正交试验法探究溴乙烷消去反应的最适条件

吴 晨 刘晓玲 黄水秀 盛寿日

江西师范大学化学化工学院(330022) 江西省上饶市上饶中学(334000)

1 背景

通过溴乙烷的消去反应去认识有机化合物官能团之间的转换是《普通高中化学课程标准》(2017年)的基本要求，然而不同版本教材涉及内容编排不尽相同。人教版教材只给出了溴乙烷的消去反应机理，并未设计演示或探究性实验；苏教版则提供了该反应的演示实验，但实验过于简单，副产物过多，收集到的乙烯量太少，定性检测不明显，往往导致课堂演示达不到预期的效果。我们在收集文献的基础上，设计了一套新的实验反应装置(如图1所示)，并通过正交试验法，对溴乙烷消去反应的适宜条件进行了探究。

图1 实验改进装置图(验证乙烯)

由于该反应下，存在E2和SN2竞争反应，即溴乙烷消去反应与溴乙烷取代反应，所以反应中溶剂的极性以及温度都会影响乙烯的产率。为了提高该反应装置下乙烯的产率，本文将采用正交试验法，对溴乙烷消去反应的最适条件进行探究，以供同仁参考。选取反应物的量是：10 mL溴乙烷、10 mL饱和氢氧化钾、15 mL无水乙醇溶液，反应温度为90 ℃。在该装置与条件下，需要40 s时间使5 mL 1%溴水褪色。

2 因素、水平、指标的选择

溴乙烷消去反应是利用在强碱性条件下，溴乙烷脱去溴化氢，产生乙烯的过程，但溴乙烷发生消去反应是有局限性的。在溶剂极性较大、反应温度较低时，溴乙烷容易发生水解反应，由于中学实验室溶剂种类较少，所以不对溶剂种类进行探究，但可以对溶剂的用量探究。除温度与溶剂(无水乙醇)之外，原料溴乙烷与强碱氢氧化钾也是必然考虑的因素。综上，选取溴乙烷用量、反应的温度、饱和强氧化钾用量、无水乙醇用量作为正交试验的因素，每个因素选择三个水平，选择L9(34)正交试验表进行实验，见表1。

表1 溴乙烷消去反应正交试验表

3 实验装置选择

基于图1的实验改进装置，撤掉乙烯的定量检测与装有水的集气瓶装置，加入排水法收集乙烯装置，导管尾部依旧采取尖管，控制气体流速，以便除杂，如图2所示。

图2 实验改进装置图(收集乙烯)

4 实验步骤

(1)按照如图2所示装置组装仪器，检验装置气密性，按照表格要求，依次取溴乙烷于50 mL圆底烧瓶，取饱和氢氧化钾溶液于100 mL三口烧瓶，关闭止水夹1和2，在三口烧瓶下方水槽注入100 ℃热水，对氢氧化钾溶液进行预热处理。

(2)待氢氧化钾温度上升到目标温度时，取无水乙醇溶液于三口烧瓶中，当气球逐渐变大，温度计显示达到目标温度后，在圆底烧瓶下方水槽注入热水，并打开止水夹1，使溴乙烷蒸汽进入三口烧瓶中。

(3)当溴乙烷完全进入三口烧瓶中后，关闭止水夹1，反应过程，观察气球，待气球有变小的趋势时，打开止水夹2，收集气体，待气体量保持不变后，读取数值。

5 实验数据处理与分析

将获得的9组数据依次填入正交试验表中，对表中数据进行直观分析，见表2。

表2 溴乙烷消去反应正交试验表

在已选择的因素与水平中，根据均值k来确定反应的最适条件，在溴乙烷用量中，均值k2最大，即反应中溴乙烷选用8 mL；在温度大小上，均值k3最大，即反应温度为100 ℃；在强碱氢氧化钾饱和溶液用量中，均值k1最大，即反应中饱和氢氧化钾溶液选用8 mL；在无水乙醇用量上，均值k3最大，即反应中无水乙醇选用15 mL。综上所述，最适条件为A2B3C1D3(溴乙烷8 mL、饱和氢氧化钾溶液8 mL、无水乙醇15 mL、反应温度100 ℃)，在此条件下，进行下一步实验，得到乙烯气体体积174 mL。

根据极差值R大小可以确定影响本实验的因素主次关系见图3。

图3 影响实验的因素主次关系图

对溴乙烷消去反应影响最大的因素是原料溴乙烷的量，但仅随其后的就是反应温度，而影响较低的是无水乙醇与饱和氢氧化钾溶液。

通过正交设计助手软件对表中数据做效应曲线图分析，如图4所示。

图4 效应曲线图

从效应曲线图可以看出，虽然溴乙烷的量对反应有较大的影响，但并不是投料越多越好，投料过多，反而效应偏低。其次，温度的选择和乙醇的量可以尽可能大一点。最后，氢氧化钾的量可以偏小，氢氧化钾越多反而效应越低。

6 总结

本文通过正交试验法对溴乙烷消去反应实验的最适条件进行探究，得出以下结论。

(1)在所选用的因素与水平中，最佳条件为溴乙烷8 mL、饱和氢氧化钾溶液8 mL、无水乙醇15 mL、反应温度100 ℃。

(2)4种因素对溴乙烷消去反应影响大小关系为：溴乙烷>温度>无水乙醇>饱和氢氧化钾。