分水器使用的新方法

分水器使用的新方法 许 萌 王俊茹 王宝丰 石 毅 金秋茹 (天津师范大学化学与生命科学学院 300074) 摘要 本文指出了目前实验教材中,分水器使用的操作方法对反应和分水的不利,以制备正丁 醚为例介绍了一种使用分水器的新方法,利用此方法可以缩短实验时间,提高产率。 关键词 分水器理论分水量 1 前言 分水器是在有机制备实验中常用做分水的一种 玻璃仪器,在有机实验中制备正丁醚、 乙酸正丁酯、 邻苯二甲酸二丁酯,苯甲酸乙酯等,这些实验都要用 到分水器。很多实验要求反应前在分水器中加入 (V-X) mL水,V是分水器体积,X是略大于理 论分水量的水的体积。操作中要求先将分水器放满 水(水位与支管口相平 ) , 再放掉XmL的水,在制备 过程中随着加热回流,产生的有机液体和水在分水 器中滞留分层,水通过有机层并到下层(反应前加入 的)水层中,直至水层逐渐增至支管口处时为反应终 点。本实验各取等量反应物,控制在相同的反应条 件下,分别用上述方法和一种新的分水方法制备正 丁醚。比较使用2种不同方法所得产物的产量、 反 应时间等一些数据,从而得出新方法是一种更好的 分水方法。 2 以正丁醚为例的对比实验 2. 1 反应原理 在酸催化下醇分子间脱水是制备对称醚的一般 方法。 反应式: 2ROH H2SO4 R - O - R + H2O 反应的进行是通过氢离子和醇先形成钅羊盐,使 氢键的极性增强,烷基中的碳原子带有部分正电核, 使之与另一分子醇中的氧结合,生成二烷基钅羊盐离 子,然后失去质子得醚,用反应式表示如下: ROH H+ OR H H + 钅羊盐离子 ROH - H2O OR R H + 二烷基钅羊盐离子 这是一个平衡反应,为了使反应向右进行,一般 采用蒸出水的方法,在反应过程中,温度高了也会有 副产物烯烃生成。因此,如何使生成的水及时分掉 是平衡反应操作中的关键。 2. 2 仪器和试剂 三口瓶、 球形冷凝管、 直形冷凝管、 温度计、 分水 器 正丁醇、 浓硫酸、 无水氯化钙 2. 3 实验步骤 (1)粗产物的制备 方法一 在100 mL三口瓶中加入31 mL正丁醇,4. 5 mL浓硫酸和几粒沸石,摇匀后按实验装置图安装 仪器。三口瓶一侧装上温度计,温度计水银球浸入 液面以下;中间口装分水器,分水器上接一回流冷凝 管,先在分水器内放置(V- 3. 5) mL水(3. 5 mL水 是略大于理论出水量)【注】:另一口用塞子塞紧。然 后将三口瓶在电热套上加热,保持反应物微沸,回流 分水,当烧瓶内反应物温度上升至135 左右,分水 器全部被水充满时,即可停止反应。 方法二(即新方法) 方法二和方法一相似,按装置图安装仪器,在分 水器中加略低于支管口的水(比支管口水平面低约 0. 5 cm) ,记下水的位置。回流过程中,首先有机物 942004年第1期 化 学 教 育 和水共沸,回流至分水器中,形成0. 5 cm高的有机 薄层。随着反应的进行,蒸出的水不断并到下层水 中,水位不断上升,当上升的水易被砸溅回反应瓶中 时,从分水器下口放掉一小部分水于量筒中,还恢复 原来水的位置,当量筒中液体达到3. 5 mL时,结束 反应。 (2)观察现象 待方法一和方法二中的反应完全后,测量各自 的粗产物产量,反应时间,观察产物炭化程度。 (3)精制产品 方法一、 方法二的粗产品分别冷却至室温,倒入 盛有50 mL水的分液漏斗中,充分摇振,静置,分层 后弃去下层液体,上层粗产物再分别依次用25 mL 水和15 mL 5 %的氢氧化钠溶液,15 mL水和15 mL饱和氯化钙溶液洗涤,然后用1 g - 2 g无水氯 化钙干燥。 3 实验结果 将干燥后的粗产品分别进行蒸馏收集140- 144 馏分,分别测得产量、 产率列表1 : 表1 回流反应时间回流反应温度炭化程度产量产率 方法一90 min很快升高至135严重7 g - 8 g31. 88 % - 36. 43 % 方法二40 min缓慢升高至135略有9. 5 g - 11 g43. 26 % - 50. 09 % 注释:本实验根据理论计算失水体积为3 mL , 由于少量有机物和水互溶的性质,在实验过程中实 际分出水的体积略大于计算量,故分水器放满水后 先分掉3. 5 mL水。 4 问题讨论 (1)新方法(即方法二)反应时间短,有利于及 时把水分净 方法一由于先放掉3. 5 mL的水,分水器空出 较大的体积,开始反应时产生的水是很少的,大部分 是未参加反应的有机原料,而这些原料滞留在分水 器中,不能迅速回到反应体系中参与反应,致使反应 时间较长。 然而,我们的新方法采用在分水器中加比支管 口水面低0. 5 cm高的水,因此在回流过程中开始有 水和有机液回流至分水器,水合并到下面的水层中, 而有机液最多只占这0. 5 cm高的空间,形成一薄层 有机层。而大量的反应液仍在反应体系中参与反 应,这样使反应物迅速地、 充分地反应,从而大大缩 短了反应时间。 在方法一中,当反应接近尾声时,水的界面接近 支管口,容易被回流液滴砸下,水又溅回反应瓶中, 使最后产生的水不易分出,而我们采取将水不断放 出的方法,使反应完全,分水彻底。 (2)新方法容易控制温度,减少副产物(烯)的 生成 方法一中由于一定量反应物滞留在分水器中造 成反应瓶中物料减少,分水器中反应物又不断回流 至反应瓶中,使反应不完全,反应时间增长,以至于 温度过高,反应瓶中炭化严重且增加了副产物(烯) 的生成。我们的新方法中的反应液及时参加反应, 大大缩短了反应时间。温度不至于上升太快,炭化 程度也得到了控制,副产物也很少。 (3)新方法后处理(精制醚)的操作方便 方法二在粗产物产量提高的同时,由于碳化物 较少,溶液的颜色也较浅。有利于洗涤、 分离。而方 法一粗产物颜色较深,洗涤时水层、 有机层界面模 糊,不利分离。 (4)新方法有利于培养学生的分析问题和解决 问题的能力 由于有机物在水中有还有一定的溶解度,一般 分掉的水都比理论计算的分水量略多,采用方法二 还可以让学生通过现象观察,反应最后是否还有水 珠通过有机层下沉到水层中,来判断反应是否完全。 这样比方法一利用规定分水体积来判断反应是否完 全,更加直观,更加培养学生的动手动脑能力。 实验室使用分水器最好方法一、 方法二对比实 验,这样从反应时间长短和操作难易来锻炼大学生 的分析问题和解决问题的能力。 综上所述,我们认为使用分水器还是新方法更 好一些。 参 考 文 献 1 曾昭琼主编.有机化学实验.第二版,北京:高等教育出版社出 版,1987 :119 - 120 2 黄涛主编.有机化学实验.第二版,北京:高等教育出版社出版, 1996 :166 - 166 3 周科衍,高占先.有机化学实验教学指导.第二版,北京:高等教 育出版社出版,19