從乙醇脫水看有機反應的復雜性

楊麗娟

摘 要： 有機化合物的反應速度慢，副反應多，且復雜。有時它會因溫度、催化劑、反應用量、溶劑、反應時間等因素的影響而生成許多中間體或副產物。現以乙醇脫水反應為例，利用熱力學、動力學、氧化還原反應等知識進行計算并加以討論。

關鍵詞： 有機反應 乙醇脫水 復雜性

實驗表明，有機反應伴有許多副反應，收率很低，產物很復雜，具體反應根據是否需要的產物可使反應暫留在某一特定階段，從而收集需要的產物。很多有機反應的進行并不局限于某一部位，即反應時發生斷鍵的部位不同，有碳鏈異構、位置異構、立體異構等。現以乙醇在濃硫酸催化下脫水反應為例討論有機反應的復雜性。

1.溫度對乙醇脫水反應的影響

乙醇在催化劑存在下受熱發生脫水反應，既可發生單分子的消去反應，進行分子內脫水生成乙烯，又可發生雙分子的親核取代反應，進行分子間脫水生成乙醚。這是兩種相互競爭的反應過程，具體反應式如下：

乙醇脫水可生成乙烯和乙醚，但高溫有利于乙烯的生在，較低溫度時主要生成乙醚，有人解釋這大概是因為反應過程中生成的碳正離子很活潑，尤其在高溫下，它的存在壽命更短，來不及與乙醇相遇時已經失去質子變成乙烯。而在較低溫度時，碳正離子存在時間長些，與乙醇分子相遇的概率增多，生成乙醚。有人認為在生成產物的決定步驟中，生成乙烯要斷裂CH鍵，需要的活化能較高，所以高溫下才有利于乙烯生成。

2.催化劑對反應的影響

不同催化體系對不同反應途徑的活化能影響不同，進而影響反應速度常數和最終目的產物的生成。因此，開發不同的高性能催化劑以提高主反應的速度常數，抑制副反應的發生是很有必要的。不同催化劑對脫水反應影響的不同主要是由于其酸性強弱不同造成的（催化劑酸性的強弱決定了質子化乙醇生成的難易程度，并最終影響產物的生成）。從目前看若要應用于工業生產，分子篩是較理想的催化劑，相對于濃硫酸和A化劑具有腐蝕性小且能耗低的優勢，下面以幾種催化劑為例說明催化劑對反應的影響。

2.1濃硫酸做催化劑

加熱到40s左右時溫度迅速上升到170℃，即有大量氣泡冒出，酸性高錳酸鉀溶液退色，褪色情況較好。在反應開始后不久即出現炭化現象，到反應結束時溶液的炭化現象非常嚴重，幾乎變成濃黑色。且反應完畢后試管中酸性殘留氣體非常多，試管難以洗滌。濃硫酸作為一種傳統的催化劑，但存在較多問題，主要在于反應時間長，一般從加熱混合物到性質實驗做完需要13分鐘。炭化現象嚴重，副產物較多，產生的乙烯純度較低，產率較低。反應過程中產生的SO等氣體發出難聞氣味，并污染空氣，同時炭化的炭渣附著于瓶壁，試管難于清洗。

2.2五氧化二磷做催化劑

將五氧化二磷加入盛有乙醇的試管中即有大量白霧產生，加熱后溫度開始迅速上升，有少許氣泡冒出，當加熱到82℃時即有大量氣泡冒出，反應進行到35s時酸性高錳酸鉀褪色，褪色情況相對最好。經多次反復對照實驗驗證，在乙醇脫水制取乙烯的實驗中，實驗中藥品用量少，一般只需無水乙醇2mL，。因此，五氧化二磷的催化效果最理想，而石棉絨對該反應的催化效果并不理想。

3.其他副反應

3.1濃硫酸是一種氧化性酸，加熱時的氧化性更顯著；乙醇分子中的H由于受到羥基的影響，變得比較活潑，容易被氧化。因此，在加熱脫水過程中，乙醇有可能被濃硫酸氧化。乙醇被濃硫酸氧化成乙醛，乙醛更容易被氧化為乙酸。

3.2醇和酸（無機酸或有機酸）作用，可以脫去一分子水生成酯。在乙醇脫水體系中，有乙醇，濃硫酸和少量的乙酸，它們反應后可以生成無機酸酯和有機酸酯。

4.結論

4.1通過對乙醇脫水這個最基本反應的討論，可知有機反應是非常復雜的。在反應過程中，因實驗條件的不同，每次都可能在中途或中間產物中合成一個全新的有機化合物，只是條件有限，不能對之進行分離、提純、研究，而且這種化合物合成的重現性很差，不易獲得世人的認可。

4.2用熱力學函數判斷反應進行的方向和限度時，沒有牽涉到速率和機理問題。為了使有機反應按要求順利進行，還必須接受動力學因素的影響。

4.3自由能是一種狀態函數，它的值只決定于反應的始態和終態，與變化途徑無關。而實際有機反應的速度與活化能有關，改變溫度、壓力、溶劑、催化劑等都可以使反應速度發生變化，影響反應的進程，甚至生成一種新的有機化合物。

4.4通過對反應計算分析可了解到乙醇脫水制乙烯、制乙醚是熱效應相反的兩個過程，升高溫度有利于脫水制乙烯（吸熱反應），而降低溫度對脫水制乙醚更有利（微放熱反應），所以要使反應向要求方向進行，必須選擇相適應的反應溫度區域，另外還應該考慮動力學因素的影響，開發研制高性能的催化劑。