正交法优化苯甲醛与氯仿的亲核取代反应实验报告.doc

正交法优化苯甲醛与氯仿的亲核取代反应实验报告 浙江理工大学 正交法优化苯甲醛与氯仿的亲核取代反应实验报告指导老师：报告人：学号：时间：地点：1.1实验背景1.1.1正交实验设计1.1.1.1概述任何生产部门，任何科学实验工作，为达到预期目的和效果都必须恰当地安排实验工作，力求通过次数不多的实验认识所研究课题的基本规律并取得满意的结果。例如为拟定一个正确而简便的分析方法，必然要研究影响这种分析方法效果的种种条件，诸如试剂浓度和用量、溶液酸度、反应时间以及共存组分的干扰等等。同时，对于影响分析效果的每一种条件，还应通过试验选择合理的范围。在这里，我们把受到条件影响的反系方法的准确度、精密度以及方法的效果等叫做指标；把试验中要研究的条件叫做因素；把每种条件在试验范围内的取值（或选取的试验点）叫做该条件的水平。这就是说我们常常遇到的问题可能包括多种因素，各种因素又有不同的水平，每种因素可能对分析结果产生各自的影响，也可能彼此交织在一起而产生综合的效果。正交试验设计就是用于安排多因素实验并考察各因素影响大小的一种科学设计方法。它始于1942年，之后在各个领域里都得到很快的发展和广泛应用。这种科学设计方法是应用一套已规格化的表格正交表来安排实验工作，其优点是适合于多种因素的实验设计，便于同时考查多种因素各种水平对指标的影响通过较少的实验次数，选出最佳的实验条件，即选出各因素的某一水平组成比较合适的条件，这样的条件就所考查的因素和水平而言，可视为最佳条件。另一方面，还可以帮助我们在错综复杂的因素中抓住主要因素，并判断那些因素只起单独的作用，那些因素除自身的单独作用外，它们之间还产生综合的效果。数理统计上的实验设计还能给出误差的估计。1.1.1.2基本方法根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，因而大大减少了所需进行的实验项目数，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。如考虑进行一个三因素、每个因素有三个水平的试验时，如果作全面试验，需作33 = 27次。若从27次试验中选取一部分试验，常将A和B分别固定在A1和B1水平上，与C的三个水平进行搭配，A1B1C1，A1B1C2，A1B1C3。作完这3次试验后，若A1B1C3最优，则取定C3这个水平，让A1和C3固定，分别与B因素的三个水平搭配，A1B1C3，A1B2C3，A1B3C3。这3次试验作完以后，若A1B2C3最优，取定B2，C3这两个水平，再作两次试验A2B2C3，A3B2C3，然后一起比较，若A3B2C3最优，则可断言A3B2C3是我们欲选取的最佳水平组合。这样仅作了8次试验就选出了最佳水平组合。而实际上，这些试验结果都分布在立方体的一角，代表性较差，所以按上述方法选出的试验水平组合并不是真正的最佳组合。如果进行正交试验设计，对于三因素三水平的试验来说，需要作9次试验，如图中用“”表示的点。如果每个平面都表示一个水平，共有九个平面，可以看到每个平面上都有三个“”点，立方体的每条直线上都有一个“”点，并且这些“”点是均衡地分布着，因此这9次试验的代表性很强，能较全面地反映出全面试验的结果，这就是正交实验设计所特有的均衡分散性。我们正是利用这一特性来合理的设计和安排试验，以便通过尽可能少的试验次数，找出最佳水平组合。本实验研究苯甲醛与氯仿在氢氧化钾存在下进行亲核加成反应的最佳反应条件，通过对反应物原料比、反应时间、反应温度、助溶溶剂和碱的量这五个因素的单因素实验，确定影响该反应的最大因素（2-3个），并通过正交实验法进行条件的优化，最终得到该反应的最佳反应条件。本实验中根据研究苯甲醛与氯仿反应的最优反应条件来学习正交优化实验。1.1.2实验目的1、熟悉亲和加成反应的原理与方法。2、了解和掌握影响亲和加成反应的一般因素。3、学习利用正交实验优化有机反应条件的原理和方法。1.2实验原理1.2.1反应原理苯甲醛跟氯仿反应，是亲核取代反应，具体反应式如下：亲核加成反应是有机化学中构成碳碳键的最主要的反应之一，在有机合成中具有重要的意义。一般是由具有负电子的亲核试剂进攻缺电子的碳原子，从而反应构筑碳碳键，在苯甲醛与氯仿的反应中，氯仿上的酸性质子在碱的存在下失去，从而变成三氯甲基负离子，而该负离子进一步进攻苯甲醛的羰基从而发生反应。具体反应机理如下：而另一方面，醛基具有部分的氧化性和还原性，因此在浓碱的存在下还能发生自身的氧化还原反应，反应如下：由于苯甲醛、氯仿与氢氧化钾溶液不互溶，因此反应需要加入一定量的助溶溶剂或相转移催化剂，并且反应需要剧烈的搅拌以增加氯仿与碱的接触使三氯甲基负离子容易生成。因而，影响该反应的因素除了温度、时间、原料比等影响常规亲核加成反应的因素外，还有助溶溶剂或相转移催化剂的量也是一个重要的方面。而在这么多因素的存在下找出一条最优化的反应条件实在不是一件简单的工作，就以上述反应的四因素四水平条件来说，需要进行44 = 256次实验，这显然是不现实的，而正交实验法能够解决这个问题。1.3实验步骤1.3.1苯甲醛与氯仿的亲和加成反应在装有温度计，搅拌子和回流冷凝管的100 ml三口烧瓶中，依次加入苯甲醛15 ml，氯仿12mL（1：1）和助溶溶剂DMF10mL，并分批加入2gNaOH，控制反应反应温度。待反应进行到一定时间，吸取4 mL反应液，加入等量水振荡后，吸取0.25 mL有机相，用甲醇稀释至10 mL，进行气相色谱分析测定反应混合物中产物的含量。1.3.2正交实验本次实验考虑原料比、助溶剂的量、反应时间、反应温度四个因素对实验的影响。控制2.0g的氢氧化钠碱的量。实验设计123A因素原料比(物质的量)1:11:21:3B因素助溶剂的量(ml)103020C因素反应温度()152535D因素反应时间(h)432正交实验设计及结果因素试验号A(原料比)B（助溶剂的量）C（反应温度）D（反应时间）峰面积峰面积*体积（10-6）11116920611186.8565 12226626984178.9286 13335938836160.3486 21235849238228.1203 22316283557245.0587 23126617122258.0678 31325231670266.8152 32134984307254.1997 33216328876322.7727 K1（10-6）526.1336 681.7919 699.1239 754.6879 K2（10-6）731.2468 678.1869 729.8215 703.8115 K3（10-6）843.7875 741.1890 672.2225 642.6685 K1=K1/3（10-6）175.3779 227.2640 233.0413 251.5626 K2=K2/3（10-6）243.7489 226.0623 243.2738 234.6038 K3=K3/3（10-6）281.2625 247.0630 224.0742 214.2228 极差105.8846 21.0007 19.1997 37.3398 优方案A3B3C2D1 数据来源第组 第组 第组 第组 第组 第组 第组 第组 第组1.4结果与讨论据实验步骤中数据处理结果得出最优方案为A3B3C2D1，恰为第组。而且第组所计算的峰面积*体积为最大值。讨论：1、通过上述实验，讨论影响亲核加成反应的主要因素有哪些？通过极差比较可得出影响亲和加成的最主要的因素为原料比。亲核加成反成（简单的）一般是指醛、 酮与氢氰酸、 亚硫酸氢钠等的加成。影响亲核加成反应的因素除上述外因外，还与亲核基团的活性有关，亲核基团的活性只要取决于电子效应和空间效应。电子效应：亲核试剂与醛、酮加成，羰基碳原子上的电子云密度越大，反应越难进行；电子云密度越小，则反应越易进行。而羰基碳原子上电子云密度主要取决于连接在羰基上的基团，如果基团是吸电子的，则会降低羰基碳原子的电子云密度，从而有利于亲核加成反应。如果基是供电子基团，所以连接在羰基碳原子上的烷基越多，电子云密度就越高，则越不利于亲核加成反应的进行。这就是为什么酮比醛反应活性差的主要原因之一。如果羰基与碳碳双键或芳环直接相连，由于共轭效应的结果，使羰基碳原子上的部分正电荷离域到比键或芳环上，因此不利于亲核核试剂的戟。这就是芳香醛或酮一般比脂肪醛或酮活性差的原因。空间效应： 随着醛、酮羰基上所连接的烃基的体积增大，空间位阻增大，使亲核试剂难于接近羰基碳原子。另外，随着加成反应的进行， 羰基碳原子由sp2 杂化变化成了sp3 杂化，键角由接近于120o 变成接近于109.5o ，即分子内与羰基相连的烃基距离小，相互排斥力增加，不利于加成反应。 所以，醛比酮活泼。可以预料体积小的甲基酮比一般酮要活泼，环酮比相同碳原子的烷基酮活泼。2、正交实验中选定所需优化因素的依据是什么？请以本实验为例，具体说明。 先根据单因素实验确定对反应影响最大的各个因素，在根据正交表格来确定需要优化的因素有哪些。本次试验没有做单因素实验，但从正交表结果可以得出结论，那几个因素是影响实验的最大因素。3、在苯甲醛与氯仿的反应中，为何讨论碱的影响？如果增加催化剂的碱性，反应会有什么影响，为什么？该反应中，碱的用量为催化量，而碱在本实验中起的作用为催化剂的作用，它主要用于提供OH-，用来进攻三氯甲烷，使三氯甲烷产生三氯甲烷负离子作为亲核试剂。来进攻苯甲醛。若反应体系中不存在碱，则该后续反应就不会进行，得不到产物。碱的浓度过大，则会是产率下降，这是因为在浓碱存在的情况下，醛基会发生自身的氧化还原反应，影响实验结果。4、在苯甲醛与氯仿的反应中，有时会检测到扁桃酸的存在，为什么？ 苯甲醛本身具有部分的氧化性和还原性，又由于该实验用强碱作为催化剂，在碱存在的情况下，苯甲醛发生自身的氧化还原反应，产生偏桃酸。反应式如下：有机反应都需要在剧烈搅拌的条件下进行，因为剧