Лабораторная работа № 13. Синтез бромэтана
Цель работы: 1. Ознакомить студентов со способом непрямого галогенирования спиртов. 2. Научить выделять полученный продукт из реакционной массы. 3. Закрепить знания по способам получения и химическим свойствам спиртов и галогенуглеводородов. 4. Выработать навыки обращения с химической посудой, реактивами. 5. Ознакомить с побочными процессами, проходящими при проведении синтеза, со способами утилизации отработанных реактивов. 6. Привить навыки работы со справочной литературой и развить умение формулировать выводы из проделанной работы.
Реактивы: спирт этиловый, азотная кислота, кислота серная (конц.), уксусная кислота, гидроксид натрия (1 н.), калий бромистый, кальций хлористый безводный, нитрат серебра (2 %), йодид натрия, ацетон, лед. Посуда и приборы: установка для синтеза, электрическая плитка, баня песчаная, делительная воронка, воронка, мерный цилиндр (50 см3 ), мерный цилиндр (100 см3 ), штатив с пробирками (20 шт.), колба-приемник, фильтровальная бумага, пробка с хлоркальциевой трубкой.
Общие положения Синтез галогенуглеводородов может быть осуществлен из алканов (по радикальному механизму), из алкенов (по механизму радикального или электрофильного присоединения), из ароматических углеводородов (электрофильным замещением), из спиртов (нуклеофильным замещением гидроксила), взаимодействием карбонильных соединений с галогенидами фосфора, тионилом, фосгеном.
В реакциях нуклеофильного замещения реакционная способность спиртов изменяется следующим образом: в третичных спиртах гидроксил замещается легче, чем во вторичных, а вторичные спирты более реакционноспособные, чем первичные.
Электрофильное присоединение к алкенам протекает по правилу Марковникова, радикальное – против правила Марковникова. В реакциях радикального замещения наиболее активный атом водорода у третичного атома углерода.
Бромистый этил и другие галогенуглеводороды применяют в органическом синтезе для алкилирования. Галогеналкилы вступают в реакцию со многими классами органических соединений и поэтому нашли применение как в промышленном, так и в препаративном синтезе.
В лабораторных условиях галогеналкилы часто получают нуклеофильным замещением гидроксила в спирте на галоген. Для получения бромистого этила применяют этиловый спирт:
C2H5OH + KBr + H2SO4→ C2H5Br + KHSO4 + H2O.
При этом также протекают и побочные реакции: 2HBr + H2SO4 →t Br2 + 2H2O + SO2↑,
CH3CH2OSO3H + HOCH2CH3 →t H2SO4 + CH3CH2OCH2CH3.
Для уменьшения потери продукта необходимо соблюдать условия проведения реакции.
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Синтез бромистого этила. В круглодонную колбу налейте 40 см3 этилового спирта, 35 см3 воды и осторожно, небольшими порциями 75 см3 концентрированной серной кислоты. Раствор охладите под струей воды до комнатной температуры, перемешивая его вращательными движениями. Затем небольшими порциями (через воронку, чтобы не загрязнить горловину колбы) всыпьте тонко растертый порошок бромистого калия. Разбавление спирта и измельчение бромистого калия необходимо проводить при охлаждении (лед) для избежания побочной реакции, протекающей с выделением брома и диоксида серы. К колбе присоедините дефлегматор, холодильник Либиха и алонж. Конец алонжа опустите в коническую колбу, в которую налейте воды и поместите кусочки льда. Конец алонжа погрузите в воду на 2-3 см. Правильность сборки установки проверяет преподаватель или лаборант. Реакционную смесь нагрейте на песчаной бане. В случае сильного вспенивания из-за развития побочных реакций нагрев уменьшают. После выделения основной части бромистого этила в колбе создается разрежение, и вода через алонж из приемника поднимается в холодильник и может попасть в колбу с нагретой серной кислотой. Необходимо быть внимательным при проведении синтеза, и в случае подъема жидкости в алонже сдвинуть его с холодильника. В колбе создастся атмосферное давление, и жидкость опустится. После этого ставят алонж в первоначальное положение и продолжают работу. Реакцию ведут до прекращения выделения маслянистых капель бромистого этила.
2. ВЫДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА БРОМИСТОГО ЭТИЛА. Содержимое конической колбы-приемника перенесите в делительную воронку, предварительно проверьте герметичность крана. Нижний слой бромистого этила слейте из воронки в приемник. Для осушки добавьте прокаленный хлористый кальций. Колбу закройте пробкой с хлоркальциевой трубкой. Сушите в течение 20 мин. Затем бромистый этил отделите от хлористого кальция фильтрованием и перегоните. Температура кипения чистого бромистого этила 38 °С. Полученный бромистый этил может содержать примеси диэтилового эфира и спирта. Для освобождения от спирта и эфира бромистый этил можно промыть серной кислотой. Необходимость в такой операции можно определить хроматографически.
3. КАЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГАЛОГЕНАЛКИЛА. Каплю пробы прибавьте к 2 см3 2 % раствора нитрата серебра в этиловом спирте. Если не будет заметно никакой реакции по истечении 5 мин стояния при комнатной температуре, то раствор подогрейте до кипения и обратите внимание на образование и цвет осадка. Затем прибавьте две капли разбавленной 5 % азотной кислоты и наблюдайте, растворился ли осадок. Галогениды серебра не растворяются в разбавленной азотной кислоте. Примечание . Таким методом не могут быть обнаружены галогенарилы, галогенвинилы, четыреххлористый углерод и некоторые аналогичные по строению соединения. 4. Определение галогенпроизводных раствором йодистого натрия в ацетоне. Две капли пробы прибавьте к 2 см3 ацетонового раствора йодида натрия. Для приготовления реактива необходимо 5 г йодида натрия растворить в 100 г чистого ацетона. Пробирку встряхните и раствору дайте постоять 3 мин при комнатной температуре. Обратите внимание на то, образовался ли осадок и принял ли раствор красно-бурую окраску вследствие выделения свободного йода. Примечание . Галоидные винилы и арилы не могут быть обнаружены этой реакцией.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1 Какие меры техники безопасности следует соблюдать при получении бромэтана? 2 Сформулируйте правила образования названий спиртов и галогенуглеводородов по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Приведите примеры. 3 Укажите особенности строения молекул этилового спирта и бромэтана. 4 Напишите уравнения реакции получения всеми возможными способами: а) этилового спирта; б) глицерина; в) бромэтана; г) 1,2-дихлорэтана. 5. Охарактеризуйте химические свойства спиртов (на примере этилового спирта и глицерина). Приведите уравнения реакций, укажите условия: а) окисления; б) дегидратации; в) кислотно-основные свойства. 6. Охарактеризуйте химические свойства галогенуглеводородов (на примере бромэтана). Приведите уравнения реакций и укажите условия: а) взаимодействия с металлическим натрием, магнием; б) реакций нуклеофильного замещения; в) дегидрогалогенирования. 7. Укажите области применения галогенуглеводородов и спиртов. 8. Предложите реакции, при помощи которых можно обнаружить и разделить смесь первичного, многоатомного спиртов. 9. Предложите реакции, при помощи которых можно обнаружить и разделить смесь моногалогенуглеводорода и полигалогенуглеводородов (бромэтана и 1,2-дихлорэтана). 10. Предложите схему получения этилового спирта и бромэтана из неорганических веществ