正交法优化苯甲醛和氯仿的亲和取代反应

综合化学实验报告正交法优化苯甲醛与氯仿的亲和取代反映08应用化学（2）班________________________张dd_______________月______日正交法优化苯甲醛与氯仿的亲和取代反映前言[1]结晶玫瑰是含有强烈玫瑰香气的结晶型固体香料，是一种良好的定香剂，广泛使用于化妆品和皂用香精，特别合用于粉剂化的化妆品，在香料和日用化工产品中含有广阔的应用价值。而它的核心中间体则是由三氯甲基负离子与苯甲醛进行亲核加成反映得到的，具体反映式以下：亲核加成反映是有机化学中构成碳碳键的最重要的反映之一，在有机合成中含有重要的意义。普通是由含有负电子的亲核试剂攻打缺电子的碳原子，从而反映构筑碳碳键，在苯甲醛与氯仿的反映中，氯仿上的酸性质子在碱的存在下失去，从而变成三氯甲基负离子，而该负离子进一步攻打苯甲醛的羰基从而发生反映。具体反映机理以下：而另首先，醛基含有部分的氧化性和还原性，因此在浓碱的存在下还能发生本身的氧化还原反映，反映以下：简易装置图：由于苯甲醛、氯仿与氢氧化钾溶液不互溶，因此反映需要加入一定量的助溶溶剂或相转移催化剂，并且反映需要激烈的搅拌以增加氯仿与碱的接触使三氯甲基负离子容易生成。因而，影响该反映的因素除了温度、时间、原料比等影响常规亲核加成反映的因素外，尚有助溶溶剂或相转移催化剂的量也是一种重要的方面。而在这样多因素的存在下找出一条最优化的反映条件实在不是一件简朴的工作，就以上述反映的四因素四水平条件来说，需要进行44=256次实验，这显然是不现实的，而正交实验法能够解决这个问题。本实验研究苯甲醛与氯仿在固定氢氧化钠用量的条件下，进行亲核加成反映的最佳反映条件，通过对反映物原料比、反映时间、反映温度和助溶溶剂这四个因素的单因素实验，拟定影响该反映的最大因素（2-3个），并通过正交实验法进行条件的优化，最后得到该反映的最佳反映条件。实验部分实验仪器与试剂仪器：三口烧瓶、温度计、电磁搅拌器、回流冷凝管、水浴锅、电子天平、量筒、气相色谱仪等。试剂：苯甲醛、氯仿、DMF、氢氧化钠、甲醇等。实验环节苯甲醛与氯仿的亲核加成反映在装有温度计，搅拌器和回流冷凝管的100ml三口烧瓶中，依次加入苯甲醛（15ml，0.15mol），某一定量的氯仿和助溶溶剂DMF，并分批加入NaOH(2g)，控制反映在一定温度下进行。待反映进行到一定时间，吸取2mL反映液，加入等量水振荡后，吸取1mL有机相，用甲醇稀释至50mL，进行气相色谱分析测定反映混合物中产物的含量。产物含量分析——气相色谱法拟定混合物构成选用色谱仪及设立以下：岛津GC-C，N工作站；色谱柱：Rtxeq\o\ac(○,R)-5，Φ0.25mm╳3000cm；进样口温度：230℃；柱温：80℃保存2min，以10每次吸取0.3~0.5μL甲醇稀释液进样，待出峰后，打印并统计峰面积。实验内容单因素实验在环节1中影响产率的重要因素有：a、苯甲醛与氯仿的原料比；b、助溶溶剂的量；c、反映温度；d、反映时间。首先通过单因素实验考察单一条件对产率的影响，从而拟定出影响产率的重要因素。（a）考察苯甲醛与氯仿的原料比对反映产率的影响考察苯甲醛：氯仿的不同原料比（1:1，1:2，1:3）对反映产率的影响。以15ml苯甲醛为基准，变化氯仿的量，并采用条件为助溶溶剂的量20ml，反映时间2小时，反映温度40℃，操作见实验环节1，成果见表a和图a。（b）考察助溶溶剂的量对反映产率的影响考察不同助溶溶剂（DMF）的量（15，20，25ml）对反映产率的影响。以15ml苯甲醛为基准，变化DMF的量，并采用条件为苯甲醛与氯仿摩尔比为1:1，反映时间2小时，反映温度30℃，操作见实验环节1，成果见表b和图b。（c）考察反映温度对产率的影响考察不同反映温度（20，30，40℃）对反映产率的影响。以15ml苯甲醛为基准，变化温度，并采用条件为苯甲醛与氯仿摩尔比为1:1，反映时间2小时，DMF用量20mL，操作见实验环节1，成果见表c和图c。（d）考察反映时间对产率的影响考察不同反映时间（2，3，4h）对反映产率的影响。以15ml苯甲醛为基准，变化反映时间，并采用条件为苯甲醛与氯仿摩尔比为1:1，反映温度30℃，DMF用量25mL，操作见实验环节1，成果见表d和图d。分析和讨论影响反映的重要因素，并指导进行下面的正交实验从苯甲醛与氯仿的原料比、助溶溶剂的量、反映时间及反映温度这四个因素中选出影响较为复杂的3个因素进行正交优化实验。从单因素实验成果来看上述四个因素中苯甲醛与氯仿的原料比对产率的影响最简朴，随着比例的增大产率逐步增大，而其它三个因素较为复杂，根据成果设计三因素两水平正交实验。L4（23）正交实验设计（表1） ABCN0（DMF/mL）（反映温度/℃）（反映时间/h）125203220153.5四、成果分析单因素实验成果与分析（a）苯甲醛与氯仿的原料比对反映产率的影响以15ml苯甲醛为基准，固定DMF的量20ml，反映时间2小时，反映温度40℃，变化氯仿的量，成果见表a和图a：表aNaOH（2g）T=40℃DMF=20mLt=2h苯甲醛/氯仿(摩尔比)1:11:21:3（换算后）峰面积934776.3131605800.1881752331.738图a从图a可知，随着氯仿用量的增加产率逐步升高，达成一定量时趋于稳定。由实验原理知苯甲醛与氯仿生成产物的方程式计量数比为1:1，然而在用量为1:1时产率并不高这可能是由于氯仿存在严重的副反映[2]以下:在强碱性的条件下氯仿除了生成三氯甲基负离子外还生成了二氯卡宾，而两者与苯甲醛反映速率的快慢由反映条件所决定，因此在反映产物中能够检测到副产品扁桃酸，对应的由于副反映的存在使得氯仿的实际需求量比理论值偏高，因此摩尔比选在1:2~1:3为宜。（b）助溶溶剂的量对反映产率的影响以15ml苯甲醛为基准，固定苯甲醛与氯仿摩尔比为1:1，反映时间2小时，反映温度30℃，变化DMF的量，成果见表b和图b：表bNaOH（2g）T=30℃苯甲醛/氯仿(摩尔比)=1:1t=2hDMF/mL15.020.025.0（换算后）峰面积2811782.5002163272.7493118005.619图b从图b可见，产率随着助溶溶剂的量的变化而变化，这是由于苯甲醛、氯仿、氢氧化钠溶液不互溶，因此助溶溶剂的加入能使三者较好的接触，有助于产生三氯甲基碳负离子，加紧反映速率，但是同时也会稀释反映物浓度使反映速率下降。在综合考虑两者的影响下，为了使反映物更加好的接触，选定助溶溶剂的用量20~30mL为宜。（c）温度对反映产率的影响以15ml苯甲醛为基准，固定苯甲醛与氯仿摩尔比为1:1，反映时间2小时，助溶溶剂20mL，变化温度，成果见表c和图c：表cNaOH（2g）DMF=20mL苯甲醛/氯仿(摩尔比)=1:1t=2hT/℃20.030.040.0（换算后）峰面积1440600.625908791.938934776.313图c从图c可见，在20~40℃的范畴内反映产率随着温度的升高呈现下降的趋势，这可能是在温度较高的状况下苯甲醛的本身氧化还原[3]加剧所致，因此即使温度升高有助于分子之间的有效碰撞使得反映加紧，但是副反映的影响更大，使产率下降。故在确保一定的反映速率的条件下选择反映温度在15~25℃为宜。（d）反映时间对产率的影响以15ml苯甲醛为基准，固定苯甲醛与氯仿摩尔比为1:1，助溶溶剂25mL，反映温度30℃，测定不同反映时间的产率，成果见表d和图d：表dNaOH（2g）DMF=25mL苯甲醛/氯仿(摩尔比)=1:1T=30℃t/h2.03.04.0（换算后）峰面积1519579.7501719587.8131360411.875图d从图d可知，反映产率随着反映的进行，呈现先增加后减小的趋势，反映时间过长对反映反而不利。这首先是由于随着反映时间的加长，反映趋于平衡产物不再增加，另首先可能α-三氯甲基苯甲醇在强碱性条件下，进一步反映生成其它的物质如扁桃酸等。因此最佳反映时间选在3h左右。2、正交实验成果与分析（1）正交实验因素选用的根据根据上述单因素实验成果，由于碱的用量固定不变，从苯甲醛与氯仿的原料比、助溶溶剂的量、反映时间及反映温度这四个因素来看，苯甲醛与氯仿的原料比对反映产率的影响最简朴，而另外三因素影响较为复杂，因此固定苯甲醛与氯仿的原料比为1:2，从三因素里选择两水平，做L4（23）正交优化实验，因素水平见表1，优化实验成果见表2。（2）正交实验设计与成果分析正交实验成果(表2)实验条件实验项目ABC峰面积11112452265212218185643212205871442211860093K1427082945109794312358K2391880736786573877278 k1213541422554902156179k2195940418432851938639 R1176010412205217540 最佳水平A1B1C1因素主次次序A>B>C由表2的正交实验成果可知：助溶溶剂的用量对反映产率的影响最大，时间影响最小，最优化条件为A1B1C1，即助溶溶剂25mL、反映温度20℃、反映时间3h，在此条件下反映产率最高。3、结论在一定苯甲醛与氯仿的原料比和固定碱的用量的条件下，影响