醚的制備改進實驗
——二苯甲基乙基醚

馬獻濤，于靜，袁超，邢子豪，王碩

信陽師范學院化學化工學院，河南 信陽 464000

1 引言

化學是一門以實驗為基礎的學科?；瘜W實驗教學對夯實大學生的化學基礎知識、基本理論和基本技能，提高大學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，培養大學生的創新意識等具有重要的作用。近年來，雖然很多高校在本校的教學過程中開展了大量創新、綜合及改進實驗，但是，可供選用的教材內容還比較陳舊，落后于時代的發展[1]。為此，教育部高等學校化學類專業教學指導委員會和高等學校國家級實驗教學示范中心聯席會也分別于2019年、2021年在全國范圍內開展了“全國大學生化學實驗創新設計競賽”活動，旨在推動我國高等學校實驗教學改革[2]。

醚的制備是有機化學實驗的一個重要內容，教材中對應的實驗內容是甲基叔丁基醚制備和正丁醚的制備[3-5]。通過該部分學習對于深刻理解醇的化學性質和親核取代反應的SN1、SN2兩種機制具有重要的作用。目前，基于SN2機制的正丁醚的制備實驗已有較多的改進方案[6-13]，但基于SN1機制的甲基叔丁基醚制備卻鮮有改進實驗的報道[14,15]。教材中的實驗方案是以叔丁醇和甲醇為原料，在化學計量15%硫酸的催化下，采用分餾裝置緩慢蒸出甲基叔丁基醚的粗品(圖1A)。然后，將粗品轉入分液漏斗，用水洗滌3-4次除去過量的甲醇和未反應的叔丁醇，經干燥后，加入金屬鈉加熱回流進一步除去殘留的水和醇。最后，蒸餾得到產品，收率約為50%[3-5]。上述方法具有原料易得等優點，但以下不足之處也不容忽視：

圖1 實驗裝置的改進

① 需化學計量的硫酸催化劑，反應會產生大量的廢酸；

② 反應進程不易監測(無法用薄層色譜監測)；

③ 產率較低(～50%)，學生獲得感較差；

④ 產品沸點太低(55.2 °C)，易揮發、燃燒。

有關該實驗的改進主要是通過分步加入叔丁醇來提高反應的收率，但需要更加復雜的反應裝置(圖1B)且上述其他問題尚未得到有效的解決[14,15]。鑒于此，在保證核心知識不變的前提下，本文嘗試新創醚的制備實驗。該改進實驗基于二苯甲醇在酸催化下易生成碳正離子的特性[16,17]，用乙醇作為親核試劑，進而發生SN1親核取代反應，實現二苯甲基乙基醚的高效制備。相比已有的實驗方案，新方案具有以下明顯優勢：

① 以回流裝置代替分流裝置(圖1C)，避免了金屬鈉的使用和繁瑣的后處理流程，使反應的安全性、可重復性得到極大的提高；

② 產物沸點較高(288 °C)，易于操作、產品收率較高(～90%)，學生的體驗較好，有助于激發學生學習有機化學的興趣；

③ 以Lewis酸氯化鐵作為催化劑，可以實現二苯甲醇高效轉化為碳正離子，進而發生SN1親核取代反應，有助于學生加深對有機化學中的路易斯酸堿理論的理解，培養學生的有機化學思維模式。

④ 采用薄層色譜(TLC)、氣相色譜質譜聯用儀(GC-MS)跟蹤反應，定性、定量地確定反應進行的程度，有助于培養學生的探究精神。

總之，本實驗的改進以問題為導向，通過內容的新創，方法的引入與融合，提高教學訓練的系統性與綜合性，進而發展其分析與解決實際問題的能力；通過教學可以培養學生綠色化學的理念，培養學生愛護環境、熱愛生活的態度[18,19]。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

二苯甲醇在無水三氯化鐵催化下可以形成穩定的二苯甲基碳正離子，進而與乙醇親核試劑發生SN1取代反應。具體實驗原理如圖2所示。

圖2 實驗原理

2.2 試劑或材料

無水三氯化鐵、六水合三氯化鐵、氯化鋅、對甲苯磺酸水合物(以上試劑均購自薩恩化學技術(上海)有限公司)，碘單質(天津博迪化工股份有限公司)、二苯甲醇(畢得醫藥有限公司)、無水乙醇(國藥集團化學試劑有限公司)、乙酸乙酯(天津市永大化學試劑有限公司)、乙二胺四乙酸二鈉(天津市永大化學試劑有限公司)，以上試劑均為分析純。H2SO4(15%，質量分數)、鹽酸(2mol·L-1)、GF254薄層色譜層析板(煙臺江友硅膠開發有限公司)。

2.3 儀器和方法

主要儀器為：加熱攪拌器、旋轉蒸發儀、紫外燈、氣相色譜質譜聯用儀(7890A-5975C，美國安捷倫科技有限公司)、核磁共振波譜儀(JNM-ECZ600R/S3JNM-ECZ600R/S3，日本電子株式會社)。

氣質聯用儀測試條件為：HP-5毛細管柱、氦氣作為載氣、程序升溫為：50 °C作為起始溫度，以25 °C·min-1升溫至250 °C，保持5 min，然后以25 °C·min-1升溫至280 °C，保持5 min。

2.4 實驗步驟/方法

(1) 實驗步驟。

反應操作：依次向25 mL圓底燒瓶中加入二苯甲醇(2.76 g，15 mmol)、無水三氯化鐵(0.48 g，3 mmol)和10 mL無水乙醇，置于120 °C油浴中加熱攪拌。2 h后，TLC顯示反應已經完全(V石油醚/V乙酸乙酯= 50/1，產物Rf= 0.6)，終止反應。反應液旋轉蒸發濃縮得棕黃色粘稠液體。

產物純化：粗產物用40 mL乙酸乙酯溶解，轉至125 mL分液漏斗，依次用40 mL 2 mol·L-1鹽酸、40 mL飽和EDTA溶液，40 mL飽和氯化鈉溶液洗滌一次，有機相用無水硫酸鈉干燥，過濾得淡黃色濾液。將濾液用柱層析(硅膠填料，200-300目)進一步過濾除去殘余的鐵離子，得無色溶液，旋轉蒸發濃縮得無色粘稠狀液體產品，分離產率86%-88%。

產物純度分析及結構確定：產品用乙酸乙酯溶解，采用GC-MS分析，進一步確定純度和分子量(純度95%-97%，分子量m/z= 212)；用氘代氯仿溶解，測定核磁共振氫譜和碳譜，確定結構。

(2) 注意事項。

無水氯化鐵易吸潮，稱取動作要快，避免實驗誤差。

3 結果與討論

3.1 條件優化

以二苯甲醇(1a)和乙醇(2a)作為反應原料，重點對無水三氯化鐵、氯化鋅、對甲苯磺酸、碘單質、15%硫酸等反應催化劑展開篩選(表1)。結果表明以Lewis酸無水三氯化鐵為催化劑，120 °C反應2 h，二苯甲基乙基醚(3a)的氣質收率為92% (表1，序號1)。使用其他常用的Lewis酸催化劑如氯化鋅，可能由于Lewis酸性不夠強，并不能有效實現二苯甲醇碳氧鍵的切斷，只能觀測到痕量的產物(表1，序號2)；使用碘單質作為催化劑也可以以87%收率得到預期產物3a (表1，序號3)。進一步篩選其他Br?nsted酸，如：對甲苯磺酸、15%硫酸，也不能進一步地提高反應的收率(表1，序號4-5)。使用六水合氯化鐵作為催化劑，結果表明反應2 h，只能以77%收率得到預期產物(表1，序號6)。這些實驗表明，水有可能會對反應起到一定的抑制作用(表1，序號5-6)。進一步加入分子篩除水來改善反應，發現也不能提高反應收率(表1，序號7)。鑒于推廣為本科教學實驗的可行性，仍選用無水三氯化鐵作為最優催化劑(表1，序號1)。以上篩選表明在合適的Lewis酸或Br?nsted酸的催化下，二苯甲醇可高效轉化為二苯甲基碳正離子中間體，進而與乙醇發生SN1取代反應。這將有助于學生深刻理解碳正離子中間體、有機化學中的路易斯酸堿理論和SN1親核取代反應機理。最后，以無水三氯化鐵作為催化劑平行重復實驗10次，平均收率為92% (表1，序號8)。因此，反應的最優條件為：二苯甲醇(15 mmol)，乙醇(10 mL)，無水三氯化鐵(20 mol%)，120 °C回流反應2 h (表1，序號1)。

表1 催化劑篩選a

3.2 產物的分離純化與鑒定

(1) 反應的副產物分析。

根據反應機理和GC-MS分析，反應會產生少量的二苯甲基氯、二苯甲基醚等副產物。因此，需要設計合理的方案除去二苯甲基氯、二苯甲基醚以及原料乙醇和催化劑三氯化鐵，以達到分離純化的目的。

(2) 分離純化過程設計。

① 除去乙醇：本實驗方案采用旋蒸的方式除去反應體系中未反應的乙醇，在此，回收的乙醇也可以實現再利用，減少廢物的排放。

② 除去三氯化鐵：這是本實驗的難點之一。將反應液依次用40 mL 2 mol·L-1鹽酸、40 mL飽和EDTA溶液洗滌一次，以最大限度地除去三氯化鐵。在此充分利用了三氯化鐵的水溶性以及鐵離子與EDTA可以螯合配位的特性，將分析化學中的知識用于解決有機化學中的實際問題。進一步將濾液用柱層析(硅膠填料，200-300目)過濾除去殘余的鐵離子，可以發現溶液從淡黃色變為無色液體。由于鐵離子具有Lewis酸性，會與產物醚中氧原子位點結合，仍有少部分鐵離子殘留，通過硅膠柱可以進一步除掉鐵離子。在此，可以引導學生分析“為什么洗滌得到的產品仍呈淡黃色”，幫助學生加深對有機化學中的路易斯酸堿理論的理解，培養學生的有機化學思維模式。

③ 除去二苯甲基氯：在上述EDTA洗滌的過程后，可以除去體系中的二苯甲基氯副產物。

由于二苯甲基醚的量很少，沒有設計二苯甲基醚的除雜方案。在此，可以引導學生思考“為什么會有二苯甲基醚生成”，進一步認識碳正離子中間體。

(3) 產物的純度分析和鑒定。

通過TLC、GC-MS等對產品純度進行分析，使反應更具可視性，使學生掌握科研探究的基本方法。利用核磁共振技術對產物進行表征(圖3)，進一步幫助學生將理論聯系實際，提升學生學習的獲得感。產物二苯甲基乙基醚的核磁共振表征如下：

1H NMR (600 M, CDCl3)δ7.41-7.34 (m, 4H)，7.35-7.30 (m, 4H)，7.29-7.20 (m, 2H)，5.37 (s, 1H)，3.54 (q,J= 7.2 Hz, 2H)，1.27 (t,J= 7.2 Hz, 3H)；13C NMR (150 M, CDCl3)δ142.6，128.5，127.5，127.1，83.6，64.7, 15.5。

4 結語

本實驗裝置簡單，選用二苯甲醇與乙醇為原料、無水三氯化鐵作為催化劑，可以以約90%的收率得到二苯甲基乙基醚產物。實際教學過程中，可根據具體教學條件選用TLC或TLC與GC-MS結合對反應過程進行監測，練習了萃取洗滌、干燥、過濾、旋轉蒸發等基本有機操作，后處理簡單，具有綠色清潔、操作簡單、成本低廉的特點，便于學生加深對碳正離子中間體的性質、有機化學中的路易斯酸堿理論、SN1機理和綠色化學理念的理解。

本實驗所需試劑費用約為2.0元/人次。溶劑乙醇、乙酸乙酯等可回收重復使用，廢棄物少。實驗全部流程約3 h，適合大規模的本科實驗教學，可以在基礎實驗課中推廣。

5 課后思考題設計

(1) 二苯甲基醚是如何生成的？

答：二苯甲醇在形成碳正離子后，二苯甲醇自身也可以作為親核試劑進攻二苯甲基碳正離子，進而生成了二苯甲基醚副產物。

(2) 為什么二苯甲基碳正離子是穩定的碳正離子？

答：受p-π共軛效應的影響，碳正離子上的正電荷可以很好地被兩個苯基分散，所以二苯甲基碳正離子是非常穩定的碳正離子。

(3) 除去Fe3+離子時，依次用2 mol·L-1鹽酸、EDTA溶液洗滌的目的是什么？

答：2 mol·L-1鹽酸洗滌的目的在于抑制Fe3+離子水解生成大量絮狀氫氧化鐵沉淀，使分層變得更加明顯；EDTA溶液洗滌的目的在于與Fe3+螯合配位，進而去除多余的Fe3+離子。

補充材料：可通過鏈接http://www.dxhx.pku.edu.cn 免費下載。