有机化学氧化反应实验课教案

有机化学氧化反应实验课教案一、教学目标（一）知识与技能1.掌握高锰酸钾氧化芳烃侧链、铬酸氧化醇、过氧酸环氧化烯烃的反应原理及应用场景，理解不同氧化剂的选择性氧化规律。2.熟练操作回流反应、萃取分液、薄层色谱监测、减压蒸馏/简单蒸馏等有机实验核心技术，规范使用强氧化性、腐蚀性试剂。（二）过程与方法1.通过“实验现象观察→产物结构推断→反应机理分析”的逻辑链，培养基于证据的科学推理能力。2.以小组为单位设计“氧化剂/溶剂优化实验”，提升实验设计、变量控制与结果分析能力。（三）情感态度与价值观1.树立“安全第一”的实验意识，掌握强氧化剂（如过氧酸、铬酸）的防护与应急处理方法。2.体会“绿色化学”理念，思考传统氧化反应的污染问题与绿色氧化技术的发展方向。二、教学重难点（一）教学重点1.三类氧化反应的操作流程（如铬酸氧化的温度控制、过氧酸滴加的安全操作）。2.氧化反应的选择性规律（如高锰酸钾对芳烃侧链的氧化、过氧酸对烯烃的立体选择性环氧化）。（二）教学难点1.反应条件（温度、溶剂、氧化剂用量）对反应速率与产物选择性的影响分析。2.复杂后处理过程（如乳化体系的破乳、多步萃取的效率提升）的操作优化。三、教学方法讲授法：结合反应机理动画（如过氧酸的亲电加成），讲解氧化反应的电子转移规律。演示法：教师演示“过氧酸滴加的低温控制”“薄层色谱的点样与展开”等关键操作。小组合作探究法：学生分组完成3组平行实验（变量为氧化剂/溶剂），对比分析结果。问题导向法：以“为何高锰酸钾氧化甲苯需加水回流？”“铬酸氧化后为何用乙醚萃取？”等问题驱动思考。四、教学过程（一）实验原理（核心反应）1.高锰酸钾氧化芳烃侧链：甲苯（C₇H₈）在碱性/中性条件下被KMnO₄氧化为苯甲酸盐，酸化后得苯甲酸（C₇H₆O₂）。反应中MnO₄⁻被还原为MnO₂（棕色沉淀），体现强氧化性。应用：工业上用于从煤焦油芳烃制备芳香酸（如苯二甲酸）。2.铬酸氧化仲醇：环己醇（C₆H₁₁OH）被重铬酸钠（Na₂Cr₂O₇）/硫酸体系氧化为环己酮（C₆H₁₀O），Cr₂O₇²⁻被还原为Cr³⁺（绿色溶液）。反应需控制温度（<55℃）避免过度氧化（如生成己二酸）。应用：酮类化合物的重要合成方法，如甾体激素的中间体合成。3.过氧酸环氧化烯烃：环己烯（C₆H₁₀）与过氧乙酸（CH₃COOOH）发生亲电环氧化，生成环氧环己烷（C₆H₁₀O）。反应具有顺式立体选择性，且不影响双键上的取代基。应用：环氧烷烃是合成醇、醚、胺的关键中间体（如环氧乙烷制备乙二醇）。（二）仪器与试剂实验模块仪器（50mL规模）试剂（分析纯）-------------------------------------------------------------------------------------------------------高锰酸钾氧化甲苯圆底烧瓶、回流冷凝管、布氏漏斗、抽滤瓶、分液漏斗甲苯（5mL）、KMnO₄（3g）、10%H₂SO₄（20mL）、乙醚（20mL）、无水MgSO₄铬酸氧化环己醇圆底烧瓶、回流冷凝管、电热套、旋转蒸发仪环己醇（5mL）、Na₂Cr₂O₇（6g）、浓H₂SO₄（5mL）、乙酸（10mL）、无水Na₂CO₃过氧酸环氧化环己烯圆底烧瓶、冰浴装置、薄层色谱板/展开缸环己烯（5mL）、30%过氧乙酸（10mL）、二氯甲烷（20mL）、NaHSO₄（0.5g）（三）实验步骤（分模块操作）模块1：高锰酸钾氧化甲苯制备苯甲酸1.回流氧化：在50mL圆底烧瓶中加入5mL甲苯、20mL水，安装回流冷凝管（进水从下口），电热套加热至沸腾（约100℃）。分批加入3gKMnO₄（每次0.5g），搅拌至紫色褪去后再加入下一批，控制温度≤110℃（避免甲苯挥发），总回流时间30min，至无油珠（甲苯层消失）。2.后处理：冷却至室温，抽滤（布氏漏斗）除去MnO₂沉淀，滤液用10%H₂SO₄酸化至pH=2（试纸检测），析出白色沉淀。再次抽滤，用冷水洗涤粗品（2-3次），抽干。3.纯化：粗品加水（20mL）加热溶解，趁热过滤（除不溶物），滤液冷却结晶，抽滤、干燥，称重计算产率（理论产量≈5.7g）。模块2：铬酸氧化环己醇制备环己酮1.铬酸配制：100mL烧杯中加6gNa₂Cr₂O₇、10mL水溶解，缓慢滴加5mL浓H₂SO₄（放热，冷水浴冷却），得橙红色铬酸溶液，冷却至室温。2.氧化反应：50mL圆底烧瓶中加5mL环己醇、10mL乙酸，冰浴冷却至15℃以下。缓慢滴加铬酸溶液（滴管），控制温度≤55℃（温度计监测），滴毕后55-60℃水浴搅拌30min，至溶液变绿（Cr³+生成）。3.后处理：冷却后加20mL水，转移至分液漏斗，用20mL乙醚萃取2次（合并有机相）。用10%Na₂CO₃溶液洗涤至中性（pH试纸），再用水洗1次，有机相用无水MgSO₄干燥30min。4.纯化：过滤除干燥剂，乙醚溶液旋蒸（40℃）除醚，剩余液体简单蒸馏（收集____℃馏分），称重计算产率。模块3：过氧酸环氧化环己烯制备环氧环己烷1.环氧化反应：50mL圆底烧瓶中加5mL环己烯、20mL二氯甲烷，冰浴冷却至0℃。缓慢滴加10mL30%过氧乙酸（搅拌，温度≤5℃），滴毕后加0.5gNaHSO₄（催化剂），室温搅拌2h，TLC监测（展开剂：石油醚/乙酸乙酯=5:1，显色剂：KMnO₄溶液）至原料点消失。2.后处理：反应液用10%NaHCO₃溶液洗涤2次（除过量过氧酸），水洗1次，有机相用无水MgSO₄干燥30min。3.纯化：过滤，旋蒸（40℃）除二氯甲烷，剩余液体蒸馏（收集____℃馏分），称重计算产率。（四）注意事项（安全与操作关键）强氧化剂防护：KMnO₄沾肤立即用大量水冲洗+维生素C溶液擦拭；铬酸溶液溅肤用5%NaHCO₃湿敷；过氧酸需低温储存/现配现用，剩余液用Na₂SO₃还原后排放。萃取分液技巧：放气时漏斗倾斜、上口朝下；乳化时加少量饱和食盐水破乳；分层后下层从下口放出，上层从上口倒出。加热与蒸馏：回流加沸石防暴沸；蒸馏前检查装置气密性，控制温度避免产物分解（如过氧酸蒸馏易爆炸，需旋蒸除溶剂）。（五）数据处理与分析1.产率计算：以模块1为例，甲苯（密度0.867g/mL）的物质的量=（5mL×0.867g/mL）/92g/mol≈0.047mol，理论产量=0.047mol×122g/mol≈5.7g，产率=（实际产量/5.7g）×100%。2.纯度分析：苯甲酸：测熔点（纯品122.1℃），熔程>2℃说明含杂质；环己酮：测折光率（n₂₀ᴰ=1.4505）或红外（羰基1715cm⁻¹）；环氧环己烷：红外（环氧基团____cm⁻¹）或折光率（n₂₀ᴰ=1.4620）。3.误差分析：产率偏低可能因反应不完全（氧化剂不足）、分离损失（萃取不完全）、副反应（如甲苯过度氧化为CO₂）。（六）拓展思考（深化理解）1.氧化剂选择性对比：为何KMnO₄氧化甲苯侧链，却氧化烯烃为邻二醇？（提示：反应中间体稳定性差异）2.绿色氧化探索：设计“H₂O₂/钨酸钠催化氧化环己烯”实验，对比产率与传统过氧酸法的环保性（H₂O₂的还原产物为H₂O）。3.溶剂效应研究：用乙醇代替乙酸氧化环己醇，观察反应速率与产物（是否生成酯？），分析溶剂极性/亲核性的影响。五、教学评价（一）过程性评价（占60%）操作规范性：装置搭建（冷凝管方向、分液漏斗检漏）、试剂添加（滴加速度、称量精度）、安全操作（手套/通风橱使用）。小组协作：分工合理性（如一人控温、一人滴加）、问题解决主动性（如乳化时提出破乳方案）。（二）结果性评价（占40%）实验报告：原理阐述（反应式+机理）、现象记录