学中的路易斯酸碱理论的理解，培养学生的有机化学思维模式。

④ 采用薄层色谱(TLC)、气相色谱质谱联用仪(GC-MS)跟踪反应，定性、定量地确定反应进行的程度，有助于培养学生的探究精神。

总之，本实验的改进以问题为导向，通过内容的新创，方法的引入与融合，提高教学训练的系统性与综合性，进而发展其分析与解决实际问题的能力；通过教学可以培养学生绿色化学的理念，培养学生爱护环境、热爱生活的态度[18,19]。

2 实验部分

2.1 实验原理

二苯甲醇在无水三氯化铁催化下可以形成稳定的二苯甲基碳正离子，进而与乙醇亲核试剂发生SN1取代反应。具体实验原理如图2所示。

图2 实验原理

2.2 试剂或材料

无水三氯化铁、六水合三氯化铁、氯化锌、对甲苯磺酸水合物(以上试剂均购自萨恩化学技术(上海)有限公司)，碘单质(天津博迪化工股份有限公司)、二苯甲醇(毕得医药有限公司)、无水乙醇(国药集团化学试剂有限公司)、乙酸乙酯(天津市永大化学试剂有限公司)、乙二胺四乙酸二钠(天津市永大化学试剂有限公司)，以上试剂均为分析纯。H2SO4(15%，质量分数)、盐酸(2mol·L-1)、GF254薄层色谱层析板(烟台江友硅胶开发有限公司)。

2.3 仪器和方法

主要仪器为：加热搅拌器、旋转蒸发仪、紫外灯、气相色谱质谱联用仪(7890A-5975C，美国安捷伦科技有限公司)、核磁共振波谱仪(JNM-ECZ600R/S3JNM-ECZ600R/S3，日本电子株式会社)。

气质联用仪测试条件为：HP-5毛细管柱、氦气作为载气、程序升温为：50 °C作为起始温度，以25 °C·min-1升温至250 °C，保持5 min，然后以25 °C·min-1升温至280 °C，保持5 min。

2.4 实验步骤/方法

(1) 实验步骤。

反应操作：依次向25 mL圆底烧瓶中加入二苯甲醇(2.76 g，15 mmol)、无水三氯化铁(0.48 g，3 mmol)和10 mL无水乙醇，置于120 °C油浴中加热搅拌。2 h后，TLC显示反应已经完全(V石油醚/V乙酸乙酯= 50/1，产物Rf= 0.6)，终止反应。反应液旋转蒸发浓缩得棕黄色粘稠液体。

产物纯化：粗产物用40 mL乙酸乙酯溶解，转至125 mL分液漏斗，依次用40 mL 2 mol·L-1盐酸、40 mL饱和EDTA溶液，40 mL饱和氯化钠溶液洗涤一次，有机相用无水硫酸钠干燥，过滤得淡黄色滤液。将滤液用柱层析(硅胶填料，200-300目)进一步过滤除去残余的铁离子，得无色溶液，旋转蒸发浓缩得无色粘稠状液体产品，分离产率86%-88%。

产物纯度分析及结构确定：产品用乙酸乙酯溶解，采用GC-MS分析，进一步确定纯度和分子量(纯度95%-97%，分子量m/z= 212)；用氘代氯仿溶解，测定核磁共振氢谱和碳谱，确定结构。

(2) 注意事项。

无水氯化铁易吸潮，称取动作要快，避免实验误差。

3 结果与讨论

3.1 条件优化

以二苯甲醇(1a)和乙醇(2a)作为反应原料，重点对无水三氯化铁、氯化锌、对甲苯磺酸、碘单质、15%硫酸等反应催化剂展开筛选(表1)。结果表明以Lewis酸无水三氯化铁为催化剂，120 °C反应2 h，二苯甲基乙基醚(3a)的气质收率为92% (表1，序号1)。使用其他常用的Lewis酸催化剂如氯化锌，可能由于Lewis酸性不够强，并不能有效实现二苯甲醇碳氧键的切断，只能观测到痕量的产物(表1，序号2)；使用碘单质作为催化剂也可以以87%收率得到预期产物3a (表1，序号3)。进一步筛选其他Brønsted酸，如：对甲苯磺酸、15%硫酸，也不能进一步地提高反应的收率(表1，序号4-5)。使用六水合氯化铁作为催化剂，结果表明反应2 h，只能以77%收率得到预期产物(表1，序号6)。这些实验表明，水有可能会对反应起到一定的抑制作用(表1，序号5-6)。进一步加入分子筛除水来改善反应，发现也不能提高反应收率(表1，序号7)。鉴于推广为本科教学实验的可行性，仍选用无水三氯化铁作为最优催化剂(表1，序号1)。以上筛选表明在合适的Lewis酸或Brønsted酸的催化下，二苯甲醇可高效转化为二苯甲基碳正离子中间体，进而与乙醇发生SN1取代反应。这将有助于学生深刻理解碳正离子中间体、有机化学中的路易斯酸碱理论和SN1亲核取代反应机理。最后，以无水三氯化铁作为催化剂平行重复实验10次，平均收率为92% (表1，序号8)。因此，反应的最优条件为：二苯甲醇(15 mmol)，乙醇(10 mL)，无水三氯化铁(20 mol%)，120 °C回流反应2 h (表1，序号1)。

表1 催化剂筛选a

3.2 产物的分离纯化与鉴定

(1) 反应的副产物分析。

根据反应机理和GC-MS分析，反应会产生少量的二苯甲基氯、二苯甲基醚等副产物。因此，需要设计合理的方案除去二苯甲基氯、二苯甲基醚以及原料乙醇和催化剂三氯化铁，以达到分离纯化的目的。

(2) 分离纯化过程设计。

① 除去乙醇：本实验方案采用旋蒸的方式除去反应体系中未反应的乙醇，在此，回收的乙醇也可以实现再利用，减少废物的排放。

② 除去三氯化铁：这是本实验的难点之一。将反应液依次用40 mL 2 mol·L-1盐酸、40 mL饱和EDTA溶液洗涤一次，以最大限度地除去三氯化铁。在此充分利用了三氯化铁的水溶性以及铁离子与EDTA可以螯合配位的特性，将分析化学中的知识用于解决有机化学中的实际问题。进一步将滤液用柱层析(硅胶填料，200-300目)过滤除去残余的铁离子，可以发现溶液从淡黄色变为无色液体。由于铁离子具有Lewis酸性，会与产物醚中氧原子位点结合，仍有少部分铁离子残留，通过硅胶柱可以进一步除掉铁离子。在此，可以引导学生分析“为什么洗涤得到的产品仍呈淡黄色”，帮助学生加深对有机化学中的路易斯酸碱理论的理解，培养学生的有机化学思维模式。

③ 除去二苯甲基氯：在上述EDTA洗涤的过程后，可以除去体系中的二苯甲基氯副产物。

由于二苯甲基醚的量很少，没有设计二苯甲基醚的除杂方案。在此，可以引导学生思考“为什么会有二苯甲基醚生成”，进一步认识碳正离子中间体。

(3) 产物的纯度分析和鉴定。

通过TLC、GC-MS等对产品纯度进行分析，使反应更具可视性，使学生掌握科研探究的基本方法。利用核磁共振技术对产物进行表征(图3)，进一步帮助学生将理论联系实际，提升学生学习的获得感。产物二苯甲基乙基醚的核磁共振表征如下：

1H NMR (600 M, CDCl3)δ7.41-7.34 (m, 4H)，7.35-7.30 (m, 4H)，7.29-7.20 (m, 2H)，5.37 (s, 1H)，3.54 (q,J= 7.2 Hz, 2H)，1.27 (t,J= 7.2 Hz, 3H)；13C NMR (150 M, CDCl3)δ142.6，128.5，127.5，127.1，83.6，64.7, 15.5。

4 结语

本实验装置简单，选用二苯甲醇与乙醇为原料、无水三氯化铁作为催化剂，可以以约90%的收率得到二苯甲基乙基醚产物。实际教学过程中，可根据具体教学条件选用TLC或TLC与GC-MS结合对反应过程进行监测，练习了萃取洗涤、干燥、过滤、旋转蒸发等基本有机操作，后处理简单，具有绿色清洁、操作简单、成本低廉的特点，便于学生加深对碳正离子中间体的性质、有机化学中的路易斯酸碱理论、SN1机理和绿色化学理念的理解。

本实验所需试剂费用约为2.0元/人次。溶剂乙醇、乙酸乙酯等可回收重复使用，废弃物少。实验全部流程约3 h，适合大规模的本科实验教学，可以在基础实验课中推广。

5 课后思考题设计

(1) 二苯甲基醚是如何生成的？

答：二苯甲醇在形成碳正离子后，二苯甲醇自身也可以作为亲核试剂进攻二苯甲基碳正离子，进而生成了二苯甲基醚副产物。

(2) 为什么二苯甲基碳正离子是稳定的碳正离子？

答：受p-π共轭效应的影响，碳正离子上的正电荷可以很好地被两个苯基分散，所以二苯甲基碳正离子是非常稳定的碳正离子。

(3) 除去Fe3+离子时，依次用2 mol·L-1盐酸、EDTA溶液洗涤的目的是什么？

答：2 mol·L-1盐酸洗涤的目的在于抑制Fe3+离子水解生成大量絮状氢氧化铁沉淀，使分层变得更加明显；EDTA溶液洗涤的目的在于与Fe3+螯合配位，进而去除多余的Fe3+离子。

补充材料：可通过链接http://www.dxhx.pku.edu.cn 免费下载。