有机化学设计性实验一(苯甲酸乙酯的合成)解读

图1-1 平均产率与四因素关系示意图
说明： ⑴A、D因素提供了变化趋势，但还需进一步探索更佳的情况； ⑵C因素因变化趋势平缓，可认为有近似最佳值； ⑶B因素有最佳值； ⑷如果仅据上述3个水平比较，则综合起来以A3B2C2D1为最好。
2.3将因素对响应的影响排序 R（极差）越大者，则相应的因素所带来的影响越大。 2.4追加试验
1、怎样安排实验
确定合成实验的影响因素数目，以及每个影响因素需要进行的水平梯度数目
A （物料比w/v） 苯甲酸：乙醇=1：3/（1：6、1：8） B （催化剂用量）硫酸氢钠=1g/（2g、3g） C （回流时间） t=30min/（45min、60min） D （回流温度） T=100℃/（115℃、130℃）
最佳化条件分析和计算
2.1 计算出各因素在每个水平下的平均产率（Mi）和极差（R） 2.2 将平均产率点图
将四个因素的3个平均产率点在一张图上，且为纵坐标，以四个因素的3个水 平点为横坐标，见图1-1。
M
·
· ·
·
· ·
·· ·
·
· ·
A1 A2 A3
B1 B2 B3
C1 C2 C3 D1
D2 D3
正交表能够在因素变化范围内均衡抽样，使每次试验都具有较强的代表性，由 于正交表具备均衡分散的特点，保证了全面实验的某些要求，这些试验往往能 够较好或更好的达到实验的目的。
正交实验法能够大幅度减少实验次数而且并不会降低试验可信度 比如3水平4因素表就只有9次，远小于全面试验的81次
正交实验设计包括两部分内容： 1、怎样安排实验 2、怎样分析实验结果
图10-1
3 因 素 3 水 平 的 全 面试验水平组合数为33=27，4 因素3水平的全面试验水平组合数为34=81 ，5因素3水 平的全面试验水平组合数为35=243，这在科学试验中
是有可能做不到的。
上一张 下一张 主 页 退 出
正交实验法
实现通过少数的实验次数找到较好的生产条件，以达到最高生产工艺效果
确定影响反应进行的因素
A（物料比）
苯甲酸：乙醇
B（催化剂用量） 硫酸氢钠
C（回流时间）
D（回流温度）
如何找出每个因素的最佳值？
普通实验方法设计
若有四个影响因素，则预定三个因素为定值，若将余下的一个因素按三个梯 度为一组进行实验，绘制变化曲线图，找出该因素的最佳值，并以此为定值， 彼此一一类推其它因素的最佳值
Y6
No7
3(1:5)
1(2g) 3(60min) 2(115℃)
Y7
No8
3(1:5)
2(4g) 1(30min) 3(130℃)
Y8
No9
3(1:5)
3(6g) 2(45min) 1(100℃)
Y9
A （物料比） B （催化剂用量） C （回流时间） D（回流温度）
说明：Ln（qm） L—表示正交表；n—指试验总数；q—指因素水平数； m—指因素个数
4因素，3水平，按L9(34)设计表格，详见表1-1
表1-1 苯甲酸乙酯合成的正交法设计表[L9（34）]
因素
编号
A
B
C
D
产率/%
No1
1(1:3)
1(1g) 1(30min) 1(100℃)
Y1
No2
1(1:3)
2(2g) 2(45min) 2(115℃)
Y2
No3
1(1:3)
3(3g) 3(60min) 3(130℃)
Y8
No9
3(1:8)
3(3g) 2(45min) 1(100℃)
Y9
A （物料比） B （催化剂用量） C （回流时间） D（回流温度）
说明：Ln（qm） L—表示正交表；n—指试验总数；q—指因素水平数； m—指因素个数
2、怎样分析实验结果
T1 Y（1+2+3） Y（1+4+7） Y（1+6+8） Y（1+5+9）
需要进行3×4=12组实验
全面实验方法设计
若有四个影响因素，每个因素有三个变化梯度（即水平） 需要进行3×3×3×3=81组实验
普通实验方法 需要进行3×4=12组实验 3个因素，每个因素选取4个实验水平，全面实验的次数： 4×4×4=64 6个因素，5个实验水平，全面实验的次数是：5×5×5×5×5×5=15625次
实验仪器及试剂： 苯甲酸4g(0.033mol)、无水乙醇10ml(0.17mol)、 浓硫酸3ml 、 Na2CO3 己烷、石油醚 分水回流装置、烧杯、加热套、玻璃棒、分液漏斗等
Y1
No2
1(1:3)
2(4g) 2(45min) 2(115℃)
Y2
No3
1(1:3)
3(6g) 3(60min) 3(130℃)
Y3
No4
2(1:4)
1(2g) 2(45min) 3(130℃)
Y4
No5
2(1:4)
2(4g) 3(60min) 1(100℃)
Y5
No6
2(1:4)
3(6g) 1(30min) 2(115℃)
T2 Y（4+5+6） Y（2+5+8） Y（2+4+9） Y（2+6+7）
T3 Y（7+8+9） Y（3+6+9） Y（3+5+7） Y（3+4+8）
M1
T1A/3
T1B/3
T1C/3
T1D/3
M2
T1A/3
T1B/3
T1C/3
T1D/3
M3
T1A/3
T1B/3
T1C/3
T1D/3
R MA(max-min) MB(max-min) MC(max-min) MD(max-min)
设计性实验一：苯甲酸乙酯的制备
COOH
C2H5OH
H2SO 4
COOC 2H5
H2O
1、如何控制有机合成反应进行的方向？在合成装置上有何体现？ 2、如何确定影响反应进行的主要因素与次要因素？ （正交试验） 3、分析合成的有机物是否是目标物，纯度如何？采用什么仪器检
测，依据在哪？(需要有机结构分析及仪器分析两门课程支撑)
Y3
No4
2(1:6)
1(1g) 2(45min) 3(130℃)
Y4
No5百度文库
2(1:6)
2(2g) 3(60min) 1(100℃)
Y5
No6
2(1:6)
3(3g) 1(30min) 2(115℃)
Y6
No7
3(1:8)
1(1g) 3(60min) 2(115℃)
Y7
No8
3(1:8)
2(2g) 1(30min) 3(130℃)
在9次试验中，因无A3B2C2D1水平组合，故需追加试 验。最简单的方法是在A3B2C2D1条件下做几次试验，看产 率是否会高于已做的9次试验。再者，在追加试验中还应 考虑上述个别因素非最佳值的情景。
表1-1 苯甲酸乙酯合成的正交法设计表[L9（34）]
因素
编号
A
B
C
D
产率/%
No1
1(1:3)
1(2g) 1(30min) 1(100℃)