GRUNDARBETEN I KEMI HELSINGFORS UNIVERSITET KEMISKA INSTITUTIONEN

Transkript

1 GRUNDARBETEN I KEMI HELSINGFORS UNIVERSITET KEMISKA INSTITUTIONEN 2017

2 GRUNDARBETEN I KEMI Version november 2017 Redigerat FD Kjell Knapas och FD Leena Kaisalo Översatt till svenska FD Kristian Meinander och FM Mika Berg

3 3 INNEHÅLLSFÖRTECKNING INLÄRNINGSMÅLEN FÖR DET OORGANISKA LABORATORIEPASSET 4 RENHET VID ANALYTISKT ARBETE 5 LABORATORIEUTRUSTNING 6 ARBETE I SYNTES OCH KARAKTERISERING AV EN KELATFÖRENING 9 ARBETE II KALORIMETRI 14 ARBETE III GASBRÄNNARE OCH LÅGREAKTIONER 17 ARBETE IV REAKTIONSHASTIGHET 18 ARBETE V STARK OCH SVAG SYRA 19 ARBETE VI LÖSLIGHETSPRODUKTEN FÖR KALCIUMHYDROXID 23 ARBETE VII GALVANISKA CELLER 24 ALLMÄNT OM DET ORGANISKA PASSET 25 INLÄRNINGSMÅL 25 UTFÖRANDET AV ARBETEN 25 ARBETSUTRUSTNING 25 ARBETSSÄKERHET 26 SLIPAT GLAS 27 UTAN SLIP 28 ARBETSMETODER 31 UTFÖRANDET AV REAKTIONER 31 UPPVÄRMING AV REAKTIONSBLANDNING 31 MEKANISK OMRÖRNING 32 ISOLERING 33 FILTRERING 33 EXTRAHERING 33 RENING 34 OMKRISTALLISATION 34 DESTILLERING 35 SULBIMERING 36 KROMATOGRAFISKA METODER 41 RAPORTERING AV SYNTESERNA 42 SYNTESER 45 meso-1,2-dibrom-1,2-difenyletan 45 ACETYLSALICYLSYRA 46 ETYLPROPANAT 47 BENSOIN 49 REDUKTION AV BENSOIN 50 p-metylacetofenon 51 p-bensokinon 52 INFRARÖDSPEKTROSKOPI 53

4 4 INLÄRNINGSMÅLEN FÖR DET OORGANISKA LABORATORIEPASSET att inse laborationsarbete som en del av kemivetenskapen och analys samt syntes som kemins huvuduppgifter känna till experiment som visualiserar värmekemin, atomens elektronstruktur, reaktionshastighet, protolys, löslighet och elektrokemin har bekantat sig med utförandet av syntesen och analyserna samt med analytisk precision behärskar användningen av gasbrännare

5 5 RENHET VID ANALYTISKT ARBETE Vid analytiskt arbete, alltså sådant arbete där målet är att ta reda på provets sammansättning, är det extremt viktigt att utrustningens och kemikaliernas orenheter inte förvränger analysresultatet. Med de känsligaste instrumentanalysmetoderna bestämda koncentrationerna är av nivån 0,1 ppb (bestämda ämnets andel av provets massa är av klassen ), jmf. kranvattnets kalciumkoncentration beroende på orten är ppm alltså gånger större. Det lär vara självklart utan att påpeka att sådana små koncentrationers tillförlitliga bestämning ställer väldigt hårda krav på renheten. I laborationsarbeten som hör till kemins kandidatprogram behandlas å andra sidan främst analysmetoder som baserar sig på kemiska reaktioner där koncentrationerna som bestäms är huvudsakligen av klassen 0,01 %. Dock t.ex. kranvattnets kalciumkoncentration är % av detta så då kranvatten används vid kalciumets bestämning kommer analysresultatet att vara så här mycket i överkant. Jämförelsevis för att uppnå fulla poäng får analysresultatet i kemins ämnesstudier avvika högst 0,75-3 % beroende på arbetet (vid bestämning av kalcium 1,5 %). I dessa grundstudiearbeten är bestämningsnoggrannheten å andra sidan inte ett av inlärningsmålen eller utvärderingsområdena. När det är frågan om renheten strävas det ändå genast efter en sådan nivå som är tillräcklig för att uppnå optimal noggrannhet med analysmetoder som baserar sig på kemiska reaktioner (titrimetri och gravimetri) samt lösningsspektrofotometri, vilket är ett av lärandemålen i ämnesstudiearbetena. Först och främst p.g.a. att bli van med vissa grundprinciper angående laboratoriearbete och för det andra p.g.a. att de senare ämnesstudieanalyserna görs i samma laboratorieutrymme som kemins grundarbeten, vilket kan leda till att ämnesstudiearbeten underkänns och måste upprepas t.ex. p.g.a. att kemikalierna kontaminerats under grundarbetena. De viktigaste renhetskraven vid analytiskt arbete som avviker sig från t.ex. köksarbete, är följande: 1) Kemikalierna som används bör vara av analyskvalitet (kvalitetsanmärkning t.ex. p.a. = pro analysi). 2) Vattnet som används bör vara jonbytt (= renat av joner genom att utbyta dessa till väte- och hydroxidjoner m.h.a. jonbyteshartser eller elektroforetiskt) 3) Då man diskar utrustningen bör man försäkra sig att det blir rent (vid diskandet av utrustningen används varmt vatten och en passlig borste samt en droppe diskmedel per kärl; kärl som innehållit endast utspädda vattenlösningar kräver dock inte alltid diskmedel och borste). 4) Diskade utrustningen sköljs till slut med jonbytt vatten. 5) Då man tar fasta ämnen ur burkar bör skedarna och spatlarna som används absolut vara rena och torra (i de flesta burkarna förvaras en plastsked som används för att uppta endast ur samma burk) 6) Vätskor får tas ur flaskor endast genom att hälla eller att använda en pipett som förvarats i flaskan (t.e.x. om man måste pipetera någon lösning med fullpipett och flaskan inte innehåller en sådan bör man först hälla en lite större mängd än vad som behövs av lösningen t.ex. i ett dekanterglas och pipetera sedan därifrån). 7) I kemikaliernas förvaringskärl får under inga omständigheter sättas överlopps kemikalier tillbaka (samtidigt måste man arbeta sparsamt och ta endast den mängd kemikalier som behövs; potentiellt överskött skall i första hand ges åt följande användare) 8) Olika kemikaliers förvaringskärls förslutningsartiklar får inte blandas med varandra.

6 6 LABORATORIEUTRUSTNING Här presenteras utrustningen som används endast i denna kurs oorganiska laboratoriepass (bilderna hittas på följande sida). Redan i kursens organiska del används en betydligt större mängd mera utvecklad utrustning vilka presenteras senare i kompendiet, sidorna xx-xx. Utrustning som används vid uppmätning av ämnesmängder Vid uppvägning används huvudsakligen en milligramvåg men vid uppvägning av mängder under ett gram med analytisk noggrannhet används en analysvåg vars avläsningsnoggrannhet är 0,1 mg. Vid uppmätning av vätskors volymer används huvudsakligen måttglas men för att göra en analytisk volymuppmätning används måttflaska (lösningens utspädning till den exakta slutvolymen, sluts med en teflonpropp), fullpipett (exakt dosering av en lösningsmängd) eller byrett (titrering) beroende på situationen. Pipetten fylls med en pumpett och pipetterna förvaras i en pipettställning pipettspetsen uppåt. Byretten hålls i ett stativ fäst med en byretthållare och förvaras med byrettspetsen uppåt samt kranen öppen. Utrustning som används i reaktioner och andra experiment Grundreaktionskärlet är ett dekanterglas där oftast en glasstav används för omrörning men vid elektrodindikerade titreringar roteras en magnet m.h.a. en magnetomrörare. Vid visuellt indikerade titreringar används erlenmeyerkolvar där omrörningen sker genom en handledsrörelse av kolven. Experiment i liten skala utförs i provrör vilka förvaras i en provrörsställning. Urglas används för att torka fasta ämnen, dessutom kan urglaset användas som dekanterglasets lock. I reaktioner vid flera hundra graders temperaturer används deglar som hanteras med degeltång. Exsickator, som är fylld med torkmedel, används för att försäkra sig över utrustningens och kemikaliernas absoluta torrhet. Sprutflaska används för att dosera jonbytt vatten. Utrustning som används vid upphettning Grundupphettningsapparaten är en elplatta som kan användas för att upphetta vätskor t.ex. i dekanterglas eller erlenmeyerkolvar som är framställda av borsilikatglas som tål temperaturomväxlingar (varumärken Pyrex, Duran, Jena osv.). Upphettning till högre temperaturer kan göras i en degel m.h.a. en elektrisk värmare eller en glödugn. Hjälputrustning Filtrering med gravitation görs m.h.a. en glastratt och ett runt filterpapper som viks på hälft och sedan på nytt på hälft varefter man öppnar tre sidor mot en.

7 7 Milligramvåg. Analysvåg. Måttflaskor och måttglas. Fullpipetter och pumpetter. Sprutflaskor. Filtrering.

8 8 Byrett och erlenmeyerkolvar. Dekanterglas med omrörningsmetoder. Provrör i en provrörsställning. Glödugn (övre) och värmeskåp. Elektrisk värmare och elplatta. Deglar, degeltånger och exsickatorer.

9 ARBETE I SYNTES OCH KARAKTERISERING AV EN KELATFÖRENING 9 I detta arbete framställs en komplexförening av järn, kaliumtrioxalatferrat(iii)trihydrat, K 3[Fe(C 2O 4) 3] 3H 2O. Denna typ av förening kallas kelat då oxalatliganderna är bundna till samma centralatom med två bindningar. På detta sätt bildas två ringar med fem atomer i ringen där en av dessa är centralatomen. Ur det syntetiserade komplexet bestäms järnmängden gravimetriskt (Arb I B) och oxalatmängden volymetriskt (Arb I C). Dessutom jämförs det syntetiserade komplexets stabilitet med stabiliteten för komplex av järn och fluorid samt järn och tiocyanat (Arb I D). Arbetets undervisningssyfte Åskådliggör: Kemi som vetenskap, analys och syntes som kemins huvuduppgifter Berörs: Jonföreningar och metallkomplexer, kemisk reaktion och stoikiometri, polaritet och löslighet. Arbetsmetoder: Utförning av syntesen och analyserna A. SYNTES AV KOMPLEXFÖRENINGEN Arbetsredskap och reagens 250 ml dekanterglas ammoniumjärn(ii)sulfat ((NH 4) 2Fe(SO 4) 2 6H 2O) 400 ml dekanterglas oxalsyra (H 2C 2O 4 2H 2O) 100 ml dekanterglas kaliumoxalat (K 2C 2O 4 H 2O) Glasstavar 3 M H 2O 2 Termometer etanol 100 ml måttglas Urglas

10 10 Arbetets utförande Framställ följande lösningar genom att väga upp reagens och lösa upp dem i vatten: o Lösning (a): 7,5 g (NH 4) 2Fe(SO 4) 2 6H 2O / 25 ml H 2O (250 ml dekanterglas) o Lösning (b): 10 g H 2C 2O 4 2 H 2O / 100 ml H 2O (400 ml dekanterglas) o Lösning (c): 5 g K 2C 2O 4 H 2O / 15 ml H 2O (100 ml dekanterglas) Använd ett 400 ml dekanterglas för att hålla jonbytt vatten hett. Tillsätt 35 ml av lösning b (oxalsyra) till lösning a (ammoniumjärn(ii)sulfat) under omrörning Fe 2+ (aq) + C 2O 4 2- (aq) fi FeC 2O 4 2 H 2O (s) Koka upp den erhållna lösningen. Avlägsna dekanterglaset från kokplattan och låt järn(ii)oxalatfällningen som bildats sjunka till botten. Häll bort den klara lösningen (=dekantera den) och tvätta fällningen med 50 ml hett vatten. Häll K 2C 2O 4-lösningen (lösning c) som du framställt över FeC 2O 4 2H 2O-fällningen. Rör om blandningen och tillsätt långsamt 30 ml 3 M H 2O 2-lösning vid ca 40 C. 6 FeC 2O 4 2H 2O (s) + 3 H 2O 2 (aq) + 6 K 2C 2O 4 (aq) fi 4 [Fe(C 2O 4) 3] 3- (aq) + 2 Fe(OH) 3 (s) + 12 H 2O (l) + 12 K + (aq) Koka upp lösningen. Den bruna fällningen orsakas av Fe(OH) 3. Sätt till oxalsyralösning (lösning b) i små portioner tills det bildas en klar, grön lösning. Håll lösningen kokande hela tiden och rör om den med en glasstav. 2 Fe(OH) 3 (s) + 3 H 2C 2O 4 (aq) + 3 K 2C 2O 4 (aq) fi 2 [Fe(C 2O 4) 3] 3- (aq) + 6 H 2O (l) + 6 K + (aq) [Fe(C 2O 4) 3] 3- -jonen som bildats orsakar lösningens gröna färg. Tillsätt 15 ml teknisk alkohol då lösningen har svalnat. Då lösningen svalnar börjar kaliumtrioxalatferrat(iii)trihydraten kristalliseras. 6 [Fe(C 2O 4) 3] 3- (aq) + 18 K + (aq) fi 6 K 3[Fe(C 2O 4) 3] 3H 2O (s) Då komplexföreningen kristalliserat sig (24 h) tvättas de erhållna kristallerna med en liten mängd vatten-etanolblandning (1:1) och efter detta med etanol. Efter detta låter man syntesprodukten torka (24 h). Syntesprodukten vägs och resultatet av vägningen antecknas i laboratoriedagboken.

11 B. BESTÄMNING AV JÄRN SOM JÄRN(III)OXID 11 Ammoniak fäller ut järn(iii)jon ur en vattenlösning som hydroxid: Järn(III)hydroxid bildar först en kolloidlösning men uppvärmning och tillsats av en elektrolyt (t.ex. NH 4Cl) får en fällning att bildas. Då den filtrerade och tvättade Fe(OH) 3-fällningen glödgas ändras dess sammansättning så att slutprodukten är järn(iii)oxid. Arbetsredskap och reagens 250 ml dekanterglas ammoniumklorid (NH 4Cl) Filterpapper 2,5 M HNO 3 Degel 2 M NH 3 Glastratt 0,1 M NH 4NO 3 i sprutflaska Glasstav Exsickator Arbetets utförande Placera den tomma degeln i glödugnen (ca 950 C) för en halv timme, låt den svalna i en exsickator i en halv timme och väg sedan degeln. Anteckna vägningens resultat i laboratoriedagboken. Väg upp ca 0,5 g (anteckna den exakta mängden i laboratoriedagboken) av kaliumtrioxalatferraten i ett 250 ml dekanterglas och lös upp den i ca 50 ml vatten. Tillsätt 2-3 ml 2 M salpetersyra och hetta upp lösningen nästan till kokpunkten. Späd ut den erhållna lösningen till ca 150 ml och tillsätt 2-3 g fast ammoniumklorid. Koka upp lösningen och avlägsna den från kokplattan. Tillsätt långsamt 2 M ammoniak och rör om hela tiden med en glasstav. Tillsätt så mycket ammoniak att lösningen är klart basisk. Filtreringen påbörjas genom att försiktigt hälla den klara vätskan från fällningen till filterpappret i glastratten längs en glasstav. Fällningen (Fe(OH) 3) får sjunka till botten och den klara vätskan hälls igen i tratten. Som följande överförs fällningen till tratten med hjälp av glasstaven och en stråle tvättlösning. Som tvättlösning används en utspädd NH 4NO 3- lösning. Tvätta fällningen tills filtratet som rinner ned är neutralt. Efter tvätten avlägnas filterpappret försiktigt från tratten och papprets kanter viks så att de täcker fällningen. Paketet placeras i degeln och torkas med en Bunsen-låga i ett dragskåp. Torkningen inleds med liten effekt (låga) och effekten (lågan) ökas småningom så att pappret förkolnar utan att brinna med låga. Då pappret har förkolnat helt flyttas degeln till glödgningsugnen för ungefär en halv timme. Från ugnen flyttas degeln försiktigt till en exsickator för att svalna. Degeln får svalna i ungefär en halv timme, vägs och vägningsresultatet antecknas i laboratoriedagboken.

12 12 C. BESTÄMNING AV OXALAT Oxalatjonen kan bestämmas kvantitativt genom att titrera den med kaliumpermanganat (KMnO 4) i sur lösning. Kaliumpermanganaten oxiderar oxalaten till koldioxid och reduceras själv till mangan(ii)joner. Reaktionen är långsam i en kall lösning men den kan försnabbas genom att sätta till Mn(II)-joner som katalysator och värma upp lösningen. I denna titrering behövs ingen separat indikator då MnO 4 - -jonen färgar lösningen lila vid ekvivalentpunkten. Arbetsredskap och reagens: 25 ml byrett ca. 0,02 M KMnO 4 (kolla den exakta koncentrationen i flaskan) 250 ml Erlenmeyerkolv 1 M H 2SO 4 mangansulfat (MnSO 4) Arbetets utförande Väg upp mg (anteckna den exakta massan i laboratoriedagboken) av kaliumtrioxalatferraten med analysvåg i en 250 ml erlenmeyerkolv och lös upp den i ca 50 ml vatten. Tillsätt 30 ml 1 M svavelsyra och lite fast mangan(ii)sulfat. Koka upp lösningen. Titrera den heta lösningen med KMnO 4-lösningen. Vid titreringens slutpunkt förblir lösningen lila trots omrörningen. För att försäkra sig om en tillräcklig reaktionshastighet bör lösningen vara över 60 C även vid titreringens slutpunkt (= kärlets botten kan ej hållas för hand, värm upp lösningen vid behov). Anteckna förbrukningen av permanganatlösning i laboratoriedagboken tillsammans med reaktionslikheten för redox-reaktionen vid titreringen.

13 D. BESTÄMNING AV STABILITETEN FÖR JÄRN(III)KOMPLEXET 13 I arbetet jämförs det syntetiserade komplexets stabilitet med stabiliteten för komplex av järn och fluorid samt järn och tiocyanat. Arbetsredskap och reagens: 100 ml dekanterglas 0,1 M Fe(NO3)3 Provrör 1 M NH 4SCN 0,6 M NaF Arbetets utförande: Lös upp en liten mängd (ca 50 mg) av den syntetiserade järn(iii)komplexföreningen i vatten i ett dekanterglas. Sätt några droppar av den ljusgröna järnoxalatlösningen i två provrör och tillsätt några droppar 0,1 M järn(iii)jonlösning, Fe(NO 3) 3, i två andra provrör för jämförelsereaktioner. Tillsätt några droppar ammoniumtiocyanat i det ena röret med järn(iii)nitrat och några droppar natriumfluorid i det andra. Anteckna färgreaktionerna i laboratoriedagboken. Utför samma reaktioner för järnoxalatlösningarna och anteckna färgförändringarna i laboratoriedagboken. På basis av färgförändringarna kan du bestämma om den tillsatta liganden ersätter den ursprungliga.

14 14 ARBETE II KALORIMETRI I arbetet bekantar du dig med en kalorimeter och fastställer upplösningsvärmen för kopparsulfat med och utan kristallvatten (CuSO 4 5H 2O respektive CuSO 4). Med hjälp av dessa fastställs hydrateringvärmen då CuSO 4 utan kristallvatten omvandlas till motsvarande pentahydrat. Upplösningsreaktioner: CuSO 4 5H 2O (s) + n H 2O (l) fi CuSO 4 (aq) CuSO 4 (s) + n H 2O (l) fi CuSO 4 (aq) Energimängder som frigörs eller binds vid en kemisk reaktion mäts med en kalorimeter. Beroende på reaktionstypen kan kalorimeterns struktur variera. I detta arbete används en kalorimeter som lämpar sig för reaktioner där ett fast ämne eller en vätska reagerar med en annan vätska. Kalorimetern består av ett reaktionskärl som isolerats så väl som möjligt från sin omgivning, en värmesensor för att mäta temperaturförändringen, en provbehållare och en omrörare. Kalorimeterns struktur presenteras i följande bild: Kalorimetern anger temperaturen som funktion av tiden. Temperaturförändringen i reaktionen kan utläsas ur kalorimeterns rapport eller den kan bestämmas från grafen.

15 15 Arbetets undervisningssyfte Teori som åskådliggörs: Värmekemi (Tro 6) Arbetsredskap och reagens Parr kalorimeterappartur 0,1000 M HCl 100 ml måttglas TRIS (=Tris(hydroximetyl)aminometan) kopparsulfat (CuSO 4 och CuSO 4 5 H 2O)

16 16 Arbetets utförande Då man rör sig i kalorimeterns menyer kommer man en 1 nivå uppåt med ESC och MAIN MENU tar användaren tillbaka till huvudmenyn. START startar mätningen och ABORT avbryter den. REPORT visar rapporterna för de mätningar som slutförts och HELP hjälper med alternativen i varje menyfönster. Kontrollera att ethernet- och elkabeln är kopplade till centralenheten och att motorns ledning är kopplad mellan kalorimetern och centralenheten. Försäkra dig om att värmesensorns ledning är kopplad till uttaget märkt som BUCKET och att själva sensorn är på sin plats. Koppla på kalorimetern med strömbrytaren på baksidan. Låt kalorimetern starta upp i lugn och ro, vänta tills menyn kommer upp. Fyll reaktionskärlet (ett Dewar-kärl) (i kalibreringen 100 ml 0,100 M HCl och i mätningarna 100 ml jonbytt vatten) och sätt det på sin plats i kalorimetern med hjälp av en svart plastring. Väg upp den önskade mängden fast ämne i utrymmet i provbehållarens mitt (en PTFEbehållare) försiktigt och sätt tillbaka staven. Vid kalibreringen är m(tris) = 0,50 g och vid mätningen är m(cuso 4 5 H 2O) ~ 1,7 g och m(cuso 4) ~ 0,2 g. Anteckna de exakta mängderna i din laboratoriedagbok. Lyft upp kalorimeterns lock och fäst provbehållaren på omröringsdelen. Placera provhållaren runt omrörningsdelens plastdel och spänn den med den medföljande skruven. Sätt tillbaka kalorimeterns lock på sin plats och sätt in glasstaven i hålet i provbehållaren genom hålet i kalorimeterns lock. Sätt dragremmen för omrörningen på plats. Sätt på omröraren (CALORIMETER OPERATION / STIRRER) och låt temperaturen jämna ut sig några minuter. Förändringen i temperaturen kan hela tiden följas med genom att se på grafen (CALORIMETER OPERATION / TEMPERATURE GRAPH). Värme-axeln kan modifieras separat för den inre och yttre temperaturen via (SETUP)-menyn del (BUCKET / JACKET MIN och MAX). Start mätningen genom att trycka START. Då kalorimetern piper till som signal att den rör om, tryck snabbt ner PTFE-behållarens botten med glasstaven och tryck CONTINUE. Då temperaturen enligt kalorimetern har stabiliserats tillräckligt piper den för att markera att reaktionen är slut och visar en rapport över reaktionen på skärmen. Anteckna mätresultatet i din laboratoriedagbok. Tryck DONE för att återvända till huvudmenyn. Stoppa omrörningen (CALORIMETER OPERATION / STIRRER). Rengör utrustning du använt med jonbytt vatten (glasvaror, PTFE-behållare, Dewar-kärl och glasstav).

17 17 ARBETE III GASBRÄNNARE OCH LÅGREAKTIONER För uppvärmning och behandling av glas används en gasbrännare. I den blandas naturgasen med luft och brinner vid slutet av röret. Förhållandet mellan gas och luft kan användas till att justera lågans storlek och färg. I arbetet bekantar vi oss med gasbrännarens konstruktion, lågans egenskaper och temperaturen i de olika delarna av lågan. Dessutom utförs några analytiskt viktiga lågreaktioner. Arbetets undervisningssyfte Teori som åskådliggörs: Atomens elektronstruktur (Tro 7) Berörs: Atomemissionsspektroskopi Arbetsmetoder: Användning av gasbrännare Arbetsredskap och reagens gasbrännare NaCl-lösning kromnickeltråd KCl-lösning koboltglas CaCl 2-lösning SrCl 2-lösning BaCl 2-lösning CuCl 2-lösning Arbetets utförande Tänd gasbrännaren: stäng först lufthålen, öppna gaskranen och tänd brännaren som då har en klar, gul låga. Öppna efter detta lufthålen så att lågan inte mera syns klart (blir blå). Rengör kromnickeltråden som har en ögla i ändan genom att hetta upp den i lågan. Då tråden inte längre färgar lågan är den ren. Sätt en droppe av föreningen som undersöks i kromnickeltrådens ögla, för in den i lågan och observera färgen. Kolla lågreaktionerna för NaCl och KCl också genom ett koboltglas. Anteckna de undersökta föreningarna och lågornas färger i laboratoriedagboken. Fäst speciell uppmärksamhet vid färgskillnaderna mellan kalcium och strontium samt barium och koppar. Utför lågreaktionen också för en blandning av NaCl och KCl då den starkt gula färgen från natrium täcker den lila färgen från kalium. Då lågan granskas genom koboltglas kan färgen från kalium observeras eftersom färgen från natrium absorberas av glaset.

18 18 ARBETE IV REAKTIONSHASTIGHET I detta arbete undersöks koncentrationens inverkan på reaktionshastigheten. I försöken oxiderar olika koncentrationer kaliumjodat (KIO 3) en liten mängd natriumsulfit (Na 2SO 3) enligt reaktionslikhet 1. När sulfitjonen slutar, oxiderar jodatjonen sin egen reduktionsprodukt med komproportioneringsreaktionen 2 och därvid bildas elementärt jod i lösningen. Natriumsulfitlösningen innehåller lite stärkelse (T), som anger närvaro av t.o.m. väldigt lite jod i lösningen genom att bilda ett svartblått jodstärkelsekomplex. Från resultaten räknas reaktionens ordningstal med avseende på jodatjon samt reaktionshastighetskoefficienten. IO SO 3 2- I SO 4 2- (1) IO I H + 3 I H 2O (2) T + I 2 T:I 2 (3) Arbetets undervisningssyfte Teori som åskådliggörs: Reaktionshastighet (Tro 13) Arbetsredskap och reagens 4 stycken 200 ml erlenmeyerkolvar 0,01000 M KIO 3 i en kolvdoserare vatten i en kolvdoserare 0, M Na 2SO 3 i en kolvdoserare Työn suoritus Dosera 0,01000 M KIO 3-lösning i fyra 200 ml erlenmeyerkolvar enligt följande: 20, 30, 40 och 50 ml. Dosera på vatten så att volymerna för alla lösningar är 50 ml. Dosera snabbt 50 ml 0, M Na 2SO 3-lösning i en av erlenmeyerkolvarna, rör om lösningen till homogen och ta tid med en sekundator hur länge det tar tills den svartblåa färgen av jod-stärkelsekomplexet uppenbarar sig i lösningen och anteckna resultatet i laboratoriedagboken. Gör lika med de andra erlenemeyerkolvarna.

19 19 ARBETE V STARK OCH SVAG SYRA Arbetets undervisningssyfte Teori som åskådliggörs: Protolys (Tro 15). Även i kompendiet för kursen i lösningskemi kan man läsa om ämnet. Berörs: Potentiometri Arbetsmetoder: Renhet vid analytiskt arbete, kvantitativ överföring av ett ämne, analytisk mätning, korrekt användning av analytiska mätredskap Bestämning av ph Lösningars ph kan bestämmas t.ex. med en potentiometer eller med hjälp av en färg-indikator. Vid potentiometrisk ph-bestämning mäts potentialskillnaden mellan två elektroder som har kontakt med lösningen som analyseras. Den ena elektroden är en indikatorelektrod, vanligen är denna en glaselektrod. Glaselektrodens potential beror enligt Nernsts ekvation på logaritmen av lösningens vätejonaktivitet. Elektroden har en tunn glashinna som innesluter en ledare och en lösning med en känd vätejonaktivitet. Den andra elektroden är en referenselektrod (vanligen en Ag-AgCl elektrod) vars potential inte beror på lösningens ph. Som referenselektrod används även kalomelelektrod (Hg-Hg 2Cl 2). Ofta har glas- och Ag-AgCl- eller kalomelelektroden kombinerats i en så kallad kombinationselektrod. Elektroderna kopplas ihop med en saltbrygga, t.ex. en KCl- eller KNO 3-lösning. Skalan på en ph-mätare görs oftast upp så att potentialskillnaden kan avläsas direkt i ph-enheter. Vid potentiometriska mätningar bestäms oftast oxoniumjonernas aktivitet a(h 3O + ) istället för koncentration [H 3O + ]. I utspädda lösningar gäller att aktiviteten motsvarar koncentrationen, dvs. a(h 3O + ) ~ [H 3O + ], och ph och poh kan då definieras som: ph = - lg [H 3O + ] och poh = - lg [OH - ] Syra-basindikatorer byter färg vid titreringens ekvivalenspunkt. Dessa indikatorer är ofta svaga organiska syror vars syraform har en annan form än basformen. HInd + H 2O fi H 3O + + Ind - I följande tabell presenteras några indikatorers färg och omslagsintervall:

20 20 Indikator Färg Metylviolett Tymolblå Metylröd Lackmus Bromtymolblå Kresolröd Fenolftalein Alizaringul R 1,3,5-trinitrobensen (HInd) (Ind - ) gul - violett röd - gul röd - gul röd - blå gul - blå gul - röd färglös - rödviolett gul - violett färglös - brun Omslagsintervall(pH) 0-2 1,2-2,8 4,2-6,3 5,0-8,0 6,0-7,6 7,2-8,8 8,3-10,0 10,1-12,0 12,0-14,0 Syra-bastitrering En syra-bastitrering är en neutraliseringsreaktion där en syra reagerar med en ekvivalent mängd bas. Reaktionens gång följs vanligen genom att mäta lösningens ph potentiometriskt i de olika skedena av titreringen. Då de erhållna ph-värdena presenteras som funktion av den förbrukade titreringslösningen fås en titreringskurva lik den i bilden nedan. Titrering av en stark syra med en stark bas Titrering av en svag syra med en svag bas Ur titreringskurvan kan man se att då en stark syra titreras med en stark bas ändras lösningens ph nära ekvivalenspunkten (den teoretiska punkt där mängden syra och bas är exakt den som anges i reaktionslikheten) mycket också vid tillsats av en liten mängd reagens. I detta fall går ekvivalenspunkten att fastställa exakt med hjälp av titreringskurvan. Då en svag syra titreras med en stark bas är titreringskurvan inte lika brant och ingen stor förändring i ph-värdena observeras. Formen på titreringskurvan för en syra beror på dess syrakonstant och koncentration. Ekvivalenspunkten bestämmas relativt exakt om syrans pk a-värde är under än 8.

21 21 A. TITRERING AV EN STARK SYRA MED EN STARK BAS I arbete titreras ett prov som innehåller en okänd mängd svavelsyra med en 0,100 M NaOH-lösning och förändringen i lösningens ph följs potentiometriskt. Titreringens ekvivalenspunkt bestäms genom två av varandra oberoende metoder: titreringskurva och syra-basindikator. Svavelsyra är en tvåvärd syra som i utspädda lösningar kan anses vara fullständigt protolyserad. I sådan fall kan endast den ena ekvivalenspunkten fastställas från titreringskurvan. Följande neutraliseringsreaktion beskriver titreringen: H 2SO 4 (aq) + 2 NaOH (aq) fi Na 2SO 4 (aq) + 2 H 2O Arbetsredskap och reagens 250 ml dekanterglas 0,100 M NaOH 250 ml måttflaska Bromtymolblå-indikatorlösning 100 ml fullpipett och pumpett 25 ml byrett Magnetomrörare och magnetstav ph-mätare Arbetets utförande: Bekanta dig med användningen av ph-mätare. Häll upp buffertlösningarna i koppar och kalibrera ph-mätaren enligt instruktionerna. Utspäd det urprungliga H 2SO 4-provet noggrant till volymen 250 ml i en måttflaska och pipetera ett 100 ml delprov i ett dekanterglas. Placera kombinationselektroden i lösningen och tillsätt 5-10 droppar indikatorlösning (bromtymolblå) samt en magnetstav. Titrera den mekaniskt omrörda lösningen med 0,100 M NaOH-lösning genom att tillsätta de mängder bas som anges i tabellen i laboratoriedagboken. Avläs lösningens ph från potentiometern efter varje bastillsats och anteckna värdet i laboratoriedagboken. Observera när färgen på basformen av bromtymolblått blir permanent och anteckna mängden konsumerad bas vid denna punkt i laboratoriedagboken.

22 B. TITRERING AV EN SVAG ENVÄRD SYRA MED EN STARK BAS 22 I vattenlösningen av en svag envärd syra råder följande jämvikt: HA + H 2O H 3O + + A - Syrakonstanten (K a) för ättiksyra är då: K a + - C(H3O ) C(A ) = C(HA) pk a = - lg K a I arbetet bestäms koncentrationen för en ättiksyralösning genom att titrera den med en 0,100 M NaOH-lösning. Neutralisationsreaktionen är då: CH 3COOH (aq) + NaOH (aq) CH 3COONa (aq) + H 2O Titreringens ekvivalenspunkt avläses från titreringskurva. Utgående från resultaten beräknas värdet på ättiksyrans syrakonstant och lösningens ph vid startpunkten och ekvivalenspunkten. Arbetsredskap och reagens 250 ml dekanterglas 0,100 M NaOH 100 ml fullpipett och pumpett Fenolftalein-indikatorlösning 25 ml byrett Magnetomrörare och magnetstav ph-mätare Arbetets utförande Pipetera 100 ml av ättiksyralösningen som undersöks i ett 250 ml dekanterglas. Placera kombinationselektroden i provet och tillsätt ett par droppar fenolftaleinindikatorlösning och en magnetstav. Titrera den mekaniskt omrörda lösningen med 0,100 M NaOH-lösning genom att tillsätta de mängder bas som anges i tabellen i laboratoriedagboken. Avläs lösningens ph från potentiometern efter varje bastillsats och anteckna värdet i laboratoriedagboken. Observera när den violetta färgen på basformen av fenolftalein blir permanent och anteckna mängden konsumerad bas vid denna punkt i laboratoriedagboken.

23 ARBETE VI LÖSLIGHETSPRODUKTEN FÖR KALCIUMHYDROXID 23 I arbetet bestäms värdet på löslighetsprodukten för kalciumhydroxid. Dessutom bestäms lösligheten i vatten samt NaOH och CaCl 2-lösningar för att illustrera inverkan av en gemensam jon. I en mättad kalciumhydroxidlösning råder jämvikten: Ca(OH) 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 OH - (aq) Löslighetsprodukten (K s) är då: K s = [Ca 2+ ] [OH - ] 2 och pk s = - lg K s Hydroxidjonens totalkoncentration i den mättade lösningen kan bestämmas genom att titrera ett prov av lösningen med en syra av känd koncentration. Från detta resultat kan ett värde på löslighetsprodukten uträknas. Arbetets undervisningssyfte Teori som åskådliggörs: Löslighet (Tro 16). Även i kompendiet för kursen i lösningskemi kan man läsa om ämnet. Där kan man dessutom studera aktivitetskoefficienterna som räknas i slutet. Arbetsmetoder: Korrekt utförning av en visuellt indikerad titrering Arbetsredskap och reagens Termometer Mättad Ca(OH) 2-lösning 25 ml byrett 0,010 M CaCl 2-lösning mättad med Ca(OH) 2 3 st trattar 0,020 M NaOH-lösning mättad med Ca(OH) 2 Pumpett 0,100 M HCl 3 st 100 ml måttglas Fenoliftalein-indikatorlösning 3 st 25 ml fullpipetter Filterpapper 6 st 250 ml erlenmeyerkolvar Arbetets utförande Filtrera ca 60 ml av alla de mättade lösningarna i varsitt måttglas (använd vid behov två filterpapper). Var försiktig att inte skaka flaskorna när du häller. Pipetera två 25 ml:s prov av alla filtrat i två olika erlenmeyerkolvar för parallella bestämningar. Mät provets temperatur. Tillsätt några droppar fenolftalein-indikatorlösning. Titrera proven med 0,100 M HCl-lösning (ekvivalenspunktens färgombyte: från rödviolett till färglös). Anteckna resultaten i laboratoriehandboken.

24 24 ARBETE VII GALVANISKA CELLER I arbetet undersöks vissa redoxpars redoxegenskaper genom mätning av cellspänningarna i bildade galvaniska celler. Arbetets undervisningssyfte Teori som åskådliggörs: Elektrokemi (Tro 18). Även i kompendiet för kursen i lösningskemi kan man läsa om ämnet. Arbetsmetoder: Planering av försök Arbetsredskap och reagens 100 ml dekanterglas 0,050 M Cu(NO 3) 2 potentiometer 0,050 M Zn(NO 3) 2 ledningar och ledningsklämmor 0,050 M I 2 0,070 M KI koppar- och sinkplattor 0,10 M FeSO 4 kolstavvar 0,10 M Fe(NO 3) 3 filterpapperremsor och 0,1 M NH 4NO 3 för saltbryggor Utförande av arbetet Framställ följande halvceller: (1) Cu 2+ / Cu (2) Zn 2+ / Zn (3) I 2 / I - (4) Fe 3+ / Fe 2+ Mät cellspänningarna för tre galvaniska celler bildade av dessa (alla halvceller måste användas minst en gång). Använd en ny saltbrygga i varje cell. Dokumentera dina mätningar grundligt i laboratoriedagboken.

25 Inlärningsmål 25 Allmänt om det organiska passet kan genomföra följande synteskemins arbetsmetoder: uppvärmning av reaktionsblandningen under återloppskylning, användning av mekanisk omrörare, destillering vid normal- och undertryck, omkristallisering, filtrering extrahering och sublimering. kan utföra en enkel syntes m.h.a. den givna anvisningen. kan använda vanliga fysikaliska metoder som smältpunkt, kokpunkt, brytningsindex, tunnskiktskromatografi vid utvärdering av produktens kvalitet kan mäta och tolka IR-spektra förstå sambandet mellan syntesreaktionens mekanism och reaktionens utförande i praktiken Utförandet av arbeten Det är skäl att bekanta sig med kursmaterialet före kursen börjar. Frånvaron bör diskuteras med assistenten. Syntesprodukten och sakligt ifylld syntesblankett returneras för granskning till assistenten senast en dag efter att arbetet utförts I grundarbetena görs 7 st. synteser. Arbetets teori och praktiska utförande tenteras i grupp åt handledande assistenten på morgonen innan laborationerna påbörjas. Det är alltså viktigt att vara på plats då arbetstiden börjar. Kursdeltagarna är indelade i grupper. Alla grupper gör olika synteser medan inom gruppen gör studerandena samma arbete självständigt. Synteserna värderas med vitsord (1-5) vilket baserar sig på produktens utbyte och renhet Arbetsutrustning Varje studerandes arbetsplats innehåller vanliga glasvaror vilka studerandena är själv ansvariga för. På första dagen före arbetena påbörjas kvitterar alla studerande av preparatorn ett eget skåp för arbetena. Skåpet med rena glasvaror bör lämnas tillbaka senast på sista arbetsdagen. Av skåp som inlämnas senare faktureras en extra 40 avgift. Saker som värmemantel, mikrodestillationsdel och Vigreaux-kolonn fås mot kvittering från assistentrummet. Sakerna tvättas och returneras omedelbart efter användningen till assistentrummet.

26 26 Arbetssäkerhet Arbete i laborationsmiljö är säkert då man kan skyddsutrustningens och apparaturernas rätta användningssätt, följer regler och instruktioner samt hanterar kemikalier försiktigt och varsamt. Om du inte vet, fråga assistenten. Om arbetsreglerna medvetet bryts leder det till arbetsförbud. Ordning på arbetsplatsen Renlighet ökar säkerheten i laboratoriet. Egna arbetsplatsen skall alltid städas efter att man slutat arbeta. Man får inte lämna kemikalier på sådana ställen där de kan vara till risk för andra. Alla förvaringskärl bör vara försedda med etikett. Stora mängder lättantändliga lösningsmedel får inte förvaras i dragskåpet. Gångvägarna i laboratoriet skall hållas fria från hinder (stolarna till sidan, skåpdörrarna stängda...). Om du vill tända en Bunsen-brännare försäkra dig om att det inte finns lättantändliga lösningsmedel närvarande. I laboratoriet får man inte äta, dricka eller röka. Arbetsrocken hör endast till laboratoriet. I laboratoriet får arbetas endast under de bestämda arbetstiderna. Skyddsglasögon används alltid i laboratoriet! Skyddsutrustning Laboratoriets viktigaste skyddsutrustning är dragskåpet. Ta reda på användningsinstruktionerna Personliga skyddsutrustningar. Använd alltid skyddsglasögon, -handskar och arbetsrock Apparaturer Apparaturer som upphettas får inte täckas Kokstenarnas och uppvärmningsbadens användning. Oljebadet får endast upphettas till 200. Uppvärmningen görs med värme-/omrörningsplatta eller elplatta inte med öppen låga Lösningsmedlen indunstas genom destillering eller med en rotavapor inte m. h. a. ett öppet kärl Apparaturen kan lämnas i dragskåpet (inte på arbetsbordet) bara med assistentens skriftliga lov där också studerande skriver namnet Avfallshantering och tvättning av kärl Avfall som kan sättas i avloppet: ofarliga vattenlösliga föreningar och utspädda vattenlösningar vars ph är Lösningsmedel och giftiga föreningar som är olösliga i vatten samlas i ett avfallskärl Föreningar som reagerar häftigt eller bildar giftiga gaser med vatten förstörs med kemiaska reaktioner Vid tvätt av kärl används aceton sparsamt (pris) och aldrig i närvaro av hett vatten

27 27 SLIPAT GLAS termometer

28 UTAN SLIP 28

29 29

30 30

31 31 Utförandet av reaktion Arbetsmetoder Uppvärmning av reaktionsblandning Uppvärmning av reaktionsblandningar där kolven förses med en kylare används t.ex. då man återloppskokar eller omkristalliserar. Detta görs med apparaturen nedan där en bollkylare används. Kylaren hindrar vätskan för att avdunsta genom att komprimera ångan till vätska som rinner ner tillbaka i kolven. Till blandningen som skall uppvärmas bör tillsättas kokstenar för att undvika stötkokning, ifall man inte använder magnet- eller mekanisk omrörning. När kokpunkten är under 80 för vätskan som skall uppvärmas används ett vattenbad som värmekälla. Vätskor som kokar vid högre temperaturer uppvärms med ett paraffin- eller silikonoljebad försedd med en termometer. Paraffinoljebadet får upphettas till högst 200 och silikonoljebadet till 250. Om du inte vet vilken olja som används upphetta oljan då till högst 200. Undvik att få vatten i oljebadet annars börjar det stänka under upphettningen. Ifall reaktionsblandningen är fuktkänslig måste bollkylarens övre slip förses med ett torkrör fyllt med CaCl2. Apparaturen som används vid upphettningen får aldrig vara fullständigt sluten. Uppvärmning av ett slutet system kan orsaka explosionsfara.

32 32 Mekanisk omrörning Mekanisk omrörning används då man vill effektivt blanda styva reaktionsblandningar t.ex. vid Friedel-Crafts-reaktion. Omröraren och glasvarorna som behövs för apparaturen kan hittas i undervisningslaboratoriets mellanrum. Fäst stadigt omröraren i ett stativ för att undvika att den faller under reaktionen. Pröva den tomma apparaturen före tillsatsen av utgångsämnena. Mekanisk omrörning är inte lämplig för synteser i liten skala. Då kan man använda magnetomrörning istället. OBS! Om en tryckutjämnande dropptratt (har ett sidorör) används sluts denna med en glaspropp inte med ett CaCl2-torkrör. Annars rymmer lösningsmedlet och HCl-gasen som frigörs i reaktionen via torkröret.

33 33 Isolering Filtrering När man filtrerar bort det olösliga ämnet (t.ex. torkmedel) och filtratet tas till vara används en ren glastratt med vadd eller veckat filterpapper. När det fasta ämnet tas tillvara används sugfiltrering (se apparaten nedan). Båda sugflaskorna fästs stadigt med klämmare i ett stativ. I sugtratten (Büchnertratten) sätts ett runt filterpapper som täcker alla hål i tratten. Filterpappret får inte stiga på trattens kanter vilket kan leda till att det fasta ämnet går igenom tratten. Pappret väts med samma lösningsmedel som använts i reaktionen. Vattenstrålepumpens kran öppnas helt och säkerhetsflaskans kran stängs, varefter filterpappret trycks mot tratten och apparaturen är färdig för filtrering. När man slutar sugfiltreringen släpps först systemet i normaltryck genom att öppna säkerhetsflaskans kran. Extraktion Då man flyttar reaktionsprodukten från vattenlösning till ett organiskt lösningsmedel, t.ex. eter, skakas vattenlösningen med det organiska lösningsmedlet i en skiljetratt. Med ena handen stöder man skiljetrattens kork och med andra kranen. Du kan öva dig med en tom skiljetratt. Kolla också kranens rörlighet och använd kranfett vid behov. Inledningsvis skakas lösningen försiktigt några sekunder varefter övertrycket som bildats i skiljetratten släpps ut genom att öppna kranen. Extraktionen fortsätts lika ända tills inget övertryck längre bildas varefter lösningen skakas kraftigt i 1-2 min. Tratten får stå i ringklämmare så att faserna separerar. Om organiska lösningsmedlets täthet (kolla CRC handbook of chemistry and physics) är lägre än vattnets, bildar lösningsmedlet det övre skiktet och vattnet det lägre. När man använder olika lösningsmedel kan det hända att man blir osäker på vilken är vattenlösningen. Detta kan kollas genom att tillsätta en droppe av någondera vätskan och se i vilken fas denna landar. När man separerar faserna tas proppen bort och den nedre

34 fasen släpps ut i ett kärl genom att öppna kranen. Övre fasen blir kvar i skiljetratten och hälls via munstycket i ett annat kärl. När du använder lättflyktiga och lättantändliga lösningsmedel, t.ex. eter, får ingen öppen eld vara närvarande. 34 Rening Omkristallisation Den viktigaste reningsmetoden för fasta organiska föreningar är omkristallisation. Metoden baserar sig på löslighetsskillnaderna mellan produkten och orenligheterna i omkristallisationslösningen. Kristallina föreningar som fåtts antingen som syntesprodukt eller från organiska material innehåller alltid instängda orenligheter från omgivningen. I praktiken renas den orena föreningen genom att lösa upp den i en så liten mängd het lösning av vilken produkten utfälls då lösningen nedkyls. Liten mängd lösningsmedel leder till att kristallernas orenligheter blir i moderlösningen. Om den heta lösningen innehåller olösliga orenligheter bör den filtreras före lösningen nedkyls. Färgade orenligheter kan i vissa fall tas bort m. h. a. aktivt kol. Det är viktigt att kyla ner lösningen tillräckligt långsamt för att undvika orenligheterna att bli instängda i kristallgittret. Dessutom fås små kristaller medan långsam nedkylning ger stora kristaller. Ifall man inte vet omkristallisationslösningen som skall användas bör man pröva sig fram till den rätta. Vid valet av lösningmedlet måste man beakta bl. a. följande: lösningsmedlet får inte reagera med produkten, produkten skall lösa sig bra i het lösning men dåligt i kall lösning. Lösningsmedlets kokpunkt bör vara lägre än smältpunkten för den fasta produkten. Tyvärr finns det ingen tumregel hur man skall välja omkristallisationslösningen vilket ovan kan ses. Opolära kolväten kan omkristalliseras från hexan eller petroleter. För etrar och halogenider kan diklormetan vara ett bra alternativ. Om din produkt har OH-grupper (alkoholer, fenoler eller karboxylsyror) lönar det sig att använda etanol. Bra alternativ kan hittas i CRC handbook of chemistry and physics där föreningarnas lösligheter i de vanligaste lösningsmedel har tabellerats. Ofta då man omkristalliserar använder man en blandning av lösningsmedel. Kristallerna löses då först i det bättre lösningsmedlet (så liten mängd som möjligt, het) och sedan tillsätter små portioner av det sämre lösningsmedlet. Tillsatsen av det sämre lösningsmedlet leder till en instabil grumling.

35 Tillsatsen fortsätts tills grumlingen just och just försvinner. Båda lösningsmedlen skall naturligtvis blandas fullständigt. Om faserna separerar sker ingen kristallisering. Du kan använda dig av följande lösningsmedelskombinationer. 35 Problem vid kristallisation. Kristallisationsprocessen fungerar nästan aldrig problemfritt. Även om rätt lösningsmedel har valts kan de hända att kristallisationen inte startar fastän man använder isbad. Detta kan bero på att lösningen blivit övermättad. Då är det lättast att använda sig av sk. ympningskristaller om de finns tillgängliga. Andra alternativet är att skrapa kolvens innervägg med en glasstav. Mikropartiklarna som lossar då kan fungera som kristallisationscentran och produkten börjar kristallisera. Om ingetdera fungerar kyls lösningen med ett etanol-koldioxidbad (-76 ) och kolvens väggar skrapas med glassatv. Sista chansen är att försöka koncentrera lösningen med t.ex. rotavapor och hoppas på det bästa. Nackdelen i denna metod är att då lösningsmedelblandningar används indunstas först det bättre lösande lösningsmedlet vilket leder till fasseparation. Då måste man börja om från början. Vid kristallisationsprocessen kan någon gång separeras en andra vätskefas som kallas för olja. Oljan kristalliserar först efter att ha stått en lång tid. Dessa kristaller innehåller moderlösning och kräver därför ytterligare rening. Oljebildningen kan undvikas genom att späda ut lösningen, vilket däremot minskar märkbart på utbytet. En annan metod för att undvika oljebildning är återuppvärmning av lösningen varefter lösning kyls under omrörning vilket leder till att den bildade oljan omvandlas till en dispersion. Till slut bildas relativt rena kristaller. Omrörningen kan avslutas ifall ingen olja kan ses. Användningen av ympningskristaller kan hjälpa i denna metod.

36 36 Destillering Ett av de mest centrala sätten att rena flyktiga föreningar i organisk kemi är destillering. I destillering förångas det organiska materialet genom uppvärmning till kokpunkten. Den bildade ångan kyls till vätska varefter destillatet fås. Destillering kan göras på ett antal olika sätt. Metoden som används beror på föreningen som skall destilleras både på dess egenskaper och på de orenligheter som den innehåller. De vanligaste destillationsmetoderna är: rak destillering, fraktionsdestillering, destillering i undertryck (vakuumdestillering), vattenångdestillering och Kugelrohr-destillering. Sublimering där ett fast ämne förångas är en slags destillering. Föreningarna som skall separeras införs i en kolv och uppvärms tills den lättflyktigare föreningen kokar. Vid det här skedet avläser man termometern och får kokpunkten för föreningen. Ångan vandrar till kylaren var den kondenserar till vätska och rinner i produktkolven. När destilleringen slutar eller kolven kokar torr, avslutas destillationen eller produktkolven byts för den andra produkten. Utgångskolven får aldrig destilleras helt torr. Vanlig destillationsapparatur kan ses på sidan 11. Utgångskolven väljs så att vätskan fyller minst halva kolven men högst 2/3. I utgångskolven sätts 1-3 kokstenar ifall magnetomrörning inte används. När vätskans kokpunkt är 120 används flödande vatten i kylaren. Om kokpunkten är används stående vatten och när kokpunkten är över 150 används luftkylning (vattnet släpps ut). Kolven uppvärms försiktigt tills vätskan börjar koka. När vätskan börjar destillera och droppa i produktkolven justeras uppvärmningen så att dropphastigheten är 1 droppe/ 2 sekunder. Destillationen avslutas alltid före kolven är helt torr. Många vätskor speciellt alkener och etrar kan innehålla peroxider som koncentreras i destillationsåterstoden och kan explod era vid överhettning. Droppdestillering Då man vill destillera stora mängder lösningsmedel från en liten kolv används dropp-destillering. Detta sker normalt då man vill skilja lösningsmedlet från den egentliga produkten. Under destilleringen tillsätts lösnings-medel i utgångskolven från dropptratten. Utgångskolvens storlek väljs så att den lämpar sig bra för blandningen som blir kvar efter att lösningsmedlet destillerats bort. På detta sätt undviks antingen destillering av en liten mängd produkt från en otympligt stor kolv eller byte av utgångskolv till en mindre för vidare destillering. Istället för att använda droppdestillering kan lösningsmedlet tas bort med en rotavapor.

37 37 Fraktionsdestillering Två ämnen som blandas med varandra kan endast separeras med destillering då deras kokpunkter skiljer sig tillräckligt från varandra (20-80 ). Ifall skillnaden är liten kan inga rena, vid konstant temperatur kokande destillat erhållas. Istället stiger temperaturen kontinuerligt under destillationen. Föreningarna separerar bättre då man inför en Vigreaux-kolonn mellan utgångskolven och destillationsdelen. Kolonnens uppgift är att bilda en så stor yta som möjligt vilket underlättare de högre kokande komponenterna att kondenseras och separeras från de lägre kokande vilka fortsätter till kylaren. Fraktionerna som kokar vid olika temperaturer samlas i egna kolvar.

38 38 Vakuumdestillering Vakuumdestillering används för att rena föreningar med hög kokpunkt, för fasta ämnen eller föreningar som sönderdelas i normalt tryck vid temperaturen som motsvarar dess kokpunkt. I vakuumdestillering fås vakuum m. h. a. en vattenstråle- eller oljepump vilket sänker föreningens kokpunkt. Apparaturen är annars likadan som i destillering i normalt tryck förutom att från sammanbindningsröret leds en slang via manometern till Wulffs-flaskan och vidare till pumpen. Från manometern kan avläsas undertrycket i kvicksilvermillimetrar (mmhg) när bästa undertrycket uppnåtts. Wullfs-flaskans uppgift är att hindra vatten att komma in i produktkolven. Apparaturen kan suga i sig vatten från pumpen ifall trycket inte har utjämnats före man stänger den. Speciellt viktigt är att fästa både Wullfs-flaskan och manometern i ett stativ för att undvika kvicksilvermanometern för att gå sönder. I vakuumdestillering måste man använda vakuumkokstenar istället för normala. Ifall destillationen avbryts måste nya kokstenar införas före man fortsätter. Magnetomrörning kan användas istället för kokstenar. Innan man börjar destillera bör man pröva vakuumapparaturen med tomma kolvar. När apparaturen byggts upp kollas att systemets slipanslutningar är täta och att inga spänningar mellan delarna förekommer. Först öppnas Wulffs-flaskan, manometern stängs och vattenstrålepumpens kran öppnas helt. Sedan stängs Wulffs-flaskan och systemet börjar suga vakuum. Undertrycket kontrolleras genom att öppna manometerns kran. Undertrycket avläses genom att beräkna skillnaden mellan kvicksilverpelarna (skala millimetrar). Till slut stängs manometerns kran och Wulffs-flaskan öppnas varefter luft fås i systemet. Efter prövningen kan man införa i kolven lösningen som skall destilleras och kokstenar ifall man inte använder magnetomrörning. Vakuum sugs i systemet (beskrivet ovan) varefter uppvärmningen påbörjas efter att ett stabilt undertryck uppnåtts. När föreningen börjar destilleras avläses undertrycket från manometern och noteras för rapportering. Efter att produkten destillerats färdigt släpps systemet i normaltryck (beskrivet ovan), uppvärmningen avslutas och vattenstrålepumpens kran stängs. I laboratorierna för organisk kemi används två olika typer av pumpar: Vattenstrålepumpar finns i varje dragskåp och dessutom finns några separata oljepumpar. Med vattenstrålepumpen kan ett

39 39 undertryck mmhg erhållas medan med oljepumpen ett undertryck 0,1-0,001 mmhg (normalt lufttryck 760 mmhg). En separat med el fungerande undertrycksmätare behövs då oljepump används. Kvicksilvermanometer får inte användas. Dessutom måste pumpen skyddas med en fälla av flytande kväve. För att kunna jämföra den uppmätta kokpunkten med referensvärden måste man konvertera värden så att de vore uppmätta vid samma tryck. Detta går lätt genom att använda grafer t.ex. nomogrammet i bilden. I detta nomogram avläses i mitten kokpunkten vid normalt tryck och till höger systemets undertryck. En linje dras mellan dessa punkter och genom att se skärningspunkten i den vänstra skalan fås kokpunkten vid detta undertryck. Exempel: om föreningen kokar i normalt tryck vid 200 och systemets undertryck är 20 mmhg är kokpunkten då ca. 80 vid detta tryck. Repetera säkerhetsaspekterna då man arbetar i undertryck! Sublimering I vissa fall när man upphettar ett fast ämne förångas det rakt till gasform som efter nedkylning kristalliserar på nytt. I kemin kallar man detta för sublimering. Vanliga föreningar som sublimeras är kamfer och selenoxid. Sublimering är exceptionellt bra reningsmetod för föreningar som sublimeras i normal- eller undertryck.

40 40 Sublimering i normaltryck Föreningen som skall renas införs i en porslinsskål vilken placeras på en trefot försedd med ett keramiskt nät. Eventuella lösningsmedel kan indunstas genom att värma skålen med en Bunsenbrännare. När ämnet är torrt placeras ovanpå skålen en ren och torr glastratt med glasull i ändan. Tratten med glasull vägs före sublimeringen. Skålen värms försiktigt med Bunsen-brännaren varefter föreningen börjar förångas och kondenseras på insidan av tratten. När all produkt har sublimerats avslutas upphettningen och apparaturen kyls. Till slut vägs tratten med den renade produkten och beräknar sublimeringsproduktens mängd. Sublimering i undertryck När man sublimerar i undertryck är det bra att använda sig av en specifik vakuumsublimeringsapparatur. Sätt kylvattnet i kylare och rinna, kolla att sugflaskans kran är öppen, öppna vattenstrålepumpen helt och stäng till sist sugflaskans kran. Avläs undertrycket och stäng manometerns kran. Uppvärm värmebadet till en önskad temperatur så att produkten sublimeras med lämplig hastighet. Produkten som sublimeras fastnar på kylfingrets yta och återstoden blir kvar på bottnen av röret. När sublimeringen slutar eller produkten bildar ett för tjockt skikt på kylfingret, vilket kan falla tillbaka till bottnen, avslutas uppvärmningen och systemet släpps till normalt tryck genom att öppna sugflaskans kran. Ta loss kylfingret försiktigt så att produkten inte faller. Skrapa m. h. a. en spatel produkten i en ren burk med kork. Produkten är ren ifall råprodukten inte har innehållit orenligheter som sublimerar i samma förhållanden som produkten. Ingen torkning behövs p.g.a. att lösningmedelsresterna indunstar då man suger vakuum.

41 41 Kromatografiska metoder Kromatografi är en metod som används för att separera, rena och bestämma. Komponenternas separation baserar sig på deras rörelse jämfört med den stationära fasen (fast eller vätska) och med den mobila fasen (vätska eller gas). Olika kromatografiska metoder är pelarkromatografi, papperskromatografi, tunnskiktskromatografi (TLC), gaskromatografi (GC) och vätskekromatografi (LC). Kamrarna som används för kromatografin är flatbottnade kärl med lock helst isolerade med filterpapper. I kammaren hälls ett ca. 0,5 cm tunt skikt av eluent. Kammaren får stå en stund så att lösningsmedlets ånga mättar kärlet. I tunnskiktskromatografi används som stationärfas aluminiumplattor med ett tunt lager kiselgel. Av plattorna kan klippas med sax en skiva av önskad storlek (8 x 2,5 cm är passlig för 2-3 punkter). Hantera skivan varsamt för att undvika skråmor och ytbeläggning att lossa. På skivan markeras en startlinje ungefär 1 cm från skivans nedre kant. En ca. 1%-lösning av den analyserbara produkten görs genom att använda ett lättflyktigt lösningsmedel. Lösningen droppas på startlinjen m. h. a. ett tunt kapillärrör och låter punkten torka. Skivan flyttas med pincett i kammaren stående. Punkterna bör befinna sig ovanför eluentnivån vid starttillfället. I den mättade kammaren stiger lösningen längs stationärfasen uppåt. De olika komponenterna i reaktionsblandningen samt utgångsämnena rör sig med olika hastigheter i närvaro av eluenten. Lösningsmedelsfronten får stiga till ca. 1 cm från skivans övre kant varefter nivån märks och skivan torkas i dragskåpet. Punkterna kan observeras antigen med UV-ljus eller genom att färga plattan med ett lämpligt reagens. För att identifiera föreningarna används deras Rf-värden som hjälpmedel. Rf = distansen som provet rört sig/ distansen som eluenten rört sig.

42 42 Rapportering av synteserna Av varje utförd syntes ifylls en syntesblankett, följande saker fylls i Syntesproduktens namn på svenska Instruktionernas och reaktionsmekanismens referenser Reaktionslikheten, reaktionsmekanismen på baksidan Info om utgångsämnen som använts: namn på svenska, molmassan (molekylvikten) som heltal (g/mol), massan (vikten) (g), molmängden (mol). Om utgångsämnena har uppmätts i volymer, beräknas också dess massa. I alla talvärden används två gällande siffror Info om produkten: molmassan (molekylvikten) som heltal (g/mol), teoretiska utbytet, instruktionernas utbyte samt egna utbytet (g) och molmängd (mol) samt utbytesprocenterna, fysikaliska konstanterna med referensvärden: smältpunkten och kokpunkten med en siffras noggrannhet samt trycket, brytningsindexet med apparaturens noggrannhet och färg Bedömning av renheten: skillnaden i smältpunkt, på basen av gaskromatogrammet eller brytningsindexet samt eventuella orenligheter Bestämning av renhetsklassen med den givna formeln eller med skilda direktiv Vitsordet av arbetet med den givna formeln Datumet då arbetet gjordes Utförarens namn När du beräknar ämnesmängder observera skalan i arbetsinstruktionernas nedre kant. För att minimera kostnaderna har ämnesmängderna sänkts till så små som möjligt. När ämnesmängderna konverteras från instruktionernas mängder, väljs reaktionskärlen därefter. Reaktionstiderna förändras inte i samma skala! För att ta reda på reaktionsmekanismen använd mapparna som finns i assistentrummet eller t.ex. någon av följande böcker Glayden, Greeves, Warren and Wothers, Organic Chemistry Streitwieser, A., Heathcock, C. H. & Kosower, E. M., Introduction to Organic Chemistry J. March: Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure McMurry: Organic Chemistry E. S. Gould: Mechanism and Structure in Organic Chemistry H. G. O. Becker: Elektronentheorie organisch-chemischer Reaktionen P. Sykes: A Guidebook to Mechanism in Organic Chemistry R. Bruckner: Advanced organic Chemistry Fessenden & Fessenden: Organic Chemistry Med syntesblanketten returneras också kvittot från smältpunktsapparaten, IR-spektra tolkat antingen i spektra eller på ett skilt papper samt syntesprodukten i en burk, där utförarens och produktens namn samt datum och mängden förekommer. Utbyte Den isolerade produktens eller produkternas mängd kallas för utbyte. Syntesen utbyte presenteras i allmänhet som procentuell andel av det teoretiska utbytet. Teoretiska utbytet (högsta mängden som kan fås, 100 %) beräknas från den balanserade reaktionslikheten enligt utgångsämnet som använts stökiometriskt minst av. Exempel: det teoretiska utbytet för bromering av trans-stilben fås från trans-stilbenens mängd. I syntesen används 0,0055 mol trans-stilben och 0,0063 mol brom alltså

43 brom har använts i överskott. Från reaktionslikheten kan ses att i teorin behövs det endast 0,0055 mol brom alltså lika mycket som trans-stilben. Bedömning av produktens renhet 43 I organiska laborationer används följande klassificering vid bedömning av syntesproduktens renhet: Renhetsklass 1 (n=1): purissimum och purissimum p.a., halt över 99 % Renhetsklass 2: purum och purum p.a., halt över 97 % Renhetsklass 3: practicum, halt ca. 95 % Renhetsklass 4: tekniska kemikalier, halten varierar Föreningar i renhetsklass 1 lämpar sig för analyser, i klass 2 för de flesta analyser och klass 3 för syntesanvändning. Studerande måste själv ta reda på till vilken klass syntesprodukten hör. Föreningar i klass 4 måste renas på nytt. Produkter i renhetsklassen n=1 måste fylla följande krav: Smältpunkten får avvika högst 1 jämfört med referensvärdet eller kokpunkten vara rätt Kvaliteten av produkten är jämn och färgen rätt Brytningsindexet för vätskor får högts avvika 0,001 från referensvärdet. ( i grundarbeten godkänns produkten som renhetsklass n=1 om brytningsindexet avviker högst 0,003) Med hjälp av smältpunkten kan man bestämma kristallina produkters renhetsprocent och -klass. Vätskors brytningsindex berättar endast om renhetsklassen är 1 eller lägre. Vätskors renhetsklass kan bestämmas med gaskromatografi ifall inga oeluerande föreningar är närvarande. När utbytet och renhetsklassen känns till beräknas vitsordet för syntesen genom att använda formlerna i blanketten. OBS! I organisk 1-arbeten används annan formel än i 2- och laudaturarbeten. IR-tolkning IR-spektran tolkas antingen i spektra eller på ett skilt IR-tolkningspapper. I spektra märks ut absorptionsbandets nummer och i blanketten märks samma nummer, bindning eller funktionalitet, observerat vågtal, referensvågtalet samt bandets intensitet. Eventuella korrigeringar görs på en ny rad, inte på den tidigare.

44 44

45 45 Synteser Meso-1,2-dibrom-1,2-difenyletan Reaktionsmekanism: elektrofil addition till dubbelbindning Reagens Arbetssäkerhet Utrustning och apparatur 1 g trans-stillben 10 ml diklormetan 10 ml 10 % (w/v) bromdiklormetanlösning cyklohexen Brom är extremt toxiskt och frätande. Brom hanteras i dragskåpet med skyddshandskar på händerna. (T. Simonen: Arbetsmetodkompendiet s. 53) 50 ml kolv med makroslip litet måttglas Büchner-tratt, sugflaska + gummitätning urglas sugfiltreringsapparatur Torkning av ett fast ämne 5 ml diklormetan Utförande I en 50 ml:s kolv löses 1 g trans-stillben med 10 ml diklormetan. Lösningen omrörs magnetiskt varefter 10 ml 10 % -tig brom-diklormetanlösning tillsätts. Ifall bromfärgen försvinner tillsätts ytterligare brom-diklormetanlösning i 1 ml:s portioner tills färgen blir kvar. Dibromföreningen separerar som vita kristaller från lösningen. Tillsätt nu droppvis cyklohexen för att avskaffa överskottet brom. Sluta tillsatsen av cyklohexen genast när bromfärgen försvunnit. Till slut nedkyls reaktionsblandningen i ett isbad. Isolering och rening Den fasta produkten sugfiltreras. Fällningen tvättas med 5 ml kall diklormetan och torkas genom att suga luft i filtrerapparaturen. Flytta produkten på vägt urglas och väg den fullständigt torra produkten. På den torra produkten mäts smältpunkt. Meso-1,2-dibrom-1,2-difenyletan smälter mellan Instruktionens utbyte är 75 %. Produktens karaktärisering Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten. Produktens renhet kontrolleras med TLC (1:2 diklormetan:petroleter)

46 46 Acetylsalicylsyra (aspirin) Reagens Arbetssäkerhet Utrustning och apparatur 5,0 ml ättiksyraanhydrid 2,8 g salicylsyra 3-4 droppar konc. svavelsyra Ättiksyraanhydrid är lättflyktigt och irriterande 100 ml kolv magnetomrörning vatten- och isbad Büchner-tratt, gummitätning, sugflaska sugfiltreringsapparatur, omkristallisationsapparatur Utförande Salicylsyra 2,8 g vägs i en torr 100 ml:s rundkolv. I kolven införs 5,0 ml ättiksyraanhydrid och 3-4 droppar konc. svavelsyra. Den vita fällningen som bildas magnetomrörs. Kolven placeras i ett varmt vattenbad för 15 min varefter kolven kyls till rumstemperatur och 50 ml vatten tillsätts. Fällningen finfördelas med en spatel. isolering och rening Kolven får stå i ytterligare 5 min varefter kolven kyls i ett isbad. Kristallerna filtreras genom sugfiltrering. Produkten omkristalliseras från het etanol-vatten-lösning (30 % EtOH, 70 % vatten). Temperaturen får inte överskrida 80 (kolla OBS). Renade kristallerna filtreras och lufttorkas. Smältpunkten för ren aspirin är 135 och instruktionens utbyte 80 %. OBS. Om temperaturen överskrider 80 bildar aspirinen en olja som löser organiska orenligheter från vatten. Oljan är svårlöslig i vatten. Produktens karaktärisering Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten.

47 47 Etylpropanat Reaktionsmekanism: syrakatalyserad esterifiering. Syran katalyserar reaktionen genom att protonera propansyran. Den bildade katjonen är då resonansstabiliserad. Etanol fungerar som nukleofil och attackerar katjonen. Efter detta sker protonöverföring och en vattenmolekyl klyvs. Reaktionen är nukleofil acylsubstitution. Reagens Arbetssäkerhet Utrustning och apparatur 10 ml Aa-etanol 14 ml propansyra Konc. svavelsyra 40 ml eter 2 M NaHCO3-lösning MgSO4 Koncentrerad svavelsyra är extremt frätande. Eter är lättantändlig och indunstande vätska Etanol är lättantändlig vätska 50 ml kolv återloppskylare oljebad måttglas 250 ml skiljetratt 250 ml Erlenmeyer glastratt destillationsapparatur droppdestillationsapparatur Utförande I en 50 ml:s kolv blandas 10 ml (7,8 g) etanol och 14 ml (13,9 g) propansyra. 2-3 droppar koncentrerad svavelsyra (katalysator) tillsätts försiktigt och omrörs väl. I kolven införs en magnet varefter reaktionskolven uppvärms 1h i ett oljebad. Reaktionsbladningen nedkyls till rumstemperatur. Isolering och rening Den nedkylda reaktionsblandningen hälls i en skiljetratt med 40 ml vatten. Eter, 40 ml, tillsätts varefter lösningen skakas (skyddsglasögon) försiktigt och skikten får separera. Vattenfasen släpps ut ur skiljetratten i något kärl. Eterfasen som blivit i skiljetratten tvättas med 20 ml vatten (skakas med vattnet). Efter att skikten separerats släpps tvättvattnet ut.

48 48 Eterfasen tvättas sedan med 2x40 ml 2 M NaHCO3-lösning för att få bort oreagerad syra. Speciell försiktighet krävs i detta skede då det bildas tryck p.g.a. koldioxiden som frigörs när man neutraliserar syra. Syran förflyttas till vattenfasen som ett salt. Till slut tvättas eterfasen med 2x20 ml vatten. När tvättvattnet släpps ut så noggrant som möjligt flyttas eterfasen till en Erlenmeyer och torkas med vattenfri magnesiumsulfat. Efter att lösningen torka i 30 min filtreras den genom en glastratt med lite rent vadd. I en kolv införs en del av eterlösningen och en magnet varefter etern droppdestilleras bort genom att använda vatten- eller oljebad. Produkten renas genom destillering. Etylpropanatens kokpunkt är 99 (använd oljebad). Instruktionens utbyte är 60 %. Produktens karaktärisering Brytningsindex och IR-spektra mäts för produkten.

49 49 Bensoin När aromatiska aldehyder behandlas med alkaliska cyanider i vattenlösning, bildas kondensationsprodukter -hydroxiketoner, bensoiner. Detta kallas för bensoinkondensation. Det mest kända exemplet är kondensation av bensaldehyd till bensoin. Mekanism: A. Streitwieser, C. H. Heathcock and E. M. Kosower, Introduction to Organic Chemistry, 4. p., Macmillan, New York 1992, s Reagens Arbetssäkerhet Utrustning och apparatur 2,5 ml bensaldehyd 5 ml teknisk alkohol 0,25 g kaliumcyanid Kaliumcyanid är toxiskt och frätande kristallint ämne. Avskaffning av cyanidavfall: P. Tilus, T. Asikainen, Turvallinen työskentely laboratoriossa, Helsingin yliopisto 1996, s ml kolv återloppskylare vattenbad Erlenmeyer Büchner-tratt, gummitätning Bensaldehyd är irriterande sugflaska Utförande I en 50 ml:s rundkolv införs 5 ml teknisk etanol, 2,5 ml ren bensaldehyd och 0,25 g kaliumcyanid (renhet %) upplöst i 4 ml vatten. OBS! Arbetet måste definitivt göras i dragskåp. Bygg en refluxapparatur med vattenbad i vilken reaktionsblandningen uppvärms i 30 min. Kolven kyls sedan i ett isbad. Råprodukten filtreras, tvättas med vatten och torkas. Filtraten samlas i ett skilt kärl för avfallshantering av cyanider. Isolering och rening Råprodukten omkristalliseras från etanol. Bensoin kristalliseras som vita kristaller med smältpunkten 137. Instruktionens utbyte är 2,1 g. Produktens karaktärisering Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten.

50 50 Reduktion av bensoin 1,2-difenyletan-1,2-diol Vid reduktion av ketoner kan reaktionens stereokemi påverkas med hydroxigrupperna nära karbonylgruppen. Detta arbete beskriver stereoselektiv reduktion av bensoin med borhydridreagens. Mekanism: Organisk kemi grundarbeten I mapp (Assistentrummet) Reagens Arbetssäkerhet Utrustning och apparatur 2,00 g bensoin Bensoin irriterar huden. magnetomrörning 0,40 g NaBH4 Aa-etanol HCl (6 M) NaBH4 är frätande och lättantändligt Etanol är lättantändligt HCl är frätande sugfiltreringsapparatur omkristallisationsapparatur Utförande I en 100 ml:s Erlenmeyer löses bensoinen med 20 ml Aa-etanol (1). Blandningen omrörs magnetiskt och små portioner NaBH4 tillsätts under fem minuter tid (2). Omrörningen fortsätts 20 min i rumstemperatur. Reaktionskolven kyls sedan i ett isbad varefter 40 ml vatten och 1 ml 6 M saltsyra (3) tillsätts. Omrörningen fortsätts ytterligare i 20 minuters tid. 1) Lösligheten behöver inte vara fullständig 2) Obs! Reaktionen är exotermisk 3) Blandningen kan skumma Isolering och rening Reaktionsblandningen sugfiltreras och tvättas ordentligt med 100 ml vatten. Råprodukten omkristalliseras från etanol-vatten (1:1)-blandning. Instruktionens utbyte är 90 %. Produkten karaktärisering Kontrollera produktens renhet med TLC (etylacetat:hexan, 1:2). Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten.

51 51 p-metylacetofenon Mekanism: A. Streitwieser, C. H. Heathcock and E. M. Kosower, Introduction to Organic Chemistry, 4. p., Macmillan, New York 1992, s Reagens 15 g AlCl3 25 ml toluen 4,8 ml ättiksyraanhydrid Arbetssäkerhet Aluminiumklorid bilar p.g.a. luftens fukt HCl och reagera intensivt med vatten. AlCl3- damm är skadligt vid inandning. Toluen är lättantändligt Ättiksyraanhydrid är en lakrymator och frätande Utrustning och apparatur 100 ml:s trehalskolv med dropptratt, CaCl2-rör, mekanisk omrörare, återloppskylare, PVC-slang + tratt 250 ml:s dekanterglas oljebad skiljetratt vakuumdestillationsapparatur Utförande I en 100 ml:s trehalskolv fästs en dropptratt försedd med ett kalciumkloridrör (om dropptratten är en tryckutjämnande sätts endast en glaspropp), mekanisk omrörare och en återloppskylare försedd med gasfälla. I kolven införs 15 g malen aluminiumklorid och 25 ml toluen. Omrörningen startas varefter 5,1 g (4,8 ml) acetanhydrid tilldroppas via dropptratten. Tilldroppningen görs på 15 min vilket leder till att temperaturen för reaktionsblandningen stiger till 90 och rikligt med HCl-gas frigörs. Blandningen uppvärms i 30 min eller tills ingen HCl-gas frigörs mer. Blandningen nedkyls till rumstemperatur varefter den hälls på 30 g is som blandats med 30 ml konc. saltsyra. Detta omrörs tills alla aluminiumsalter löst sig. Isolering och rening Toluenfasen separeras, tvättas med vatten och 10 % -tig NaOH-lösning tills tvättlösningens ph är på basiska sidan. De kombinerade vattenfaserna tvättas en gång med toluen varefter toluenfasen kombineras med den ursprungliga toluenfasen (en s.k. återextraktion görs). Till slut tvättas toluenfaserna en gång med vatten. Lösningen torkas med magnesiumsulfat och återstoden destilleras med Claisen-del i normalt tryck: temperaturen får stiga till 125 varefter lösningen får svalna. Destillationen fortsätts i undertryck. Alternativt kan toluenen indunstas med rotavapor. Mellan / 7 mmhg (kokpunkten i normalt tryck 225 ) samlas den kokande p- metylacetofenonen. Instruktionens utbyte är 5,8 g. Produktens karaktärisering Brytningsindex och IR-spektra mäts för produkten.

52 52 p-bensokinon OH O KBrO 3 Utspädd H 2 SO 4 OH O Mekanism: Organisk kemi grundarbeten I mapp (Assistentrummet) Reagens Arbetssäkerhet Utrustning och apparatur 2,5 g hydrokinon Hydrokinon är skadligt 100 ml:s kolv och propp 1,4 g kaliumbromat KBrO3 är oxiderande och exploderande sugfiltreringsapparatur 1,2 ml svavelsyra (2 M) sublimeringsapparatur OBS! Produkten är toxisk och irriterar huden, ögonen samt andningsorganen Utförande I en 100 ml:s kolv införs i följande ordning kaliumbromat, 2 M svavelsyra, vatten (25 ml) och hydrokinon. Blandningen omrörs kraftig 30 min i rumstemperatur. Reaktionen är färdig när den i början svarta blandningen förändras till gulfärgad (gulgrön). Isolering och rening Sugfiltrera fällningen och tvätta den med iskallt vatten. Låt produkten torka under sug i Büchnertratten. Råprodukten renas genom vakuumsublimering (temperaturen som rekommenderas för värmebadet är 70 ). p-bensokinonens utbyte är 1,3 g och smältpunkten 115. OBS! Produkten löser sig i vatten, alltså tvätta inte produkten för mycket annars försvinner produkt vid filtreringen. Speciellt oren produkt sönderfaller lätt, använd inte för lång tid vid isoleringen och reningen. Produktens karaktärisering Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten.

53 53 Infrarödspektroskopi I grundarbetena bekantar man sig med infrarödspektroskopi. I infrarödspektroskopi mäts infrarödstrålningens absorptionsspektra för det analyserbara ämnet. Spektret presenteras vanligtvis som en funktion av vågtalets transmittans (= cm:s inversionstal). Mittområdets (2,5 50 m; cm -1 ) infraröda strålning är energetiskt tillräckligt starkt för att orsaka excitation i molekylernas vibrationsnivåer. IR:s absorptionsbältens våglängder är specifika för olika bindningstyper. Man kan säga att bindningens vibration (kan vara stretchvibration (v) eller böjningsvibration ( )) syns oftast som ett absorptionsbälte (pik) i IR-spektra. En viss bindnings eller bindningsgrupps absorptionsbälte befinner sig alltid på samma ställe i spektra oberoende av vilken molekyl är i fråga. IR-spektroskopi används främst för att bestämma och identifiera organiska föreningar eller organometallföreningar. Tolkning av spektra De flesta funktionella grupper absorberar i området cm -1. Detta område tolkas alltid först och jämför de noterade absorptionerna med tabellerade referensvärden. Polära grupper absorberar ofta vid lägre frekvenser och är breda p.g.a. vätebindning (t.ex. hydroxi- och aminogrupp). Mellan cm -1 finns absorptionerna (fingerprintområde) som är normalt svåra att tolka för att området innehåller många olika böjnings- och stretchningsvibrationer. Vid tolkning av detta område lönar det sig att vara försiktig. Under 900 cm -1 finns IR-absorptionerna vilka är nyttiga för att bestämma aromatiska ringens substitutionsmönster. För nybörjaren lönar det sig att söka de tydliga funktionaliteterna som hydroxigrupper (alkohol och fenol) aminogrupper (amin eller amid), karbonyler (aldehyd, keton, ester, amid), karboxylgrupper (bred OH och karbonyl), och om det eventuellt finns aromaticitet. I tabellen finns en kort lista på de mest typiska IR-absorptionerna för organiska föreningar. Litteratur: E. Pretsch, P. Bühlmann, C. Affolter, Structure Determination of Organic Compounds, 3. p., Springer T. Hase, Tables for Organic Spectrometry, Otatieto, Esbo. D. H. Williams och I. Fleming, Spectroscopic methods in organic chemistry, 5. p., McGraw- Hill Book Company Limited, Maidenhead 1989.

54 54