Transcript 27叔丁基氯的水解 - 山西大学化学实验中心

叔丁基氯的水解
山西大学化学化工学院综合实验实验中心
实验目的
 1.了解并掌握一些简单的测定反应速度和动力学的方法。
 2.了解影响SN1反应的诸因素。
实验原理
不同条件下反应速率的测定（反应动力学）为反应机理提供了重
要的线索。叔卤代烷的水解或溶剂解是典型的SN1反应，反应速率主
要受下列因素的影响，本实验将这些影响因素进行观察和验证。
溶剂 溶剂性质对SN1反应速率影响很大，溶剂极性和质子化性质
的增加都有利加速反应。极性大的溶剂更容易通过溶剂化作用稳定反
应的过渡态。
温度 温度的变化直接影响反应速率。估计温度每上升10℃，反
应速率提高一倍。
实验原理
浓度 SN1反应是动力学一级反应，反应速率与反应物（卤代烷）
的浓度成正比，而反应的速率常数与反应物的浓度无关。
底物 底物中烷基的结构和离去基团的碱性都会对反应速率产生
明显的影响。
由于SN1反应决定速率的步骤仅包含卤代烷，所以反应速率与亲
核试剂的浓度无关，而只与底物的浓度成正比。
反应速率=k[RCl]
（1）
实验原理
速率常数k是给定条件下反应进行快慢的标志，对比较彼此类似的反应
是一个重要的数值。它等于单位浓度下的反应速率，与反应物的浓度
无关，只与反应温度、溶剂和底物的结构有关。
由于浓度随时间不断变化，将（1）式微分后为：
-d[RCl]
= k[RCl]
dt
将（2）式经移项和积分后可得到如下结果：
-d[RCl]
[RCl]
= k dt
（2）
（3）
实验原理
（4）
这里[RCl]0是叔丁基氯的起始浓度，并且由于
所以
（5）
即
（6）
实验原理
根据方程式（6），可以采用不同的方法测定反应的速率常数。本实验
中由于时间限制，我们将测定反应完成10%所需要的时间来进行计算。
时间是由加入的氢氧化钠的物质的量来控制的。由于在t时还有90%的
底物尚未反应，所以[RCl]在t时的浓度为：
[ RCl ] = 0.9 [ RCl ]0
将（7）代入方程式（6），于是
k t = 2.303 lg
[RCl]
1
= 2.303 lg
0.9
0.9[RCl]0
（7）
实验原理
k=
0.104
（8）
t
其中时间单位是s, k值的单位是s-1。
实验中加入氢氧化物的量（物质的量）为叔丁基氯的十分之一，这样
就可以确保测定10%时，生成的盐酸中和了加入的氢氧化钠。
试剂
 0.10mol/L叔丁基氯-丙酮溶液，0.10mol/L氢氧化钠溶液，0.2%溴百里
酚蓝丙酮溶液
实验步骤
 （一）具体操作方法
1. 叔丁基氯的水解反应
在三个25mL干燥清洁的锥形瓶中，用1.0mL的移液管加入
0.30mL0.10mol/L的氢氧化钠溶液，接着用10mL的量筒加入6.7mL蒸
馏水和2滴0.2%溴百里酚蓝的丙酮溶液，摇匀后塞好瓶子，记作A；在
另外三个25mL的锥形瓶中，用10mL的吸量管加入3.0mL 0.10mol/L叔
丁基氯的丙酮溶液，塞好瓶子，计作B。
实验步骤
 将瓶A和瓶B置于水浴中，调节锥形瓶的高度，使水浴水平面到瓶颈以
下，用铁夹固定，记录水浴温度。时加摇动锥形瓶，使反应物温度达
到平衡。5min之后，从水浴中取出瓶B，拭干瓶壁上的水，尽快将瓶B
中的溶液加到瓶A中，同时启动秒表。摇荡约10s，使反应混合物混匀，
溶液一旦混合反应即很快进行。观察溶液由蓝变黄时，立即停止秒表，
记录反应所需的时间。重复这一操作2-3次，时间值的平均误差不能超
过2-3s。取时间平均值，代入方程式（8）中，计算k值。
实验步骤
 2.选做实验
完成上述实验之后，可根据指导教师建议视情况选做以下实验：
 (1)反应物浓度的影响
测定反应物叔丁基氯为上述二分之一时的速率常数k，反应步骤同上，
只需在瓶A中再加10mL30%丙酮水溶液。记录叔丁基氯在此条件下进
行10%水解所需的时间。从计算结果了解反应速度是否取决于反应物
的浓度。
实验步骤
 （2）溶剂极性的影响
在80%水-20%丙酮中进行水解反应。为此，加入2mL 0.15mol/L叔丁
基氯的丙酮溶液和0.3mL0.1mol/L氢氧化钠水溶液和7.7mL水，反应步
骤同上，计算k值，从计算结果了解反应速率与溶剂极性的关系。
 （3）反应温度的影响
用恒温水浴控制在高于室温10℃和低于室温10℃条件下，重复第一部
分实验。两个锥形瓶混合前必须使锥形瓶在水浴中恒温5min以上。计
算相应温度下的k值。从计算结果了解温度对反应速率的影响。
实验步骤
 （4）反应物结构的影响
用叔戊基氯（2-甲基-氯丁烷）和叔丁基溴代替叔丁基氯重复第一部分
实验，分别计算k值。了解反应速率与反应物结构之间的关系。
实验步骤
 （二）注意事项
1. 由于反应速度对温度的变化非常敏感，为了减小实验的误差，反应
最好在水浴中进行，并尽可能保持温度的恒定，特别是温度升高时，
反应时间缩短，更要引起注意。
2.实验中碱的加入量也关系到实验的成败。因为速率常数的计算是以
反应完成10%为依据的，所以要用吸量管准确量取卤代烷和氢氧化钠
溶液。
实验步骤
 3.本实验最好由两个同学合作完成，一个人观察指示剂颜色的变化，
一个计时并记录数据。
 4.反应中加入酸碱指示剂溴百里酚蓝，通过指示剂颜色的变化，可简
便地测定出反应生成的盐酸量即叔丁基氯消耗的量。因此，准确地观
察和判断指示剂的颜色的变化是实验的关键。
 5.采用丙酮作为反应溶剂是由于丙酮对卤代烷有良好的溶解性，反应
速度较快且与底物不发生作用。
实验步骤
 （三）提问
本实验的副反应是什么？副反应对实验结果有何影响？
总结

（一）数据处理
溶剂解的时间t/s
反应物
溶剂组成
（体积％）
反应温度
（℃）
反应速率常数
k/s-1
1
2
3
平均
总结
 （二）讨论
结合本实验的实验结果，试总结SN1反应中反应物浓度、溶剂、温度
及反应物结构等因素对反应速率常数的影响。
思考题
 预计下列两组化合物进行溶剂解反应时的相对速率：
1.(CH3)3CCl 和 (C6H5)3CCl
2. CH3CH2OCH2Cl 和 CH3CH2OCH2CH2Cl