常州工程职院化学实验技术教案02有机原料正溴丁烷的制备

《化学实验技术》项目 2: 有机原料正溴丁烷的制备情景设置：AAA 贸易公司需要向“工程学院应化系有机化工研究所”购买 1kg 纯度在 90%的有机原料正溴丁烷，请对外技术合作处完成此任务。角色分配：学生——产品研发部的化学合成试验员；教师——产品开发室主任、工程师。教学组织形式：开发室需对化学合成实验员进行分组，每 6 人组成一工作组，选一名组长负责工作，一个工作组中设立 3 个试验小组，每 2 人为一小组。在日后的工作中，产品合成路线选择、开发方案讨论、提交改进意见等工作以工作组为单位开展，具体的小试实施过程由试验小组完成。任务一：学生查阅资料、确定方案教学任务：能通过资料查阅，运用卤化反应的方法、种类、影响因素、醇的取代及相关结构特征等知识，学习选择合成路线的一般原则，进而确定正溴丁烷的制备方案和具体工艺。教学方法：引探法、讲练结合。教学设计：告知任务，下达任务单↓查阅正溴丁烷的合成路线↓工作组汇报正溴丁烷的合成路线↓评价各工作组的合成路线↓确定苯丙酮的合成路线、具体工艺↓总结教学内容：一、下达任务书表一、有机原料正溴丁烷的制备任务书项目名称正溴丁烷的制备项目来源 AAA贸易公司产品要求无色液体，纯度在90%以上，数量1kg。完成时间（10学时）承接单位（组）制备方法项目要求以工作组为单位学习该项目，以实验小组（2人/小组），6人/ 大组，完成制备过程。产率＞90%。能力要求：1、能学会查阅资料，找出正溴丁烷的不同制备方案。能确定最佳的实验室制备方案。学会运用带气体吸收的回流操作、学会蒸馏操作、洗涤操作，制备出正溴丁烷粗品。能用蒸馏的方法，提纯并制备正溴丁烷精品。能对正溴丁烷用测折射率的法进行含量检测。并进行结果评价知识要求：了解卤代烷的制备方法；了解醇、醚、卤代烃的物理性质、原料及产品（正溴丁烷、正丁醇、浓硫酸）的物性常数及相关性质。理解、带有气体吸收的回流操作、洗涤与干《化学实验技术》燥、简单蒸馏的原理、结果分析的方法。折射率的原理。进度安排任务 1、学生查阅资料、确定方案任务 2、正溴丁烷的制备方案的的实施任务 3、正溴丁烷的制备的理化数据的检测、结果评价课前，各小组成员需完成表二、表三、表四（供参考！）表二、正溴丁烷的主要性质产品名称商业名：英文名：俗名：系统法命名：分子式结构式CAS号码分子量外观杂质含量沸点密度熔点水溶性折射率闪点水分市场售价用途安全与贮运表三、相关有机物的物理性质名称相对分子量外观相对密度熔点℃沸点℃溶解性毒副作用正丁醇正溴丁烷溴化钠浓硫酸正丁醚 1­丁烯碳酸氢钠表四相关有机物的化学性质名称正丁醇正丁烯结构式官能团《化学实验技术》化学性质 1 应用化学性质 2 应用化学性质 3 应用化学性质 4 应用化学性质 5 应用其它二、查阅正溴丁烷的合成路线 1、教师活动：撰写调研报告，提供参考资料n 1．全新用途将催生他莫昔芬的新兴市场，《制药原料及中间体》，2008年第11 期n 2． （ChemBLink 化学品数据库及供应商）n 3．；n  n 4．中国药典（2005年版）；n 5．（国家知识产权局）n药品注册管理办法；药物非临床研究质量管理规范认证管理办法。n 7． n 8．朱宝泉等主编，新编药物合成手册（上、下卷），第一版。北京：化学工业出版社，2003 n 9．刘军，张文雯等主编，有机化学，北京：化学工业出版社，2005 2、课后研发员在机房运用互联网、图书馆资料查阅正溴丁烷的合成路线。工作组整理、汇总信息。分析选择，准备课堂汇报。三、工作组汇报正溴丁烷的合成路线 1、正溴丁烷的主要物理性质及用途英文名：n-bromobutane。构造简式（结构式）：CH3CH2CH2CH2Br，分子式C4H9Br。无色透明有芳香味的液体，熔点-112.4℃，沸点101.6℃，相对密度1.2758（20/4℃），折射率1.4398（20℃），闪点23℃。不溶于水，溶于醇、醚、氯仿等有机溶剂。有机合成的重要原料，在有机合成中主要用作烷基化剂，用于合成麻醉药盐酸丁卡因、抗胆碱药溴化丁基东莨菪碱，也用于生产染料和香料。是有机合成的重要原料，在有机合成中主要用作烷基化剂，用于合成麻醉药盐酸丁卡因，也用于生产染料和香料。 2、各组汇报正溴丁烷的合成路线 A：氢溴酸法《化学实验技术》由乙醇，溴化钠和硫酸作用制得.反应式为：氢溴酸法是生产正溴丁烷的经典方法，也是合成溴代烃的重要方法。分子量小的伯醇可与氢溴酸及浓硫酸一起反应；分子量大的伯醇溴代时，可将溴化氢通到加热至 100~110℃的醇中。对醇氢溴酸法的改性：由于上述方法要提高生产率需使用大大过量的丁醇和硫酸。改进后的方法是在溴中加入无水丁醇和硫磺，使溴慢慢与丁醇作用，经冷却和去酸既得溴丁烷。反应式为： 3Br2+S+4H2O→6HBr+H2SO4 HBr+C4H9OH→C4H9Br+H2O减少了产品中的杂质含量，产率提高了3%~5%。但该法在生产过程中，伴有大量稀硫酸的生成，它的排放将带来一系列的环保问题。 B、卤化磷法正丁醇+三溴化磷(无色或淡黄色发烟液体, 有刺激性臭味, 有腐蚀性. 遇水分解生成溴化氢有毒气体) 原料价格（2005­8）比较：三溴化磷：20000Y/T、浓硫酸：1900Y/T、溴化钠：6000Y/T。成本较高。此法合成低分子溴代烃的产率比氢溴酸法，而且合成仲卤代烃及叔卤代烃时，异构化副反应显著减少。但卤代磷为发烟液体, 有刺激性臭味, 有腐蚀性. 遇水分解生成溴化氢有毒气体，且价格较氢溴酸高。适用于高温或结构复杂的醇的卤代反应。 C、亚硫酰卤法亚硫酰溴：因不稳定而很难得到，不用它制备溴代烷亚硫酰氯是醇较有效的卤代试剂之一，优良的卤化剂，无残留产物，副产物少，产率高。特别适合伯醇取代，若选用合适的催化剂如：有机碱、二甲基甲酰胺（DMF）、六甲基磷酰胺（HMPTA）可加快反应速度，提高选择性。但副产物为两种有毒气体，污染大。且原料稳定性差。四、确定合成路线合成路线的选择原则：优质、高产、低耗、可行。综合上述考虑，考虑到实验室的条件、原料的采购、环保问题，采用方法 1 或 2 较为可行。总结实验室有机合成路线的原则：确定选用氢溴酸法。 NaBr + H2SO4 HBr + NaHSO4 CH3CH2CH2CH2OH + HBr CH3CH2CH2CH2Br +H2O 正丁醇 1­溴丁烷 ROH +SOCl2 吡啶 RCl+ SO2 + HCl CH3CH2CH2CH2OH + PBr3 CH3CH2CH2CH2Br+ H3PO3 CH3CH2CH2CH2OH + HBr CH3CH2CH2CH2Br +H2O 正丁醇 1­溴丁烷《化学实验技术》五、确定正溴丁烷的具体工艺条件 1、拟定小试方案教师活动：拟定小试方案思路是什么？n小试方案内容：各原料辅料的名称用量、反应仪器名称规格、反应装置、工艺指标、小试步骤。n合成过程中应考虑的工艺指标主要有：原料比、溶剂、反应仪器及装置、反应时间、反应温度。反应原理：学生活动：写出主反应：醇和氢溴酸作用可生成溴代烷，而氢溴酸通过溴化钠与硫酸反应生成。副反应： 2、确定反应条件提问：反应条件确定可从哪几方面考虑？（一）原料 1．如何配料？正丁醇为主要试剂，设用量为：0.2mol，可得质量为：15克，但是液体，量体积比称量更方便，查得其密度，应量取18.5mL。氢溴酸用多少？它是一挥发性物质，并可能由于副反应有所损失，应比理论量多。定原料比：1：1.2，可用溴化钠与浓硫酸制0.24mol氢溴酸。浓硫酸的量如何选择？硫酸在反应中与溴化钠作用生成氢溴酸，还是催化剂，若硫酸用量和浓度过小，不利于主反应的发生。但硫酸用量和浓度过大，会加大副反应进行。一般选择浓硫酸：溴化钠（mol）=2.3。浓硫酸应 54 克(0.2*1.2*2.3*98)，29ml。溴化钠：25 克（0.2*1.2*102.89）。 2．反应为非均相，是否需要溶剂？是否要加水？加水溶解溴化钠，因醇与水互溶，三者可形成混合均匀的反应体系。溴化钠气体易挥发，加水。加少量水可防止反应进行时产生大量泡沫，减少副产物乙醚的生成。可逆反应，体系生成水，加入的水不宜多。加20ml水。但溴化钠遇水结块，加溶剂是对非均相反应的常用方法，除此还可用搅拌。本实验也用。振摇选择反应器（250mL烧瓶）反应器的1/2~2/3。 3．如何加料？氢溴酸用多少？有机反应中，为阻止副反应、控制反应条件，对加料次序都会有一定要求。溴化氢挥发性大——加料次序：先加溴化钠，再加硫酸、正丁醇，可将粘在瓶口的固体冲掉。如果在加入正丁醇时不把粘在瓶口的溴化钠洗掉，必然使体系漏气，溴化氢挥发，导致溴乙烷产率降低。溴化氢挥发性大——本反应为放热反应，不加热也会进行，而且越来越快。如果装置安 CH3CH2CH2CH2OH + HBr CH3CH2CH2CH2Br +H2O 正丁醇 1­溴丁烷 NaBr + H2SO4 HBr + NaHSO4 2CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 +H 2 O H 2 SO 4 正丁醚《化学实验技术》装速度太慢，生成的溴乙烷将逸入空气中，导致产率下降。正丁醇要分批慢慢加入，以防氧化。 4、浓硫酸的量如何选择硫酸既是反应物，也是催化剂，用量过小，不利于主反应的发生；过大，会加大副反应进行。5、除去副产物醚的反应原理醚的性质：醚的官能团，C­O­C 键．性质不活泼，常温下不与金属作用，不与碱、氧化剂、还原剂反应。醚常作为反应的溶剂．利用醚可以和浓酸生成的盐性质，除去正丁醚。 6、溴化氢易挥发且毒性较大，采用带尾气吸收的回流冷凝装置（二）反应 1．如何控制副反应？从温度上控制——通过控制温度：本反应为放热反应，反应温度不宜高。——溴化氢挥发性大，温度高，会逸出。——正丁醇在浓硫酸作用下，加热可脱水，得正丁醚或丁烯，避免高温。加热要慢，反应要平衡。加还原剂控制——Br ­ 有还原性，浓硫酸有氧化性，发生氧化还原反应，使 Br ­ 成为单质，影响主产物的生成。氧化后会有红棕色溴生成，加热温度不可过高，若有红棕色溴生成，可加亚硫酸氢钠。 Br 2 +3NaHSO 3 2NaBr+NaHSO4+2SO2+H2O 2．如何控制反应时间？在反应过程中，既不要反应时间不够，造成产品收率低；也不要蒸馏时间太长，将水过多蒸出造成硫酸钠凝固在烧瓶中。——产物正溴丁烷为有机物，属油相，是否蒸完，可从下面几方面判断：1）馏出液是否由混浊变为澄清；2）反应瓶上层油层是否消失；3）取一试管收集必滴馏出液，加水摇动，观察是否有油珠出现，如无表示馏出液已无有机物，蒸馏完成­­­­­­蒸馏不溶于水的有机物时，常用此法。 3．停止反应应注意什么？先将接收瓶与尾接管分开，防止倒吸。瓶中残液硫酸氢钠冷却后结块，不易倒出。待反应瓶稍冷后，应趁热倒出，并及时清洗烧瓶。（三）、反应混合物分离————粗产品精制 1．粗产品在哪里？——油水两层—分离：要油层，在哪层？如何判断？在下层 2．粗产品中有什么？反应物n-C4H9OH，n-C4H9Br，（n-C4H9）2O，HBr，H2SO4，NaHSO4，H2O蒸馏残留物馏出物H2SO4，NaHSO4n-C4H9OH，n-C4H9Br，（n-C4H9）2O，HBr，H2O1、分离得有机层2、水洗《化学实验技术》水层有机层n-C4H9OH，HBr，H2On-C4H9OH，n-C4H9Br，（n-C4H9）2OH2SO4洗酸层有机层n-C